Acciaio Inconel
Leghe Inconel
Le leghe commercialmente conosciute come Inconel appartengono alla famiglia delle leghe a base nichel e sono progettate per lavorare in condizioni nelle quali molti acciai tradizionali non riescono a garantire prestazioni adeguate.
Elevate temperature, ambienti fortemente corrosivi, presenza di cloruri, atmosfere ossidanti e forti sollecitazioni meccaniche sono alcuni degli scenari nei quali queste leghe vengono utilizzate.
La saldatura delle leghe Inconel richiede un controllo particolarmente accurato del processo. La complessità della composizione chimica e il comportamento metallurgico durante il riscaldamento e la solidificazione possono infatti favorire fenomeni come segregazione, solidification cracking, liquation cracking e formazione di fasi secondarie.
Per ottenere un giunto affidabile è necessario controllare:
composizione chimica;
materiale base;
materiale d'apporto;
ciclo termico;
apporto termico;
temperatura di interpass;
protezione gassosa;
diluizione;
velocità di raffreddamento;
trattamento termico;
controlli non distruttivi e metallografici.
1. COS'È L'INCONEL?
Il termine Inconel identifica una famiglia di leghe a base nichel, generalmente caratterizzate dalla presenza di nichel, cromo e altri elementi di lega.
Non esiste quindi un unico materiale chiamato Inconel.
Tra le principali qualità troviamo:
Inconel 600
Inconel 601
Inconel 625
Inconel 690
Inconel 718
Inconel X-750
Ogni lega possiede una composizione chimica specifica e differenti meccanismi di rinforzo.
Per questo motivo la procedura di saldatura deve essere sviluppata sulla specifica qualità del materiale e non genericamente sulla denominazione "Inconel".
2. STRUTTURA METALLURGICA
Le leghe Inconel sono caratterizzate da una matrice a base nichel con struttura generalmente cubica a facce centrate (FCC).
La matrice può essere modificata attraverso l'aggiunta di diversi elementi di lega:
Cr – Cromo
Mo – Molibdeno
Fe – Ferro
Nb – Niobio
Ti – Titanio
Al – Alluminio
Co – Cobalto
W – Tungsteno
C – Carbonio
Ogni elemento contribuisce alle proprietà finali.
Il cromo aumenta la resistenza all'ossidazione e alla corrosione.
Il molibdeno migliora la resistenza alla corrosione localizzata e in determinati ambienti chimici.
Niobio, titanio e alluminio possono partecipare alla formazione di precipitati responsabili dell'aumento della resistenza meccanica.
3. INCONEL 625
L'Inconel 625 è una lega Ni-Cr-Mo-Nb largamente utilizzata nell'industria.
Presenta:
elevata resistenza alla corrosione;
buona resistenza alla corrosione sotto tensione;
elevata resistenza a vaiolatura e corrosione interstiziale;
buona resistenza meccanica;
buona resistenza alle alte temperature;
ottima saldabilità rispetto a molte superleghe indurite per precipitazione.
Il molibdeno e il niobio contribuiscono in maniera importante alle proprietà meccaniche e alla resistenza alla corrosione.
L'Inconel 625 viene utilizzato in particolare in:
Oil & Gas;
industria chimica;
impianti offshore;
industria navale;
scambiatori di calore;
apparecchiature per ambienti corrosivi;
componenti sottoposti ad alte temperature.
4. INCONEL 718
L'Inconel 718 presenta un comportamento metallurgico più complesso.
La sua elevata resistenza meccanica deriva principalmente dall'indurimento per precipitazione.
Le principali fasi di rinforzo sono:
γ' – gamma prime
e soprattutto:
γ'' – gamma doppia primo.
La fase γ'' è strettamente collegata alla presenza di niobio.
Durante la saldatura il materiale attraversa cicli termici che possono modificare la distribuzione e la morfologia delle fasi precipitate.
Per questo motivo la saldatura dell'Inconel 718 richiede particolare attenzione alla:
solidificazione;
segregazione;
microstruttura della zona fusa;
zona termicamente alterata;
trattamento termico post-saldatura.
5. INCONEL 600
L'Inconel 600 è una lega Ni-Cr-Fe caratterizzata da elevata resistenza alla corrosione e buona resistenza all'ossidazione ad alta temperatura.
È stato utilizzato in:
industria chimica;
apparecchiature per trattamento termico;
applicazioni nucleari;
impianti ad alta temperatura;
apparecchiature esposte ad ambienti corrosivi.
Anche in questo caso la pulizia superficiale e il controllo del ciclo termico sono fondamentali.
6. COMPORTAMENTO DURANTE LA SALDATURA
Le leghe a base nichel presentano caratteristiche termiche differenti rispetto agli acciai al carbonio.
La combinazione di conducibilità termica relativamente bassa e dilatazione termica significativa può favorire:
concentrazione del calore nella zona di saldatura;
deformazioni;
tensioni residue;
aumento della zona termicamente alterata;
difficoltà nel controllo del bagno.
Un aumento indiscriminato della corrente non rappresenta quindi la soluzione a un problema di penetrazione o fusione.
I parametri devono essere stabiliti in funzione della geometria del giunto e del ciclo termico necessario.
7. SOLIDIFICATION CRACKING
Uno dei fenomeni più importanti nella saldatura delle leghe a base nichel è la criccatura durante la solidificazione.
Durante la solidificazione il materiale non passa istantaneamente dallo stato liquido a quello solido.
La solidificazione avviene attraverso la crescita di strutture dendritiche.
Gli elementi di lega possono concentrarsi nelle regioni interdendritiche.
Negli ultimi stadi della solidificazione può quindi rimanere una pellicola liquida arricchita di determinati elementi.
Se il giunto è sottoposto a tensioni di contrazione mentre questa regione non ha ancora completato la solidificazione, può formarsi una cricca.
Il rischio aumenta in presenza di:
elevato vincolo;
geometrie sfavorevoli;
eccessivo apporto termico;
composizione chimica non appropriata;
contaminazioni;
procedura non correttamente qualificata.
8. LIQUATION CRACKING
Il liquation cracking interessa principalmente la zona termicamente alterata.
Durante il ciclo termico alcune regioni localizzate possono raggiungere temperature sufficienti a provocare una fusione parziale di costituenti presenti nella microstruttura.
Durante il successivo raffreddamento queste zone possono diventare suscettibili alla formazione di microcricche.
Il fenomeno è favorito da:
microsegregazione;
presenza di fasi a basso punto di fusione;
elevato vincolo;
elevato apporto termico;
cicli termici particolarmente severi.
9. SEGREGAZIONE
La segregazione è un fenomeno particolarmente importante nelle leghe a base nichel.
Durante la solidificazione gli elementi di lega non vengono distribuiti necessariamente in modo uniforme.
Alcuni elementi possono concentrarsi nelle regioni interdendritiche.
La composizione locale può quindi essere diversa dalla composizione nominale della lega.
Nel caso dell'Inconel 718, ad esempio, la segregazione del niobio può essere associata alla formazione di fasi interdendritiche come la fase Laves.
Queste fasi possono ridurre la duttilità e influenzare negativamente il comportamento del materiale.
10. FASE LAVES NELL'INCONEL 718
La fase Laves è particolarmente importante nell'Inconel 718 saldato.
Durante la solidificazione il niobio può segregare nelle regioni interdendritiche.
In determinate condizioni può formarsi una fase Laves ricca di niobio.
La sua presenza può essere indesiderata perché può:
ridurre la duttilità;
diminuire la resistenza a frattura;
favorire l'innesco di cricche;
modificare la risposta al trattamento termico.
La quantità e la morfologia della fase Laves dipendono dalla composizione e dal ciclo termico.
11. SCELTA DEL MATERIALE D'APPORTO
Il materiale d'apporto deve essere compatibile con la lega base e con le condizioni di esercizio.
La scelta deve considerare:
composizione chimica;
resistenza meccanica;
resistenza alla corrosione;
temperatura di servizio;
diluizione;
processo di saldatura;
eventuale giunzione dissimile;
trattamento termico successivo.
Per l'Inconel 625 vengono normalmente utilizzati consumabili specificamente progettati per mantenere caratteristiche compatibili con la lega base.
Nelle applicazioni dissimili la scelta può essere ancora più complessa.
12. SALDATURA TIG
Il processo TIG/GTAW permette un elevato controllo del bagno di saldatura.
È particolarmente indicato per:
passate di radice;
tubazioni;
piccoli spessori;
componenti critici;
riparazioni;
giunti che richiedono elevata qualità superficiale.
Durante il TIG è importante controllare:
corrente;
tensione;
velocità di avanzamento;
lunghezza dell'arco;
portata del gas;
protezione del rovescio;
apporto termico.
Una tecnica troppo lenta può aumentare inutilmente l'energia introdotta nel componente.
13. PROTEZIONE GASSOSA
La protezione gassosa deve essere mantenuta stabile durante tutto il processo.
Una protezione insufficiente può provocare ossidazione e contaminazione della superficie.
Nel caso di tubazioni e componenti con requisiti elevati è particolarmente importante il purging della radice.
La qualità della protezione deve essere verificata prima dell'inizio della saldatura e mantenuta fino a quando la temperatura del materiale non consenta di evitare fenomeni di ossidazione dannosi.
14. SALDATURA MIG/GMAW
Il processo MIG/GMAW permette di ottenere produttività maggiore rispetto al TIG.
Può essere utilizzato per:
spessori elevati;
strutture industriali;
tubazioni;
riporti;
componenti di grandi dimensioni.
Devono essere controllati:
modalità di trasferimento;
corrente;
tensione;
velocità;
gas;
apporto termico;
temperatura di interpass.
Il trasferimento deve essere stabile e il bagno sufficientemente controllabile da evitare eccessive oscillazioni e accumuli di calore.
15. MIG PULSATO
Il MIG pulsato può consentire un migliore controllo del trasferimento del metallo.
La regolazione della corrente di picco e della corrente di base permette di ottenere un trasferimento più controllato rispetto ad alcune modalità convenzionali.
Può essere utile per ridurre:
apporto termico medio;
spruzzi;
dimensione del bagno;
deformazione.
I parametri devono comunque essere qualificati per la specifica applicazione.
16. SALDATURA SMAW
Le leghe a base nichel possono essere saldate anche con elettrodi rivestiti specifici.
La conservazione degli elettrodi deve rispettare le indicazioni del produttore.
Umidità, contaminazione e condizioni di stoccaggio non corrette possono compromettere la qualità del deposito.
La tecnica deve inoltre evitare passate eccessivamente larghe e un accumulo termico non controllato.
17. PRERISCALDO
Il preriscaldo non deve essere applicato automaticamente.
La necessità e l'eventuale temperatura devono essere definite in funzione di:
lega;
spessore;
temperatura ambiente;
condizioni superficiali;
geometria;
procedura di saldatura;
codice applicabile.
Un preriscaldo eccessivo può aumentare l'accumulo termico e rendere più difficile il controllo della saldatura.
È invece fondamentale assicurarsi che il componente sia pulito e asciutto.
18. TEMPERATURA DI INTERPASS
Nella saldatura multipass il controllo della temperatura tra le passate è fondamentale.
Ogni nuova passata modifica termicamente il materiale depositato e la zona termicamente alterata delle passate precedenti.
Una temperatura di interpass troppo elevata può aumentare:
dimensione della HAZ;
deformazione;
accumulo termico;
alterazioni metallurgiche.
La temperatura deve essere controllata direttamente sul componente e mantenuta entro i limiti stabiliti dalla procedura qualificata.
19. APPORTO TERMICO
L'apporto termico può essere espresso, in forma semplificata, attraverso la relazione:
Q ≈ η × V × I / v
dove:
Q = energia lineare;
η = rendimento del processo;
V = tensione;
I = corrente;
v = velocità di avanzamento.
L'apporto termico influenza direttamente il ciclo termico.
Un valore eccessivo può aumentare:
dimensione della HAZ;
deformazione;
segregazione;
permanenza ad alta temperatura;
rischio di fenomeni metallurgici indesiderati.
Un valore troppo basso può invece causare problemi di fusione e penetrazione.
Il parametro deve quindi essere definito insieme alla geometria del giunto e al processo utilizzato.
20. DILUIZIONE
La diluizione assume particolare importanza quando l'Inconel viene depositato su un materiale differente.
La composizione della zona fusa dipende dalla quantità di materiale base che entra nel bagno rispetto al materiale d'apporto.
Una diluizione elevata può modificare significativamente la composizione finale del deposito.
Questo è particolarmente importante nei riporti di Inconel 625 utilizzati per proteggere superfici di acciai al carbonio o basso-legati.
Il controllo della diluizione è quindi essenziale per garantire le proprietà previste dello strato depositato.
21. SALDATURA DI MATERIALI DISSIMILI
Le leghe Inconel vengono frequentemente utilizzate per realizzare giunti tra materiali differenti.
Sono possibili combinazioni come:
Inconel e acciaio al carbonio;
Inconel e acciaio basso-legato;
Inconel e acciaio inox;
Inconel e altre leghe a base nichel.
In questi casi devono essere valutati:
dilatazione termica;
conducibilità;
diluizione;
composizione della zona fusa;
compatibilità del consumabile;
tensioni residue;
condizioni di esercizio.
La progettazione del giunto deve quindi considerare il comportamento di entrambi i materiali.
22. CLADDING E OVERLAY IN INCONEL 625
L'Inconel 625 viene frequentemente utilizzato per realizzare riporti resistenti alla corrosione.
Il componente può essere costruito in un materiale strutturale meno costoso e successivamente rivestito con una lega a base nichel.
Questo sistema permette di combinare:
resistenza meccanica del substrato + resistenza alla corrosione del deposito.
Il parametro più importante è spesso la diluizione.
Se il materiale base entra in quantità eccessiva nel bagno, la composizione del deposito può allontanarsi da quella prevista.
Per questo motivo i processi di cladding richiedono spesso un controllo molto accurato della prima passata.
23. TRATTAMENTI TERMICI
Il trattamento termico dipende dalla specifica lega.
Le leghe a base nichel possono essere suddivise, in modo generale, in:
leghe rinforzate per soluzione solida
e
leghe rinforzate per precipitazione.
Il trattamento termico deve essere progettato sulla base della composizione chimica e dello stato metallurgico richiesto.
Non è corretto applicare lo stesso ciclo termico a Inconel 625 e Inconel 718.
24. SOLUBILIZZAZIONE
Il trattamento di solubilizzazione viene utilizzato per portare determinati costituenti della lega in soluzione solida.
La temperatura e il tempo di permanenza devono essere controllati.
Successivamente può essere necessario un raffreddamento rapido o controllato.
Lo scopo è ottenere una struttura metallurgica compatibile con le proprietà richieste.
Il trattamento deve sempre fare riferimento alla specifica della lega e alle prescrizioni del produttore.
25. TRATTAMENTO TERMICO DELL'INCONEL 718
L'Inconel 718 utilizza un sistema di indurimento per precipitazione.
Dopo la saldatura, il trattamento termico può essere utilizzato per ottenere nuovamente le proprietà meccaniche richieste, quando previsto dalla specifica tecnica.
Il ciclo comprende generalmente una fase di trattamento ad alta temperatura e successive fasi di invecchiamento.
Le temperature e i tempi devono essere quelli prescritti per la specifica condizione metallurgica.
Un ciclo errato può produrre una distribuzione delle fasi non ottimale.
26. PULIZIA PRIMA DELLA SALDATURA
La pulizia delle superfici è una delle operazioni più importanti.
Devono essere rimossi:
oli;
grassi;
vernici;
ossidi;
residui di lavorazione;
contaminazioni ferrose;
zolfo;
piombo;
rame;
altri contaminanti.
Le leghe a base nichel devono essere lavorate con utensili puliti e compatibili.
Particolare attenzione deve essere posta alla contaminazione da zolfo e altri elementi che possono favorire fenomeni di criccatura durante la solidificazione.
27. TECNICA DI SALDATURA
La tecnica dell'operatore influenza direttamente il ciclo termico.
È importante mantenere:
arco corto e stabile;
velocità costante;
bagno controllato;
oscillazione limitata;
corretta protezione gassosa;
apporto termico entro i limiti della WPS.
Passate eccessivamente larghe possono aumentare il calore accumulato e la dimensione della zona termicamente alterata.
28. CONTROLLI NON DISTRUTTIVI
A seconda della criticità del componente possono essere utilizzati:
VT – Visual Testing
PT – Penetrant Testing
RT – Radiographic Testing
UT – Ultrasonic Testing
Il controllo con liquidi penetranti è particolarmente utile per individuare discontinuità superficiali.
La scelta del metodo di controllo deve essere stabilita in funzione del codice applicabile, della specifica del cliente e della criticità del componente.
29. ESAME METALLOGRAFICO
La metallografia consente di analizzare direttamente la struttura del giunto.
Può evidenziare:
morfologia della solidificazione;
crescita del grano;
segregazione;
HAZ;
fasi secondarie;
porosità;
microcricche;
caratteristiche del deposito.
È uno strumento fondamentale durante lo sviluppo e la qualificazione di procedure particolarmente complesse.
30. WPS E WPQR
La procedura di saldatura deve definire tutti i parametri essenziali del processo.
Tra questi:
materiale base;
spessore;
processo;
materiale d'apporto;
diametro;
corrente;
tensione;
velocità;
apporto termico;
gas;
portata;
preriscaldo;
interpass;
tecnica;
sequenza delle passate;
trattamento termico.
La procedura deve essere qualificata secondo il codice applicabile e supportata dalla relativa documentazione di qualificazione.
31. IL CONTROLLO METALLURGICO DEL GIUNTO
Una saldatura Inconel deve essere valutata considerando l'intero percorso termico:
materiale base → fusione → solidificazione → zona termicamente alterata → raffreddamento → eventuale trattamento termico → condizioni di esercizio.
Ogni fase può modificare la microstruttura.
Una saldatura che presenta un aspetto superficiale perfetto può comunque avere problemi metallurgici non visibili a occhio nudo.
Per questo, nelle applicazioni più critiche, la valutazione deve comprendere sia i difetti geometrici sia la struttura metallurgica.
32. CONCLUSIONI
Le leghe Inconel sono materiali progettati per operare in condizioni estremamente severe.
La loro elevata resistenza deriva dalla complessa combinazione di nichel, cromo, molibdeno, niobio, titanio, alluminio e altri elementi di lega.
La saldatura deve preservare queste caratteristiche.
I principali aspetti da controllare sono:
composizione chimica → pulizia → consumabile → diluizione → apporto termico → solidificazione → interpass → microstruttura → trattamento termico → controlli.
Particolare attenzione deve essere dedicata ai fenomeni di:
solidification cracking;
liquation cracking;
hot cracking;
segregazione;
formazione di fasi secondarie;
eccessiva diluizione;
deformazione;
contaminazione.
La corretta saldatura di una lega Inconel non consiste quindi soltanto nella realizzazione di un cordone privo di difetti visibili.
Il vero risultato è un giunto capace di mantenere resistenza meccanica, resistenza alla corrosione e stabilità metallurgica nelle condizioni di esercizio previste.