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PROCEDURE DI CONTROLLO SULLE SALDATURE

PROCESSO DI SALDATURA (NTC2018 § 11.3.4.5)


“…OMISSIS…Le durezze eseguite sulle macrografie non dovranno essere superiori a 350 HV30.

Per la saldatura ad arco di prigionieri di materiali metallici (saldatura ad innesco mediante sollevamento e saldatura a scarica di condensatori ad innesco sulla punta) si applica la norma UNI EN ISO 14555:2017; valgono perciò i requisiti di qualità di cui al prospetto A1 della appendice A della stessa norma.

Le prove di qualifica dei saldatori, degli operatori e dei procedimenti dovranno essere eseguite da un Ente terzo; in assenza di prescrizioni in proposito l’Ente sarà scelto dal costruttore secondo criteri di competenza e di indipendenza.

Sono richieste caratteristiche di duttilità, snervamento, resistenza e tenacità in zona fusa e in zona termica alterata non inferiori a quelle del materiale base.

Nell’esecuzione delle saldature dovranno inoltre essere rispettate le norme UNI EN 1011-1:2009 ed UNI EN 1011-2:2005 per gli acciai ferritici ed UNI EN 1011-3:2005 per gli acciai inossidabili. Per la preparazione dei lembi si applicherà, salvo casi particolari, la norma UNI EN ISO 9692-1:2013.

Le saldature saranno sottoposte a controlli non distruttivi finali per accertare la corrispondenza ai livelli di qualità stabiliti dal progettista sulla base delle norme applicate per la progettazione.

In assenza di tali dati per strutture non soggette a fatica si adotterà il livello C della norma UNI EN ISO 5817:2014 e il livello B per strutture soggette a fatica.

L’entità ed il tipo di tali controlli, distruttivi e non distruttivi, in aggiunta a quello visivo al 100%, saranno definiti dal Collaudatore e dal Direttore dei Lavori; per i cordoni ad angolo o giunti a parziale penetrazione si useranno metodi di superficie (ad es. liquidi penetranti o polveri magnetiche), mentre per i giunti a piena penetrazione, oltre a quanto sopra previsto, si useranno metodi volumetrici e cioè raggi X o gamma o ultrasuoni per i giunti testa a testa e solo ultrasuoni per i giunti a T a piena penetrazione.

Per le modalità di esecuzione dei controlli ed i livelli di accettabilità si potrà fare utile riferimento alle prescrizioni della norma UNI EN ISO 17635.

Tutti gli operatori che eseguiranno i controlli dovranno essere qualificati secondo la norma UNI EN ISO 9712:2012 almeno di secondo livello…OMISSIS”

GIUNTO SALDATO

Dopo la solidificazione del giunto saldato, si possono individuare le seguenti tre zone:
  • ZF Zona fusa
  • ZTA Zona termicamente alterata
  • MB Zona materiale base
     

La ZONA FUSA è costituita dal materiale base a dal materiale d’apporto che si sono mescolati durante il processo di saldatura, formando il bagno di fusione che raffreddandosi origina il cordone di saldatura.

La ZONA TERMICAMENTE ALTERATA è costituita dal materiale base che durante il processo di saldatura non ha raggiunto la temperatura di fusione, ma che ha raggiunto elevate temperature. Il materiale di questa zona viene riscaldato e successivamente raffreddato più o meno rapidamente, con conseguenti trasformazioni strutturali che sono in funzione essenzialmente dalla massima temperatura raggiunta e della severità del ciclo termico.

Il MATERIALE BASE è costituito dal materiale che costituisce le parti da saldare, che non ha subito un riscaldamento tale da provocare trasformazioni microstrutturali.

 
Esempio saldature
Esempi di giunto a cordone d’angolo e a completa penetrazione

 
PRINCIPALI DIFETTI DELLE SALDATURE

Cricche a freddo: la saldatura è caratterizzata da piccole masse di metallo portate rapidamente in fusione e rapidamente raffreddate (il calore è assorbito rapidamente dal metallo circostante). I cicli termini con elevata velocità di raffreddamento possono comportare, specie nel materiale di base adiacente alla saldatura, zone di elevata durezza. Queste zone, che si sviluppano nel materiale di base ai margini della saldatura, possono essere sede di incrinature chiamate cricche a freddo. La prevenzione da questo problema può avvenire raddolcendo il ciclo termico preriscaldando il pezzo da saldare ed utilizzando elettrodi con rivestimento tale da non sviluppare idrogeno.
 
Difetti saldature

Cricche a caldo: si generano nella zona fusa per un elevato tenore di impurezza; le cricche si formano durante la solidificazione a causa di segregazioni di impurezza che si addensano e che solidificano a temperature più basse dell’acciaio dando luogo, per effetto degli sforzi da ritiro, a delle fessure lungo la saldatura.

Inclusioni o soffiature: punti deboli all’interno della saldatura per la presenza di scorie o gas nel materiale fuso.

Strappi lamellari: difetti di separazione o frattura nel materiale base causato da deformazioni da ritiro indotte da procedimenti di saldatura.

Mancanza di penetrazione e di fusione al vertice di pezzi cianfrinati: talvolta è infatti difficile ottenere una regolare e completa fusione del lembo mediante la prima passata, oppure difetti geometrici quali il disassamento dei lembi.

Difetti geometrici (e.g. disassamento)
 

TIPI DI CONTROLLI NON DISTRUTTIVI


I metodi utilizzati abitualmente per il controllo non distruttivo delle saldature sono di seguito riportati.

CONTROLLI DI TIPO SUPERFICIALE
  • ESAME VISIVO (VT) - UNI EN ISO 17637
  • ESAME CON LIQUIDI PENETRANTI (PT) - UNI EN ISO 3452-1
  • CONTROLLO MEDIANTE CORENTI INDOTTE (ET) - UNI EN ISO 15549 maggiormente applicato nei processi industriali
  • CONTROLLO CON PARTICELLE MAGNETICHE (MT) - UNI EN ISO 17638
Questi controlli sono considerati di tipo superficiale, cioè in grado di individuare difetti presenti sulla superficie della saldatura. Si prestano ai controlli sulle saldature a cordone d’angolo.

CONTROLLI SULL'INTERO SPESSORE
  • CONTROLLO MEDIANTE ULTRASUONI (UT) - UNI EN ISO 17640
  • CONTROLLO RADIOGRAFICO (RT) - UNI EN ISO 17636-1/2 (difficilmente effettuabile in sito)
Questi ultimi invece sono considerati esami volumetrici, cioè in grado di individuare difetti presenti all’interno della saldatura. Sono infatti impiegati per le saldature a completa penetrazione.
Ognuno di questi esami può essere condotto solo da personale qualificato. Nella carpenteria comune si eseguono solitamente i seguenti controlli non distruttivi:
- Esame visivo sui giunti ad angolo ed a piena penetrazione;
- Esame con particelle magnetiche sui giunti ad angolo ed a piena penetrazione;
- Esame con ultrasuoni sui giunti ad angolo ed a piena penetrazione.

Si cerca di evitare il controllo radiografico a causa della sua pericolosità e la necessità di fermare tutte le attività produttive durante la sua esecuzione.
 
CONTROLLO VISIVO (VT)

Il controllo visivo viene condotto secondo la norma UNI EN ISO 17637, da operatori qualificati di secondo livello, mentre i criteri di accettabilità sono contenuti nella UNI EN ISO 5817.

L’esame visivo è il più importante metodo d’indagine non distruttiva di qualsiasi oggetto. Infatti, in senso lato, tutti i risultati d’ogni metodo d’indagine devono esser visualizzati dall’operatore, per la loro registrazione ed interpretazione. Tuttavia, per esame visivo si intende soltanto l’ispezione degli oggetti ad occhio nudo o col solo ausilio di lenti a basso ingrandimento o sistemi remotizzati quali boroscopi, fibroscopi, videoendoscopi.

Esame visivo diretto
Esame visivo caratterizzato da un percorso ottico ininterrotto dall’occhio dell’osservatore all’area di prova. Esso può essere non assistito o assistito per esempio mediante specchio, lenti, endoscopio o fibra ottica.

Esame visivo remoto
Esame visivo caratterizzato da un percorso ottico interrotto dall’occhio dell’osservatore all’area di prova. L’esame visivo remoto include l’uso della fotografia, sistemi video, sistemi automatizzati e robotizzati.

FASI DI ESECUZIONE DEL CONTROLLO VISIVO

Il controllo visivo può essere condotto prima della saldatura per verificare che siano state eseguite in maniera corretta le seguenti attività:
- preparazione dei cianfrini;
- preparazione delle superfici;
- posizionamento dei sostegni alla saldatura ove richiesto (supporto ceramico o metallico);
- assemblaggio dei componenti come da disegno.

Il controllo visivo può essere condotto durante la saldatura per verificare che siano state eseguite in maniera corretta le seguenti attività:
- esecuzione della prima passata;
- esecuzione della ripresa a rovescio ove richiesto;
- assenza di imperfezioni tra le passate.

Il controllo visivo deve essere condotto dopo la saldatura per verificare quanto segue:
- Assenza di difetti superficiali;
- Assenza di colpi d’arco o incisioni di mola;
- Dimensioni corrette dei giunti saldati in accordo ai disegni d’officina.
 
CONTROLLO CON LIQUIDI PENETRANTI (PT)

Il controllo con liquidi penetranti viene condotto secondo la norma europea UNI EN ISO 3452-1, da operatori qualificati di secondo livello, mentre i criteri di accettabilità sono contenuti nella UNI EN ISO 23277. Questo esame consente di verificare l’integrità superficiale della saldatura, della zona termicamente alterata e del materiale base. Il metodo dei liquidi penetranti continua ad essere uno dei controlli superficiali di maggiore applicazione, sia in fase di fabbricazione che in attività ispettive di manutenzione. Il principio del metodo, utilizzato per individuare discontinuità non visibili ad occhio ma comunicanti con la superficie, è la capillarità. Il liquido penetrante, applicato sulla superficie, entra nella discontinuità in un tempo definito “tempo di penetrazione”; al termine di questa fase il liquido penetrante in eccesso viene rimosso e mediante l’impiego di un “rilevatore” assorbente risale in superficie, formando l’indicazione della discontinuità.

VANTAGGI
- Il controllo e l’interpretazione è relativamente semplice ed economico (una bomboletta di penetrante rosso, una di rilevatore bianco ed un secchio di acqua con uno straccio);
- Il procedimento d’esame può essere applicato a qualsiasi tipo di materiale (acciaio al carbonio, inox, ghisa, alluminio, ecc.);
- Il controllo rivela precisamente l’ubicazione del difetto e da un’indicazione ingrandita rispetto alla dimensione reale del difetto (la dimensione della macchia è direttamente proporzionale alla cavità)

SVANTAGGI
- È in grado di rilevare difetti solo quando questi sono comunicanti con la superficie;
- La geometria e le dimensioni del pezzo possono porre limitazioni nell’uso di determinate tecniche d’esame.
Controllo saldature
Mancata fusione (a sinistra), causa del completo distacco della saldatura dopo esercizio. Cricca circonferenziale sulla saldatura tra fondo e mantello (a destra)

Controllo saldatura
Difetto su saldatura

CONTROLLO CON PARTICELLE MAGNETICHE (MT)

Il controllo con particelle magnetiche viene condotto secondo la norma UNI EN ISO 17638, da operatori qualificati di secondo livello, mentre i criteri di accettabilità sono contenuti nella UNI EN ISO 23278. Questo esame può essere utilizzato in alternativa al metodo con liquidi penetranti, l’esame con particelle magnetiche è un semplice metodo superficiale applicabile esclusivamente a materiali ferromagnetici per rilevarne la presenza di eventuali discontinuità o di difetti. Questo tipo di esame consiste nel magnetizzare la regione da controllare e nel ricoprire la superficie del pezzo con piccole particelle di polvere di ferro. Tali particelle sono attirate verso le zone a campo magnetico localizzato che fuoriescono dal pezzo a causa della presenza di difetti superficiali.
 
Controllo magnetico saldatura
Controllo magnetico
L’indicazione della discontinuità si rileva per l’addensamento delle polveri ferromagnetiche in corrispondenza della dispersione di flusso.
 
Controllo saldature
Cricca rilevata sul materiale base con particelle magnetiche nere e lacca di contrasto
L’esame con particelle magnetiche permette di evidenziare difetti superficiali e sub superficiali, non rivelabili con i liquidi penetranti, purché le linee di forza del campo magnetico possano raggiungere la superficie in modo significativo. La massima sensibilità di rilevazione si ottiene quando si intercetta la discontinuità con le linee di forza del campo magnetico orientate perpendicolarmente rispetto alla stessa.

Questo esame non può essere condotto su materiale amagnetici come per esempio gli acciai inossidabili austenitici quali AISI304, AISI3016, AISI321, ecc.

L’esame utilizza particelle ferromagnetiche come mezzo rilevatore, le particelle possono essere colorate o fluorescenti, a secco o ad umido in sospensione acquosa o non acquosa, in alcuni casi viene utilizzata anche una lacca di contrasto bianca per rendere più facilmente individuabili le discontinuità. La massima sensibilità, per il tipo di visione e per le dimensioni delle particelle, si ottiene con particelle fluorescenti ad umido. Trovano applicazione come strumenti di magnetizzazione: elettromagneti, apparecchiature a puntali, conduttori centrali (superfici cave), avvolgimento di cavi.

FASI DELL’ ESAME
- pulizia del pezzo, anche se in modo meno accurato rispetto alle prove con liquidi penetranti;
- magnetizzazione del pezzo, in modo che le linee di forza del campo magnetico si dispongano perpendicolarmente alle direzioni delle eventuali discontinuità;
- applicazione delle particelle magnetiche durante la magnetizzazione;
- interruzione del ciclo di magnetizzazione;
- Esame.

VANTAGGI
- La procedura è di facile apprendimento;
- Può essere facilmente automatizzato, tranne che nell’osservazione visiva;
- Raggiunge elevate sensibilità;
- È applicabile anche su pezzi con moderati strati ricoperti (vernice, zincatura a caldo, ecc.);
- L’interpretazione delle indicazioni è relativamente semplice;
- Presenta una buona accessibilità.

SVANTAGGI
- Si può applicare solo ai materiali ferromagnetici e per rilevare difetti superficiali o subsuperficiali, non è applicabile pertanto per acciai inossidabili austenitici;
- La geometria e le dimensioni del pezzo possono porre limitazioni nell’uso di determinate tecniche d’esame;
- Se i componenti sono messi in opera senza trattamenti superficiali, come per esempio il Corten, la vernice di contrasto deve essere rimossa con sabbiatura o spazzolatura;
- La smagnetizzazione, se necessaria, può essere difficoltosa qualora vengano richiesti valori di magnetismo residuo molto bassi.

Approfondimento: Esempio di controllo con particelle magnetiche.
 
CONTROLLO CON ULTRASUONI (UT)

L'ispezione mediante ultrasuoni è un metodo non distruttivo in cui onde sonore ad alta frequenza sono introdotte nel materiale da esaminare, allo scopo di evidenziare difetti superficiali o interni, misurare lo spessore dei materiali, misurare la distanza e la dimensione delle difettosità.

Il controllo con ultrasuoni viene condotto secondo la norma UNI EN ISO 17640, da operatori qualificati di secondo livello, mentre i criteri di accettabilità sono contenuti nella UNI EN ISO 11666.

Ognuno conosce cosa sia l'eco, il fenomeno dipende dalla riflessione delle onde sonore che rimbalzano contro la superficie dell'ostacolo, che è di natura diversa da quella del mezzo di propagazione (aria), fino al ritorno all'orecchio dell'ascoltatore.

Il metodo di rivelazione dei difetti con ultrasuoni è l'applicazione tecnologica di questo principio.

Il fascio di onde ultrasonore, ovvero il segnale, è generato sfruttando le proprietà piezoelettriche di alcuni cristalli, cioè la loro capacità di contrarsi ed espandersi sotto l'azione d'un campo elettrico. Le vibrazioni del cristallo producono onde elastiche, di frequenza ultrasonora dipendente dalle dimensioni del cristallo piezoelettrico. Gli ultrasuoni così generati sono trasferiti direttamente nel materiale da controllare grazie al contatto, o più propriamente al semplice accostamento del generatore (trasduttore) alla superficie del pezzo, purché esista un mezzo di impedenza acustica adeguata tra le due interfacce, l'acqua risulta essere il miglior accoppiante ed in alternativa si possono utilizzare sospensioni o soluzioni acquose sature di colle cellulosiche. Il fascio di onde ultrasonore si propaga nel materiale da esaminare, con la stessa frequenza con cui è stato generato del cristallo, e con una velocità che dipende dal materiale attraversato.

Quando il fascio incontrerà un ostacolo verrà riflesso, assorbito, deviato o difratto, secondo le leggi comuni a tutti i fenomeni di propagazione delle onde. Le onde riflesse possiedono la stessa frequenza di quelle incidenti, ma sono sfasate rispetto ad esse, anche in funzione del cammino percorso, cioè della distanza del trasduttore dai vari punti della superficie dell'ostacolo. Analoga sorte spetta alle onde diffratte. L'energia assorbita dal difetto colpito dalle onde incidenti fa sì che esso possa vibrare emettendo a sua volta onde elastiche di frequenza tipica della sua risonanza e variamente sfasate. Il segnale che ritorna dunque verso il trasduttore è molto complesso perché è la risultante della sommatoria di molte onde di uguale frequenza, ma sfasate, e di altre di frequenza diversa, pure sfasate fra loro. Tale segnale si definisce "tempo di volo" ed esprime, attraverso la semplice equazione spazio/tempo, la distanza percorsa dal treno di onde ultrasonore per colpire l'indicazione e tornare al cristallo. Le informazioni riguardanti il posizionamento geometrico di tale difetto e la sua natura vengono quindi ricavate con semplici calcoli trigonometrici e con la valutazione dinamica del comportamento del segnale. Va da sé che questa ultima valutazione richiede un lungo addestramento ed un'adeguata esperienza.

Il fenomeno fisico della piezoelettricità, che è stato sfruttato per generare l'onda, è reversibile. Ne deriva che lo stesso cristallo capace di emettere ultrasuoni, può generare un segnale elettrico, quando venga investito da un fascio di onde elastiche. Perciò, quando l'onda riflessa od emessa dall'ostacolo ritorna alla sonda che l'ha generata, darà un segnale elettrico che, opportunamente amplificato e filtrato, potrà essere visualizzato sul quadrante dell'oscilloscopio o su un monitor, di cui sono sempre dotati gli strumenti rivelatori di ultrasuoni.

La filtrazione del segnale elimina di fatto tutte le informazioni utili per identificare la forma e la geometria della discontinuità, lasciando soltanto quelle relative alla distanza dell'ostacolo dal trasduttore ed all'attenuazione del segnale rispetto all'eco di fondo.

VANTAGGI DEL CONTROLLO ULTRASONORO
I principali vantaggi forniti dal controllo ultrasuoni rispetto agli altri metodi di controllo non distruttivo riguardano:
- maggior potere di penetrazione nel mezzo, cosa che consente di rilevare anche discontinuità che si trovano all'interno del materiale;
- il controllo del materiale può essere fatto anche a diversi metri di profondità, per esempio nel controllo assiale di alberi d'acciaio molto lunghi o in pezzi fucinati;
- elevata sensibilità che permette di rilevare discontinuità molto piccole;
- miglior precisione nella determinazione della posizione dei difetti interni, nella valutazione della loro forma ed orientamento;
- è sufficiente che una sola superficie del particolare sia accessibile;
- è un controllo elettronico che fornisce immediatamente il rilievo dei difetti. Questo rende il metodo adatto all'automazione, al controllo rapido, al controllo in linea;
- consente il controllo volumetrico del pezzo dalla superficie superiore a quella inferiore;
- il metodo non presenta pericoli di radiazioni e non ha alcun effetto secondario sul personale e su altre apparecchiature poste nelle vicinanze è facilmente trasportabile.

SVANTAGGI DEL CONTROLLO ULTRASONORO
- Le operazioni richiedono grande attenzione ed esperienza del personale;
- La definizione delle procedure di controllo richiede competenze tecniche;
- Particolari con superficie con elevata rugosità o molto piccoli o sottili o non omogenei vengono controllati con grande difficoltà;
- Discontinuità presenti nello strato immediatamente al di sotto della superficie possono sfuggire al controllo;
- Sono richiesti dei campioni di riferimento, tanto per la calibrazione dell'apparecchiatura che per la caratterizzazione dei difetti.

Si sottolinea che il controllo ad ultrasuoni non può essere eseguito sui cordoni d’angolo.
 
Controllo saldatura

 


Si ringraziano C.M.M. Fratelli Rizzi srl e Effevi srl per l’apporto tecnico fornito.
Immagini courtesy of C.M.M. srl, C.M.M. Fratelli Rizzi srl, MAP carpenteria spa

Contenuti a cura di Fondazione Promozione Acciaio. Riproduzione riservata – Ultimo aggiornamento: Settembre 2019

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