controllo delle saldature di acciaio inossidabile

CONTROLLO
DELLE SALDATURE
DI ACCIAIO INOSSIDABILE
Marchini G., Mesetti F., Scasso M.
Relazione presentata a:
"LA SALDATURA E GLI ACCIAI
INOSSIDABILI"
3° Incontro:
II controllo e la qualità
Milano, 27 novembre 1987
Con il patrocinio del
CENTRO INOX
Piazza Velasca, 10 • 20122 Milano
Estratto dalla Rivista
LA MECCANICA ITALIANA
n. 211 - novembre 1987
CONTROLLO
DELLE SALDATURE
DI ACCIAIO INOSSIDABILE
NDT FOR WELDED STAINLESS TUBES OF MEDIUM AND HIGH THICKNESS
Marchini G., Masetti F., Scasso M.
Istituto Italiano delta Saldatura - Genova
Sommario
Summary
// controllo di qualità delle saldature
di acciaio inossidabile (austenitico,
martensitico o terrifico), così come di
quelle di altri materiali, comprende
concettualmente più fasi: controlio
preventivo, ispezione in corso d'opera, controllo finale.
Quality contro! of stainless steel
welds (austenitic, martensitic, andferritic), as well as that of other material,
is made up of three phases:
preliminary contro/, inspection during
shop operations and final examination.
Tra i controlli finali, quelli non distruttivi di normale impiego sugli acciai inossidabili austenici sono il controllo radiografico e quello con liquidi
penetranti; il controllo ultrasonoro, infatti, può essere applicato con opportune tecniche, valutando attentamente i singoli casi.
Radiographic and penetrant testing
are, among thè final examinations,
thè more normally employed NDT on
austenitic stainless steels.
1. Generalità sul controllo
delle saldature
Per la sua specifica natura di severo intervento nelle proprietà dei materiali che costituiscono una costruzione, la saldatura ha posto, più di ogni
altro processo produttivo d'officina o
di cantiere,;l'esigenza di verifiche accurate di tutte le condizioni preventive dei materiali, delle tecniche e delle
risorse umane utilizzati.
I criteri di valutazione dei difetti possono essere di tipo tradizionale, cioè
empirico-convenzionale, come accade generalmente, oppure di tipo
scientifico, cioè legati all'affidabilità
per l'uso.
The evaluation of defects may be either traditional, that is empirieconventional, as is mostly thè case, or
scientific depending on their fìtness
for purpose.
Lo stesso controllo finale di ogni
singola saldatura è spesso preceduto
(quando se ne vede (a convenienza
tecnica) da controlli intermedi, per cui
il processo di fabbricazione alterna
vere e proprie fasi operative (saldatura) e di controllo. Solo il rispetto delle
prescrizioni di progetto, di fabbricazione e di messa in opera può garantire il raggiungimento delle proprietà
volute.
;
Tutte le fasi di controlio richiedono
personale altamente specializzato,
esperto di saldatura nonché di controlli non distruttivi.
Ali thè testing phases should be
performed by highly specialized personnel, experienced both in welding
and in nondestruetive testing.
Pertanto la qualità di un manufatto
in cui siano presenti operazioni di saldatura può essere perseguita convenientemente solo se ogni attività è
Ultrasonic examination may also be
performed with suitable techniques,
subject to a carefull evaluation of
each individuai case.
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I LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n° 211
stata opportunamente pianificata e
per questo è necessario che si coordinino tutte le funzioni operative che
intervengono nella fabbricazione e
nel controllo.
Inoltre in molti, se non in tutti i procedimenti di saldatura e nei controlli
interviene il fattore umano, una risorsa cioè che, pur nel rispetto della personalità d'ognuno, nel campo della
saldatura è stata sempre valutata e
certificata per consentire l'utilizzazione di operatori idonei al conseguimento della qualità stessa.
Sulla base delle suddette considerazioni è facile comprendere come da
vari decenni il Controllo di Qualità
delle costruzioni saldate comprenda
oltre al controllo vero e proprio della
saldatura finita, prove e verifiche preliminari e controlli parziali in corso
d'opera.
Questo proprio perché, per l'elevato numero di fattori in gioco, non è
possibile prevedere a priori con certezza quale risultato, cioè quale «qualità», del giunto saldato si otterrà effettivamente nella produzione.
2. Difetti e saldatura
La qualità di un giunto saldato può
essere misurata con riferimento all'uso del prodotto; in tal modo non può
esistere un sistema assoluto di raffronto, per cui uno stesso giunto idoneo per un impiego può non essere
accettabile per un altro in cui subentrino nuovi problemi, come rottura
fragile, fatica termica, ecc.
Questo modo di concepire la qualità, relativamente alla destinazione
del giunto, tiene conto di tutti i fattori
che possono influenzare la saldatura,
da quelli progettuali (scelta dei materiali, geometria) a quelli realizzativi
(trattamenti termici, mano d'opera,
attrezzature), ed infine tiene conto
della difettosità (presenza di discontinuità) e dei controlli distruttivi e non
distruttivi che la evidenziano: la qualità è quindi influenzata da un complesso di fattori riconducibili ai due
elementi principali sottoindicati, la cui
conoscenza e dominio consentono di
pilotare la qualità finale del giunto:
— le disomogeneità metallurgiche,
che dipendono dalle caratteristiche metallurghiche della zona fu-
sa e della zona termicamente alterata;
— le discontinuità metalliche, che
possono interessare la zona fusa,
quella termicamente alterata e/o il
materiale base accanto ad essa.
2.1. Disomogeneità metallurgica
Le disomogenea metallurgica tra la
zona fusa e/o la zona termicamente
alterata ed il materiale base inalterato sono originate dal riscaldamento,
sempre più o meno localizzato, e dal
successivo più o meno rapido raffreddamento; esse sono nocive alle caratteristiche meccaniche e ad altre
caratteristiche di esercizio, quali la
resistenza alla corrosione. Ne sono
un esempio, tempra o ingrossamento
del grano nella saldatura degli acciai
al carbonio, o di quelli inossidabili rispettivamente martensitici e ferritici,
oppure ingrossamento del grano,
precipitazioni di carburi di cromo o di
fase sigma nella saldatura degli acciai inossidabili austenitìci.
I fattori che influenzano le caratteristiche metallurgiche della zona fusa
e delta zona alterata sono numerosi,
comprendendo la scelta dei materiali
base e d'apporto, il procedimento e i
parametri di saldatura, la geometria
delle giunzionili controllo di tali fattori è operazione da condursi a monte della realizzazione del giunto riproducendo con
opportuni saggi di qualifica le condizioni previste per la fabbricazione.
Le caratteristiche del giunto campione vengono poi valutate mediante
prove distruttive (meccaniche, macro
e talvolta micrografiche). Se il risultato sarà ritenuto soddisfacente per gli
scopi costruttivi, tali condizioni devono essere riprodotte nella misura più
fedele possibile in fase di fabbricazione.
2.2. Discontinuità metalliche
Le discontinuità metalliche che interessano il giunto saldato possono
essere riassunte, in accordo con la
terminologia dell'Istituto Internazionale della Saldatura (IIW) come di seguito riportato:
a) cricche;
b) cavità;
35
e) inclusioni solide;
d) mancanza di fusione e penetrazione;
e) imperfezioni di forma;
f) varie (spruzzi, inneschi d'arco, incisioni di mola ...).
Questo tipo di difetti (figura 1) è rilevabile mediante esame visivo e
controlli non distruttivi, in particolare
in funzione di forma, dimensioni ed
orientamenti delle discontinuità.
Le cause che determinano la formazione di questi difetti possono ridursi alle due principali:
— metallurgiche e/o tecnologiche,
cioè dipendenti da errori a monte
della operazione di saldatura (errata scelta dei materiali, disegno
dei giunti, ecc);
— operatoria, cioè causata dall'imperizia del saldatore o della cattiva
messa a punto dei procedimenti.
Alcuni difetti, tra cui le cricche in
modo particolare, hanno in genere
causa metallurgica e tecnologica; altri, come le mancanze di fusione e di
penetrazione possono essere originati sia da cause tecnologiche che da
imperizie operative; molti difetti (inclusioni di scoria soprattutto) sono
determinati prevalentemente dal saldatore o dall'operatore del procedimento automatico.
Quali che siano le cause delle discontinuità metalliche, l'accertamento della loro presenza è possibile ed
in misura più o meno completa come
già detto, attraverso i controlli non distruttivi.
Deve essere chiaro, comunque,
che l'evitare che i difetti si formino
(controllo preventivo) è assai più sicura ed economicamente conveniente
che non accertarne la presenza con
controlli non distruttivi finali, il che
comporta la successiva rimozione, la
riparazione ed il ricontrollo.
A conclusione di questi cenni sul
significato di qualità del giunto saldato, occorre ricordare che non è assolutamente corretto identificare la qualità della saldatura con quella che risulta dai controlli non distruttivi finali.
Un giunto si può ritenere accettabile
solo se è risultato sano agli esami
non distruttivi e se è stato prodotto riproducendo le condizioni di saldatura
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campione di cui sono note le caratteristiche finali.
Fig. 1
3. Controllo di qualità
delle saldature
II controllo di qualità delle saldature si articola, come abbiamo già detto, in diverse fasi d'intervento quali:
— controlii indiretti o preventivi;
— ispezione in corso d'opera;
— controlli diretti sulle saldature.
Schematicamente gli esami che i
suddetti tipi di controllo comprendono possono essere cosi raggnippati:
A) Controlli indiretti (o preventivi).
— Esame della documentazione
tecnica.
— Prove di qualificazione dei saldatori.
— Prove di sanabilità del materiale base.
— Prove di omologazione del materiale di apporto.
— Prove di qualificazione di procedimenti di daldatura.
B) Ispezioni in corso d'opera.
C) Controlli diretti.
— Distruttivi,
— Semidistruttivi.
— Non distruttivi:
Esame visivo (EV).
Esame con liquidi penetranti
(LP).
Esame magnetoscopico (MS).
Esame radiografico (RX).
Esame ultrasonoro (US).
Esame per correnti indotte (CI).
Esame per rivelazioni di fughe
(RF).
Esame per emissione acustica
(EA).
4. Controlli indiretti
Questa prima fase del controllo riconosce che un sano empirismo (nutrito dalle conoscenze che la pratica
prolungata di fabbricazione e di esercizio di impianti simili ha consentito di
accumulare) basato su qualche prova
preliminare, prima della costruzione,
è tuttora il metodo meno costoso e
più efficace di operare.
IHCLUStéHI
PI
Il controllo indiretto preventivo ha
per scopo:
— la verifica che siano state predi36
| LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n° 211
termedi o finali (con la relativa velocità di riscaldamento o raffreddamento), ecc;
— gli eventuali controlli non distruttivi
sui lembi di saldatura e quelli intermedi o finali sul giunto saldato.
sposte le condizioni che si sanno
migliori (per la buona pratica) affinchè la realizzazione dei giunti
saldati abbia le caratteristiche desiderate;
la verifica che la qualità della giunzione saldata effettuata in quelle
condizioni non sia inferiore a quella prestabilita dalla progettazione
in funzione delle esigenze di servizio.
4.1. Esame della documentazione
tecnica
II primo punto prevede innanzitutto
dì descrivere (attraverso l'analisi dei
disegni costruttivi) in forma di documento tecnico (la Specifica del procedimento di saldatura) i materiali ne*
cessari e le condizioni esecutive che
saranno adottati per l'opera, elencando tutte le condizioni che l'esperienza ha indicato come influenti sulle caratteristiche finali della saldatura e
che il reparto di saldatura ha comunque necessità di conoscere per realizzare il manufatto.
Una Specifica di saldatura comprende in generale notizie riguardo ai
seguenti argomenti:
— il tipo, ta forma e ìe dimensioni del
materiale che si deve saldare;
— il procedimento di saldatura che si
applica, con dettagli circa materiale d'apporto, eventuale gas o flusso di protezione, tipo di giunto e
preparazione dei lembi, posizione
di saldatura;
— i parametri di saldatura: tipo di corrente, polarità, valore dì corrente,
tensione d'arco, velocità dì avanzamento della saldatura, velocità
di alimentazione del filo, ecc, il
tutto secondo le peculiarità esecutive del procedimento previsto;
— le temperature di preriscaldo e di
interpass, i tempi e le temperature
di eventuali trattamenti termici in-
Sulta base della specifica di saldatura il controllo preventivo può svilupparsi programmando prove preliminari alla costruzione, che nella generalità dei casi comprendono le Qualiflazionl del procedimento e le Qualificazioni del saldatori, mentre in
taluni particolari casi, nei quali per
una insufficiente esperienza dei materiali impiegati o delle modalità applicative del procedimento si può ritenere piuttosto incerta la previsione di
massima del risultato ottenibile, il
programma delle prove preliminari
può estendersi e comprendere altri tipi di verifiche, quali prove di saldabilità del materiale base, prove sui materiali di apporto, prove di criccabilità
(per esempio a caldo e a freddo),
analisi chimiche della zona fusa, ecc.
4.2. Qualificazione
del procedimento di saldatura
metalliche nella zona fusa e nella zona termicamente alterata. Infine: dai
saggi vengono prelevate delle provette ed eseguite prove distruttive per la
determinazione delle caratteristiche
meccaniche (resistenza, duttilità, durezza e tenacità) del giunto, eventualmente di quelle chimiche del deposito e di quante altre necessario ad assicurare l'assenza di difetti del tipo disomogeneità metallurgiche.
La normativa maggiormente presa
a riferimento in Italia per la qualificazione dei procedimenti è rappresentata dalla Raccolta «S» ANCC e dalla
Sezione IX del Codice ASME.
4.3. Qualificazione dei saldatori
Ha lo scopo di accertare che la mano d'opera impiegata nella esecuzione delle saldature con procedimenti
manuali o semi-automatici possegga
la necessaria abilità operatoria corrispondente alle difficoltà esecutive del
giunto (in funzione del procedimento
del materiale della posizione di saldatura, ecc).
La qualificazione del procedimento
di saldatura ha per scopo l'accertamento della qualità del giunto saldato
ottenibile con l'applicazione della
specifica dì saldatura; la specifica dovrà portare infatti al conseguimento
di giunti esenti da difetti e con le caratteristiche desiderate (come quelle
meccaniche, anticorrosione, estetiche, ecc).
L'omissione di questo accertamento preliminare può portare a saldature contenenti gravi difetti operatori.
Questi potrebbero anche essere rilevati al termine dell'operazione di saldatura da controlli non distruttivi, ma
comunque si renderebbe necessaria
la riparazione del giunto; ciò comporterebbe, oltre alla perdita di tempo e
di denaro, anche maggiori deformazioni e, probabilmente, più elevate
tensioni residue.
La qualificazione del procedimento
di saldatura è in sostanza una verifica
che il materiale base, quello di apporto e la tecnica di saldatura (cioè la
scelta del procedimento e dei diversi
parametri) siano adeguati per realizzare quanto il progettista ha richiesto.
Le prove di qualifica consistono in
pratica nel fare eseguire al saldatore
uno o più giunti (di prova) di dimensioni limitate e nel valutarne la qualità
con esami non distruttivi e/o distruttivi secondo crìteri che ciascuna normativa indica.
Le prove di qualificazione consistono generalmente nella saldatura di
uno o più saggi con i materiali e nelle
posizioni previste per la costruzione e
con la messa in atto di tutti gli accorgimenti previsti in costruzione come
preriscaldo, trattamento termico, ecc.
Dopo la saldatura, i saggi vengono
sottoposti a controlli non distruttivi allo scopo di accertare l'assenza dei difetti sistematici del tipo discontinuità
37
La valutazione ha per oggetto solo
la eventuale presenza di difetti di saldatura attribuibili al saldatore. Eventuali difetti che sono provocati da altri
fattori, per esempio di carattere metallurgico, dovuti al tipo di materiale
base e d'apporto, o al loro cattivo stato di conservazione, ecc. comportano
lo scarto del saggio come non valido
e la prova viene ripetuta dopo aver rimosso le cause non operative dei difetti.
| LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n° 211
Ciò viene conseguito con l'accertamento delle varie caratteristiche resistenziali oppure della natura e della
distribuzione delle eventuali discontinuità presenti sia all'interno che all'esterno dei pezzi.
I controlli diretti possono essere:
Le modalità per la qualifica dei saldatori sono stabilite dalle norme UNI;
fra esse ricordiamo le norme UNI
6918 e 6916 per la saldatura ad arco
manuale degli acciai inossidabili al
Cr-Ni (o leghe di Ni), rispettivamente
tubi e lamiere; la norma UNI 6917 per
saldatori TIG di tubi di qualsiasi acciaio, con bocchetta di acciaio inossidabile al Cr-Ni (o leghe di Ni); la norma UNI 6918 per procedimenti misti,
su prima passata e riempimento, le
norme UNI 7711 e 8032 per le saldature MIG con fili di acciaio inossidabile al Cr-Ni (o lega di Ni), rispettivamente lamiere e tubazioni.
5. Ispezioni in corso d'opera
Ha lo scopo di controllare la piena
rispondenza della modalità esecutive
sia a quanto stabilito nella documentazione tecnica sia alle buone regole
dell'arte tratte dall'esperienza.
Si deve ad esempio verificare in officina o in cantiere:
— che i saldatori impiegati siano qualificati;
— che i materiali di apporto siano di
tipo omologato o del tipo approvato in fase di qualifica del procedimento e che siano in buone condizioni di conservazione;
— che le temperature dell'eventuale
preriscaldo e gli eventuali trattamenti termici siano rispondenti a
quanto stabilito nel corso della
qualifica del procedimento;
— che i controlli non distruttivi dei
giunti vengano effettuati secondo
le modalità più efficaci e nel momento più opportuno del montaggio, secondo quanto previsto dal
ciclo di lavorazione approvato.
— distruttivi (come prove di scoppio
di bombole o di resistenza alla rottura di giunti saldati) ed in questo
caso si eseguono solo su pezzi costruiti in serie o su campioni;
— semi-distruttivi come assaggi locali delle caratteristiche del materiale di un pezzo o talloni di saldatura;
— non distruttivi, che sono in grado
di mettere in evidenza solo difetti
del tipo discontinuità metalliche.
7. Controlli non distruttivi
delle saldature
Per il rilievo delle discontinuità metalliche interessanti la saldatura i
controlli non distruttivi generalmente
applicati e che soddisfano generalmente le necessità degli accertamenti, sono l'esame visivo, magnetoscopio e con liquidi penetranti, che danno indicazioni sulla eventuale presenza di difetti superficiali, e gli esami radiografico ed ultrasonoro, che
consentono di rilevare eventuali difetti interni; talvolta si applicano anche
altri tipi di controlli come le prove di
tenuta (rivelazione di fughe), il controllo con correnti indotte e l'emissione acustica.
L'esame di un giunto saldato richiede molto spesso l'impiego contemporaneo di due o più metodi di
controllo non distruttivo e la scelta
dei metodi d'indagine e delle tecniche applicative dipende da vaiu(azioni sulla storia del giunto (dai materiali
coinvolti, al tipo di procedimento
adottato, dal disegno dei cianfrini, all'accessibilità, ecc).
6. Controlli diretti
La esecuzione e la interpretazione
degli esami non distruttivi richiede
personale particolarmente addestrato: anche i controlli superficiali ritenuti più semplici necessitano infatti di
precauzioni opportune per essere efficaci.
I controlli diretti vengono utilizzati
per il controllo finale dei manufatti.
L'interpretazione delle radiografie
richiede personale provvisto di una
38
adeguata conoscenza delle problematiche di saldatura e fornito di elevata esperienza sulle tecniche di esame adottate (non è la stessa cosa
giudicare il' film radiografico di un
giunto saldato tubo piastra tubiera ripreso con apparecchio microfocus, o
il film eseguito con raggi gamma su
un giunto di acciaio austenitico spesso 60 mm).i
7.1. Esame Visivo
L'esame ivisivo della superficie e
del rovesciò (quando anche questo è
accessibile) delle saldature da informazioni preziose ed è in ogni caso
necessario per individuare i difetti di
profilo (quali incisioni marginali, eccessi di penetrazione, insellamenti,
slivellamenti, irregolarità di deposito,
mancanza di penetrazione nel aso di
saldatura non ripresa), la posizione di
lavoro e la tecnica seguita (ad esempio maglie regolari sono indice di velocità di saldatura uniforme, maglie
ad angolo acuto sono indice di grande velocità);
Le suddette informazioni possono
essere anche utili per ricavare elementi di previsione sui difetti più probabili derivanti dalla particolare tecnica operativa.
L'impiego di una lente fino a 10 ingradimenti permette un esame più
dettagliato, soprattutto in vista della
rivelazione di eventuali cricche superficiali.
i
Nel caso di inaccessibilità all'esame visivo diretto (ad esempio tubazioni, bombole, piccoli apparecchi),
si può fare uso del Tendo scopio per
controllare dall'interno la penetrazione all'inverso della saldatura.
Osserviamo infine che un attento
esame visivo della superficie del
giunto saldato e degli eventuali difetti
affioranti facilita spesso (talvolta è addirittura indispensabile) la corretta interpretazione dei risultati di altri tipi di
controllo non distruttivo, come l'esame radiografico e quello ultrasonoro.
I
7.2. Esame con liquidi penetranti
L'esame con liquidi penetranti è
molto utilizzato per il controllo superficiale delle saldature, specialmente
per rilevare piccole cricche sottili
| LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n° 211
che, pur se affioranti alla superficie,
possono sfuggire al più attento esame visivo.
Per una buona affidabilità dell'esame è però necessario che la superficie da controllare non abbia eccessive asperità (quali ad esempio quelle
dovute a cordoni molto irregolari effettuati con elettrodi rivestiti in posizione verticale) che potrebbero impedire la completa asportazione dell'eccesso di liquido penetrante, con la
conseguente formazione di indicazione spurie.
In generale sono pertanto ben controllabili le saldature eseguite con
procedimenti automatici e quelle effettuate manualmente sotto protezione grassosa (TIG, MIG).
I liquidi penetranti costituiscono
per le saldature degli acciai inossidabili austenitici (non magnetizzabili) un
mezzo fondamentale di controllo non
distruttivo, che ben si adatta alle condizioni geometriche dei cordoni quasi
sempre realizzati con procedimenti
automatici (placcature) o comunque
sotto protezione di gas inerte.
I prodotti più usati, per tali applicazioni, sono in genere quelli lavabili
con acqua, sia del tipo colorato che
fluorescente, con basso contenuto di
alogeni che, sugli acciai inossidabili
austenitici, possono dar luogo a stati
di aggressione chimica.
In Italia il controllo con liquidi penetranti delle saldature è normalizzato
dalla norma UNI 7679.
7.3. Controllo Magnetoscopio
Questo metodo di controllo superficiale e subsuperficiale può essere
applicato, come già detto, solo su
materiali ferromagnetici; sugli acciai
inossidabili austenitici, non si può
pertanto utilizzare tale controllo, che
viene comunque regolarmente usato
per il controllo delle saldature di tutti
gli altri acciai, compresi quelli inossidabili martensitici ricorrendo principalmente a due tecniche: quella con
sistema elettrico a puntali (più sensibile) e quella con sistema magnetico
con elettromagnete (meno sensibile),
sia con l'uso di rivelatori a secco (per
le saldature a maglia più irregolare)
che in sospensione liquida (per quelle con maglia più regolare o regolarizzate o lisciate).
In genere, ove applicabile, il controllo consente di rivelare rapidamente soprattutto i difetti bidimensionali,
come le cricche, affioranti o molto
prossimi alla superficie.
Citiamo, per questo metodo, la norma UNI 7704 che può essere presa a
riferimento come valida guida per i
controlli delle saldature.
7.4. Esame Radiografico
L'esame radiografico è fondamentale per il controllo della qualità delle
saldature e di molti altri manufatti metallici e non; esso viene ampiamente
utilizzato anche per la messa a punto
dei procedimenti di saldatura e per la
qualificazione dei saldatori. Con questo metodo possono essere evidenziati quasi tutti i difetti o le discontinuità metalliche delle saldature e
cioè: porosità, cricche, mancanze di
penetrazione e di fusione, inclusioni
solide, gassose, ecc.
I difetti bidimensionali, come le
cricche o la mancanza di fusione di
un lembo, possono tuttavia essere rilevati soltanto se il fascio di radiazione è opportunamente orientato; in linea di principio per evitare distorsioni
e rilevanti differenze di annerimento
sulla pellicola, il fascio deve essere
quanto più possibile perpendicolare
alla superficie da radiografare.
Sono pertanto radiografabili in genere solo i giunti di testa, poiché la
radiografia delle saldature a T e d'angolo comporta una sensibile alterazione dell'immagine, a causa delle
variazioni di spessore attraversato
dai raggi.
Esistono ormai consolidate esperienze di impiego tradotte in norme,
prescrizioni e specifiche, tali da garantire la corretta applicazione del
39
metodo sia su giunti di parti piane
che cilindriche (giunti di tubi, serbatoi), onde ottenere la richiesta sensibilità di esame.
Per le radiografie su materiali a
grano di grosse dimensioni, come le
saldature di acciaio inossidabile austenitico, di medio ed elevato spessore, occorre ricordare che ove possibile è consigliabile l'uso di raggi X, anziché gamma, e di pellicole a grana fine, onde migliorare la sensibilità finale, sia in termini di contrasto che di
definizione.
Limitazioni dell'esame radiografico
sono l'accessibilità, che ne può rendere difficoltosa l'applicazione e l'impiego su elevati spessori, che richiede l'impiego alternativo degli ultrasuoni, se possibile.
Tra le norme italiane metodologiche è da segnalare la norma UNI
8956, di recente emissione che fornisce ampie informazioni-guida per l'esame radiografico di giunti di acciaio
o nichel e sue leghe, fino allo spessore massimo di 200 mm; ma è soprattutto da ricordare la norma UNI 7278
«Gradi di difettosità sulle saldature testa a testa riferiti al controllo radiografico; dimensioni, simboli ed esempi di applicazioni» che per la quantità
e la qualità delle indicazioni fornite
può essere di grande aiuto a chi, come il progettista, debba stabilire eriteri di valutazione per l'interpretazione radiografica o addirittura definire
«classi dì qualità» delle saldature riferite all'esame radiografico, per diverse categorie di costruzioni saldate.
7.5. Esame ultrasonoro
L'esame ultrasonoro è da considerarsi, in generale, l'alternativa al controllo radiografico di cui può, come
già anticipato, rappresentare il giusto
complemento in quei casi in cui la radiografia non è da sola sufficientemente affidabile (per esempio per la
ricerca di difetti bidimensionali di saldatura non favorevolmente orientati,
per giunti a T o d'angolo, nonché per
giunti di elevato spessore).
Sono a tutti gli altri vantaggi applicativi del metodo ultrasonoro (soprattutto per il controllo di componenti in
esercizio) e non ci sembra qui necessario ricordarli.
I LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n° 211
Tuttavia nel controllo ultrasonoro
delle saldature l'esperienza dell'operatore e la sua preparazione sono
fondamentali per fa validità dei risultati dell'indagine (che non determina
un documento finale, come la radiografia, oggettivamente interpretabile
e confrontabile).
fiff.2
L'individuazione dei difetti, il loro riconoscimento (auspicabile anche
quando non richiesto), e il dimensionamento sono tutti momenti nei quali
esperienza, serietà e precisione giocano ruoli decisivi.
La valutazione della affidabilità di
un giunto in servizio o più in generale
la valutazione della accettabilità di un
difetto con criteri di meccanica della
frattura valorizza l'utilizzo dell'esame
ultrasonoro e, all'interno di questo,
l'adozione di tecniche di rilevazione e
dimensionamento tisicamente fondate, sperimentate e validate.
Una limitazione per il controllo ultrasonoro delle saldature è rappresentata dalle difficoltà causate dalle
strutture a grano di grosse dimensioni. Le saldature d'acciaio austenitico
sono uno degli esempi più noti di tali
difficoltà.
))
) )
j
Il controllo ultrasonoro di tali giunti
è stato oggetto di crescente interesse
perché tale materiale è usato in impianti importanti, specialmente di tipo
nucleare.
i
i
)
;))
"
Le principali difficoltà che si incontrano sono le seguenti:
•
•
•
•
•
]
• ' • '
)7) ) )
— iJ rapporto segnale/disturbo è troppo basso per il metodo a riflessione di impulsi, a causa delle notevoli dimensioni del grano e del suo
elevato dentritismo; specialmente
nel caso delle onde trasversali l'elevato livello di disturbo è accompagnato da elevata attenuazione
ed anche da irregolarità di propagazione, provocate proprio dall'anisotropia della zona fusa del
giunto saldato;
;>ì.';-;.'
r-
•'--...,.
•t^K/'^. '.[
— la localizzazione, il dimensionamento e l'identificazione dei difetti
effettuati con i metodi classici sono inutilizzabili nella maggior parte dei casi, poiché non solo l'ampiezza dei segnali ma anche il
tempo di andata e ritorno delle onde ultrasonore non sono così affidabili come nel caso degli acciai
40
| LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n° 211
distruttivi si sono evoluti nel tempo, a
partire dalle prime applicazioni di tali
controlli.
8.1. Criterio del «Controllo
della qualità» (quality control)
ferritìci e martensitici; ciò significa,
per esempio, che la posizione di
un difetto non può essere sempre
ottenuta da tale tempo di transito
senza una specifica conoscenza
del comportamento acustico della
zona esaminata.
Tuttavia possiamo dire che attualmente tali esami sono fattibili, anche
se con difficoltà, con discreta affidabilità. L'uso di sonde ad onde longitudinali inclinate, a doppio cristallo e la
tecnica di indagine per fasce di spessore (utilzizando per ciascuna là sonda idonea) hanno portato a potere
esaminare con successo i giunti degli
acciai inossidabili austenitici.
Va detto comunque che permangono notevoli problemi nello studio delta dinamica dell'eco per la caratterizzazione della natura dei riflettori.
Esperienze dell'Istituto su saldature di spessore da 80 a 140 mm di acciaio tipo AISI 304L confermano tali
vantazioni.
Segnaliamo su questo argomento
il manuale sul controllo ultrasonoro
dei giunti saldati in acciaio austenitico, pubblicato dall'HW: il testo illustra
tutti i problemi che l'esame comporta
(esaminandoli dal punto di vista teorico e pratico) e fornisce le linee guida
per preparare efficaci procedure di
esame.
Si ritiene comunque necessario ricordare che un valido contributo per
migliorare l'affidabilità del controllo,
può essere dato da una più appropriata definizione di specifiche di saldatura atte ad ottenere strutture più
fini.
8. Criteri di valutazione
dei difetti del tipo
discontinuità metallica
I criteri dì valutazione dei difetti di
saldatura evidenziati dai controlli non
II criterio del «Controllo della Qualità» è un criterio empirico convenzionale nato una cinquantina di anni fa
con riferimento a livelli possibili di ca-,
pacità realizzativa da parte di costruttori normalmente attrezzati e forniti di
mano d'opera adeguatamente addestrata alla esecuzione di giunti saldati. In altri termini il livello qualitativo
della giunzione è stabilito per confronto con un giunto tipo realizzato in
condizioni di maggiore o minore cura
ed attenzione. Il livello di qualità così
stabilito non ha nessun legame diretto con l'affidabilità della saldatura per
l'uso cui è destinata.
Questo criterio in effetti è stato ed
è tradizionalmente utilizzato al servizio del controllo radiografico, adattandosi alle possibilità di questo metodo di controllo non distruttivo, di dare una immagine proiettata della saldatura e dei suoi eventuali difetti.
Tuttavia queste condizioni di accettabilità, studiate e codificate per l'esame radiografico (ad esempio lunghezza massima del difetto, distanza
minima, ecc), assai male si prestano
ad essere utilizzate come criterio di
qualità per il controllo ultrasonoro.
In effetti anche in Italia la maggior
parte della normativa ufficiale per costruzioni saldate fa riferimento a criteri di accettabilità radiografica (ricordiamo la «Raccolta S» della ANCC
che regofamenta la costruzione di recipienti in pressione saldati, il D.M. 14-83 per la disciplina delle costruzioni
metaliiche civili ed industriali di carpenteria) così che l'utilizzo del controllo ultrasonoro (utile per certe geometrie, procedimenti ed ubicazioni di
giunti saldati) incontra delle difficoltà
nel momento di correlare i risultati
con le prescrizioni delle classi di accettabilità che la normativa impone di
soddisfare (pensiamo per esempio alla difficoltà di stabilire il numero di pori a cm 2 con l'esame ad ultrasuoni o
di riconoscere il tarlo dalla inclusione
di scoria).
Per superare tali difficoltà, in con41
giunzione con l'esame ultrasonoro
devono essere adottati criteri di accettazione alternativi, ma pur sempre
basati sul concetto del controllo di
qualità.
Tali criteri devono essere espressi
in termini di perametri ultrasonori ed
includono ad esempio:
a) l'ampiezza del segnale;
b) la lunghezza approssimativa del
difetto;
e) il numero di indicazioni per la lunghezza di saldature presa come riferimento.
Con l'uso di criteri del tipo illustrato
non è richiesta una misura precisa
delle dimensioni dei difetti, né un accertamento preciso della loro natura.
Comunque è opportuno che i difetti
siano in qualche modo classificati,
per lo meno distinguendo fra difetti
planari e tridimensionali.
Comunque, la validità dei risultati
dipende dal largo margine di conservatività con cui vengono valutati i difetti sulla base di questo criterio.
In ogni caso, siccome la maggior
parte delle costruzioni saldate controllate con radiografia o ultrasuoni fino ad oggi è stata valutata sulla base
del criterio del controllo di qualità e
siccome i casi di soddisfacente funzionamento sono la stragrande maggioranza, è logico considerare sufficientemente affidabili i principi che
hanno guidato i giudizi sulla qualità
delle saldature.
8.2. Criterio della «affidabilità
per l'uso»
(fitness for purpose)
Utilizzando il più recente e più
scientifico criterio della affidabilità
per l'uso, il rigetto o l'accettazione
dei difetti sono basati sulla considerazione che il difetto comprometta o
meno l'utilizzazione del giunto e della
costruzione.
Normalmente questo criterio basa
le sue valutazioni sulla meccanica
della frattura e richiede la conoscenza delle dimensioni e della posizione
(nello spessore) dei difetti. Generalmente la misura del difetto nel senso
dello spessore e la sua posizione rispetto alle superfici sono gli elementi
| LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n° 211
fondamentali di valutazione. Per tale
motivo il metodo di controllo che meglio consente l'utilizzo del criterio di
affidabilità per l'uso, è tipicamente
quello ultrasonoro, ove applicabile, le
cui valutazioni devono essere peraltro estremamente accurate.
L'uso di questo criterio è, per ora,
limitato alle seguenti circostanze:
— valutazione dei difetti rinvenuti durante ispezioni in servizio;
— eccezionale deroga in corso di costruzione, quando un difetto sia da
riparare per il criterio di controllo
della qualità e la riparazione possa
dar luogo ad inconvenienti (deformazioni, strappi lamellari, ...) più
seri.
In ogni caso questo criterio dovrebbe essere applicato per le classi più
severe di controllo e le tecniche più
complete di indagine.
Con il criterio, della affidabilità per
l'uso in accordo con le ipotesi conservative che si formulano quando si applica la meccanica della frattura, tutti
i difetti sono considerati planari, per
cui, a rigore, l'interpretazione della
loro natura non è strettamente necessaria.
È invece indispensabile utilizzare
operatori estremamente abili ed
esperti per il riconoscimento degli inviluppi dinamici dell'eco e per la esecuzione di misure dimensionali accurate, dati che comunque restano tutti
di difficile determinazione, in quanto
variabili caso per caso, in particolare
nel campo degli acciai inossidabili
austenitici.
9. Conclusioni
II controllo di qualità delle saldature, in particolare di quelle di acciaio
inossidabile, può essere definito come quell'insieme di operazioni che
permettono di rilevare e misurare le
caratteristiche di una giunzione saldata, verificandole a fronte di parametri e valori preventivamente specificati.
Tale controllo comprende te seguenti tre fasi:
— controlli preventivi, quali esame
disegni e specifiche; prove di saldabilità; qualificazione, procedimenti e saldatori;
— ispezione: verifiche del rispetto
delle prescrizioni normative, di
quelle delle specifiche, dei verbali
di qualifica, ecc;
— controlli diretti: prove di vario tipo tra cui le più usate sono quelle
non distruttive che per gli acciai
inossidabili austenitici sono in genere limitate ai controlli radiografico e con liquidi penetranti, anche
se negli ultimi anni sono state sviluppate tecniche di controllo ultrasonoro, peraltro ancora discusse e
limitatamente impiegate.
9.1. La qualità globale delle saldature, per quanto riguarda i difetti metallurgici ed esecutivi, può essere efficacemente ed economicamente rilevata, misurata e verificata solo mediante l'insieme delle indagini preventive, ispettive e finali suddette.
i primi sono fondati essenzialmente sul livello qualitativo tecnologicamente ottenibile e quindi sulla possibilità di ottenere con i procedimenti
adottati giunti sani, nonché sull'esperienza di costruzioni gestite senza inconvenienti; essi sono stati sviluppati
con il progredire del controllo radiografico a partire dalla fine degli anni
30, e sono stati quindi adattati al controllo ultrasonoro.
I criteri basati sull'affidabilità hanno un contenuto più scientifico e
sfruttano le conoscenze della meccanica della frattura; sono spesso adottati in congiunzione tutti i parametri
dimensionali delle anomalie riscontrate, ma che pone, come già detto,
problemi di applicazione alle saldature di acciaio inossidabile.
9.3. Tutte te fasi del controllo di
qualità delle giunzioni saldate richiedono l'usò di personale altamente
specializzato, dall'-lngegnere Saldatore» al 2° o 3° livello in PND; in particolare per il controllo finale il rigore e
la serietà nella valutazione del personale è indispensabile e tutte le azioni
volte a garantire imparzialità in tale
giudizio devono essere accolte con
favore. !
Bibliografia
9.2. Le prove non distruttive rappresentano comunque un elemento
fondamentale nell'accertamento della qualità delle saldature per quanto
riguarda l'individuazione dei difetti
del tipo discontinuità metatliche.
I criteri di accettabilità dei difetti
possono essere di tipo empirico convenzionale («quality contrai», generalmente adottati in costruzione), oppure basati sull'affidabilità per l'uso
(«fitness for purpose», talvolta già
adottati come collaudo finale, o in casi particolari come l'ispezione in servizio).
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[11 COSTA.G., Principali problemi dì saldatura e controllo delle costruzioni metallìche,
ediz. Istituto Italiano della Saldatura, Genova 1985.
[2] AIM, Le prove non distruttive, ediz, Associazione Italiana di Metallurgia, Milano
1984. .
|3] TROVA A., LEZZI F., Istituto Italiano della
Saldatura, principi di controlio dei giunti
saldati, Convegno «Ultrasuoni ed emissione acustica nel controllo delle saldature",
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14] IIW-VC-423/84, Handbook on thè ultrasonic Examìnation of Austenitic Welds, Istituto Internazionale della Saldatura, 1984.
[5J BETTI F., Nuovo Pignone, Ultrasonlc
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| LA MECCANICA ITALIANA novèmbre 1987 n° 211