ACCIAI E METALLURGIA DELLA SALDATURA
Dal ferro agli acciai speciali
ACCIAI E METALLURGIA DELLA SALDATURA
Dal ferro agli acciai speciali: capire il materiale prima di saldarlo
Quando si parla di saldatura, spesso si pensa prima alla saldatrice, alla corrente, al filo o all'elettrodo.
In realtà, la prima domanda dovrebbe essere un'altra:
che materiale sto saldando?
Dietro ogni saldatura c'è una struttura metallurgica che reagisce al calore. Il comportamento del materiale durante la fusione, il raffreddamento e il successivo esercizio dipende dalla sua composizione chimica, dalla microstruttura, dai trattamenti ricevuti e dal ciclo termico imposto dalla saldatura.
Un acciaio al carbonio, un P11, un P22, un P91, un inox 304L, un 316L, un Duplex 2205 o un Inconel 625 possono essere tutti saldati, ma non possono essere trattati allo stesso modo.
La differenza non è soltanto nel materiale d'apporto.
La differenza è nella metallurgia.
1. DAL FERRO ALL'ACCIAIO
Il punto di partenza è il ferro.
Il ferro puro ha caratteristiche meccaniche relativamente limitate rispetto agli acciai utilizzati nell'industria. L'aggiunta controllata di carbonio e di altri elementi permette di modificare profondamente le proprietà del materiale.
Nasce così l'acciaio.
Il carbonio è uno degli elementi più importanti nella metallurgia degli acciai. Anche piccole variazioni del suo contenuto possono modificare:
durezza;
resistenza meccanica;
duttilità;
tenacità;
temprabilità;
saldabilità.
A questi elementi si aggiungono, in quantità diverse:
manganese;
silicio;
cromo;
nichel;
molibdeno;
vanadio;
niobio;
titanio;
rame;
boro;
tungsteno.
La combinazione di questi elementi determina il comportamento finale dell'acciaio.
2. COS'È UN ACCIAIO AL CARBONIO?
Gli acciai al carbonio sono materiali nei quali il carbonio rappresenta uno degli elementi principali utilizzati per modificare le proprietà meccaniche.
Sono probabilmente i materiali più diffusi nell'industria.
Si trovano in:
carpenteria metallica;
strutture;
tubazioni;
serbatoi;
apparecchiature industriali;
macchinari;
costruzioni;
componenti meccanici.
Tra le denominazioni che si possono incontrare troviamo, ad esempio:
S235
S275
S355
C22
C35
C45
Le sigle e le proprietà precise dipendono dalla norma di riferimento e dalla condizione metallurgica del materiale.
3. S235, S275 E S355
Le qualità S235, S275 e S355 sono molto conosciute nella carpenteria e nelle costruzioni metalliche.
La lettera S indica generalmente un acciaio strutturale, mentre il numero è legato alla resistenza allo snervamento minima prevista per determinate condizioni di prodotto.
L'S355, per esempio, presenta una resistenza allo snervamento nominale superiore rispetto a un S235 nelle condizioni previste dalla norma.
Dal punto di vista della saldatura, tuttavia, non basta conoscere il numero.
Occorre considerare:
spessore;
composizione chimica;
temperatura iniziale;
vincolo del giunto;
processo;
apporto termico;
temperatura di interpass;
condizioni ambientali.
4. IL CARBONIO E LA SALDABILITÀ
Il carbonio è fondamentale anche per capire la saldabilità.
All'aumentare del carbonio aumenta generalmente la possibilità di ottenere strutture dure durante il raffreddamento.
Una struttura molto dura nella zona termicamente alterata può diventare più sensibile alla formazione di cricche, soprattutto in presenza di idrogeno diffusibile e tensioni residue.
Per questo motivo nella saldatura degli acciai è importante conoscere il Carbon Equivalent, cioè l'equivalente di carbonio.
Una delle formule utilizzate è il CEV secondo IIW:
CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15
Il valore deve essere calcolato utilizzando le percentuali degli elementi presenti nella composizione chimica.
Il Carbon Equivalent non racconta tutto sul comportamento del materiale, ma rappresenta un importante indicatore della sua temprabilità e della sua saldabilità.
5. COSA SUCCEDE QUANDO SALDIAMO UN ACCIAIO?
Durante la saldatura introduciamo una quantità molto elevata di energia in una zona relativamente piccola.
Il materiale attraversa quindi un ciclo:
riscaldamento → fusione → solidificazione → raffreddamento.
La parte che fonde diventa la FZ – Fusion Zone, cioè la zona fusa.
Accanto alla zona fusa si trova la HAZ – Heat Affected Zone, o zona termicamente alterata.
La HAZ non fonde, ma viene riscaldata a temperature sufficientemente elevate da modificare la microstruttura.
Più lontano dalla saldatura il materiale rimane sostanzialmente invariato.
Questo significa che un singolo giunto può contenere contemporaneamente zone con microstrutture differenti.
6. LA ZONA TERMICAMENTE ALTERATA
La HAZ è spesso una delle regioni più importanti da considerare.
Durante il riscaldamento possono verificarsi:
trasformazioni di fase;
crescita del grano;
dissoluzione di precipitati;
formazione di strutture dure;
rinvenimento di strutture precedenti;
variazioni della durezza;
modifiche della tenacità.
Nel caso di alcuni acciai al carbonio e basso-legati, un raffreddamento troppo rapido può portare alla formazione di martensite.
La martensite è una struttura molto dura.
Se presenta durezza elevata e il giunto contiene idrogeno diffusibile, possono aumentare le condizioni favorevoli alla formazione di cricche da idrogeno.
7. IDROGENO E CRICCHE A FREDDO
Uno dei problemi più importanti nella saldatura degli acciai è l'hydrogen assisted cracking, cioè la criccatura assistita dall'idrogeno.
Perché si sviluppi il fenomeno devono generalmente essere presenti contemporaneamente condizioni favorevoli quali:
idrogeno diffusibile;
microstruttura suscettibile;
tensioni residue o applicate;
temperatura sufficientemente bassa.
L'idrogeno può provenire da:
umidità;
contaminanti;
elettrodi non correttamente conservati;
superfici sporche;
gas o materiali di consumo non correttamente gestiti.
Per questo motivo la gestione dell'idrogeno è fondamentale nella saldatura degli acciai suscettibili.
8. PRERISCALDO
Il preriscaldo viene utilizzato principalmente per controllare il ciclo termico.
Non serve semplicemente a "scaldare il pezzo".
Serve a modificare la velocità di raffreddamento e quindi la microstruttura che si forma nella zona interessata dalla saldatura.
Un corretto preriscaldo può contribuire a:
ridurre la velocità di raffreddamento;
diminuire il rischio di formazione di strutture eccessivamente dure;
favorire la fuoriuscita dell'idrogeno;
ridurre alcuni gradienti termici;
diminuire il rischio di criccatura.
La temperatura di preriscaldo deve essere stabilita in funzione del materiale, dello spessore, del processo e delle condizioni del giunto.
9. TEMPERATURA DI INTERPASS
Nella saldatura multipass il controllo della temperatura tra le passate è altrettanto importante.
Se il pezzo diventa progressivamente troppo caldo, il ciclo termico cambia.
Questo può influenzare:
microstruttura;
durezza;
dimensione del grano;
tenacità;
proprietà meccaniche.
La temperatura di interpass deve quindi essere controllata e registrata quando previsto dalla procedura.
10. ACCIAI BASSO-LEGATI
Quando all'acciaio al carbonio vengono aggiunti elementi come:
Cr;
Mo;
Ni;
V;
Nb;
Ti;
si entra nel campo degli acciai basso-legati e legati.
Questi materiali vengono sviluppati per ottenere caratteristiche specifiche.
Possono offrire:
maggiore resistenza meccanica;
maggiore temprabilità;
resistenza alle alte temperature;
resistenza all'usura;
migliore comportamento in pressione;
maggiore resistenza alla corrosione.
La saldatura diventa progressivamente più complessa perché la composizione chimica influenza direttamente le trasformazioni durante il raffreddamento.
11. GLI ACCIAI Cr-Mo
Una famiglia molto importante è quella degli acciai Cr-Mo, cioè cromo-molibdeno.
Sono utilizzati soprattutto in:
centrali;
impianti energetici;
raffinerie;
industria petrolchimica;
impianti di processo;
apparecchiature in pressione.
Tra le designazioni che si possono incontrare troviamo:
P11
P12
P22
P5
P9
Questi materiali sono progettati per lavorare a temperature e pressioni elevate.
La presenza di cromo e molibdeno aumenta le prestazioni alle alte temperature, ma richiede un controllo più rigoroso della saldatura.
12. P11 E P22
Il P11 e il P22 sono due materiali molto conosciuti nell'industria energetica e petrolchimica.
Il P11 appartiene alla famiglia degli acciai Cr-Mo con contenuto di lega relativamente contenuto.
Il P22 presenta un contenuto di cromo e molibdeno maggiore.
La saldatura richiede particolare attenzione a:
preriscaldo;
interpass;
consumabile;
temperatura di raffreddamento;
trattamento termico post-saldatura.
Per questi materiali il PWHT – Post Weld Heat Treatment può essere una parte fondamentale della procedura.
13. P91 E P92
Un ulteriore livello di complessità è rappresentato dagli acciai P91 e P92.
Sono acciai sviluppati per applicazioni ad alta temperatura e alta pressione.
Il P91 è caratterizzato principalmente da un sistema Cr-Mo-V-Nb-N.
Il P92 presenta una composizione ulteriormente modificata, con elementi come tungsteno e altri microalliganti.
La microstruttura e le proprietà meccaniche dipendono fortemente dal trattamento termico.
La saldatura deve quindi essere eseguita con controllo rigoroso di:
preriscaldo;
interpass;
apporto termico;
consumabile;
raffreddamento;
PWHT.
Un errore nella gestione del trattamento termico può compromettere le proprietà del giunto.
14. MARTENSITE, BAINITE E FERRITE
Per comprendere la saldatura degli acciai bisogna conoscere almeno le principali microstrutture.
Ferrite
È relativamente duttile e presenta una durezza generalmente contenuta.
Perlite
È costituita da una struttura lamellare di ferrite e cementite e contribuisce alla resistenza meccanica dell'acciaio.
Bainite
Può offrire un buon compromesso tra resistenza e tenacità, a seconda della morfologia e delle condizioni di formazione.
Martensite
È una struttura molto dura ottenuta attraverso trasformazione a velocità di raffreddamento sufficientemente elevate.
La martensite può essere desiderabile in alcuni acciai trattati termicamente, ma nella HAZ di un giunto saldato può rappresentare un problema se la durezza diventa eccessiva.
15. DIAGRAMMI CCT E TTT
Per comprendere la trasformazione dell'acciaio durante il raffreddamento vengono utilizzati diagrammi metallurgici come:
TTT – Time Temperature Transformation
e
CCT – Continuous Cooling Transformation.
Questi strumenti permettono di comprendere quali strutture possono formarsi in funzione del tempo e della temperatura.
Nella saldatura è particolarmente importante il comportamento durante il raffreddamento continuo.
Il ciclo termico della saldatura può quindi essere collegato alla microstruttura che si sviluppa nella HAZ.
16. APPORTO TERMICO
L'apporto termico è uno dei parametri più importanti della saldatura.
In forma semplificata:
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 la velocità di raffreddamento e quindi la microstruttura.
Un apporto troppo basso può provocare:
fusione insufficiente;
penetrazione insufficiente;
raffreddamento troppo rapido.
Un apporto eccessivo può provocare:
crescita del grano;
HAZ troppo ampia;
perdita di tenacità;
deformazioni;
alterazione delle proprietà meccaniche.
Il valore corretto è quindi quello compatibile con il materiale e con la procedura qualificata.
17. TRATTAMENTI TERMICI DEGLI ACCIAI
Il trattamento termico modifica la microstruttura e quindi le proprietà dell'acciaio.
Tra i principali trattamenti troviamo:
Ricottura
Utilizzata per ridurre durezza e tensioni e ottenere una struttura più equilibrata e lavorabile.
Normalizzazione
Utilizzata per ottenere una struttura più uniforme attraverso un riscaldamento seguito da raffreddamento in aria in condizioni definite.
Tempra
Consiste nel riscaldamento a temperatura appropriata seguito da un raffreddamento rapido.
Può portare alla formazione di martensite.
Rinvenimento
Viene eseguito dopo la tempra per ridurre la fragilità e ottenere il compromesso desiderato tra durezza, resistenza e tenacità.
Distensione
Viene utilizzata per ridurre le tensioni residue senza modificare radicalmente la struttura metallurgica.
18. PWHT – TRATTAMENTO TERMICO POST-SALDATURA
Il Post Weld Heat Treatment viene utilizzato in numerose applicazioni industriali.
Può avere diversi obiettivi:
ridurre le tensioni residue;
modificare la durezza;
favorire la diffusione dell'idrogeno;
stabilizzare la microstruttura;
ottenere le proprietà richieste dalla specifica.
Il PWHT non deve essere considerato un semplice "riscaldamento dopo la saldatura".
Temperatura, velocità di riscaldamento, tempo di permanenza e raffreddamento devono essere definiti e controllati.
19. ACCIAI INOSSIDABILI
Quando il contenuto di cromo è sufficientemente elevato, l'acciaio può sviluppare una superficie passiva altamente resistente alla corrosione.
Nascono così gli acciai inossidabili.
Tra le famiglie principali troviamo:
ferritici;
martensitici;
austenitici;
Duplex;
Superduplex;
PH – precipitation hardening.
Tra le qualità più conosciute:
304
304L
316
316L
321
347
410
430
2205
2507
Ogni famiglia presenta un comportamento metallurgico differente.
20. ACCIAI AUSTENITICI: 304 E 316
Il 304/304L e il 316/316L sono tra gli acciai inox più utilizzati.
Il 304 è principalmente un acciaio Cr-Ni.
Il 316 contiene anche molibdeno, che migliora la resistenza alla corrosione localizzata.
La saldatura degli austenitici è generalmente buona, ma devono essere controllati:
apporto termico;
deformazioni;
ossidazione;
contaminazione;
temperatura di interpass;
eventuale precipitazione di carburi.
Le versioni L, come 304L e 316L, hanno un contenuto di carbonio ridotto e sono state sviluppate anche per migliorare il comportamento nei processi di saldatura.
21. ACCIAI FERRITICI E MARTENSITICI
Gli inox ferritici, come il 430, hanno una struttura prevalentemente ferritica.
Gli inox martensitici, come il 410, possono raggiungere elevate durezze attraverso opportuni trattamenti termici.
La saldatura degli inox martensitici richiede particolare attenzione perché la formazione di martensite nella zona termicamente alterata può aumentare la durezza e la sensibilità alla criccatura.
Il preriscaldo e il successivo trattamento termico possono diventare elementi importanti della procedura.
22. DUPLEX E SUPERDUPLEX
Gli acciai Duplex combinano una struttura composta da:
ferrite + austenite.
Tra le qualità più conosciute troviamo:
Duplex 2205
Superduplex 2507
La saldatura deve mantenere un equilibrio adeguato tra le due fasi.
Un raffreddamento eccessivamente rapido può favorire un'elevata quantità di ferrite.
Un ciclo termico non corretto può inoltre favorire la formazione di fasi intermetalliche come:
sigma;
chi.
Per questo motivo il controllo dell'apporto termico e della temperatura di interpass è particolarmente importante.
23. LEGHE A BASE NICHEL
Oltre agli acciai, nell'industria della saldatura vengono utilizzate numerose leghe a base nichel.
Tra le più conosciute:
Inconel 600
Inconel 625
Inconel 718
Inconel 690
Inconel X-750
Queste leghe vengono utilizzate quando sono richieste elevate prestazioni meccaniche e di corrosione ad alta temperatura o in ambienti particolarmente aggressivi.
La loro saldatura richiede attenzione a:
solidificazione;
segregazione;
diluizione;
hot cracking;
liquation cracking;
trattamento termico.
24. ACCIAI DA BONIFICA
Gli acciai da bonifica sono progettati per ottenere elevate proprietà meccaniche attraverso una combinazione di:
tempra + rinvenimento.
Tra le qualità conosciute troviamo:
C45
42CrMo4
34CrNiMo6
Il 42CrMo4, ad esempio, è un acciaio Cr-Mo utilizzato in numerosi componenti meccanici.
La saldatura deve essere valutata attentamente perché il ciclo termico può modificare la struttura ottenuta con il trattamento di bonifica.
La zona termicamente alterata può presentare variazioni importanti di durezza e tenacità.
25. ACCIAI PER USURA
Esistono anche acciai progettati principalmente per resistere all'usura.
Sono caratterizzati da elevata durezza e possono contenere percentuali significative di carbonio e altri elementi di lega.
Esempi commerciali sono le famiglie:
Hardox
Dillidur
Creusabro
La saldatura di questi materiali richiede attenzione a:
preriscaldo;
temperatura di interpass;
apporto termico;
consumabile;
raffreddamento.
Una procedura non corretta può modificare la durezza della zona interessata dal calore.
26. ACCIAI PER CALDAIE E PRESSIONE
Gli impianti industriali utilizzano numerosi materiali destinati a lavorare in pressione e ad alta temperatura.
Tra le designazioni che si possono incontrare:
P11;
P22;
P5;
P9;
P91;
P92;
altri materiali Cr-Mo e creep resistant.
Questi materiali vengono utilizzati in:
caldaie;
linee vapore;
collettori;
tubazioni;
impianti energetici;
raffinerie;
centrali.
La saldatura deve essere progettata tenendo conto non solo della resistenza a temperatura ambiente, ma anche del comportamento a lungo termine.
27. CREEP E ALTA TEMPERATURA
Quando un materiale lavora per lunghi periodi ad alta temperatura sotto carico, può verificarsi il fenomeno del creep, cioè una deformazione progressiva nel tempo.
Negli impianti energetici questo aspetto è fondamentale.
Gli acciai Cr-Mo e gli acciai avanzati come P91 e P92 sono stati sviluppati anche per migliorare il comportamento alle alte temperature.
La saldatura deve quindi conservare le caratteristiche metallurgiche necessarie a garantire la vita utile del componente.
28. SALDATURA E MICROSTRUTTURA
La saldatura può essere vista come un piccolo trattamento termico localizzato.
La torcia o l'arco introducono energia.
Il materiale raggiunge temperature differenti in funzione della distanza dal centro del giunto.
Si ottiene quindi una sequenza di zone:
metallo base → HAZ → zona di fusione → HAZ → metallo base.
Ogni zona ha una propria storia termica.
È questa storia termica che determina la microstruttura finale.
29. LA SCELTA DEL CONSUMABILE
Il materiale d'apporto non deve essere scelto soltanto perché "salda bene".
Deve essere compatibile con:
materiale base;
proprietà meccaniche richieste;
ambiente di esercizio;
temperatura;
trattamento termico;
codice applicabile;
processo utilizzato.
Tra le famiglie di consumabili si possono incontrare:
elettrodi rutile;
elettrodi basici;
fili MIG/MAG;
fili TIG;
fili animati;
consumabili per inox;
consumabili Cr-Mo;
consumabili Nickel;
consumabili per Duplex e Superduplex.
La scelta corretta è parte integrante della progettazione della saldatura.
30. PULIZIA E PREPARAZIONE
Una buona saldatura comincia prima dell'accensione dell'arco.
La preparazione deve comprendere:
pulizia;
corretta geometria del giunto;
rimozione di ossidi e contaminanti;
controllo del gap;
preparazione dei lembi;
corretta centratura;
verifica dei materiali.
Per gli acciai al carbonio è particolarmente importante eliminare oli e umidità.
Per gli inox e le leghe speciali è inoltre fondamentale evitare contaminazioni da acciaio al carbonio e da altri materiali.
31. DIFETTI DI SALDATURA
I difetti possono essere classificati in diverse categorie.
Porosità
Presenza di cavità dovute principalmente a gas intrappolati durante la solidificazione.
Mancanza di fusione
Il materiale d'apporto non fonde correttamente una superficie del giunto.
Mancanza di penetrazione
La fusione non raggiunge la profondità prevista.
Inclusioni
Materiale estraneo rimasto intrappolato nel deposito.
Sottosquadro
Asportazione o fusione eccessiva del materiale base vicino al cordone.
Cricche
Sono tra i difetti più pericolosi perché possono propagarsi sotto carico.
La prevenzione dei difetti parte dalla conoscenza del materiale e del processo.
32. CONTROLLI NON DISTRUTTIVI
Una saldatura industriale può essere sottoposta a diversi controlli.
VT – Visual Testing
Controllo della geometria e dell'aspetto superficiale.
PT – Penetrant Testing
Individuazione di discontinuità aperte sulla superficie.
MT – Magnetic Testing
Utilizzabile su materiali ferromagnetici per individuare discontinuità superficiali e subsuperficiali.
UT – Ultrasonic Testing
Permette di individuare discontinuità interne attraverso onde ultrasoniche.
RT – Radiographic Testing
Permette di evidenziare numerose discontinuità volumetriche.
La scelta del metodo dipende dal materiale, dalla geometria, dallo spessore e dalla criticità del componente.
33. LA WPS: LA PROCEDURA DI SALDATURA
Una saldatura industriale non dovrebbe essere affidata soltanto all'esperienza del singolo operatore.
La WPS – Welding Procedure Specification definisce le condizioni con cui il giunto deve essere realizzato.
Può comprendere:
materiale;
spessore;
processo;
posizione;
consumabile;
diametro;
corrente;
tensione;
velocità;
apporto termico;
preriscaldo;
interpass;
gas;
tecnica;
eventuale PWHT.
La procedura viene qualificata attraverso una WPQR/PQR, secondo la norma o il codice applicabile.
34. IL RUOLO DELLA METALLURGIA NELLA SALDATURA
Conoscere la metallurgia significa capire cosa succede al materiale mentre viene saldato.
Non basta sapere che una saldatrice lavora a 180 ampere.
Bisogna capire:
cosa succede alla microstruttura a 180 ampere, con quella velocità, quello spessore, quella composizione chimica e quella temperatura iniziale.
È questa la differenza tra un parametro semplicemente impostato e un processo realmente controllato.
35. UNA MAPPA DEI PRINCIPALI MATERIALI
Nel mondo industriale possiamo incontrare moltissime famiglie di materiali.
Acciai strutturali
S235
S275
S355
Acciai al carbonio
C22
C35
C45
Acciai da bonifica
42CrMo4
34CrNiMo6
Acciai Cr-Mo
P5
P9
P11
P22
Acciai avanzati per alta temperatura
P91
P92
Acciai inox austenitici
304
304L
316
316L
321
347
Acciai inox ferritici
430
Acciai inox martensitici
410
Duplex
2205
Superduplex
2507
Leghe a base nichel
Inconel 600
Inconel 625
Inconel 718
Inconel 690
Inconel X-750
Questa è soltanto una parte delle leghe utilizzate nell'industria.
Ogni materiale ha una propria composizione, una propria microstruttura e una propria finestra di saldabilità.
36. CONCLUSIONI
La saldatura è molto più del semplice collegamento tra due pezzi metallici.
È un processo metallurgico nel quale il materiale viene sottoposto a temperature estremamente elevate in un'area localizzata e, in pochi secondi o minuti, attraversa trasformazioni che possono modificare profondamente la sua struttura.
Per questo motivo la qualità di una saldatura dipende da una catena di fattori:
materiale → composizione chimica → preparazione → processo → consumabile → apporto termico → raffreddamento → microstruttura → eventuale trattamento termico → controlli.
Conoscere il materiale significa sapere come reagirà al calore.
Conoscere la metallurgia significa poter prevedere cosa succederà durante il ciclo termico.
Conoscere la saldatura significa trasformare questa conoscenza in una procedura controllata e ripetibile.