Collegamenti saldati

Questo articolo offre una panoramica sui collegamenti saldati, affrontando argomenti quali: Tecniche di saldatura: dai procedimenti manuali; Difetti di saldatura; Controlli non distruttivi; Classificazione e progettazione.

Procedimenti di saldatura

• Sorgente termica che produce alta temperatura in modo localizzato
• Fusione del materiale base più il materiale di apporto
• Protezione del bagno di fusione per evitare reazione con l’aria
• Procedimenti di saldatura:
  • manuali saldatura ossiacetilenica o saldatura ad arco con elettrodi rivestiti
  • semiautomatici saldatura a filo continuo sotto protezione di gas
  • automatici saldatura ad arco sommerso

Procedimenti di saldatura manuali

Saldatura ossiacetilenica:

• reazione tra acetilene ed ossigeno (C₂H₂+O₂=2CO+H2) con produzione di gas riducenti e calore
• materiale di apporto sotto forma di bacchetta metallica

Saldatura ad arco con elettrodi rivestiti:

• arco elettrico fatto scoccare tra materiale base ed elettrodo
• l’elettrodo ha funzione di materiale di apporto; bacchetta metallica con rivestimento la cui fusione
  genera gas per la protezione della zona fusa

Difetti di saldatura

Cricche a freddo

Le cricche a freddo si generano ai bordi della saldatura per effetto dei cicli termici ad elevata velocità di raffreddamento che danno luogo a fenomeni simili a quella della tempera

• la prevenzione da questo fenomeno può ottenersi con un preriscaldamento del pezzo, facendo più passate di saldatura ed utilizzando elettrodi con rivestimento basico

Cricche a caldo

Le cricche a caldo si generano durante la solidificazione della zona fusa e a seguito di scorie provenienti dal materiale base; queste ultime tendono a segregare in zone preferenziali e a temperature più basse del materiale circostante dando luogo a tensioni da ritiro e a non coesione del materiale

Deformazioni permanenti

quando i pezzi da saldare non sono vincolati si hanno spostamenti relativi importanti che possono essere corretti con frecce iniziali di segno opposto, con bloccaggio dei pezzi da saldare o con studio delle sequenze di saldatura

Difetti di esecuzione

Sono dovuti a cavità contenenti scoria per sequenze improprie delle passate di saldatura, a mancata penetrazione dei pezzi da saldare o ad incollatura tra materiale di apporto fuso e materiale base non ancora fuso.

e infine tensioni residue.

Controlli delle saldature

Tipologie di Esame:

1. Liquidi penetranti
2. Esame radiografico
3. Esame ad ultrasuoni

Esame con liquidi penetranti

Esame radiografico

Esame ad ultrasuoni

Classificazione collegamenti saldati

1. Saldature a completa penetrazione. se rimandono tratti non collegati: saldatura a parziale penetrazione (considerata come cordone d’angolo)
2. Saldature a cordone d’angolo

Saldatura a completa penetrazione

• Richiede preparazione dei lembi (cianfrinatura)
• Ripristina perfettamente la continuità del materiale
• Resistenza almeno pari a quella dei pezzi uniti
• In genere non è necessaria una verifica specifica

Saldatura a cordoni d’angolo

Resistenza dei Cordoni

• Analisi delle tensioni sulla sezione di gola
• Valutazione di diverse componenti di tensione
• Domini di resistenza sperimentali e analitici

Il dominio di rottura di un cordone di saldatura è stato determinato sperimentalmente. Per la sua forma irregolare è stato denominato peroide

Domini di Resistenza

Diversi modelli per valutare la resistenza:

• Peroide (dominio di resistenza sperimentale)

• Ellissoide

\frac{\sigma_{\perp}^{2}}{f_{uw}^{2}}+\frac{\tau_{\perp}^{2}}{(0.58 \ f_{uw})^{2}}+\frac{\tau_{\parallel}^{2}}{(0.70 \ f_{uw})^{2}}\le1

• Ellissoide di rotazione

\frac{\sigma_{\perp}^{2}}{f_{uw}^{2}}+\frac{\tau_{\perp}^{2}+\tau_{\parallel}^{2}}{(0.58 \ f_{uw})^{2}}\le1

Svantaggio: bisogna calcolare le componenti della tensione t rispetto al sistema di riferimento della sezione di gola sigma_perp, tau_perp, tau_paral.

• Dominio sferico

\frac{\sigma_{\perp}^{2}+\tau_{\perp}^{2}+\tau_{\parallel}^{2}}{(0.58 \ f_{uw})^{2}} \le 1

\Rightarrow t \le 0.58 \ f_{uw}

• Sfera mozza

\frac{\sigma_{\perp}^{2}+\tau_{\perp}^{2}+\tau_{\parallel}^{2}}{(0.70 \ f_{uw})^{2}}\le1

Inoltre:

\sigma_\perp \le 0.58 \ f_{uw}

\tau_\perp \le 0.58 \ f_{uw}

\frac{n_{\perp}^2 + t_{\perp}^2 + t_{\parallel}^2}{(0.70 \ f_{uw})^2} \leq 1

inoltre

|n_{\perp}| + |t_{\perp}| \leq 0.58 \ \sqrt{2} \ f_{uw}

Prescrizioni sulle saldature

Altezza di gola

• Minimo 3 mm

Lunghezza efficace

• Generalmente lunghezza totale meno 2 volte l’altezza di gola
• Almeno 6 volte l’altezza di gola
• Non inferiore a 30 mm

Esempi pratici

Esempi dettagliati di calcolo per:

• Determinazione delle tensioni
• Verifica dei cordoni di saldatura
• Applicazioni con diversi materiali (es. S235, S275, S355)

Collegamento saldato

• N_Ed = 150 kN
• 4 cordoni, a=3 mm, ogni lato è lungo L=80 mm
• acciaio S235

• determinazione di f_vw,d

\begin{align*}
f_{vw,d} &= \frac{f_u}{\sqrt{3} \ \beta_w \ \gamma_{M2}}
\\
&= \frac{360}{\sqrt3 \ 0.8 \ 1.25} = 207.8 \ MPa
\end{align*}

• verifica

\begin{align*}
F_{v,Ed} &= \frac{N_{Ed}}{n_c}
\\
&= \frac{150}{4} = 37.5 \ kN
\end{align*}

\begin{align*}
F_{v,Ed} &< a \ L f_{vw,d}
\\
37.5 \ kN &< 49.9 \ kN
\end{align*}

I cordoni sono verificati

Ellissoide di rotazione

Richiede la valutazione delle diverse componenti di tensione sulla sezione di gola

\frac{\sigma_{\perp}^2}{f_{uw}^2} + \frac{\tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2}{(0.58 \ f_{uw})^2} \leq 1

oppure, in alternativa

\sqrt{\sigma_{\perp}^2 + 3 \left( \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 \right)} \leq f_{uw} = \frac{f_u}{\beta_w \gamma_{M2}}

Collegamento saldato

• V_Ed = 70 kN
• M_Ed = 40 kNm
• acciaio S235
• asta HEA 180
• 2 cordoni, ognuno a=6mm, L=180 mm

Determinazione delle tensioni dovute al taglio

F_v= \frac{V_{Ed}}{2} = \frac{70}{2} = 35 \ kN

Fv è la forza verticale applicata sul cordone per effetto del taglio

\begin{align*} 
\sigma_{\perp}^v &= \frac{F_v \cdot \cos(45°)}{a \cdot L} 
\\
&= \frac{35 \cdot 10^3}{\sqrt{2} \cdot 6 \cdot 180} = 22.9 \ \text{MPa}
\end{align*}

\begin{align*} 
\tau_{\perp}^v &= \frac{F_v \cdot \sin(45°)}{a \cdot L} 
\\
&= \frac{35 \cdot 10^3}{\sqrt{2} \cdot 6 \cdot 180} = 22.9 \ \text{MPa}
\end{align*}

Determinazione delle tensioni dovute al momento

\begin{align*}
F_M &= \frac{M_{Ed}}{h} 
\\
&= \frac{40}{0.171} = 233.9 \ \text{kN}
\end{align*}

F_M è la forza orizzontale applicata sul cordone per effetto del momento flettente.

\begin{align*}
\sigma_{\perp}^M &= \frac{F_M \cdot \sin(45°)}{a \cdot L} 
\\
&= \frac{233.9 \cdot 10^3}{\sqrt{2} \cdot 6 \cdot 180} = 153.2 \ \text{MPa}
\end{align*}

\begin{align*}
\tau_{\perp}^M &= \frac{F_M \cdot \cos (45°)}{a \cdot L} 
\\
&= \frac{233.9 \cdot 10^3}{\sqrt{2} \cdot 6 \cdot 180} = 153.2 \ \text{MPa}
\end{align*}

Determinazione delle tensioni totali

\sigma_{\perp} = \sigma_{\perp}^v + \sigma_{\perp}^m \\ = 22.9 + 153.2 = 176.1 \, \text{MPa}

\tau_{\perp} = -\tau_{\perp}^v + \tau_{\perp}^m \\ = -22.9 + 153.2 = 130.3 \, \text{MPa}

Verifica

\sqrt{\sigma_{\perp}^2 + 3 \tau_{\perp}^2} \\ = \sqrt{176.1^2 + 3 \times 130.3^2} = 286.3 \, \text{MPa}

\frac{f_u}{\beta_w \gamma_{M2}} \\ = \frac{360}{0.8 \times 1.25} = 360 \, \text{MPa}

Se verificassi utilizzando il dominio sferico, in questo caso i cordoni non risulterebbero verificati!

F_v= \frac{V_{Ed}}{2} = \frac{70}{2} = 35 \ kN

F_M= \frac{M_{Ed}}{h} = \frac{40}{0.171} = 233.9 \ kN

F_{Ed} = \sqrt{F_V^2 + F_M^2} = \sqrt{35^2 + 233.9^2} = 236.5 \, \text{kN}

f_{vw,d} = \frac{f_u / \sqrt{3}}{\beta_w \gamma_{M2}} = \frac{360 / \sqrt{3}}{0.80 \times 1.25} = 207.8 \, \text{MPa}

F_{Ed} > a L f_{vw,d} = \frac{6 \times 180 \times 207.8}{10^3} = 224.4 \, \text{kN}

Link utili

• Metodo di rappresentazione grafica delle saldature: link Promozione acciaio