Come migliorare la resistenza alla fatica nei giunti saldati

1. Ridurre la concentrazione delle sollecitazioni

Le cricche da fatica hanno origine nelle concentrazioni di sollecitazione presenti nei giunti saldati e nelle strutture. Qualsiasi misura che elimini o riduca tali concentrazioni può aumentare la resistenza alla fatica.

Utilizzare una forma strutturale solida

• Privilegiare i giunti di testa e ridurre al minimo i giunti a sovrapposizione. Ove possibile, sostituire i giunti a T o gli angolari nelle strutture critiche con giunti di testa e tenere le saldature lontane dagli angoli. Se un giunto a T o angolare è inevitabile, utilizzare una saldatura a penetrazione completa.
• Evitare i carichi eccentrici. La forza interna dovrebbe scorrere senza intoppi e distribuirsi in modo uniforme senza generare sollecitazioni secondarie.
• Prevedere transizioni graduali nei punti in cui si incontrano piastre di spessore o larghezza sostanzialmente diversi. Utilizzare raggi generosi in corrispondenza di angoli acuti e curve.
• Evitare le intersezioni spaziali con tre saldature. Tenere le saldature lontane dalle zone di concentrazione delle sollecitazioni ed evitare saldature trasversali sugli elementi sottoposti a trazione principale. Qualora ciò sia inevitabile, garantire un’elevata qualità interna ed esterna e ridurre al minimo la concentrazione nel piede della saldatura.
• Non lasciare un supporto permanente dietro una saldatura di testa su un solo lato in una struttura critica. Evitare le saldature intermittenti, poiché ogni segmento presenta forti concentrazioni all’inizio e alla fine.

Le strutture sottoposte a carichi dinamici o utilizzate a basse temperature richiedono una progettazione dettagliata più accurata rispetto alle strutture soggette a carichi statici a temperatura ambiente.

Controllo della forma e della qualità della saldatura

Ridurre al minimo le dimensioni dei rinforzi saldati a testa e, preferibilmente, spianare o levigare la saldatura a filo. Per i giunti a T, utilizzare saldature ad angolo concave anziché convesse. Assicurare una transizione uniforme alla base della saldatura, levigandola o rifondendola con saldatura TIG se necessario.

Ogni difetto di saldatura determina una certa concentrazione di sollecitazioni. I difetti planari — crepe, penetrazione incompleta, mancanza di fusione e sottosquadro — hanno l’effetto maggiore sulla resistenza alla fatica. Progettare ogni giunto in modo da garantirne la facilità di accesso e la corretta esecuzione, e rimuovere tutti i difetti che superano i limiti di accettabilità.

2. Regolare il campo di sollecitazione residua

La tensione di compressione residua aumenta la resistenza alla fatica, mentre la tensione di trazione residua la riduce. È possibile creare un campo di compressione favorevole in superficie o una concentrazione di sollecitazioni modificando la sequenza di saldatura o applicando un riscaldamento localizzato.

In un giunto di testa di una trave a I, la saldatura di testa 1 è soggetta alla sollecitazione di flessione maggiore. Lasciare una breve porzione della saldatura ad angolo 3 non saldata a ciascuna estremità, completare la saldatura 1 e quindi completare la saldatura di testa dell’anima 2. Il ritiro della saldatura 2 sottopone la saldatura 1 a compressione residua. Infine, saldare le porzioni lasciate in sospeso della saldatura 3; il loro restringimento sottopone entrambe le saldature 1 e 2 a compressione residua. Le prove hanno dimostrato che questa sequenza ha aumentato la resistenza a fatica del 30% rispetto alla saldatura del cordone 2 prima del cordone 1. Per una piastra di rinforzo unita da saldature longitudinali, un riscaldamento a punti correttamente posizionato in corrispondenza dell’intaglio vicino all’estremità della saldatura può creare una compressione residua benefica nel punto di concentrazione.

Il rafforzamento per deformazione superficiale ottenuto tramite laminazione, martellatura o pallinatura può inoltre deformare plasticamente e indurire la superficie di giunzione, lasciando una compressione residua che migliora la resistenza alla fatica.

3. Migliorare la microstruttura e le proprietà dei giunti

Per migliorare la resistenza intrinseca alla fatica del metallo di base e di saldatura è necessario garantire una migliore qualità metallurgica sia del materiale che del filo, nonché una minore presenza di inclusioni. Laddove possibile, il trattamento termico del giunto può creare una microstruttura favorevole, aumentando la resistenza insieme alla duttilità, alla tenacità e alla resistenza alla fatica.

Resistenza, duttilità e tenacità devono essere bilanciate. La resistenza contrasta la frattura, ma i materiali ad alta resistenza sono sensibili alle intaccature. La duttilità assorbe l’energia di deformazione, riduce i picchi di sollecitazione, ridistribuisce le sollecitazioni elevate e smussa le punte delle tacche e delle fessure, rallentandone o arrestandone la propagazione. Poiché la duttilità consente di sfruttare efficacemente la resistenza, l’aumento della duttilità e della tenacità può migliorare notevolmente la resistenza alla fatica dei giunti in lega di alluminio ad alta resistenza.