Saldatura di materiali specifici
Dopo aver letto questo articolo imparerai il processo di saldatura di materiali specifici: 1. Saldatura di acciai specifici 2. Saldatura di acciai rivestiti 3. Saldatura di acciai placcati 4. Saldatura di materie plastiche 5. Saldatura di materiali compositi.
Saldatura di acciai specifici:
Esiste un gran numero di acciai utilizzati come materiale da costruzione in diverse industrie ingegneristiche.
Procedure di saldatura per alcuni degli acciai specifici necessari per l'uso in centrali elettriche, industrie petrolifere e chimiche, serbatoi criogenici; le parti di aerei, razzi e missili sono descritte di seguito:
1. Acciai resistenti al creep:
Questi acciai sono famosi per l'uso nella costruzione di centrali elettriche per tamburi a vapore e linee di vapore principali.
Alcune delle famose composizioni sono:
(i) Acciaio al 1% Cr, ½% Mo, utilizzato per tubi vapore per temperature di servizio fino a 500 ° C.
(ii) ½% Cr, ½% Mo ¼% V o 2 ¼% Cr, l'1% degli acciai Mo sono utilizzati anche per tubi vapore per temperature di servizio di 500-600 ° C.
(iii) Gli acciai austenitici al Cr-Ni sono utilizzati per tubi di vapore per temperature di servizio superiori a 600 ° C.
(iv) ½% L'acciaio Mo è stato precedentemente utilizzato per tubi di vapore per temperature di servizio intorno ai 500 ° C. L'uso di questo acciaio è stato interrotto a causa del verificarsi di alcuni gravi guasti dovuti alla grafitazione in presenza di HAZ. Tuttavia, questo acciaio è ancora utilizzato per le raffinerie e le tubazioni petrolchimiche dove non sono stati segnalati errori di graphatization.
Preriscaldamento e trattamenti post-trattamento :
Questi trattamenti vengono effettuati su acciai resistenti al creep per evitare fessurazioni e sviluppare proprietà ottimali del giunto. Le temperature di preriscaldamento variano tra 150 e 250 ° C. Il trattamento post-saldatura è dato per ottenere una resistenza allo scorrimento ottimale nel giunto. Temperatura di trattamento termico post-saldatura (PWHT) per intervalli di ricottura subcritici compresi tra 600 e 750 ° C, ad eccezione delle saldature per elettroslag che sono normalizzate a 900-925 ° C.
2. Acciai per l'industria petrolifera e chimica :
Acciai ad alta resistenza come 1% Cr, ½% Mo e 2½ Cr e 1% Mo sono spesso utilizzati per centrali elettriche e raffinerie. Gli acciai Cr-Mo e ½% Mo sono utilizzati nell'industria petrolifera e chimica per la resistenza all'attacco della corrosione da idrogeno e idrocarburi contenenti zolfo. Gli acciai al ½% Mo sono poco più difficili da saldare rispetto agli acciai al carbonio; preriscaldamento e PWHT sono necessari solo per saldature in sezioni spesse. Gli elettrodi di tipo rutilo o cellulosico si trovano normalmente soddisfacenti per la saldatura di acciai al ½% Mo.
Per la saldatura di acciai al Cr-Mo si utilizzano elettrodi di idrogeno tranne che per sezioni sottili di acciai al 1% Cr, ½ Mo, questi acciai sono preriscaldati a 150-250 ° C e il PWHT utilizzato è solitamente la ricottura sub-critica.
Normalmente gli acciai contenenti 2-9% Cr non sono autorizzati a raffreddare immediatamente dopo la saldatura. I recipienti a pressione a pareti spesse costituiti da questi acciai possono richiedere un distacco di sollecitazione intermedio dopo che è terminato ½ o ⅓ della saldatura. L'alleviamento sotto sforzo di tali recipienti a pressione viene effettuato a 650 ° C e ricottura sub-critica quando richiesto, viene effettuato a 650 - 750 ° C a seconda del contenuto di lega.
Fogli sottili di acciaio al 13% di Cr sono utilizzati per vassoi e rivestimenti resistenti alla corrosione per le torri di distillazione nelle raffinerie di petrolio. Gli elettrodi utilizzati per la saldatura di questi acciai sono del 25% di Cr, 20% di tipo Ni. Nessun preriscaldamento o PWHT è richiesto per tali saldature. Questi acciai contengono generalmente 0-2% di alluminio che riduce la tendenza della HAZ all'indurimento.
Le sezioni di piastra in acciaio al 13% di Cr sono raramente utilizzate, tuttavia quando richiesto questi acciai vengono saldati impiegando elettrodi di acciaio al 13% di Cr.
3. Acciai per applicazioni a bassa temperatura:
Gli acciai con contenuto di Ni superiore al 3-5% sono difficili da saldare tranne che con elettrodi di leghe a base Ni. Quando vengono usati elettrodi austenitici al 25% Cr meno costosi, il 25% della saldatura prodotta ha una resistenza inferiore rispetto al materiale di base. Se tali saldature vengono trattate termicamente nella gamma di distensione, esse vengono infragilite a causa della migrazione di carbonio nel metallo di saldatura. Non si riscontrano tali problemi per le saldature realizzate con elettrodi in lega a base nichel.
Gli acciai con 3-5% di Ni sono saldati con elettrodi corrispondenti ma tali saldature hanno una bassa resistenza all'impatto a -100 ° C; a tale riguardo le saldature realizzate con Ni 2% o elettrodi austenitici sono più soddisfacenti.
PWHT non è essenziale per le saldature realizzate con materiale di base a 3 sezioni sottili di 5-9% Ni. Per le sezioni più spesse, lo stress-relief è fatto a 560-600 ° C; tuttavia, il limite di temperatura di 600 ° C non deve essere superato perché la temperatura critica inferiore viene ridotta con l'aggiunta di nichel.
4. Acciai in bassa lega ad alta resistenza (HSLA):
Importanti applicazioni degli acciai HSLA includono parti per aerei e razzi, missili e matrici di stampaggio a caldo. Il tenore di carbonio di questi acciai è compreso tra 0-3-0-5% e gli elementi di lega principali sono Cr, Ni, Mo e V. Quando temprato e rinvenuto questi acciai possono raggiungere una resistenza fino a 155 KN / cm. Tuttavia, a causa del contenuto di carbonio e di lega, questi acciai sono sensibili alle fessurazioni a freddo.
Le sezioni sottili (<3 mm) degli acciai HSLA non richiedono alcun preriscaldamento, ma le sezioni più spesse vengono preriscaldate a una temperatura tra M s e M f e mantenute a tale temperatura per un periodo di 5-30 minuti dopo la saldatura per assicurare la completa trasformazione dell'austenite .
Le saldature in acciaio al 5% Cr richiedono una ricottura sub-critica a 675 ° C prima di essere raffreddate a temperatura ambiente. Questo trasforma la struttura in martensite bainite o bainite e temperata che non sono soggette a fessurazioni. Per risultati ottimali, le parti fabbricate vengono normalizzate e temperate dopo la saldatura.
Saldatura di acciaio rivestito:
Lamiere di acciaio e altri prodotti sono rivestiti con materiali resistenti all'ossidazione o alla corrosione per prolungare la durata del prodotto. Il materiale di rivestimento più spesso utilizzato è lo zinco, ma anche le leghe di alluminio e piombo sono utilizzate anche se in misura limitata.
Questi acciai rivestiti trovano largo impiego nella produzione di corpi di camion, alloggiamenti di condizionamento dell'aria, serbatoi di lavorazione, torri elettriche, ecc. La saldatura viene spesso impiegata nella fabbricazione di questi prodotti.
1. Saldatura di acciai zincati:
Gli acciai zincati possono essere saldati con successo, a condizione che vengano prese precauzioni specifiche per compensare l'evaporazione dello zinco dalla zona di saldatura. Lo zinco si vaporizza durante la saldatura perché il suo punto di ebollizione è di 871 ° C, mentre il punto di fusione dell'acciaio è di 1540 ° C. Così lo zinco volatilizza e lascia il metallo di base adiacente alla saldatura. L'estensione dell'area interessata dipende dall'apporto di calore al lavoro. Questo è il motivo per cui la zona dipinta di zinco è più grande nei processi di saldatura più lenti come la saldatura GTAW e ossi-acetilene.
I processi di saldatura utilizzati per la saldatura dell'acciaio zincato includono SMAW, GMAW, GTAW, FCAW, saldatura ad arco in carbonio e saldatura a resistenza.
Gli elettrodi coperti utilizzati per la saldatura di lamiere di acciaio zincato sono i tipi rutili e di base; tuttavia gli elettrodi di tipo cellulosico vengono utilizzati per la saldatura di sezioni e tubi più spessi. Gli elettrodi rivestiti di base possono essere utilizzati anche per la saldatura di spessori più pesanti. La tecnica di saldatura frontale è utilizzata per facilitare l'evaporazione dello zinco prima dell'arco.
In GMAW di acciaio zincato, i fili sottili altamente deossidati con tecnica a cortocircuito vengono utilizzati con 100% CO o argon + 25% CO 2 come gas di protezione. La quantità di spruzzi è solitamente più alta rispetto a quando si salda acciaio non rivestito. Ciò richiede una pulizia frequente dell'ugello della pistola. I fili in acciaio inossidabile o bronzo possono essere usati per depositare metallo saldato resistente alla corrosione. La saldatura ad arco animato con filo altamente ossidato può essere impiegata con risultati simili a quelli ottenuti da GMAW.
È possibile utilizzare il processo GTAW, ma essendo un processo lento, non solo si generano grandi aree di zinco impoverito attorno alla saldatura, ma si determina anche la contaminazione dell'elettrodo di tungsteno. La contaminazione degli elettrodi può essere ridotta da una maggiore velocità del gas di protezione, ma può essere costoso.
Il processo di arco al carbonio con filo di apporto in ottone (60% Cu. 40% Zn) ha è stato ampiamente utilizzato per la saldatura di acciai zincati, in particolare nella fabbricazione di condotti di climatizzazione. Entrambi i cannoni singoli e gemelli sono utilizzabili in modo altrettanto efficace.
La saldatura a resistenza di acciai zincati comporta un'evaporazione dello zinco molto inferiore rispetto ai processi di saldatura ad arco. Ma la saldatura a resistenza provoca il prelievo dello zinco dalla punta dell'elettrodo di saldatura e abbassa la densità di corrente nella zona di saldatura, rendendo necessario un progressivo aumento della corrente di saldatura per realizzare saldature soddisfacenti.
Qualità della saldatura:
Le saldature in acciaio zincato sono soggette a porosità e fessurazioni dovute all'intrappolamento di vapori di zinco nel metallo di saldatura; si possono verificare anche criccature ritardate dovute a corrosione da stress. La rottura è causata dalla penetrazione intergranulare dello zinco nel metallo di saldatura ed è talvolta indicata come "cracking di penetrazione di zinco" e si verifica più spesso attraverso la gola di una saldatura di raccordo, in particolare quando il rivestimento è presente alla radice della saldatura. Tale cracking tende ad essere meno prevalente con SMAW che con GMAW su piastre da 6 mm o più spesse. Il cracking può essere controllato consentendo ai vapori di zinco di fuoriuscire rapidamente davanti al bagno di saldatura mantenendo ampi spazi tra le radici.
Per produrre un giunto resistente alla corrosione, il rivestimento di zinco deve essere riapplicato nell'area rivestita di zinco. Questo può essere fatto usando bastoncini di pasta a base di zinco su metallo base riscaldato. Un altro metodo per applicare il rivestimento di zinco è mediante spruzzatura a fiamma usando un materiale di riempimento dello spruzzo di zinco. Lo spessore del rivestimento in zinco riapplicato dovrebbe essere da 2 a 3 volte il rivestimento originale per garantire un'adeguata protezione dalla corrosione.
2. Saldatura di acciaio alluminato e piastra di sterna:
L'acciaio alluminato è anche ampiamente utilizzato nei tubi e nell'industria automobilistica, in particolare per i silenziatori di scarico. Entrambi i processi di saldatura ad arco e resistenza sono utilizzati per la saldatura di acciaio alluminato con risultati quasi simili a quelli degli acciai zincati. Tuttavia, è più difficile sostituire il rivestimento in alluminio e quindi si ricorre spesso alla verniciatura.
I tubi in alluminio alluminato sono prodotti nei mulini a tubi con saldatura a testa cilindrica con corrente a bassa e alta frequenza.
La lamiera di acciaio rivestita con lega di piombo-stagno è indicata come tern-plate. Viene spesso utilizzato per la produzione di serbatoi di benzina per automobili. Il processo generalmente applicato per saldare la piastra sterna è la saldatura a resistenza. Se vengono impiegati ossi-acetilene o processi di saldatura ad arco, il rivestimento viene distrutto per evaporazione e deve essere sostituito da un processo simile alla saldatura. Sicurezza: deve essere fornita una ventilazione positiva per rimuovere i fumi nocivi prodotti nella saldatura degli acciai rivestiti. Questo di solito comporta l'uso del tubo di aspirazione nell'area di saldatura. Pistole speciali dotate di ugello di aspirazione possono essere impiegate quando vengono impiegati GMAW e FCAW. Gli acciai rivestiti non devono mai essere saldati in spazi ristretti.
Saldatura di acciai placcati:
Gli acciai placcati vengono utilizzati perché combinano le proprietà di corrosione e resistenza all'abrasione con costi contenuti, buone proprietà meccaniche e capacità di saldatura dei materiali ferritici. Gli acciai utilizzati come materiale di supporto sono generalmente acciai C- ½% Mo o 1% Cr-½% Mo. I materiali di rivestimento includono acciai inossidabili austenitici al cromo (12-15% Cr) del tipo 18/8 (Cr / Ni) o 25/12 (Cr / Ni), leghe a base di nichel come monel e inconel, lega Cu-Ni e rame.
Il rivestimento può essere applicato mediante laminazione a caldo, saldatura a esplosione, rivestimento o brasatura. Lo spessore del rivestimento può variare dal 5 al 50% dello spessore totale, ma generalmente dal 10 al 20% per la maggior parte delle applicazioni. Lo spessore minimo del materiale placcato è di 1, 5 mm.
Le principali applicazioni degli acciai placcati includono scambiatori di calore, serbatoi, serbatoi di lavorazione, attrezzature per la movimentazione di materiali, attrezzature di stoccaggio e carri cisterna. La maggior parte di questi prodotti è fabbricata mediante saldatura.
Progettazione congiunta:
La preparazione del bordo dipende dallo spessore della piastra. Possono essere utilizzati i tipi Square Butt, Single e Double V e Single U come mostrato in Fig 22.7. Il rivestimento è generalmente tornito per evitare la diluizione del metallo rivestito con stucco di acciaio perché potrebbe insorgere un pericolo di contaminazione anche quando il lato rivestito non viene saldato per primo, come mostrato da un giunto disallineato in 22.8. I disegni buoni e poveri della preparazione del bordo sono mostrati nella Figura 22.9. La preparazione del bordo per giunti angolari con materiale di rivestimento interno ed esterno è mostrata in Fig. 22.10.
Procedura di saldatura:
La normale procedura per la saldatura di testa di una piastra rivestita consiste nel saldare il retro o il lato in acciaio adottando prima la procedura di saldatura adatta al materiale di supporto seguito dalla saldatura del lato rivestito con una procedura adatta a tale materiale come mostrato in Fig. 22.11 in diverse fasi per saldatura a testa tonda e giunti a testa singola tipo V.
Il lato in acciaio deve essere saldato almeno a metà strada prima di effettuare qualsiasi saldatura sul lato rivestito. Se la distorsione non è un problema, la saldatura laterale in acciaio può essere completata prima che la saldatura sia ordinata sul lato rivestito. Qualsiasi giunto saldato realizzato su materiale placcato deve essere una saldatura a piena penetrazione con la sua radice nel lato rivestito della piastra.
Buone pratiche di saldatura per acciaio rivestito possono includere i seguenti passaggi:
1. Utilizzare elettrodi a basso tenore di idrogeno per la corsa della radice per evitare fessurazioni.
2. Usare l'elettrodo di diametro ridotto e la tecnica del tallone.
3. Depositare il metallo di saldatura in più strati per ridurre la diluizione.
4. Utilizzare elettrodi più altamente legati rispetto al materiale rivestito per consentire la diluizione.
5. Ove possibile, utilizzare dc con elettrodo negativo con tecnica di saldatura a rovescio.
Se il materiale di rivestimento ha un punto di fusione più alto del materiale di base e i due materiali sono metallurgicamente incompatibili, viene utilizzata una striscia di supporto di materiale rivestito per mantenere l'efficacia del rivestimento. La striscia è saldata al raccordo come mostrato in Fig. 22.12.
Se il giunto di saldatura deve essere realizzato senza accesso al lato rivestito. Il resto della saldatura viene realizzato con lo stesso elettrodo utilizzato per il lato rivestito di saldatura o le prime corse sono realizzate in composizione rivestita e il resto con una lega di riempimento compatibile sia con acciaio rivestito che con rivestimento.
Quando il rivestimento è in acciaio inossidabile austenitico, il lato rivestito viene saldato da elettrodi austenitici che devono essere seguiti dal 76% di Ni, 7% di Fe, 16% di Cr, tipo di riempimento in particolare se il giunto deve essere sottoposto a un servizio ad alta temperatura che può causare calore affaticamento dovuto all'espansione differenziale del supporto e delle saldature austenitiche dell'acciaio inossidabile.
In molti casi è possibile utilizzare elettrodi con contenuto di lega più elevata in modo che la resistenza alla corrosione sia superiore a quella del rivestimento anche se diluito. Ad esempio, l'acciaio rivestito con lega al 12% di Cr è generalmente saldato con elettrodi 25/20 (Cr / Ni). Analogamente, l'acciaio inossidabile austenitico con cuscinetto Mo può essere saldato sul lato rivestito con un riempitivo con contenuto di Mo superiore; lega al 12% Cr 12% Ni2 ½% Mo con un elettrodo che fornisce un deposito non diluito del 17% Cr 12% Ni 3¼% Mo. Un acciaio rivestito con acciaio inossidabile 18/8 stabilizzato può essere saldato eseguendo la prima corsa con elettrodo al Ni al 25% Cr 20% e le successive corse con elettrodi in acciaio inossidabile 18/8 di tipo stabilizzato.
Per la saldatura di acciai al nichel e Monel, l'intera giuntura viene spesso saldata con riempitivo di nichel o monel.
Selezione del processo:
La scelta del processo di saldatura si basa sul tipo e sullo spessore del materiale. SMAW è abbastanza spesso usato ma SAW è impiegato per la saldatura di recipienti a pressione a pareti spesse. Il processo GMAW è utilizzato per saldare lastre di medio spessore; Il processo FCAW viene utilizzato per il lato acciaio e GTAW viene utilizzato talvolta per saldare il lato rivestito. Il processo selezionato dovrebbe essere tale da evitare di penetrare da un materiale all'altro.
Se si utilizza il processo SAW per il lato acciaio, si deve prendere precauzioni per evitare di penetrare nel metallo rivestito. Analogamente, è necessario adottare misure quando si utilizza il processo automatico FCAW o GMAW. Questo controllo della penetrazione delle microsfere viene in genere effettuato mantenendo la faccia della radice più ampia e garantendo un accoppiamento molto preciso.
Sono richieste speciali misure di controllo della qualità per la saldatura degli acciai rivestiti in modo da evitare il verificarsi di sottosquadri, penetrazione incompleta e mancanza di fusione.
Saldatura di materie plastiche:
Le materie plastiche sono ora ampiamente utilizzate come materiale tecnico nella costruzione di parti per automobili, aerei, missili, navi e attrezzature di ingegneria generale. Parti come cuscinetti di attrito, ingranaggi, vermi, parti di ricambio di turbine e pompe, componenti televisivi ed elettronici sono prodotti sfusi per il consumo di massa.
Oltre ad essere leggeri, le materie plastiche sono buoni isolanti elettrici, prendono facilmente il colore, possono essere facilmente lubrificati con acqua e sono economici. Sebbene le materie plastiche siano normalmente opache come i metalli, sono disponibili anche plastiche trasparenti e traslucide.
Le plastiche mostrano buone proprietà meccaniche. Ad esempio, in termini di rapporto tra resistenza alla trazione e densità, i vinili rigidi e il polietilene sono paragonabili a ghisa e bronzo, come mostrato nella tabella 22.3.
Tuttavia, la plastica si differenzia drasticamente dai metalli nel loro comportamento se deformati sia a temperatura ambiente che elevata. Le relazioni sforzo-deformazione a temperatura ambiente per metalli, materiali termoplastici e gomma sono mostrate in Fig. 22.13 in cui il punto B segna il limite di elasticità.
A seconda della temperatura, ma sotto carico costante, lo stato fisico della plastica può essere vetroso, altamente elastico, plastico o viscoso, come mostrato dalla curva di temperatura rispetto alla deformazione di Fig. 22.14. Fino alla temperatura di vitrificazione, T v, il materiale rimane vitreo, tra T v e la temperatura di flusso T f le materie plastiche agiscono come sostanze elastiche estremamente elastiche e la loro deformazione è elastica; e sopra T f il materiale diventa fluido. Al di sotto della temperatura di vetrificazione, le materie plastiche si comportano come materiali fragili mentre sopra Tf si comportano come fluidi altamente viscosi.
Una plastica cambia da uno stato a un altro gradualmente quindi sia il punto di vitrificazione che il punto di flusso dovrebbero essere visualizzati come intervalli di temperatura come è evidente dalla tabella 22.4 che mostra i punti T y e T f per alcuni dei materiali plastici.
Una lunga permanenza a temperature elevate può causare la rottura di una plastica, ma all'interno della gamma di temperatura sicura le materie plastiche possono essere riscaldate più volte.
Classificazione delle materie plastiche:
Le materie plastiche sono generalmente classificate in base al loro comportamento al riscaldamento in due gruppi cioè, plastiche termoindurenti e plastiche termoplastiche.
Le materie plastiche termoindurenti possono essere riscaldate e modellate una sola volta durante la produzione. L'ulteriore riscaldamento non ha effetto ammorbidente e il materiale si decompone definitivamente. La plastica termoindurente non può quindi essere saldata. Di solito sono disponibili come prodotti semilavorati che possono essere uniti meccanicamente o cementati insieme. La poliformaldeide è un noto esempio di plastica termoindurente.
Le materie plastiche termoplastiche sono ammorbidite dall'effetto del calore. Possono passare ripetutamente in modo altamente elastico e quindi in stato plastico senza perdere di nuovo le loro proprietà originali al raffreddamento. Pertanto, i materiali termoplastici possono essere facilmente saldati.
Sono disponibili in forme semifinite come fogli, barre, forme, tubazioni e tubi. Questi possono essere fabbricati in articoli finiti piegando, estrusione e saldatura. Alcuni dei noti materiali plastici inclusi in questo gruppo sono polietilene, polipropilene, PVC, poliammide, poliacrilato, policarbonato, ecc.
Saldatura di materiali compositi:
I compositi sono combinazioni di due o più materiali metallici, organici o inorganici che sono essenzialmente insolubili l'uno nell'altro. Le principali forme costituenti utilizzate nei materiali compositi sono fibre, particelle, lamine o strati, fiocchi, riempitivi e matrici.
La matrice è il costituente del corpo che serve per racchiudere il composito e dargli la sua forma sfusa mentre le fibre, le particelle, le lamine, i fiocchi e i riempitivi sono i costituenti strutturali che determinano la struttura interna dei costituenti.
A seconda dei costituenti strutturali, i compositi possono essere classificati nelle seguenti cinque classi insieme alle loro rappresentazioni visive come mostrato in Fig. 22.23:
1. Compositi in fibra,
2. Composti in scaglie,
3. materiali compositi,
4. Compositi pieni o scheletrici, e
5. Compositi laminari.
Questi materiali compositi sono composti da diverse combinazioni come Boro-Alluminio (B-A1), Titanio-Tungsteno (Ti-W), Titanio-grafite (Ti-Gr), Alluminio-grafite (Al-Gr), grafite-polisulfone ( Gr-Ps), e molti altri ancora trovano ampio impiego nell'industria automobilistica, aerospaziale e in una serie di altre importanti industrie edilizie.
Per fabbricare materiali compositi nei componenti desiderati, la saldatura viene sempre più utilizzata. I processi che sono stati trovati soddisfacenti includono la saldatura ad induzione, la saldatura ad ultrasuoni, la saldatura ad arco di tungsteno a gas (GTAW), la saldatura a resistenza e l'incollaggio a fusione.
