Crepe da Solidificazione nelle Saldature: L’Intensità del Vincolo Fa Davvero la Differenza?

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi dietro le quinte di un argomento che mi appassiona e che, credetemi, è cruciale nel mondo delle costruzioni moderne, specialmente quelle che puntano sulla leggerezza e sulla resistenza: sto parlando delle **crepe da solidificazione** nelle saldature, in particolare quando si usano materiali d’apporto ad alta resistenza.

Vi siete mai chiesti cosa tiene insieme strutture imponenti come le gru mobili? Spesso sono gli acciai ad alta resistenza, fantastici perché permettono di costruire strutture più leggere ma capaci di sopportare carichi enormi. Il rapporto resistenza/peso è fondamentale: meno materiale significa meno peso proprio da sostenere, risparmio energetico e la possibilità di realizzare opere ancora più grandi. Ma c’è un “ma”. Aumentare i carichi e ridurre le sezioni significa aumentare le sollecitazioni, non solo nelle piastre d’acciaio, ma soprattutto nei giunti saldati che le uniscono. E qui entra in gioco il nostro “cattivo”: la cricca da solidificazione (o SC, dall’inglese Solidification Cracking).

Cos’è la Cricca da Solidificazione e Perché Ci Preoccupa?

Immaginate il metallo fuso nel bagno di saldatura che inizia a raffreddarsi e solidificare. Si formano delle strutture chiamate dendriti, un po’ come cristalli di ghiaccio. Man mano che crescono e si intrecciano, formano una rete che acquista una certa resistenza. All’inizio, se ci sono piccole tensioni (deformazioni), il metallo ancora liquido riesce a riempire gli spazi vuoti che si creano. Ma via via che la solidificazione avanza e la temperatura scende, questa rete diventa più rigida e il liquido fa sempre più fatica a “nutrire” le zone sotto sforzo. Se la deformazione supera la capacità del liquido di compensare, ecco che si forma una crepa, proprio lì, nella zona ancora “molle” (la cosiddetta *mushy zone*).

Queste crepe, anche se piccole, sono pericolose. Secondo la teoria della meccanica della frattura (vi dice niente Griffith?), sollecitazioni più alte significano che basta una cricca più piccola per portare al cedimento del materiale. E in strutture rigide come quelle di cui parliamo, il **vincolo** (cioè quanto la struttura si oppone alla naturale espansione e contrazione termica durante la saldatura) è spesso molto elevato. Questo vincolo è uno dei fattori chiave che influenzano la formazione delle SC, insieme alla composizione chimica del materiale, alla metallurgia e ai parametri di saldatura.

Mettere alla Prova il Vincolo: Il Test CTS

Molti test per studiare le SC si concentrano sulla velocità di deformazione, applicando forze esterne durante la saldatura (come i test Varestraint o Trans-Varestraint). Sono utili per confrontare la suscettibilità dei diversi materiali, ma nella realtà, la maggior parte delle strutture saldate è auto-vincolata. Il vincolo nasce dalla geometria stessa della struttura e dalla sua rigidità.

Per questo, nel nostro studio, abbiamo deciso di usare un test auto-vincolato, il **test CTS (Controlled Thermal Severity)**, definito dalla norma DIN EN ISO 17642–2. È un test che simula meglio le condizioni reali. L’idea geniale è stata: come possiamo variare l’intensità del vincolo in modo controllato? Semplice (si fa per dire!): abbiamo usato piastre di acciaio S1100 QL (un acciaio ad altissima resistenza) di spessori diversi per assemblare i provini CTS. Piastre più spesse significano una struttura più rigida, quindi un vincolo maggiore sulla saldatura d’angolo che andavamo a realizzare.

Abbiamo testato quattro diversi fili d’apporto per la saldatura GMAW (Gas Metal Arc Welding, comunemente nota come MIG/MAG), tre fili pieni (G69, G89 6, G89 5) e un filo animato metallico (T89), tutti ad alta resistenza. E non ci siamo fermati qui: abbiamo anche valutato due diversi set di parametri di saldatura, uno con energia d’arco e velocità di saldatura più basse, e uno con valori più alti. L’energia d’arco, per capirci, è un po’ come la “quantità di calore” che immettiamo nel giunto.

I Risultati: Il Vincolo Conta, Eccome!

Dopo aver eseguito le saldature, abbiamo sezionato i provini (ben 10 campioni per ogni test!), li abbiamo lucidati a specchio e siamo andati a caccia di crepe con un microscopio ottico. Abbiamo misurato la lunghezza totale delle cricche (SCL), l’area totale (SCA) e l’area della cricca più grande (MCA) per ogni condizione. Per essere sicuri che fossero proprio cricche da solidificazione, abbiamo anche usato un microscopio elettronico a scansione (SEM): le immagini delle superfici di frattura mostravano chiaramente la struttura dendritica tipica, confermando che la rottura era avvenuta proprio nella fase finale della solidificazione.

E cosa abbiamo scoperto? I risultati parlano chiaro:

• Maggiore intensità del vincolo (piastre più spesse) porta a una maggiore incidenza di cricche da solidificazione. La lunghezza e l’area totale delle cricche aumentavano significativamente passando dai provini da 10 mm a quelli da 18 mm. Una simulazione agli elementi finiti (FEM), anche se semplificata, ci ha confermato che il vincolo locale (Kl) aumentava di quasi il 133% con le piastre più spesse!
• Parametri di saldatura “più spinti” (maggiore energia d’arco e velocità) aumentano la suscettibilità alle cricche. I campioni saldati con 1.2 kJ/mm di energia e 60 cm/min di velocità hanno mostrato costantemente più cricche rispetto a quelli saldati con 0.8 kJ/mm e 30 cm/min.
• La combinazione di massimo vincolo (18 mm) e parametri più spinti (1.2 kJ/mm) ha prodotto il picco assoluto di cricche per tutti i materiali testati.
• È interessante notare che l’area della cricca *massima* (MCA) non variava così drasticamente come la somma totale (SCL, SCA). Questo suggerisce che con vincolo ed energia elevati, non si forma solo una cricca enorme, ma piuttosto si innescano e crescono *molteplici* cricche più piccole.
• Un dato sorprendente: alcuni dei materiali d’apporto che avevamo testato in precedenza con altri metodi (come il test MVT) e che erano risultati *non* suscettibili a SC, qui, sotto condizioni di vincolo elevato, hanno mostrato chiaramente la formazione di cricche!

Non è Tutto Bianco o Nero: La Complessità del Fenomeno

Quindi, più vincolo uguale più crepe? Sembrerebbe di sì, almeno nel nostro caso con questi acciai. Ma attenzione, la storia delle SC è più complessa di quella delle cricche a freddo (dove generalmente più vincolo significa più problemi). Alcuni studi, ad esempio su leghe di alluminio, hanno mostrato risultati opposti: un vincolo maggiore *riduceva* le cricche! Perché?

Il punto è che il vincolo interagisce con l’espansione termica causata dal calore della saldatura. Un vincolo elevato può generare sforzi di compressione attorno al bagno di saldatura che, in certe condizioni, potrebbero *contrastare* la formazione o la crescita delle cricche. Tutto dipende da un delicato equilibrio tra l’intensità del vincolo, le proprietà del materiale, i parametri di saldatura (che influenzano il campo termico e le velocità di raffreddamento) e la geometria del giunto.

Nel nostro caso, con saldature d’angolo su acciai altoresistenziali e usando il processo GMAW, l’effetto dominante è stato l’aumento della suscettibilità a SC con l’aumentare del vincolo. Le velocità di raffreddamento (misurate come tempi t8/5) erano diverse tra le piastre sottili e spesse, ma l’effetto del vincolo ha prevalso sulla teoria che vorrebbe tempi di raffreddamento più lunghi (piastre sottili) come più critici.

Cosa Portiamo a Casa?

Questo studio ci dice chiaramente che, per le saldature d’angolo in acciaio ad alta resistenza realizzate con GMAW, **l’intensità del vincolo è un fattore critico che non possiamo ignorare**. Aumentare il vincolo aumenta il rischio di cricche da solidificazione, così come usare parametri di saldatura con maggiore apporto termico e velocità.

La lezione più importante? Non possiamo fidarci ciecamente delle classificazioni di suscettibilità ottenute con test a basso vincolo o con vincolo esterno. Se stiamo progettando una struttura reale, altamente vincolata, dobbiamo considerare che anche materiali d’apporto considerati “sicuri” potrebbero dare problemi. È fondamentale valutare la situazione specifica, tenendo conto del vincolo reale che la saldatura subirà in opera. Forse è il momento di aggiornare il modo in cui classifichiamo la suscettibilità a SC nei test, considerando più attentamente l’effetto del vincolo.

Insomma, saldare questi materiali fantastici richiede attenzione e conoscenza. Capire come il vincolo influenzi la formazione delle cricche è un passo fondamentale per garantire la sicurezza e l’affidabilità delle strutture che costruiamo.

Fonte: Springer