5 Facili punti per capire le distorsioni di saldatura

Se hai a che fare con la saldatura, prima o poi devi fare i conti con la deformazione dei pezzi. Sei li che ti figuri già il lavoro finito…, facile, facile. Ma al termine della saldatura controlli il pezzo e ti accorgi che le misure non tornano. E la geometria è cambiata!
Il metallo si scalda e dilata, poi quando si raffredda si contrae e la saldatura tira. Ecco le deformazioni di saldatura in azione!

“Maledetta deformazione termica, stai rovinando il mio lavoro!!”.

Aggiustare o scartare il pezzo? La scelta dipende da molti aspetti. Di sicuro è un costo. Un costo spesso non calcolato!

Sappiamo che le deformazioni sono una brutta bestia, ma davvero conosciamo il principio fisico che agisce dietro la scena?
Com’è che le dilatazioni termiche si trasformano in distorsioni?
Cerchiamo di capirlo in 5 semplici passaggi e una stramba analogia finale.

  1. Dilatazione termica
  2. Dilatazione in libertà
  3. Distorsione in compressione
  4. Distorsione in trazione
  5. Simulazione di una saldatura

1. La dilatazione termica

Questa è una proprietà della materia: quando a un corpo viene fornita energia sotto forma di calore i suoi atomi si agitano un po’ di più. E quando gli atomi ballano occupano più spazio, quindi il volume del corpo aumenta. Al contrario, quando il calore viene sottratto, il volume diminuisce.

Senza matematica complicata con termini derivativi o altri aspetti come l’anisotropia, elasticità, plasticità,… semplicemente, la variazione di volume viene calcolata moltiplicando la variazione della temperatura per il coefficiente di espansione volumetrica (αV) del materiale considerato. Per cui il volume finale è dato dalla somma fra il volume iniziale e la variazione di volume.

(1) ΔV = V·αV·ΔT

Naturalmente, se la variazione di temperatura è negativa, la variazione di volume è pure negativa, per cui il volume finale sarà inferiore.

La dilatazione è proporzionale alla dimensione in ciascuna direzione, ovvero più una dimensione è lunga, maggiore sarà l’incremento in tale direzione.
In un corpo lungo, per esempio, la dilatazione è avvertibile come aumento della lunghezza, essendo trascurabile la variazione nelle altre direzioni, per cui si può utilizzare il coefficiente di espansione lineare (αL) per calcolare quanto varia la lunghezza del corpo:

(2) ΔL = L·αL·ΔL

Dilatazione termica di un corpo longilineo

Conosciamo il comportamento del mercurio nei vecchi termometri o le rotaie ferroviarie, che negli Stati Uniti allungandosi (e incurvandosi) hanno causato il deragliamento di ben 190 treni in soli quattro anni .

2. La deformazioni di un blocchetto libero

Come primo esempio, vediamo cosa succede a un blocchetto di metallo lasciato libero nello spazio mentre viene scaldato uniformemente. Il blocchetto si espande in ogni direzione aumentando il proprio volume, come si vede nelle seguenti immagini (qualitative!).

Dilatazione termica blocchetto metallico non vincolato 1

dilatazione termica blocchetto metallico non vincolato 2

Cessato il riscaldamento al tempo t2, il volume è massimo e tratteggiata si vede la forma iniziale del blocchetto.
Raffreddandosi, il blocchetto si contrae: raggiunta la medesima temperatura iniziale (che si aveva in t0) il volume occupato torna ad essere lo stesso: la lunghezza di ciascun lato torna alla misura originale.

3. Adesso scaldiamo un blocchetto vincolato…

Adesso vincoliamo in una direzione il blocchetto metallico, per esempio con una morsa che lo tenga compresso durante il riscaldamento.

deformazione compresso 1

In questa situazione il blocchetto riscaldandosi vorrebbe dilatarsi in ogni direzione, ma la morsa glielo impedisce. Nella direzione della morsa sorgeranno delle tensioni molto forti che tenderanno ad allargare la morsa, contrastate dalle ganasce (le frecce nere). Poiché il volume finale deve essere quello stabilito dalla formula (1), il nostro blocchetto si espanderà nelle altre due direzioni, rilassando con ciò le tensioni interne.

Contrazione blocchetto compresso 2

Se al termine del riscaldamento (t3) togliamo il blocchetto dalla morsa e lo lasciamo raffreddare liberamente, esso inizia a contrarsi proporzionalmente in ogni direzione: il risultato finale è che non torna alle dimensioni iniziali, ma risulta deformato: più corto e cicciotto, pur conservando il medesimo volume iniziale.

4. Raffreddiamo un blocchetto vincolato…

Adesso foriamo il blocchetto alle estremità, perché dobbiamo metterlo in trazione. Riscaldandolo lasciato libero di muoversi, si comporterà come nel primo esempio, dilatandosi in ogni direzione.

Deformazione termica blocchetto in trazione 1

Al termine del riscaldo, applichiamo una trazione per impedire che si contragga in una direzione. Al contrario della morsa, nel materiale del blocchetto si generano degli sforzi che tendono i tiranti (rappresentati dalle frecce nere). Il blocchetto non può contrarsi nella direzione dei rotanti, ma solo lungo le altre due direzioni, con ciò allentando le tensioni interne.

Deformazione termica blocchetto in trazione 2

Al termine del raffreddamento (t4) e rimossi i tiranti, il blocchetto torna al volume iniziale, ma con anche in questo caso risulta deformato rispetto alle dimensioni iniziali: si trova ad essere più lungo e più snello.

5. Simuliamo una saldatura…

Cosa succede se scaldiamo localmente? Supponiamo di scaldare una barretta metallica al centro, da un solo lato (t1).

weldDistortion_w1La temperatura maggiore si trova nel punto in cui è applicata la sorgente di calore. Il calore diffonde e si distribuisce in modo che la temperatura diminuisca allontanandosi dalla sorgente.
Le zone in cui la temperatura è maggiore si dilatano prima e con intensità maggiore, per cui la barretta assume una forma incurvata con la concavità verso il basso (t2).

Distorsione di una barretta riscaldata

Al raffreddarsi, il materiale comincia a contrarsi. Ci si aspetta che al termine del raffreddamento la barretta torni alla condizione iniziale: bella dritta.

Purtroppo, all’interno del materiale si generano degli sforzi, sia durante il riscaldamento (le parti fredde agiscono come una morsa) che durante il raffreddamento (le parti fredde agiscono come dei tiranti), che vengono rilassati dal fatto che il materiale espande o si contrate.

Nella realtà, la somma delle deformazioni  non è zero e la nostra barretta si ritrova fredda e incurvata con la concavità verso il lato un cui è stato applicato il calore.

Effetto allacciatura, come una scarpa!

E’ come se la bugna di espansione (gialla in t2) non potesse rientrare e tirasse, come l’allacciatura di una scarpa, le fibre superiori.

weldDistortion_w3