I tubi saldati inox

Estratto dalla Rivista
LA MECCANICA ITALIANA
n. 196 - t986
I tubi saldati inox
Stainless steel welded tubes
S. BONASSOLI. G. MONTAGNA
Dalmine SpA
Summary
Stainless steel tubes formed
from strip and longitudinally welded are being more widely used
even in very severe applications.
Such widespread acceptance is
due to progress made in thè quality of steels, in forming and welding technologies, in chemical and
thermal treatments, in non destructive testing.
In this paper a review is made
of thè most important steps of making a welded tube, with particular
focus into thè operations performed on thè welding mill.
1. Premessa
I tubi in acciaio inossidabile ottenuti per formatura continua da
nastro e saldatura longitudinale
vanno conquistando quote sempre
maggiori di mercato e espandendo
i settori di applicazione.
Relazione presentata nel corso della
giornata dedicata a • La saldatura e gli
acciai inossidabili. 2° incontro: l'esperienza dei trasformatori -. tenutasi il 4 dicembre 1985, presso la FAST a Milano.
In linea generale, ciò è dovuto
ad un insieme di fattori ben noti,
che qui cercheremo di riassumere brevemente, ad introduzione della descrizione dei processi di saldatura e della loro peculiarità, che
forma oggetto del presente lavoro.
Limiteremo naturalmente il discorso a questo tipo di prodotti, a
spessore medio-piccolo e a rapporto diametro/spessore relativamente elevato, poiché le problematiche
connesse con la fabbricazione e
l'impiego di prodotti tubolari ad elevato spessore, prodotti con sistemi UOE o analoghi, non differiscono sensibilmente da quelle relative a recipienti o altri manufatti
di spessore medio-alto o alto, di
cui si è parlato nelle memorie che
precedono.
La saldatura continua di acciai
inossidabili in spessori medio-sottili ha raggiunto un elevato grado
di affidabilità e automazione, rendendo possibile la fabbricazione di
prodotti di elevate caratteristiche
e di costo contenuto. Naturalmente
una saldatura può costituire una
sorgente di singolarità di comportamento e di difettosità (minor resistenza alla corrosione rispetto al
metallo base, incollature, mancate
penetrazioni, inclusione di particelle estranee, effetti di intaglio per
imperfetto allineamento di lembi,
ecc): il progresso nei materiali,
nelle attrezzature e negli impianti, nelle procedure, ha permesso di
eliminare o tenere sotto stretto
controllo tutti questi fattori di potenziale disturbo.
Il progresso nei metodi di affinazione dell'acciaio, con l'introduzione dei trattamenti fuori forno, ha
consentito dì produrre in maniera
economica acciai inossidabili con
tenore di carbonio molto bassi, fino a circa 0,02%, riducendo quindi
drasticamente i pericoli di sensibilizzazione della zona termicamente alterata; la comprensione dei
fattori metallurgici provocanti Ja
fragilizzazione degli acciai inossidabili ferritici durante la saldatura
ha portato alla creazione di una famiglia interamente nuova, gli acciai inossidabili ferritici a tenore
controllato di interstiziali, la quale,
grazie all'abbassamento di tenori
di carbonio e azoto e all'uso di
adatti elementi stabilizzanti, può
essere saldata con la stessa facilità e sicurezza di risultati dei normali acciai austenitici; l'evoluzione nella struttura meccanica e nel-
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Fig. 1 • Linea di saldatura.
la profilatura dei rulli della sezione
formatrice delle macchine a saldare, ha ridotto di molto i problemi
legati alla formatura del nastro;
l'affinamento dei più noti e più vecchi processi di saldatura e l'introduzione di nuovi processi, hanno
consentito di aumentare l'affidabilità, attraverso un miglior controllo
della costanza delle condizioni di
saldatura, aumentando anche le velocità e quindi l'economicità del
processo; l'evoluzione dei controlli non distruttivi ha infine permesso di offrire maggiori garanzie per
l'utilizzatore.
Il tubo saldato di acciaio inossidabile si è quindi ritagliato una
sua importante fetta di mercato,
in modo principale nell'impiantistica energetica e chimica per apparecchi di scambio termico e linee
di collegamento, in tutti quei casi
in cui le sollecitazioni meccaniche, derivanti essenzialmente dal
differenziale di pressione tra inter-
no ed esterno del tubo, sono sufficientemente basse da consentire
l'adozione di spessori molto sottMi.
È proprio in questo caso che il tubo senza saldatura risulta fortemente penalizzato dal punto di vista economico, e i suoi costi di
fabbricazione crescono parabolicamente con il diminuire dello spessore finale; non è altrettanto vero
per il tubo saldato il quale sconta
unicamente il maggior costo, però
non cresce altrettanto rapidamente come per il tubo senza saldatura, del nastro più sottile. Quando
le sollecitazioni meccaniche sono
invece elevate, da un lato ii differenziale del costo di produzione
tende a diminuire, dall'altro le garanzie di assoluta integrità della
saldatura che occorre fornire costringono all'impiego di metodi di
controllo non distruttivo notevolmente sofisticati e costosi, tali
spesso da invertire l'ordine tra i
costi di produzione dei due tipi di
prodotto.
L'impiego del tubo saldato, come si è detto sopra, ha aperto anche nuove frontiere all'impiego dell'acciaio inossidabile; basti pensare ai tubi per i preriscaldatori
d'acqua alimento e i condensatori
di centrali termo e nucleoelettriche, per i quali gli acciai al carbonio basso legati, e le leghe di
rame, rispettivamente, sono stati
scalzati dalle loro posizioni di predominio.
2. Impianti di saldatura
in continuo
La limitazione di queste note
alle tecniche di saldatura continua senza metallo d'apporto su
spessori sottili riduce fortemente il
peso e l'importanza dei problemi
metallurgici, peraltro già ampiamente trattati in precedenti articoli presentati su questa Rivista in
occasione delle due Giornate di
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Studio e di Aggiornamento su « La
saldatura e gli acciai inox ». Ci si
limiterà quindi ad illustrare gli
aspetti principali connessi con l'utilizzo industriale delle tecniche di
saldatura in continuo messe a punto per la fabbricazione di tubi.
Un moderno impianto di saldatura in continuo (figura 1} è formato da:
1) Aspo devolgitore.
2) Spianatrice.
3) Saldatrice di testa (TIG).
4) Accumulatore.
5} Formatore.
6) Gruppo di saldatura.
7] Scordonatore.
8) Calibratore.
9) Sistema di taglio (sega volante).
a funzionare utilizzando la riserva
di nastro contenuta nell'accumulatore stesso.
2.2. Formatore
È una linea di profilatura con una
serie di gabbie a rulli, in parte motorizzati e in parte folli, che ha la
funzione di formare con gradualità il tubo partendo da nastro
piatto.
Una parte delle gabbie, l'iniziale
ad assi orizzontali come appare in
figura 2, è a profilo aperto per una
prima presagomatura della lamiera.
Segue quindi una serie di rulli ad
asse verticale per una prechiusura
della lamiera.
Segue ancora una serie di gabbie a profilo chiuso, con disco cen-
trale, per la chiusura del tubo e la
sua presentazione al blocco di pressione e di saldatura. Il blocco di
pressione, nelle diverse soluzioni,
può essere a due o più rulli.
L'intera operazione deve avvenire mantenendo perfettamente lisci
e puliti i lembi da saldare in quanto ogni traccia di sporco può, bruciando, deteriorare l'elettrodo o dar
luogo a dei difetti di vario tipo.
La funzione di questo impianto,
nell'intero processo di fabbricazione dei tubi inox, sta diventando
sempre più importante perché dalla precisione e dalla potenza di
bloccaggio dei rulli nonché dalla
loro regolazione computerizzata e
dalla meccanizzazione delle loro
sostituzioni (cambi calibro) dipendono le prestazioni e, in ultima analisi, la produttività dell'impianto.
10) Sistema di evacuazione.
Trascurando volutamente le operazioni note fisseremo l'attenzione
invece su quelle da noi considerate significative per la comprensione delle problematiche di tali impianti.
2.1. Accumulatore
È un apparecchio che permette
di accumulare in poco spazio un
quantitativo notevole di nastro in
fase di saldatura.
Il principio di funzionamento è
un gioco di relazioni tra la velocità
dell'accumulatore e la velocità del
nastro in entrata al formatore che,
nei più moderni, è effettuato automaticamente con sistema di controllo elettronico.
Per questa lavorazione, determinante è la conservazione della qualità dei bordi nastro e la funzione
è quella di consentire l'arresto della parte « iniziale » dell'impianto,
per la giunzione del nastro, mentre la linea di produzione continua
Fig. 2 - Calibratura tipica.
31 i LA MECCANICA ITALIANA gennaio/febbraio 1986 n 195
2.3.1. Procedimento T.I.G.
(Tungsten Inert Gas)
(figura 3}
ti procedimento di saldatura TIG,
il più utilizzato per la fabbricazione
dei tubi saldati inox, utilizza quale
fonte che genera il calore per la
fusione dei lembi da saldare l'arco che viene mantenuto tra un elettrodo di tungsteno (A) ed il tubo
in fase di saldatura (B).
L'arco fonde i lembi da unire
che a velocità costante passano
sotto la torcia.
Il gas di protezione inviato attraverso la torcia avvolge la zona
di fusione sulla parte esterna del
tubo mentre, con altro sistema,
viene inviato gas all'interno del
tubo per proteggere la zona di fusione anche all'interno; gas che
viene trattenuto in loco con un
tampone di tenuta.
2.3.2. Procedimento Arco Plasma
(figura 4)
L'Arco Plasma si ottiene per effetto di strizione di un arco elettrico in atmosfera di gas protettivo
attraverso un foro di piccolo diametro.
Fig. 3 - Procedimento TIG senza metallo d'apporto.
2.3. Gruppo di saldatura
I metodi di saldatura utilizzati
per la fabbricazione industriale dei
tubi saldati inox a spessore sottile
sono essenzialmente i seguenti:
— TIG (senza metallo d'apporto);
— Plasma (eventualmente abbinato al precedente);
— HF (induzione ad alta frequenza);
— Laser;
— Fascio Elettronico.
In pratica, però, i metodi veramente praticati sono i primi tre, in
quanto gli altri due non hanno ancora raggiunto uno stato di vera
applicabilità industriale.
Soprattutto la saldatura in continuo con fascio elettronico è un
sistema difficilmente realizzabile
perché è indispensabile che avvenga con un impianto capace di mantenere un vuoto spinto nella fase
di saldatura cosa assai complessa
con un processo continuo.
La saldatura con il Laser è stata
da tempo verificata sperimentalmente e in taluni casi anche industrialmente applicata, ma principalmente per la giunzione di lamiere.
Sono state di recente condotte
sperimentazioni (CNR) con particolare riferimento alla fabbricazione di tubi di grande diametro con
esito incoraggiante.
Ne risulta, così, una concentrazione dell'energia nella parte centrale della colonna dell'arco (A)
che gli conferisce un elevato potere termico, se confrontato con un
analogo arco di tipo libero.
Questo permette di saldare tubi
inox con spessori considerevolmente oltre i limiti del procedimento TIG tradizionale.
La caratteristica forma cilindrica
che assume l'arco plasma, lo rende
inoltre insensibile alle variazioni
della distanza torcia-tubo.
Si possono così utilizzare più
agevolmente basse e bassissime
intensità di corrente per la saldatura di tubi a spessore sottile o
sottilissimo (microplasma).
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Per spiegare i motivi di interesse per gli archi plasma, ricordiamo brevemente le difficoltà che si
incontrano quando con il procedimento TIG si deve operare nel campo dei valori limite minimo e massimo.
Per le caratteristiche proprie dell'arco TIG (arco libero) che si distende nello spazio secondo una
forma conica, oltre l'intensità di
corrente di cica 300 A, l'energia
che si riesce a trasferire al pezzo
diminuisce sensibilmente rispetto
al conseguente aumento di intensità di corrente richiesto.
Il rendimento, quindi, cala ed il
bagno di fusione si allarga oltre i
limiti accettabili a causa delle maggiori lunghezze d'arco necessarie.
2.3.3. Saldatura TIG ad
elettrodi multipli (figura 5)
La nascita e l'evoluzione di questo procedimento sono dovute alle
esigenze dei costruttori di tubi saldati inox su profilatrici in continuo.
È stato dimostrato che con l'arco TIG oltre una certa intensità di
corrente [circa 250 A) il flusso di
calore trasmesso al pezzo non aumenta praticamente più ma viene
dissipato in irraggiamento.
Elettrodo
Oltre questo limite per aumentare la penetrazione bisogna ricorrere ad un arco « costretto >• come il
Plasma mentre per ottenere un aumento della velocità di lavoro bisogna ricorrere ad una modifica della sorgente di calore allungandola
nel senso del giunto in continuo da
realizzare.
Per ottenere consistenti aumenti
della velocità di lavoro su spessori
fino a 3.5 mm si è ricorsi quindi ad
un impianto TIG ad elettrodi multipli prima a 4 e ora, il più avanzato, a 3.
Tre archi TiG disposti lungo il
giunto provocano una fusione progressiva del giunto in continuo: il
primo preriscalda i iembi, i! secondo fonda e realizza la penetrazione, il terzo liscia il cordone.
Ulteriori perfezionamenti apportati a questa tecnica (1 Plasma —
2 TIG) consentono oggi di coprire
una gamma di spessori da 1 a 6
mm con un incremento di velocità
effettiva di saldatura come precisato in tabella 1.
2.3.4. Saldatura ad induzione ad
alta frequenza (HF)
L'utilizzo del procedimento di
saldatura HF è in fase di notevole
espansione grazie alle alte velocità
di saldatura raggiungibili. In esso
la fusione è raggiunta mediante il
riscaldamento ad induzione realizzato con una bobina esterna che
genera il necessario campo magnetico a sua volta concentrato sui
lembi da una impedenza interna (figura 6).
I lembi sono poi accostati e compenetrati tra loro da uno o più
rulli di pressione.
Fig. 4 - Procedimento con arco plasma.
Questo sistema ben noto ed utilizzato su larga scala per la saldatura di tubi in acciaio al carbonio, in tempi relativamente recenti, è stato riproposto anche per la
saldatura di tubi in acciaio inox.
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Dal punto di vista geometrico i
rifollamenti del cordone all'esterno
e all'interno sono regolari e stretti.
Il sistema TIG, a causa dell'apporto di calore solo dall'esterno ed
in modo poco efficiente, interessa
una zona assai più ampia con zona
fusa ben visibile e ZTA molto estesa. Conseguentemente le microstrutture (figura 7a) non sono omogenee e, in mancanza di un trattamento termico, oltre l'ingrossamento del grano nella ZTA (legato alla
più alta permanenza ad alta temperatura) è nettamente visibile la
struttura grezza da fusione del centro cordone.
Il cordone è più largo e pronunciato, ma meglio raccordato facilitando così le operazioni successive di asportazione de! cordone.
Il sistema Plasma, porta ad una
saldatura più simile a quella TIG;
Fig. 5 - Procedimento T1G multicatodo.
Questa possibilità si è concretizzata riprogettando completamente
l'impianto, dal formatore al sistema
di pressione, il cui assetto è controllato e regolato con sistema
computerizzato.
1)
2)
3)
4)
5)
Tubo
Induttore
Rulli di pressione
Punto di saldatura
Linee di corrente lungo t
bordi
6) Linee di corrente sul lato
opposto del tubo
7) Penetrazione della corrente
8) Ferrite
Le produttività ottenibili sono
stimate in 20 volte quelle di un sistema tradizionale TIG.
2.3.5. Aspetti caratteristici dei
vari metodi
Dal punto di vista microstrutturale la saldatura HF presenta le caratteristiche più interessanti poiché
la zona fusa è estremamente ristretta (figura 7) e la zona termicamente alterata praticamente assente.
I! riscaldo dei lembi avviene in
maniera pressocché omogenea su
tutto lo spessore e il tempo di permanenza alfa temperatura di fusione è dell'ordine di qualche centesimo di secondo.
8
Fig. 6 - Procedimento HF.
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TABELLA 1 - Possibilità dell'impianto tricatodo
2.3.6. / gas di protezione
I gas di protezione hanno la funzione essenziale di evitare l'ossidazione del bagno di fusione e, di
conseguenza, durante la saldatura
dei tubi deve essere inviato e opportunamente contenuto anche all'interno dei tubi stessi.
V (m/mn)
. 7
I gas in rapporto all'azione esercitata si suddividono in:
— inerti: argon-elio;
— riducenti: idrogeno;
— di protezione: azoto.
- 6
•
5
Si tratta di risultati ottenuti in condizioni realmente industriali su banchi di
formatura correttamente regolati.
Sono dati a titolo indicativo, dipendenti dalla regolazione del banco di formatura,
dai gas utilizzati e dalia qualità del nastro.
Le esigenze della saldatura automatica in continuo quali
— l'ottenimento di velocità di saldatura più elevate,
— l'aumento dei limiti di spessori
saldabili,
— il controllo delle penetrazioni,
ha portato allo sviluppo dell'utilizzazione di miscele di gas.
Le più note e comunemente utilizzate sono le miscele argon-idrogeno e argon-elio.
tuttavia la maggior efficienza dell'apporto termico consente di ottenere un cordone assai più stretto
con struttura meno disomogenea.
La metodologia HF si prospetterebbe come vincente sia sul fronte
della qualità che, ovviamente, sul
fronte del costo; mentre sul secondo aspetto non ci sono attualmente dubbi, sotto l'aspetto qualitativo, invece, è necessario rilevare
che il pregio maggiore, e cioè la
ristrettezza della zona fusa, si traduce in realtà in un punto di debolezza quando si vuole avere un
prodotto estremamente affidabile.
È ovvio infatti che le caratteristiche descritte possono essere ottenute solo a patto di poter garantire una costanza di condizioni
e di parametri di processo non facilmente ottenibili su scala industriale.
È sintomatico il fatto che le applicazioni defl'HF sono oggi limitate quasi esclusivamente ai tubi
per applicazioni decorative, alimentari o meccaniche, con quasi totale esclusione dell'impiantistica
termica e chimica.
Il sistema TIG invece consente
una maggiore escursione dei parametri operativi rispetto a quelli
ottimali senza che venga compromessa la qualità della saldatura. È
d'altra parte dimostrato che le disomogeneità strutturali tipiche di
questo metodo non sono tali da
penalizzare le proprietà di impiego del tubo.
Da queste brevi considerazioni
emerge come il Plasma, eventualmente abbinato ad uno o più TIG,
si prospetti come il sistema più
interessante per il futuro per la
produzione di tubi di alta qualità.
Nelle saldature dei tubi inox austenitici le miscele argon-idrogeno come gas di protezione alla torcia consentono di ottenere rispetto all'argon puro:
— un aumento della tensione
d'arco;
— un miglior rendimento termico
dell'arco;
— una migliore penetrazione con
un cordone più stretto.
Le miscele argon-idrogeno non
presentano alcun rischio metallurgico in quanto l'idrogeno non si
diffonde nell'acciaio austenitico allo stato liquido.
Per gli acciai inossidabili stabilizzati o per i tipi ferritici, essendo essi sensibili ad assorbimento
di idrogeno, si utilizza una miscela argon-elio.
35 I LA MECCANICA ITALIANA gennaio/febbraio 1986 n" 195
Particolare importanza acquista
l'efficacia della protezione quando
si affronti la saldatura di acciai
inox ferritici a tenore controllato
di interstiziali, i quali, come è ben
noto, sono estremamente sensibili
al riassorbimento di azoto dell'atmosfera. Una protezione insufficiente comporta in questo caso un
drastico ridimensionamento delle
interessanti caratteristiche di questi acciai: sanabilità, duttilità, resistenza a varie forme di corrosione localizzata.
2.4. Scordonatore
La rimozione del cordone di saldatura è strettamente legata al tipo
di impiego del tubo dopo la sua
commercializzazione.
Per i tubi destinati all'arredamento (corrimano, piscine, strutture) è necessaria la sola rimozione del cordone esterno ed il perfetto raccordo fra i due lembi saldati; normalmente questa operazione viene eseguita direttamente sulta linea di saldatura con una nastratrice basculante (figura 8) con
la quale un nastro abrasivo messo
in forte rotazione rimuove il cordone esterno e con la sua azione basculante raccorda i lembi saldati.
Per i tubi destinati alla termica
o all'industria alimentare è necessario invece rimuovere il cordone
a) TIG
50x
b) HF
50x
sia esterno che interno intervenendo, sempre direttamente sulla linea di saldatura con un sistema di
rullatura come quello illustrato in
figura 9 che opera come descritto
qui appresso.
Su un carrellino mobile è montato il sistema di rulli contrapposti (A) che esercita una forte pressione sui cordone di saldatura (già
raffreddato) compresso sul mandrino (M) che, nella fase di rullatura, avanza solidale con il tubo
per circa 10-^15 cm, mentre i rulli
laminano il cordone avanzando in
controcorrente spinti dal pistone
(C).
Completata la corsa il cilindro
(B), inverte la pressione che originava sui rulli (A), provocandone l'allontanamento; contemporaneamente il pistone (D) che, solidale con
il mandrino (M) era avanzato assieme al tubo in fase di saldatura,
riporta il mandrino nella posizione
originaria per consentire l'inizio
del nuovo ciclo (colpo) di rullatura.
Per i tubi di altissima qualità è
a vo)te prevista, oltre alla rimozione del cordone esterno ed interno,
anche la deformazione a freddo del
materiale base, che dovrà successivamente subire il trattamento termico di solubilizzazione in bianco:
si ricorre allora normalmente oltre
che alla rullatura in linea anche
alla laminazione a freddo o alla
trafilatura su stanga.
2.5. Sistema di taglio in lunghezza
Anche per questa operazione il
tipo di soluzione economicamente
più valida è legata, oltre che allo
spessore di parete, alla qualità del
tubo e soprattutto se trattasi di
sbozzato saldato destinato ad ulteriore trasformazione a freddo (EF)
o di tubi direttamente finiti (EC).
Fig. 7 - Confronto fra saldatura TIG e HF. • Acciaio AISI 304.
Sinteticamente si può così definire:
36 j LA MECCANICA ITALIANA gennaio/febbraio 1986 n° 195
alcuni difetti tipici, chiaramente individuabili durante i controlli non
distruttivi finali (ma non altrettanto con un controllo a vista o con
una prova idraulica), che normalmente compromettono l'impiego
del tubo.
Tutte le fasi di fabbricazione sono critiche, in quanto difetti specifici possono nascere per imperfetta formatura, per mancata centratura dei lembi sotto la torcia, per
insufficiente azione di contenimento da parte dei rulli di pressione,
A queste categorie di difetti, documentate e commentate in questo
paragrafo e che sono tipiche della
fabbricazione dei tubi saldati in
continuo, si possono assommare,
se il processo è fuori controllo, i
difetti veri e propri di saldatura,
originati da una errata scelta dei
parametri operativi o da fattori metallurgici (ad esempio per contaminazione della zona fusa provocata da scarsa protezione o da sporcizia presente sui bordi).
Fig. 8 - Scordonatura esterna con nastro
abrasivo.
Il più comune errore di formatura si ha quando i lembi si presentano sotto la testa saldante non
perfettamente allineati sul piano
verticale: ciò capita frequentemente quando il formatore non è ben
regolato, quando gli spessori sono
troppo sottili, o infine quando il rapporto spessore/diametro è eccessivo rispetto alle potenzialità della macchina. Lo scostamento radiale fra i lembi si traduce nella
formazione di un gradino longitudinale (figura 10a), che nel caso
mostrato sull'esterno è stato asportato dalla smerigliatura.
Una errata centratura dei lembi
sotto la torcia porta a saldature
eccentriche, o al limite a casi da
manuale come quello illustrato in
figura 10b: in questo caso si è fuso
un solo lembo, e la saldatura è
risultata quasi del tutto mancante. Una combinazione di mancata
centratura e cattiva formatura con
un insufficiente apporto termico
può apportare al risultato di figura 10c.
Di fondamentale importanza, ai
fini della buona riuscita della saldatura, è l'azione di contenimento
dei rulli di pressione, i quali, oltre
a serrare i lembi sotto la torcia, impediscono la riapertura del tubo
per effetto del ritorno elastico,
quando il cordone, non ancora completamente solidificato, ha ancora
una insufficiente resistenza meccanica. Se i rulli non serrano ab-
Spessori fino a 1,5 mm - EC: taglio con sega a lama integrale a
denti fitti; EF: taglio con sistema
a rotelle di pressione.
Spessore 1,5 + 3,5 mm - EC: taglio con sega a lama con denti
riportati; EF: taglio con utensili
rotanti.
Spessore oltre 3,5 mm - EC: taglio con resinoide; EF: taglio con
utensili rotanti.
3. I difetti tipici
Quando i parametri di processo
o l'assetto della sezione di formatura non sono correttamente predisposti, nascono inevitabilmente
Fìg. 9 - Impianto di rullatura.
37 | LA MECCANICA ITALIANA gennaio/febbraio 1986 n° 195
bastanza, il cordone tende a riaprirsi, con la creazione di porosità
e strappature la cui entità può collocarsi fra i due estremi della figura lOd, e. Un caso limite è la
completa assenza di saldatura dovuta a mancata chiusura dei lembi
(figura 10e. dove la struttura a grano allungato testimonia dell'avvenuta fusione dei bordi).
Un difetto insidioso, forse l'unico di tipologia non rilevabile con
i controlli non distruttivi, ma che
fortunatamente non può sfuggire
ad un controllo visivo anche affrettato, è documentato in figura 10g.
Esso ha origine quando ii cordone
si presenta sotto il rullatore in posizione non ben centrata. È un difetto di scarsa rilevanza ai fini
dell'impiego del tubo, tranne in
due casi: quando l'acciaio ha modesta duttilità, perché il piccolo
solco può provocare una pericolosa
concentrazione di sollecitazioni o
quando il tubo è destinato, eventualmente previa lucidatura interna, ad impiego nell'industria alimentare.
4. I tubi di alta qualità
I tubi di acciaio inossidabile vengono usati principalmente per motivi igienici, per motivi estetici (resistenza alla corrosione atmosferica), per motivi di resistenza alla
corrosione in ambienti aggressivi.
Nei primi due casi, la massima attenzione va posta nella regolarità
geometrica e nella qualità superficiale interna e/o esterna; minore
importanza hanno invece la qualità
del metallo base, salvo che insorgano particolari problemi di messa
in opera, e soprattutto gli aspetti
microstrutturali che influiscono direttamente sulla resistenza alle varie forme di corrosione in ambiente aggressivo. Nel terzo caso invece l'ordine di importanza dei fattori prima enunciati si inverte, e
di conseguenza la massima attenzione andrà posta non tanto nell'ottimizzazione economica del processo di saldatura, quanto nella sua
affidabilità (e cioè nella sua capacità di « perdonare » variazioni
non trascurabili dei parametri operativi rispetto a quelli nominali) e
soprattutto nelle operazioni di finitura, che devono essere tali da
assicurare al prodotto finito le prestazioni richieste.
L'esperienza purtroppo insegna
che gli utilizzatori molto frequentemente sottostimano l'importanza
di una buona qualità della materia
prima e dell'effettuazione di trattamenti termici e chimici adeguati,
sul risultato in esercizio del tubo
saldato di acciaio inossidabile;
qualche esempio aiuterà a chiarire questo punto.
accurata revisione del ciclo produttivo ed in particolare del trattamento termico finale, grazie alla
quale venne riproposto un prodotto migliorato che si fece apprezzare su tutti i mercati per l'eccezionale qualità che dava luogo ad
una estrema facilità di lavorazione
e messa in opera.
Come terzo esempio, ricorderemo che per qualche tempo si è
dibattuto se i tubi destinati ai condensatori raffreddati ad acqua di
mare, fossero essi in acciaio austenitico od in acciaio ferritico a tenore controllato di interstiziali, dovessero essere o meno trattati termicamente prima della messa in
opera, poiché i livelli di duttilità
ottenuti già sul tubo direttamente
saldato erano largamente sufficienti a garantire la mandrinatura del
tubo; in aggiunta anche le caratteristiche corrosionistiche valutate
con semplici prove di collaudo non
erano significativamente differenti
fra tubi trattati termicamente e non.
Tutti i tubi in acciaio AISI 304
fabbricati dal fornitore A per il
ritubaggio di uno scambiatore vennero contestati per la presenza di
piccole vaiolature sul carbone di
saldatura; una accurata indagine
permise di accertare con ragionevole sicurezza che il difetto era
dovuto alla formazione di scoria
provocata da! tenore anormalmente elevato di calcio presente nel
nastro. Tubi dello stesso tipo fabbricati dal produttore B non avevano mai dato luogo a inconvenienti
del genere, a causa degli stringenti
requisiti imposti al materiale di
partenza; secondariamente, nastro
delle stesse colate utilizzate dal
fornitore A vennero saldate presso il fornitore B: le più accurate
procedure di saldatura permisero
di contenere fortemente il fenomeno.
Indagini più approfondite dimostrarono che tale conclusione era
vera solo nel caso in cui il nastro
di partenza fosse stato praticamente perfetto, con gli strati superficiali assolutamente integri e non
danneggiati da contaminazioni e
manipolazioni durante la fabbricazione, lo stoccaggio e la successiva lavorazione a tubo. Utilizzando
nastro commerciale, se pur di alta
qualità, i risultati potevano cambiare sensibilmente, come dimostra la tabella 2 in cui si vede
chiaramente il divario di prestazioni ottenibili da un tubo direttamente saldato rispetto ad un tubo trattato termicamente e chimicamente.
Anni or sono, una affrettata messa a punto di tubi in acciaio AISI
409 per marmitte di scarico di autoveicoli dette luogo ad un prodotto apparentemente ineccepibile,
ma che provocò notevoli problemi
in fase di lavorazione presso i clienti. L'insuccesso costrinse ad una
La stesura di una specifica di approvvigionamento di tubi saldati di
acciaio inossidabile ad impieghi
gravosi deve quindi passare attraverso una attenta vantazione preliminare dei rischi di corrosione e
del costo di un fuori servizio dell'impianto o apparecchio rispetto
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b)
d)
f)
e)
g)
Fig. 10 - Difetti di fabbricazione.
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al costo di acquisto del semilavorato tubolare. Tutte le volte in cui
la probabilità e il costo di una avaria siano ritenuti non sopportabili,
occorrerà una attenta discussione
di tutti i parametri metallurgici e
di processo che possono influenzare il rendimento in esercizio del
tubo; discussione che sarà opportuno estendere anche agli uffici tecnici del possibile fornitore.
ritici) di azoto, della omogeneità
di distribuzione di eventuali stabilizzanti e inclusioni fragili; tutti parametri che possono influire pesantemente tanto sulla riuscita della saldatura, quanto sulla resistenza alle varie forme di corrosione
cui il tubo può andare soggetto.
Particolare attenzione merita anche il ciclo di lavoro, poiché un
trattamento termico di qualità è da
ritenere in ogni caso indispensabile. Esso non solo può riuscire,
specie se abbinato ad uno specifico
trattamento chimico, ad eliminare
eventuali debolezze degli strati superficiali, ma elimina anche tutti
gii incrudimenti dovuti alla forma-
Il primo fattore da prendere in
esame, è sicuramente il livello qualitativo della materia prima. Non ci
riferiamo qui alla scelta del tipo
di acciaio, bensì ai livelli ammissibili del tasso inclusionale, del tenore di carbonio e (negli acciai ferTABELLA 2 • Prove in FeCI3
6 H2O al 10% [pH - 1)
CPT (°C)
nessun
attacco
CCT (°C)
attacco
nessun
attacco
attacco
42.5
45
Lamierino lucid. alla 600
55.
57.5
35
37.5
Tubo crudo
45
47.5
30
32.5
Tubo trattato
57.5
60
37.5
40
Lamierino
17.5
tura del nastro e alla calibratura
del tubo dopo saldatura, che sommati agli ulteriori incrudimenti
creati dalla raddrizzatura e dalla
messa in opera possono risultare
determinanti nell'innescare fenomeni di tensocorrosione in esercizio. Dal punto di vista microstrutturale, infine, il trattamento termico
consente di ricristallizzare almeno
parzialmente la zona di saldatura e
di omogeneizzare eventuali segregazioni, riducendo i punti di debolezza nei confronti di un attacco
corrosivo. Praticamente nullo invece è l'effetto ai fini della precipitazione di carburi di cromo, poiché il
ciclo di trattamento termico nei
forni a passaggio è troppo rapido,
con tempo di permanenza a temperatura e velocità di raffreddamento legate da una correlazione
inversa che non consente sufficienti margini di manovra.
Ne consegue che il trattamento
termico è sostanzialmente solo in
grado di mantenere il livello di
solubilizzazione esistente sul nastro di partenza, fatto che nuovamente riporta l'attenzione sul la
qualità della materia prima utilizzata.
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