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Effetto delle modalità di alimentazione sulle proprietà meccaniche e sul rendimento nella saldatura con arco sommerso di acciai Grado 22 Ing. Loic Vearverde -Lincoln Electric Europe Ing. Carmela Andrea Barone –Lincoln Electric – Genova

Abstract La saldatura ad arco sommerso è uno dei processi di saldatura più versatili e produttivi consentendo di lavorare sia in DC +/- che in AC, utilizzando anche più di 2 archi in contemporanea. Passando da una modalità di saldatura ad un altra, non solo varia il tasso di deposito ma anche la geometria del cordone. Il tasso di deposito infatti è influenzato dai parametri che definiscono l’apporto termico attraverso la formula H.I.=60xI xV /velocitàavanzamento ma è la polarità a definire se tale apporto termico è direzionato verso il filo o il pezzo da saldare ottenendo maggiore deposito e minor penetrazione o viceversa. La tecnologia inverter Wave Form Control Technology offre molteplici possibilità di regolazione della forma d'onda AC consentendo di regolare il tasso di deposito e la geometria del cordone con o senza la modifica dei parametri principali di saldatura.. In questa presentazione, descriveremo le modalità di regolazione della forma d'onda AC e come questo influenza la produttività e la geometria. Nella seconda parte ci si concentrerà sul rapporto tra, questi parametri e le proprietà meccaniche dei giunti con un caso studio su acciai CrMo grado 22.

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1. Confronto tra un’onda alternata standard ed un onda alternata quadra ottenuta con generatore PW AC/DC1000 Un generatore AC tradizionale eroga una corrente di saldatura la cui forma d'onda è caratterizzata da: • Una forma d'onda sinusoidale; • La sua frequenza identica alla rete elettrica, cioè 50Hz o 60Hz; • Il valore di picco, con valori di picco positivo e negativo identici; • A causa della simmetria di questo tipo di forme d'onda, il tempo trascorso in positivo e negativo

è lo stesso. La tecnologia inverter combinata con la tecnologia Wave Form consente forme d'onda che: • Hanno una forma quadrata con zero-crossing estremamente rapido • Hanno una frequenza variabile tra 10Hz e 100Hz • Possono essere non simmetriche sia rispetto all’asse X che all’asse Y. 1.1 Potenzialità dell’onda quadra Grazie alla forma d'onda AC quadra, il tempo di transizione tra positivo e negativo è ridotto rispetto ad una sinusoide. Meno tempo viene speso attorno all'asse 0 maggiore è la stabilità d’arco. 1.2 Frequenza La frequenza, espressa in Hertz (Hz), è il numero di onde intere nell’unità di tempo (in secondi). L'effetto della frequenza è duplice, è stato osservato che: • migliora la stabilità dell'arco • modifica leggermente il tasso di deposito per una data

intensità. 1.2.1 Effetto della frequenza sulla stabilità d’arco Una frequenza più elevata determina un arco più rigido che è normalmente meno sensibile al soffio magnetico. Per questo motivo la frequenza può essere utilizzata per stabilizzare l’arco. Questo può portare vantaggi soprattutto quando si lavori con una maggiore componente negativa (maggior tasso di deposito) che notoriamente tende a destabilizzare l’arco. 1.2.2 Effetto della frequenza sul tasso di deposito All’aumentare della frequenza l'onda attraversa lo zero più spesso il che significa che il tempo di transizione globale aumenta all'aumentare della frequenza. Di conseguenza il rapporto tempocorrente

di picco/ tempotransizione diminuisce. Ciò spiega perché grosse variazioni di frequenza modificano la velocità del filo (e conseguentemente il tasso di deposito). Pertanto maggiore è la frequenza, minore è il tasso di deposito (figura 2).

Figura 2: Effetto della frequenza sul tasso di deposito

Risultati ottenuti con filo 4mm, 600A; 32V e 25mm ESO

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1.3 Bilanciamento tempo positive e tempo negativo (Balance): Il “Balance” è un controllo basato sul tempo. Questo parametro consente di modificare il tempo nella componente positiva o negativa ottenendo una forma d’onda non simmetrica ovvero sbilanciata (figure 3 e 4).

Figura 3: Sbilanciamento negativo Figura 4: Sbilanciamento positivo

1.3.1 Conseguenze della variazione del Bilanciamento Applicando un bilanciamento positivo alla forma d'onda, la caratteristica arco si avvicina a quella ottenibile con una modalità di saldatura DC+. Ciò implica che, per una data intensità: • la penetrazione sarà superiore a quella ottenuta con corrente alternata bilanciata 50%/50% ma

inferiore a quella ottenibile con una modalità di saldatura DC+ • Il tasso di deposito sarà superiore alla modalità DC+ ma inferiore rispetto a quello ottenibile con

onda quadra equilibrata 50%/50%. Al contrario, applicando un bilanciamento negativo si otterranno caratteristiche più simili a quelle ottenibili con la modalità di saldatura DC-, ottenendo una penetrazione inferiore, ma tassi di deposito più elevati. La Figura 5 mostra come il Bilanciamento influisce sul tasso di deposito. Il processo di SAW diventa ancora più flessibile e produttivo grazie alle curve di deposito ottenibili al variare del bilanciamento. Questo parametro consente di adeguare costantemente il rapporto tra tasso di deposito ed apporto termico. Inoltre il Bilanciamento più essere usato in due modi differenti a seconda che si lavori in Corrente costante (CC) o Tensione costante (CV).

Figura 5: influenza del bilanciamento sul

tasso di deposito

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1.3.2 Bilanciamento in modalità CC In modalità CC la corrente mantiene sempre lo stesso valore ed il motore di trascinamento regola in continuo la velocità del filo per mantenere costante la tensione. Con questa modalità di regolazione, l’apporto termico viene mantenuto costante indipendentemente dal bilanciamento

usato. In questo modo il bilanciamento modifica penetrazione e tasso di deposito ad apporto termico costante. In questo caso: • I ≠ f(Balance) • Tasso di deposito=f (Balance) • Penetrazione = f (Balance) Anche la zona termicamente alterata è influenzata dal Balance, infatti è noto che per una determinata procedura di saldatura la modalità DC- induce ZTA inferiori a quelle ottenibili in DC+. Questo effetto è dovuto principalmente al fatto che, per una data corrente, il tasso di fusione è superiore in DC-. Questo spiega il motivo per cui il bilanciamento negativo aiuta a ridurre la zona termicamente alterata.

Figura 6: variazione della WFS in modalità CC

1.3.3 Bilanciamento in modalità CV Nella modalità CV la velocità del filo è costante. Il controllo della lunghezza dell’arco è realizzato

attraverso aggiustamenti di corrente. Questo significa che il tasso di deposito è costante qualunque sia il bilanciamento impiegato. In questa modalità:

• I=f(Balance) • Apporto termico = f(Balance) • Penetrazione = f(Balance) • Tasso di deposito ≠ f(Balance)

Così il bilanciamento negativo in modalità CV induce una riduzione dell’apporto di calore, una riduzione della zona termicamente alterata e una riduzione di deformazione senza cambiare il tasso di deposito.

Figura 7: variazione della corrente in modalità CV

1.4 Ampiezza delle fasi (Offset)

Figura 8: Offset negativo

L’Offset regola l'ampiezza delle fasi spostando l'asse zero, cambiando pertanto la percentuale dell'onda nella zona positiva rispetto alla zona negativa (Figura 8). 1.4.1 Conseguenze della variazione dell’Offset: Come il Balance, l’Offset influenza:

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• penetrazione e tasso di deposito lavorando in modalità CC. Maggiore l’Offset positivo maggiore sarà la penetrazione e minore il tasso di deposito.

• Penetrazione ed apporto termico in modalità CV. Maggiore sarà l’Offset positivo maggiore sarà la penetrazione e maggiore l’apporto termico.

2. Effetto dei parametri sulle proprietà meccaniche Le caratteristiche meccaniche sono influenzate dall’apporto termico (tasso di raffreddamento). Dal momento che un elevato riscaldamento produce un grano ingrossato in Zona fusa ed in Zona Termicamente Alterata (ZTA) le caratteristiche meccaniche spesso decadono con procedimenti ad elevato apporto termico. Questa affermazione è generalmente valida sia per la resistenza che per la tenacità. Un aumento dell’apporto termico può essere determinato da una riduzione della velocità di saldatura o da un incremento di corrente. In entrambi i casi la quantità di metallo fuso per metro aumenta. In un procedimento SAW per un dato apporto termico, l’energia si ripartirà in tre azioni: fondere il filo, fondere il materiale base e scaldare il materiale base. Questo comporterà che, qualora si aumentasse l’apporto termico, la quantità di calore trasferita al metallo d’apporto ed al materiale base sarà differente. Di conseguenza le proprietà della Zona Fusa e della Zona termicamente alterata saranno ragionevolmente diverse nei due casi. La definizione classica di apporto termico non tiene conto del tasso di fusione e/o del metallo depositato per metro. Per questa ragione non è sempre possibile stabilire una correlazione tra apporto termico e caratteristiche meccaniche. In passato questo aspetto era meno rilevante di oggi vista la disponibilità di nuove forme d’onda. 2.1 Caratteristiche meccaniche per un dato apporto termico e tasso di deposito variabile Quando Corrente, tensione e velocità di avanzamento sono tenute costanti (apporto termico costante) e vengono variati Bilanciamento ed Offset si può verificare che: • Non c’è una correlazione tra apporto termico e caratteristiche meccaniche • C’è una correlazione tra volume del metallo d’apporto e le caratteristiche meccaniche 2.1.1 Correlazione tra apporto termico e caratteristiche meccaniche La figura 9 mostra come i valori del carico di rottura varino al variare di Offset e Bilanciamento in modalità CC.

Figura 9: Relazione tra caratteristiche tensili ed apporto termico al

variare della forma d’onda ad apporto termico costante

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Da questo grafico si nota come in questi casi non si possa stabilire una correlazione tra apporto termico e caratteristiche meccaniche. Prova invece che il tasso di deposito influisce sulle caratteristiche tensili (Crf. Paragrafo 1.3.2). 2.1.2 Correlazione tra volume di metallo depositato e caratteristiche meccaniche Come mostrato nella figura 10 esiste una correlazione molto stretta tra le caratteristiche meccaniche ed il volume di metallo depositato. Infatti per un dato apporto termico e modificando solo Bilanciamento ed Offset si è osservato che le caratteristiche meccaniche crescono linearmente con il tasso di fusione. Aggiungendo un Offset negativo ed un Bilanciamento negativo all’onda quadra aumentano simultaneamente il carico di rottura ed il tasso di deposito (modalità CC) grazie alla componente addizionale di energia utilizzata per fondere il filo.

Figura 10: Relazione tra caratteristiche tensili e volume di metallo depositato

al variare della forma d’onda con apporto termico costante 2.2 Caratteristiche meccaniche per una data geometria del cordone al variare dell’apporto termico Quando corrente e tensione sono mantenute costanti mentre la velocità di avanzamento varia per mantenere costante la geometria del cordone di saldatura a fronte delle variazioni dell’Offset e del Bilanciamento possiamo affermare che: • C’è una correlazione tra apporto termico e caratteristiche meccaniche • Non c’è correlazione tra volume di metallo depositato e caratteristiche meccaniche 2.2.1 Correlazione tra caratteristiche meccaniche ed apporto termico La figura 11 mostra come le caratteristiche meccaniche più elevate si ottengano con il minor apporto termico. Un apporto termico minore si ottiene aumentando la velocità di saldatura. Dal momento che la geometria del cordone è mantenuta costante questo significa che il minor apporto termico è ottenuto con Bilanciamento ed Offset impostati per aumentare il più possibile il tasso di deposito, ovvero aumentando la componente negativa. Questo conferma che il Bilanciamento e l'Offset negativi contribuiscono ad aumentare le caratteristiche meccaniche del giunto.

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Figura 11: Relazione tra caratteristiche tensili ed apporto termico al variare della forma d’onda mantenendo invariata la geometria del deposito

2.2.2 Correlazione tra caratteristiche meccaniche e volume depositato Non si sono osservate correlazioni rilevanti tra la dimensione del deposito e caratteristiche meccaniche al variare dell’apporto termico (dovuto a differenti velocità di avanzamento) ed a geometria costante del cordone (Figura 12).

Figura 12: Relazione tra le caratteristiche tensili ed il volume depositato al variare della forma d’onda con geometria costante del cordone

In funzione delle modalità comparative di conduzione dei test (apporto termico costante o geometria del cordone costante) le caratteristiche meccaniche possono essere correlate all’apporto termico oppure al volume del metallo depositato. 2.3 Apporto termico per kg di metallo depositato, un unità di misura nuova e versatile Si è osservato che esiste una correlazione tra le proprietà meccaniche del giunto saldato e l'apporto di calore per kg di metallo depositato. Questa grandezza è interessante poiché permette

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di stabilire una correlazione tra le caratteristiche meccaniche sia con apporto termico costante che con volume depositato costante. È un altro modo per dimostrare che Balance e Offset possono avere un'influenza sulle proprietà meccaniche come dovrebbe ora essere evidente dalla percentuale di energia utilizzata per fondere il filo di saldatura. Le figure 13 e 14 illustrano la resistenza alla trazione massima al "minimo apporto termico per kg di metallo depositato "; vale a dire quando il tasso di deposito è ottimale.

Figura 13: Relazione tra caratteristiche tensili ed apporto termico per kg di metallo depositato al variare della forma d’onda ad apporto termico costante

Figura 14: Relazione tra caratteristiche meccaniche ed apporto termico per kg

depositato al variare della forma d’onda a geometria del cordone costante 3. Effetti della corrente alternata sulla tenacità del deposito (material tipo B3). In linea generale i valori di tenacità del deposito (tutto metallo d’apporto) dipenderanno molto dalla posizione dei campioni. I valori sono generalmente più alti per i campioni con intaglio in corrispondenza della reheated zone invece che nella zona primaria.

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Sappiamo anche che l’apporto termico può essere determinante sulla tenacità ma che effetto ha la modalità di saldatura?

Per applicazioni in cui vengano usati materiali resistenti al creep alti valori di resilienza a bassa temperatura in genere non sono la priorità principale, tuttavia, il rischio esiste comunque per recipienti in pressione che devono essere fermati per manutenzione e che si trovano in zone artiche. Per meglio valutare l'effetto della corrente AC sulla tenacità, sono stati eseguiti due depositi all weld metal con materiale d’apporto di tipo B3. I procedimenti DC+ e AC sono leggermente differenti in termini di parametri elettrici e velocità di saldatura al fine di mantenere una geometria e dimensioni simili. (Vedere tabella). L'apporto di termico è stato tenuto costante a 2.2KJ / cm per entrambe le piastre. Infine entrambi i campioni sono stati saldati con lo stesso flusso (Lincolnweld 888) e trattati termicamente a 690 ° C per più di 30 ore.

Piastra Tipo di corrente Corrente Tensione Velocità di

saldatura Apporto termico

1 DC 525A 28V 40,5cm/min 2,2kJ/cm 2 AC 650A 32V 57,0cm/min 2,2kJ/cm

Risultati: Sono state osservate significative variazioni tra le due modalità in termini di: 1) Composizione chimica del deposito 2) Macrostruttura 3) Resilienza Composizione chimica del deposito Si sono ottenute variazioni significative sul tenore di carbonio e sugli elementi disossidanti. Il contenuto di carbonio del deposito eseguito in AC è risultato più elevato dello 0,02% rispetto al deposito ottenuto in DC+. I livelli di Mn e Si sono risultati inferiori dello 0,1% nel test eseguito in AC. Questo può essere spiegato con la minore interazione/consumo di flusso della modalità AC. Questa riduzione consente di rispettare più agevolmente il requisito Mn+Si <1,1 tipico di queste applicazioni.

Filo/flusso Polarità C %

Mn %

Si %

S %

P %

Cu %

Ni %

Cr %

Mo %

Materiale Base N.A. N.A. 0,14 0,53 0,20 0,012 0,011 0,230 0,12 2,33 0,82

3188 888/LNS 151 DC+ 0,059 0,77 0,32 0,006 0,007 0,097 0,06 2,45 0,85

3282 888/LNS 151 AC 0,086 0,66 0,24 0,006 0,007 0,090 0,06 2,44 0,68

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DC+ AC

DC+ AC

Macrostruttura Non si sono osservate grosse differenze nella microstruttura della reheated zone mentre la zona primaria del deposito realizzato in AC risultava molto più fine. Questa differenza è evidente nei valori di resilienza.

Resilienza I campioni sono stati testati a -30°C. I valori di resilienza ottenuti con I campioni saldati in DC+ riflettono la tendenza generale di avere caratteristiche più elevate nella reheated area rispetto alla zona primaria Le piaste saldate in modalità AC hanno invece mostrato proprietà elevate in entrambe le aree.

Figura 15: Weld metal zona primaria

Figura 15: Weld metal reheatzone

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Conclusioni Le forma d’onda variabile ed i parametri variabili in maniera completamente indipendente sono un efficace strumento per aumentare la produttività e per manipolare le caratteristiche meccaniche del metallo d’apporto e della ZTA. Usando una forma d’onda variabile si rende necessaria una differente misura dell’apporto termico che consenta di valutare in anticipo gli effetti della forma d’onda sul metallo d’apporto e sulla ZTA. Come si è visto nel caso studio riportato il deposito ottenuto con flusso 888 filo LNS151, il generatore Power Wave AC/DC 1000 non è utile solo ad aumentare la produttività. Attraverso una scelta adeguata dei parametri di saldatura è possibile ottenere migliori caratteristiche meccaniche in termini di resistenza e tenacità con i consumabili standard disponibili sul mercato.