XXXVII CONGRESSO AIAS

AIAS – ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L’ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI
44° CONVEGNO NAZIONALE, 2-5 SETTEMBRE 2015,– UNIVERSITÀ DI MESSINA
AIAS 2015 - 598
STUDIO DEL COMPORTAMENTO A FATICA DI GIUNZIONI
SALDATE IN TITANIO MEDIANTE INDAGINI A CAMPO INTERO
G. Barbieria, F. Caiazzob, P. Coriglianoc, V. Crupic, E. Guglielminoc,
C. Malettad, E. Sgambitterrad
Centro Ricerche ENEA Casaccia, Via Anguillarese 301 - 00123 - Santa Maria di Galeria - Rome –
Italy
b
Università degli Studi di Salerno - Dipartimento di Ingegneria Industriale/DIIN - 84084 - Fisciano
(SA)
c
Università di Messina - Dip. Ingegneria Elettronica, Chimica e Ingegneria Industriale,
Contrada di Dio, 98166 Sant'Agata (ME), e-mail: [email protected]
d
Università della Calabria - Dip. Ingegneria Meccanica, Energetica e Gestionale,
P. Bucci 44c, 87036 Rende (CS), e-mail: [email protected]
a
Sommario
L’obiettivo del presente lavoro scientifico riguarda lo studio del comportamento a fatica di giunzioni in titanio,
saldate a T mediante sorgente laser ed in assenza di materiale di apporto. Sono state effettuate indagini a campo
intero, mediante la correlazione digitale d’immagine (DIC, Digital Image Correlation) e la tecnica termografica
ad infrarossi (IRT, Infrared Thermography), durante prove di fatica sui giunti in esame.
L’analisi mediante tecnica DIC ha permesso di rilevare i gradienti di deformazione in prossimità della zona di
saldatura. Mediante la tecnica IRT è stato possibile analizzare l'andamento della temperatura superficiale dei
giunti saldati durante le prove di fatica.
L’analisi sistematica dei risultati ha fornito indicazioni utili per lo sviluppo di metodi e modelli di previsione del
comportamento a fatica di giunzioni saldate a T in lega di titanio.
Abstract
The aim of this work is to study the fatigue behavior of titanium T-joints welded by using a laser source without
filler material. Full field investigations of the welded region were carried out during fatigue tests using the digital
image correlation (DIC, Digital Image Correlation) technique and infrared thermography (IRT Infrared
Thermography).
The DIC technique allowed in evaluating the strain gradients in the near welded zone.The IRT technique allowed
in analyzing the thermal evolution of the welded surface during all the fatigue tests.
The obtained results provided useful information for the development of methods and models to predict the
fatigue behavior of welded T-joints in titanium alloy.
Parole chiave: Fatica, Giunti saldati, Titanio, Termografia, Correlazione Digitale delle Immagini.
1. INTRODUZIONE
Le leghe di titanio, in genere, sono impiegate in diverse applicazioni, che vanno dal settore
aerospaziale (dischi di turbine, pale dei compressori, elementi strutturali), passando dal settore navale,
fino alla medicina (dispositivi medici e chirurgici). In particolare, la legaTi-6Al-4V è una delle più
utilizzate, grazie ad una eccellente combinazione di bassa densità, alta resistenza specifica e resistenza
alla corrosione.
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Tuttavia, considerata la complessa lavorabilità del materiale con le comuni tecniche di officina, oltre
che il costo specifico significativamente più elevato rispetto alle più comuni leghe metalliche, lo
sviluppo e messa a punto di tecniche di giunzione idonee a questa tipologia di leghe costituisce
indubbiamente uno dei fattori che maggiormente influenzano la più ampia diffusione a settori
industriali a più basso valore aggiunto. In tale contesto, la saldatura laser viene considerata come
un’alternativa alle tecniche tradizionali per operare la giunzione di piastre in leghe di titanio. I
vantaggi peculiari di tale processo sono un aumento della profondità di penetrazione e una riduzione di
possibili difetti di saldatura e delle dimensioni della zona fusa rispetto a una saldatura TIG o ad arco,
comportando così un aumento della resistenza meccanica delle strutture saldate. Metodi innovativi di
saldatura come il fascio elettronico presentano lo svantaggio di dover operare in vuoto, inoltre tale
lavorazione comporta l’emissione di raggi X.
Tuttavia, il processo di saldatura induce variazioni dipendenti anche da fattori microstrutturali; infatti
le proprietà meccaniche locali delle tre diverse zone (base material, BM, heat affected zone, HAZ,
welded zone, WZ) risulteranno diverse, [1, 2]. In questi casi, per la misura delle caratteristiche
meccaniche dei giunti si applicano approcci locali, ovvero basati su spostamenti e deformazioni
misurati tramite tecniche tradizionali, quali l’estensimetria. Nel corso degli anni sono stati sviluppati
diversi approcci per la valutazione della resistenza a fatica di giunti saldati [3, 4]. Gli approcci più
comuni sono: approccio della tensione nominale (il più semplice e più frequentemente utilizzato),
approccio della structural hot-spot stress [5, 6], effective notch stress approach, [4, 7], notch stress
intensity factor approach [8, 9], critical distance methods [10, 11], metodo termografico [11, 12, 13],
effective notch strain [14], crack propagation approach [15]. La valutazione diventa più complessa in
presenza di uno stato di sollecitazione multiassiale [16, 17, 18]. Casavola et al. [19] hanno confrontato
sperimentalmente la resistenza a fatica di giunti saldati in lega di titanio grado 5 aventi diverse
geometrie.
L’obiettivo del presente lavoro di ricerca è quello di studiare il comportamento a fatica di giunti saldati
laser in lega di titanio tramite tecniche non convenzionali a campo intero, la tecnica di correlazione
digitale delle immagini (DIC, Digital Image Correlation) e la tecnica termografica ad infrarossi (IRT,
Infrared Thermography), in modo da analizzare il comportamento in prossimità di zone di
discontinuità sia geometriche che dal punto di vista delle proprietà del materiale. In particolare, sono
stati analizzati giunti a T, ottenuti da lamiere di titanio di spessore pari a 3 mm e 5 mm, saldati
mediante una sorgente laser YB:YAG con una potenza massima di 10 kW. Le prove di fatica sono
state condotte utilizzando sistemi di carico sviluppati ad-hoc e l’analisi sistematica dei risultati ottenuti
dalle tecniche DIC e IRT ha permesso di meglio comprendere i meccanismi di evoluzione del
danneggiamento locali all’interno dei giunti durante l’applicazione dei carichi ciclici.
2. MATERIALI E METODI
2.1 Preparazione dei giunti saldati
La lega di titanio investigata è quella di tipo α + β e la composizione chimica è riportata nella Tabella
1, nella quale si osserva la presenza di alluminio che opera come alfa stabilizzatore e di vanadio con la
funzione di beta stabilizzatore.
Tabella 1 – Composizione chimica nominale della lega Ti-6Al-4V
Al
<%5.5
V
<%3.5
O
<%0.2
N
<%0.05
C
<%0.08
H
<%0.0375
Fe
<%0.25
Ti
Bal.
Il laser utilizzato in questa attività sperimentale è IPG YLS-10000 da 10 kW (tabella 2). La testa di
saldatura è movimentata mediante robot ABB IRB 240 M2004.
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Tabella 2 - Caratteristiche della sorgente laser
Mezzo attivo
Lunghezzad’onda
Range di potenza
Qualità del fascio
Diametrodellafibra
Diametro dello spot a fuoco
YB:YAG
1030 nm
1000-10000 W
6 mm*mrad
200 µm
300 µm
Nella saldatura delle leghe di titanio, la protezione del bagno fuso è molto problematica perché,
rispetto ad altri materiali, il titanio ha una elevata affinità con i vapori ambientali e gas ad alte
temperature, che porta a caratteristiche del cordone non accettabili con notevole infragilimento dello
stesso. L’importanza di tale aspetto è sottolineata anche nella norma AWS D17.1/D17.1 M:2010, che
contiene le specifiche per la saldatura per fusione per applicazioni aeronautiche.
La saldatura è realizzata in due passate, in modo che, dopo il processo, le zone di fusione nella sezione
trasversale alla direzione di avanzamento del fascio si intersechino assicurando la continuità del
materiale (fig. 1). Per realizzare tali giunti è necessario che il fascio laser venga inclinato di un angolo
opportuno α (fig. 2).
Figura1: Schematizzazione della saldatura a T.
Figura 2: Angolo di inclinazione del fascio laser
durante la saldatura.
Tenendo conto della elevata suscettibilità all’ossidazione delle leghe di titanio, è stato progettato e
realizzato un dispositivo ad hoc per la protezione e per lo staffaggio delle lamiere [20].
Figura3: Sistema di protezione e staffaggio utilizzato.
Sulla base della precedente esperienza [21] su saldature di testa ed ad L di lamiere di titanio e di una
campagna sperimentale relativa a giunti saldati a T si è individuata la condizione ottimale dei
parametri di processo riportata in tabella 3.
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Tabella 3 – Parametri di processo
Potenza [kW]
6
Velocità [mm/s]
80
Angolo di ingresso [°]
20
2.2 Setup sperimentale
Le misure sperimentali sono state effettuate mediante l’uso di una macchina servo-idraulica Instron
8501 equipaggiata con una cella di carico di 100 kN. Ogni test è stato condotto imponendo differenti
valori del carico massimo, Pmax, compresi nell’intervallo tra 8 kN e 40 kN, con un rapporto di carico
R=Pmin /Pmax=0.1, fissando il run-out a 107 cicli e adottando una frequenza del carico variabile. In
particolare, durante ogni prova sono state utilizzate due differenti frequenze, i.e. 0.5 e 5 Hz. La
frequenza di 0.5 Hz è stata adottata per acquisire le immagini da analizzare con la Correlazione
Digitale delle Immagini (DIC) al fine di garantire un’analisi accurata dello stato deformativo del
provino, mentre la frequenza di 5 Hz è stata usata per registrare l’incremento termico durante la storia
di carico mediante l’uso della Termografia a Infrarossi (IRT) e poter così applicare il Metodo
Termografico [22]. Uno schema dello spettro del carico applicato è mostrato in fig. 4. In particolare, i
primi due cicli di carico di ogni test sono stati eseguiti a 0.5 Hz al fine di valutare lo stato iniziale del
provino, da un punto di vista dello stato di deformazione, successivamente i cicli ad alta frequenza,
necessari alle misure termografiche ed al danneggiamento del provino, sono stati alternati a quelli a
bassa frequenza fino alla rottura come mostrato in fig. 4. È importante osservare che, per ogni step, i
cicli di misura eseguiti (i.e. a 0.5 Hz) sono solamente due. Questo si è reso necessario al fine di evitare
bruschi cali della temperatura dettati dalla riduzione della frequenza del carico, compromettendo così
la misura della storia termica del provino mediante la IRT.
Figura 4: spettro del carico applicato per consentire le misurazioni IRT e DIC.
Al fine di garantire l’applicazione della sollecitazione in corrispondenza del solo cordone di saldatura,
è stato progettato e realizzato un opportuno sistema di carico (fig. 5).
Durante ogni test, una faccia dei provini, è stata utilizzata per monitorare l’evoluzione della
temperatura, in corrispondenza della zona saldata, mediante l’uso della Termografia agli Infrarossi. La
faccia opposta, invece,è stata utilizzata per monitorare gli spostamenti e le relative deformazioni
mediate l’uso della tecnica ottica della Correlazione Digitale delle Immagini.
A tale scopo, un lato dei provini è stato verniciato di nero al fine di garantire una buona emissività
della superficie (ε= 0.92) e, durante i test, sono state acquisite una serie di immagini ad una frequenza
di 0.2 Hz, al fine di risalire all’evoluzione della temperatura durante l’applicazione ciclica dei carichi.
Tutte le immagini sono state acquisite mediante una termo-camera (FLIR, A40), caratterizzata da una
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risoluzione di 320x256 pixels, e i risultati sono stati analizzati mediante l’uso di un software
commerciale (Flir, ThermaCAM™ Researcher). Sul lato opposto del provino, invece, è stato
realizzato un pattern superficiale, caratterizzato da un’opportuna scala di grigio tale da consentire la
correlazione digitale delle immagini. Le immagini per la DIC sono state acquisite mediante una
camera digitale (Sony ICX 625- Prosilica GT 2450 model) avente una risoluzione di 2448 su 2050
pixels e sono state focalizzate attraverso un sistema ottico costituito da un obiettivo Linos Photonics e
da una lente Rodagon f. 80 mm che assicura, in condizioni di corretta illuminazione, una scala di
approssimativamente 160 pixels/mm. La correlazione digitale delle immagini è stata eseguita,
utilizzando un software commerciale dedicato (Vic-2D).
L’intero setup sperimentale, adottato durante i test, è rappresentato in fig. 6.
Figura 5: sistema afferraggio della macchina
di prova
Figura 6: setup sperimentale utilizzato per i test: a)
sorgente luminosa, b) lente, c) camera, d) cella di
carico, e) termo-camera, f) provino.
3. RISULTATI E DISCUSSIONI
Nelle fig. 7-9 sono riportate le mappe delle deformazioni orizzontali (εx), verticale (εy) e delle
deformazioni principali massime (ε1), rispettivamente, calcolate in corrispondenza del carico massimo
(40 kN). Nello specifico, le deformazioni sono state valutate prendendo come immagine di riferimento
(a deformazione nulla), quella acquisita al carico minimo del primo ciclo dell’intera storia di carico, e
come immagini da analizzare quelle acquisite in corrispondenza del carico massimo dell’i-esimo ciclo
di misurazione eseguito a 0.5 Hz (fig. 10). In questo modo è stato possibile identificare il processo di
accumulo del danneggiamento durante l’applicazione ciclica dei carichi.
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I risultati evidenziano che, al crescere del numero di cicli di carico applicato, la zona soggetta alla
massima deformazione in prossimità del raggio di raccordo del cordone di saldatura, tende ad
aumentare come indice del crescente danneggiamento indotto sul componente.
Figura 7: Deformazioni orizzontali (εx) misurate al carico massimo (40 kN) mediante la correlazione
digitale delle immagini per differenti cicli di carico.
Figura 8: Deformazioni verticali (εy) misurate al carico massimo (40 kN) mediante la correlazione
digitale delle immagini per differenti cicli di carico.
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Figura 9: Deformazioni verticali (ε1) misurate al carico massimo (40 kN) mediante la correlazione
digitale delle immagini per differenti cicli di carico.
Figura 10: schema delle misure effettuate per determinare le deformazione in corrispondenza della
regione saldata.
Dalle prove termografiche è stato possibile analizzare l’andamento della temperatura superficiale del
provino, con particolare attenzione alla zona di saldatura. Come evidenziato dalle immagini termiche,
le modalità di rottura rilevate sono diverse. In particolare, è stato riscontrato che i difetti di fatica si
generano in corrispondenza del raggio di raccordo lungo la piastra orizzontale, propagano inizialmente
in direzione perpendicolare alla piastra stessa, e, successivamente, cambiano direzione propagando
longitudinalmente fino alla rottura completa (come mostrato in fig. 11, Pmax= 20 kN). In altri casi i
difetti di fatica si generano dal raggio di raccordo nella piastra verticale, e si propagano
trasversalmente nel giunto superiore (fig. 12, Pmax = 30 kN). Durante le prove è stato riscontrato che i
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difetti si propagano in prossimità delle zone in cui è stato registrato l’incremento termico massimo, le
quali coincidono con le zone in cui è stata riscontrata la deformazione massima(fig. 8 e fig. 11).
Figura 11: immagini termografiche durante la prova a 20 kN.
Figura 12: immagini termografiche durante la prova a 30 kN.
Figura 13: curva ΔT –N durante la prova a Pmax=20 kN
Il profilo temporale della temperatura, ottenuto dalle immagini termografiche, presenta il tipico
andamento della curva T –N (fig. 13) che, per livelli di tensione applicata superiori alla resistenza a
fatica, è caratterizzato da tre fasi: un aumento iniziale della temperatura (fase I), il mantenimento di un
valore circa costante di incremento termico ΔTAS (fase II) ed un repentino incremento di temperatura
appena le deformazioni plastiche diventano rilevanti, portando il provino alla rottura (fase III).
Ai risultati ottenuti è stato inoltre applicato il Metodo Termografico proposto in [22], attraverso il
quale è stato possibile risalire ad un’ulteriore stima della resistenza a fatica della lega Ti-6Al-4V. I
valori stabilizzati (fase II) dell’incremento di temperatura ΔTAS rispetto alla temperatura iniziale,
rilevati mediante termografia IR durante le prove di fatica condotte a f = 5 Hz, sono stati diagrammati
in funzione del corrispondente quadrato del carico massimo applicato, P2max, e i dati ottenuti sono stati
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interpolati mediante una regressione lineare (fig. 14). La resistenza a fatica può essere stimata
dall'intersezione della retta di regressione con l'asse delle ascisse; il punto individuato corrisponde alla
sollecitazione massima al di sotto della quale non si verificano variazioni di temperatura. Nel caso
specifico, il limite di fatica Pmax stimato con il Metodo Termografico [22] è di circa 8.7 kN e
corrisponde con buona approssimazione al valore individuato dalla curva Pmax vs numero di cicli a
rottura N ottenuto dalle prove sperimentali di fatica, vedi fig. 15, dove la resistenza a fatica sembra
essere compresa fra 8 kN e 9 kN.
Figura 14: regressione lineare dei valori ΔTAS in
funzione di Pmax
Figura 15: Diagramma Pmax - N
4. CONCLUSIONI
In questo lavoro è stato analizzato il comportamento a fatica di giunzioni in titanio, saldate a T
mediante sorgente laser ed in assenza di materiale di apporto. Le analisi strutturali sono state
affiancate da indagini a campo intero, grazie all’impiego di due tecniche non distruttive quali la
correlazione digitale d’immagine (DIC, Digital Image Correlation) e la tecnica termografica ad
infrarossi (IRT, Infrared Thermography). Nello specifico, le analisi mediante la DIC hanno permesso
di rilevare i gradienti di deformazione in prossimità della zona di saldatura ed il danneggiamento
cumulato indotto dalla storia di carico. Mediante la tecnica IRT è stato possibile, invece, analizzare
l'evoluzione della temperatura superficiale dei giunti saldati durante le prove di fatica ed applicare il
Metodo Termografico per una stima della resistenza a fatica del giunto in esame. I risultati ottenuti
hanno permesso di valutare le modalità di danneggiamento del componente e di fornire una prima
identificazione della resistenza a fatica della particolare giunzione.
Inoltre, l’analisi sistematica dei risultati ha fornito indicazioni utili per lo sviluppo di metodi e modelli
di previsione del comportamento a fatica di giunzioni saldate a T in lega di titanio.
RINGRAZIAMENTI
L'attività sperimentale riportate nel presente articolo scientifico è stata condotta con il supporto dei
progetti di ricerca PON01_01269 "ELIOS" (Strutture di nuova concezione saldate con laser in fibra")
e PON01_02380 “STEM-STELO” (“Sistemi e TEcnologie per la realizzazione di Macchine per lo
Sviluppo dei Trasporti Eccezionali e della LOgistica di progetto”).
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