Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008

Università di Trento

Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e delle Tecnologie Industriali

Gruppo di ricerca

Area Costruzione di macchine

Vigilio Fontanari Prof. associatoMatteo Benedetti RicercatoreBernardo Monelli DottorandoAndrea Rao Dottorando

Area Metallurgia

Giovanni Straffelini Prof. Associato

Area Materiali Polimerici e Compositi

Alessandro Pegoretti Prof. Associato


Introduzione

Sommario

-Attività svolte e competenze acquisite, principali pubblicazioni

-Attrezzature disponibili

-Filoni di ricerca di interesse in prospettiva

Attività svolte

Le attività svolte nell’ambito dei sistemi di giunzione hanno riguardato due filoni principali:

-Caratterizzazione meccanica e microstrutturale di giunti saldati

-Caratterizzazione meccanica di giunti incollati e degli adesivi

L’attività è stata principalmente condotta nell’arco di tempo tra il 1996 e il 2004


Attività svolta: principali filoni di ricerca

Saldature

Incollaggi

1. Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063 (1996-1999)

2. Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa (1996-1999)

3. Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche (2000-2003)

4. Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica (1998-2002)

1. Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi (1999-2001)

2. Analisi del comportamento a creep di giunti incollati (2001-2003)

3. Analisi termo-meccanica di giunti tubolari incollati per applicazioni in circuiti frigoriferi (2002-2004)


Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063

Obiettivo del lavoro: Studio dell’effetto di trattamenti termici (invecchiamento, solubilizzazione ed invecchiamento) e meccanici (pallinatura 1 e 2) sul comportamento a fatica di giunti saldati

Attività sperimentale Modellazione numerica

Giunzione saldata ad X con la tecnica GMAW, materiale di apporto Al4043 (Al-Si)

- Caratterizzazione microstrutturale,analisi TEM dei precipitati coerenti, tensioni residue superficiali (diffrattometria X), profili microdurezza

- Curve di fatica: fino a 5.106 cicli

- Modellazione del profilo di tensione residua

- Simulazione del rilassamento delle tensioni residue

Effettivo ciclo di sollecitazione nei punti critici



Materiale come saldato (a.w.) Informazioni ottenute dall’osservazione T.E.M

precipitati incoerenti

solubilizzazione dei precipitati

Precipitati coerenti e semicoerenti

Materiali a.w. e inv.

Confronto diversi trattamenti

Tensioni residue (XRD)

Ca. 5 mm

Cordone disaldatura

Punti dimisura

B

A



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5-80

-60

-40

-20

0

20

40

(max,nom)

= 89 MPa

(max,nom)

= 120 MPa

tens

ione

(M

Pa)

distanza dalla superficie (mm)

Risultati della modellazione numerica

Profili di tensione residua dovuti a locale plasticizzazione Evoluzione dei profili di tensione residua preesistenti

Curve di resistenza a fatica a numero di cicli costante

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

25

50

75

100

125

150

175

200

R=

-1

R=1

R

Curve a numero di cicli a rottura N costante

N=2*106

N=1*106

N=3*105

(

MP

a)

tensione media m

(MPa)


Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa

Obiettivo del lavoro: sviluppo di una funzione peso per la previsione della propagazione per fatica di fessure in piastre ortotrope saldate. Effetto delle tensioni residue di saldatura

W = 281

340

300

80

12

6

R = 25

G

x

a

0

K a x h x a dxI n

a

( ) ( , )0

h x aW

a

W

x

a

x

aij

i

j

m

i

nj p

p

j p

p( , )

21 1

32

11

2 2

2

2 2

2

da

dNC K Kn

thn ( )

KK C R R R

K C R R Rthth

th

0 0 0

0 0 0 0

1

1

for

for

C

B

B

AB

A no constraints

B symmetrical constraints

C axial load

B

A

crack tip


Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa

KA>0

KB = 0A

B

B < 0

A > 0

Residual stress path

Partially opened crack

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

20

40

60

80

100

120

140

160

180

A : c o n s i d e r i n g r e s i d u a l s t r e s s e sB : d i s r e g a r d i n g r e s i d u a l s t r e s s e s

A B R = 0 R = 0 , 2 R = 0 , 4 R = 0 , 6

I n f i n i t e f a t i g u e l i f e

n

( M

P a

)

c r a c k l e n g t h ( m m )

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

140

160

180

C y c l e s t o f a i l u r e

1 0 7 1 0 5 R = 0 R = 0 , 2 R = 0 , 4 R = 0 , 6

n

( M

P a

)

c r a c k l e n g t h ( m m )

3

12

4

65

0 50 100 150 200 250 300-150

-100

-50

0

50

100

150

6

5

4

3

2

1

r e s i d u a l s t r e s s p a t h

c u r v i l i n e a r c o o r d i n a t e ( m m )

M P a


Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche

Obiettivo del lavoro: studio, mediante prove di laboratorio, del comportamento a fatica delle giunzioni saldate di un telaio ciclistico: influenza di modifiche microstrutturali locali indotte dalla saldatura ed effetto della pallinatura e della geometria del tubo.

Attività sperimentale Modellazione numerica

Definizione di un’attrezzatura di prova per lo studio del giunto tubo obliquo/tubo sterzo

Su telaio

Prove di fatica su diverse varianti di giunto diversificate per condizioni metallurgiche e per geometria



Geometria circolare Geometria a goccia



Analisi dei risultati mediante approccio basato su tensioni di hot-spot e su weld stress intesity factor

Miglior razionalizzazione dei dati ottenuti, miglior interpretazione dei fenomeni di danno locale


Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica

Obiettivo del lavoro: definire criteri utili per la progettazione antisismica di collegamenti flangiato-bullonato in considerazione dell’alta vulnerabilità sismica delle connessioni saldate

Caratterizzazione sperimentale

Curva ciclica del materiale de finizione dei parametri del modlelo di Lemaitre Caboche

Prove in piena scala su particolare di collegamenti trave-colonna

Modellazione numerica Simulazione ad elementi finiti del raggiungimento delle condizioni di collasso elastoplastico del giunto a seguito della propagazione di fessure alla radice del cordone di saldatura

Modello coesivo di propagazione

Prove di meccanica della frattura in regime elastoplastico



Cicli di isteresi per diversi livelli di ampiezza di deformazione

Curva ciclica e parametri del modello di Lemaitre Caboche

Modello FEM di uno dei giunti studiati


Giunti saldati: principali pubblicazioni

M. Beghini, L. Bertini, V. Fontanari: “Fatigue life evaluation by weight functions for orthotropic bridge decks” Theoretical and applied fracture mechanics, Vol. 28, 1997, pp. 41-50

L. Bertini, V. Fontanari, G. Straffelini: “Influence of post weld treatments on the fatigue behaviour of Al-alloy welded joints” International journal of fatigue, Vol. 20, 1998, No. 10, pp. 749-755

Benedetti M., Fontanari V., Valenari A., "Fatigue behaviour of Al-alloy bike frames welded joints". A cura di Blom A., EMAS, Vol. 1, p. 405-412. Atti del convegno "Fatigue 2002 (Eighth International Fatigue Congress)", Stockholm (Sweden), 3-7 June, 2002

O. Bursi, F. Ferrario, V. Fontanari: “Numerical analysis of the low-cycle fatigue behaviour of bolted steel connections”, 5th Int. Conference on Computational Structures Technology, 6-9 September 2000, Leuven, Belgium, Civil-Comp Press:Edimburgh, 2000, pp. 385-396

Bursi O. S., Ferrario F., Fontanari V., "Non-linear Analysis of the Low-cycle Fracture Behaviour of Isolated Tee Stub Connections". Computers & structures : an international journal, 2002, v. 80, n. 27-30, p. 2333-2360.

Benedetti M., Fontanari V., Slaghenaufi S., Valenari A., "Modellazione numerica e caratterizzazione a fatica di giunzioni tubolari saldate". Atti del convegno "AIAS 2003", Salerno, 3-6 settembre, 2003


Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi

Obiettivo del lavoro: definizione di una procedura di prova per caratterizzare a taglio diverse geometrie di incollaggio

Caratterizzazione sperimentale

Messa a punto delle procedure di incollaggio e caratterizzazione delle proprietà dell’adesivo

Prove di resistenza statica a taglio su ‘double lap joints’

INCOMPLETE POLIMERIZATION

COESIVE FRACTURE


Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi

Modellazione numerica EF del giunto incollato: analisi dello stato tensionale ed interpretazione dei dati sperimentali

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

Circular Square "H" Rect.Transv.

Rect. Long.

ma

x/

av

Rapporto tensione di picco / tensione nominale


Analisi del comportamento a creep di giunti incollati

Obiettivo del lavoro: valutazione della risposta a creep del giunto sulla base di definizione di un modello di risposta viscoelastico lineare dell’adesivo

Sperimentazione in bulk su adesivo

-50 0 50 100 1500

400

800

1200

1600

2000

2400

Conservative (E') and Dissipative (E'') modules

Temperature (°C)

E' (

MP

a)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Freq.

Freq.

Frequency 0.3 Hz 1 Hz 3 Hz 10 Hz 30 Hz

E''

(MP

a)

Furnace

Basement

Vibrophore

Transducer

Moving device Drive

Specimen

Analisi dinamo-meccanica (DMTA) -12-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1012 141618 2022

0

500

1000

1500

2000

2500

log(frequency) Hz

E' (M

Pa)

E'

0

50

100

150

E'' (M

Pa)

E''


Analisi del comportamento a creep di giunti incollati

E(t)

0

300

600

900

1200

1500

1.E-17 1.E-14 1.E-11 1.E-08 1.E-05 1.E-02 1.E+01 1.E+04 1.E+07

TIme (s)

E (

MP

a)

D(t)

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

1.E-17 1.E-14 1.E-11 1.E-08 1.E-05 1.E-02 1.E+01 1.E+04 1.E+07

Time (s)

D (

1/M

Pa)

Principio di sovrapposizione tempo temperatura: curve maestre del modulo di rilassamento E(t) e della cedevolezza a creep D(t)’

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0 2000 4000 6000 8000 10000

time (s)

e (m

m/m

m)

Shear double lap joint

Previsione della risposta a creep del giunto


Analisi termo-meccanica di giunti tubolari incollati per applicazioni in circuiti frigoriferi

Analisi FEM: Distribuzione della temperatura e tensione in uno dei giunti

Obiettivo del lavoro: identificazione di nuove formulazioni di adesivi in grado di garantire la tenuta dell’incollaggio negli intervalli di temperatura previsti nel circuito

Analisi sperimentali: prove di tenuta sui giunti in opera e rilevazioni estensimetriche durante il ciclo termico


Giunti incollati: altre attività

Partecipazione ad un round robin in ambito ESIS TC4 per definizione procedura di prova su double cantilever e tapered double cantilever beam finalizzati all’ottenimento della curva Gc vs crack length


Giunti incollati: principali pubblicazioni

L. Bertini, V. Fontanari, P. Mauri Influenza della forma sulla resistenza a taglio di giunti incollati XXIX Convegno AIAS, Lucca , 2000

V. Fontanari, A. Pegoretti, M. Tassan: Relazione tra proprietà viscoelatiche dell'adesivo e comportamento a creep di giunti incollati XXX Convegno AIAS, Alghero, 2001

M. Tassan, V. Fontanari, P. Mauri: Viscoelastic properties and creep of adhesive joints European Coatings, 78(14), 2002, pp. 53-61

Giunti incollati: altre attività

Gc versus Crack length

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0

Crack length (mm)

Gc

(J/m

2̂)

Eqn. [4] G SBT [J /m2]

Eqn. [5b] G CBT [J /m2]

Eqn. [9b] G ECM [J /m2]


Attrezzature disponibili

• Instron 8516 servoidraulica 100 kN con camera climatica per prove ad alta temperatura (fino

1000 °C)

• MTS bionic servoidraulica 25 kN con camera climatica per prove in temperatura su materiali

polimerici

• Instron 4502 servomeccanica 10 kN con camera climatica ed estensimetro per grandi

deformazioni

• Vibroforo Rumul Mikroton 20 kN per prove di fatica ad elevata frequenza

• Wolpert Pendolo strumentato 300 J

• Microscopio ESEM

• DSC Differential scanning calorimeter Mettler DSC 30/TC15 TA

• DMTA macchina per analisi termo-dinamo-meccanica

• Diffrattometri per misure XRD (tensioni residue)


Attività in prospettiva

Attualmente siamo coinvolti con i colleghi di tecnica della costruzioni (prof. Bursi, ing. Zonta) e macchine (Prof. Battisti) in un progetto finanziato dalla Provincia Autonoma di Trento per la messa a punto di un sistema di monitoraggio del danneggiamento a fatica dei giunti flangiati delle torri eoliche

Recentemente è stata anche ripresa, mediante una tesi di laurea, l’attività di analisi del comportamento a creep dei giunti incollati

- Caratterizzazione meccanica e microstrutturale, nonché modellazione numerica dei giunti saldati

- Caratterizzazione meccanica dei giunti incollati e studio microstrutturale dell’adesivo

Intendiamo contribuire alle attività del neocostituito gruppo di lavoro AIAS puntando sulle competenze finora acquisite:

Completa disponibilità ad affrontare nuovi argomenti di ricerca: partecipare ad altri progetti che dovessero essere avviati

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