L’acciaio è sempre saldabile?
Un acciaio può essere definito ”saldabile” quando consente la produzione economica di correlazioni di saldatura portanti con i metodi tradizionali.
La saldabilità, una tra le principali caratteristiche tecniche e tecnologiche dell’acciaio, interessa aspetti molto significativi durante le fasi di lavorazione. A giocare un ruolo di primo piano sono anche
- la composizione del materiale,
- la grana e
- il grado di purezza.
Dipende dalla percentuale di carbonio…
La saldabilità può essere descritta come l’attitudine di un materiale a realizzare giunzioni (unioni) mediante una tecnica di saldatura finalizzata ad ottenere una zona di collegamento, detta giunto saldato, tra elementi dello stesso materiale (saldatura autogena) o tra materiali dissimili (saldatura eterogena).
Gli acciai utilizzati nelle costruzioni sono di regola tutti saldabili: una caratteristica condizionata dalla % di carbonio. Sopra lo 0,3% di carbonio, infatti, vediamo diminuire tanto la saldabilità quanto l’allungamento percentuale.
Saldabilità e saldatura
L’obiettivo del processo di saldatura è realizzare un collegamento permanente e duraturo nel tempo. Questo collegamento deve possedere determinate caratteristiche fisico-chimiche, capaci di permetterne l’impiego in modo sicuro ed affidabile o per un tempo predefinito e calcolabile.
In caso di saldatura, l’acciaio può dare problemi a causa di:
- formazione di fratture
- alterazioni delle proprietà
- fragilità
- perdita di proprietà di bonifica nella zona termicamente alterata.
Risolvere queste problematiche dipende anche dal grado di saldabilità posseduto dal metallo.
La saldatura tra metalli, una volta che ci si è lasciate alle spalle le problematiche, potrà essere realizzata
- sia mediante fusione localizzata, ovvero passando per l’ottenimento di una zona liquefatta di una porzione degli elementi da giuntare,
- sia mediante deformazione plastica a caldo, ovvero ad alta temperatura ma senza fusione dei lembi e con l’ausilio di una forza esterna che comprima o compenetri i due materiali fra loro.
Posso quantificare la saldabilità?
Essendo un’attitudine o proprietà correlata in modo importante alle modalità scelte per realizzare la giunzione stessa (condizioni di saldatura), la saldabilità nei metalli non è una grandezza fisica misurabile.
Le proprietà finali che permettono di classificare il grado di saldabilità di un materiale metallico sono fondamentalmente legate alle caratteristiche finali attese.
Se con alcune applicazioni risulta vitale prediligere la massimizzazione della resistenza meccanica abbinata ad una adeguata tenacità, con altre sarà decisiva una determinata permeabilità magnetica della zona di giunzione, piuttosto che la resistenza meccanica.
In aperta contrapposizione con la diffusissima idea che una saldatura debba essere soprattutto resistente, progettata per non rompersi, in alcuni casi molto particolari assistiamo alla progettazione di giunzioni la cui missione è proprio rompersi in specifiche condizioni di carico applicato.
Quando serve contare sulla saldabilità del materiale
Per realizzare un giunto saldato tra due acciai simili, o diversi, dev’essere considerato una notevole quantità di fattori. Li metto per comodità in elenco:
- le condizioni e la procedura con le quali s’intende effettuare il giunto (saldabilità operativa);
- le trasformazioni chimico fisiche e microstrutturali degli acciai, che avvengono durante la saldatura (saldabilità metallurgica);
- le proprietà d’insieme della struttura saldata, per quanto concerne le probabili distorsioni o fratture, dovute alle tensioni che si generano dai vincoli alle dilatazioni e contrazioni (saldabilità costruttiva).
Ai fini della saldabilità metallurgica, che condiziona pesantemente anche gli altri fattori; si distinguono tre zone critiche nel giunto:
- ZTA – zona termicamente alterata, che subisce riscaldamento a temperature prossime o superiori ad AC1, dove aumenta la densità delle dislocazioni e vanno in soluzione gli elementi interstiziali, con possibile infragilimento dell’acciaio per invecchiamento;
- ZSC – zona sotto cordone, facente sempre parte della zona termicamente alterata, che subisce riscaldamento a temperature superiori ad AC3, fino alla temperatura del solidus del metallo base, dove il grano austenitico può ingrossare fortemente;
- ZF o Zona Fusa, nella quale avviene il mescolamento del metallo d’apporto (MA) con il metallo base (MB), con possibili e talvolta rilevanti variazioni di composizione chimica ed importanti modifiche microstrutturali.
La capacità d’un acciaio di contenere entro certi limiti i valori di durezza nella ZTA, quando soggetta a cicli termici come quelli d’un procedimento di saldatura, è normalmente considerata un indice di saldabilità metallurgica. I valori di durezza delle microstrutture nella ZTA sono strettamente dipendenti dalla composizione chimica dell’acciaio, dalla temprabilità e dalla velocità del raffreddamento del giunto, subito dopo la saldatura. L’esperienza suggerisce che per evitare le cricche sotto cordone bisogna che la durezza della microstruttura non superi indicativamente i 350 HV.
La composizione chimica dell’acciaio è fondamentale, perché determina le trasformazioni microstrutturali che avvengono nella ZTA. Esiste quindi una correlazione tra la durezza della ZTA, il rischio di rotture e la composizione chimica dell’acciaio.
Gli elementi molibdeno e vanadio, nonostante contrastino la saldabilità perché spostano a destra le curve TTT (curve di trasformazione isoterma) incrementando la temprabilità dell’acciaio, formano carburi molto stabili anche alle alte temperature d’austenitizzazione raggiungibili nella ZTA durante la saldatura. Perciò riducono la % di carbonio che si scioglie nell’austenite e globalmente migliorano la saldabilità.
È risaputo che negli acciai la saldabilità diminuisce notevolmente all’aumentare del CE e dello spessore del tallone di saldatura, mentre cresce con l’apporto termico specifico, a parità di altre condizioni.
I vantaggi garantiti da una buona saldabilità
In linea generale un materiale ritenuto ben saldabile dovrebbe essere il presupposto di:
- unioni con resistenza meccanica almeno uguale o migliore rispetto a quella del o dei metalli base dei lembi;
- unioni non fragili, anzi tenaci;
- unione prive di difetti superficiali o difetti interni critici (ossidi, porosità, incollature, e quant’altro).
In una materia complessa, fatti guidare dall’esperienza che Steelbetter mette al tuo servizio!
Per quanto siano numerosi e vari gli approcci al problema di individuera il grado della saldabilità degli acciai, alla fine se ne esce sempre con discorsi espressi in termini matematici. Insomma ci troviamo ad avere a che fare con un gran numero di formule che intendono quantificare la saldabilità sempre più esattamente, ma non sempre in linea con i principi della standardizzazione.
Il punto è la complessità di questa materia. Niente ancora può seriamente sostituire l’esperienza pratica, oggi più che mai indispensabile. E come tecnici affezionati al nostro materiale e al nostro lavoro possiamo condividere da subito con te gli insegnamenti della nostra pratica quotidiana.
Molti anni di lavoro ci hanno dimostrato che:
- con contenuti di carbonio minori dello 0,30 % la saldabilità degli acciai è generalmente buona;
- con contenuti di carbonio tra lo 0,30 e lo 0,50 %, gli acciai possiedono una modesta saldabilità e si comportano in modo assai variabile tanto da richiedere alcune precazioni durante il processo di saldatura;
- con percentuali di carbonio superiori allo 0,50 % la saldabilità diminuisce ancora e diventano imperative tutte le precauzioni possibili, che talvolta possono essere insufficienti.
Questa rapida panoramica ‘riveste’ come un involucro il nostro messaggio di sempre, che è: se hai un progetto all’orizzonte, e se per qualche verso ti senti insicuro nell’affrontarlo, o semplicemente vuoi fare il punto su dati che solo chi fa il nostro mestiere ogni giorno può avere alla mano, trova la strada (brevissima) per raggiungermi.
Non posso certo essere io il primo a ricordarti che la saldatura è un processo speciale. nell’approccio ci vogliono intelligenza, competenza e molta cautela perché mi è assolutamente impossibile stimare l’adeguatezza delle mie mosse se ‘salto’ una messa a punto preliminare, ampiamente suffragata da prove ed esami distruttivi e non distruttivi.
Non so tu, ma qui preferiamo prendere il problema a monte e non a valle: se non ho le idee chiare (o non mi cerco chi me le chiarisce) sulla procedura di saldatura adottata, su chi la eseguirà e come, che senso ha aspettare con un’inquietudine un “dopo” che magari si rivela essere la classica brutta, un danno per il portafoglio e per la reputazione? Parlare con me è molto meno faticoso della fatica che hai dedicato alla lettura (se lo hai letto) di quest’appunto.