13a- Saldabilità Acciai Microlegati (2011) 314l17

Metallurgia e saldabilità

Metallurgia e saldabilità degli acciai a grano fine (microlegati)

Mercoledì 09 marzo 2011

Saldabilità degli acciai microlegati

Introduzione • Si tratta di materiali prodotti (dagli anni ‘70) per superare i limiti nelle prestazioni e nella saldabilità degli acciai al C • Le caratteristiche sono ottenute con il bilanciamento della composizione chimica ed il ciclo di fabbricazione • I microleganti sono piccoli tenori di elementi di lega (quali V, Nb, Ti, Al, B) per un totale non superiore allo 0,15% • Tali elementi non operano come elementi di lega (in soluzione) quanto creando carburi, nitruri e carbonitruri con C ed N finemente precipitati nel grano ferritico • In fase austenitica, l’effetto è limitato al contenimento della dimensione del grano • Il contenuto di perlite può essere controllato, favorendo la saldabilità • La modalità di fabbricazione attualmente favorita è il processo termomeccanico (in alternativa allo stato normalizzato)

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Saldabilità degli acciai microlegati

Introduzione

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Saldabilità degli acciai microlegati

Effetto degli elementi di lega Niobio • Aumenta la T di ricristallizzazione in fase austenitica • Forma carbonitruri stabili oltre a 1200°C (con affinamento del grano austenitico durante il raffreddamento) • Tende ad indurire la matrice, per precipitazione fine Vanadio • Agisce come il Nb nei confronti della T di ricristallizzazione • Tende alla formazione di carbonitruri come di nitruri (è sempre necessario, quindi, un certo tenore di N) • La solubilità di carbonitruri e nitruri in fase austenitica avviene a T inferiori rispetto al Nb (più limitato effetto di contenimento delle dimensioni del grano)

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Saldabilità degli acciai microlegati

Effetto degli elementi di lega Titanio • Ha effetto (moderato) sia sull’affinamento del grano che sull’indurimento per precipitazione (precipitation hardening) in forma di carbonitruri di Ti • La limitazione della crescita (effetto ritardante) del grano austenitico è utile nel miglioramento della tenacità in ZTA utilizzando apporti termici elevati • Favorisce (nitruri, ossidi fini) la formazione di ferrite aciculare Boro • E’ aggiunto in proporzione al tenore di C • Riduce la velocità di nucleazione e sviluppo dei grani ferritici

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Saldabilità degli acciai microlegati

Struttura metallurgica • La riduzione del tenore di C è dovuta alle esigenze di tenacità, duttilità e saldabilità • La microstruttura ferritico - perlitica è sostituita da strutture miste: – ferrite poligonale – ferrite aciculare (è una bainite inferiore, senza cementite) – componente M - A (martensite ad alto C, con isole di A residua)

• L’elevata densità delle dislocazioni per le strutture a ferrite aciculare consente gli incrementi della resistenza meccanica • Le dimensioni dei grani bainitici (F aciculare) consentono, invece, l’incremento dei livelli di tenacità

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Saldabilità degli acciai microlegati

Laminazione di normalizzazione e termomeccanica • A seguito dell’energia termica e di deformazione resa disponibile durante le operazioni di laminazione, si possono verificare fenomeni di ricristallizzazione: – Ricristallizzazione statica – Nessuna ricristallizzazione

DIM. GRANO

– Ricristallizzazione dinamica

• Il parametro fondamentale risulta essere la temperatura di non ricristallizzazione (TR), al di sotto della quale sono inibiti fenomeni di ricristallizzazione. • Scegliendo opportunamente la temperatura delle ate di finitura, si possono ottenere strutture metallurgiche mirate

T TLAM TR A3

T

LAMINAZIONE ORDINARIA (+ NORMALIZZAZIONE)

t TLAM

TR A3

T

LAMINAZIONE DI NORMALIZZAZIONEt

TR TLAM

RAFFR: ACCELERATO

LAMINAZIONE TERMOMECCANICA

t

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A3

Saldabilità degli acciai microlegati

Normativa di riferimento • Acciai a grano fine per impieghi strutturali (precedente norma di riferimento) – UNI EN 10113 - 2 “Prodotti laminati a caldo di acciai saldabili a grano fine, per impieghi strutturali. Condizioni di fornitura degli acciai allo stato normalizzato”. UNI EN 10113 - 3 “Prodotti laminati a caldo di acciai saldabili a grano fine, per impieghi strutturali. Condizioni di fornitura degli acciai ottenuti mediante laminazione termomeccanica”.

Ponte saldato (storebaelt bridge)

• Acciai a grano fine per recipienti in pressione – UNI EN 10028 - 3 “Prodotti piani di acciai per recipienti a pressione. Acciai a grano fine normalizzati idonei saldatura”. – UNI EN 10028 - 5 “Acciai a grano fine ottenuti mediante lavorazione termomeccanica idonei alla saldatura”. Apparecchio in pressione 8

Saldabilità degli acciai microlegati

Composizioni chimiche - norma UNI EN 10025-3*

Sostituisce la EN 10113-2

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Saldabilità degli acciai microlegati

Resistenza meccanica - norma UNI EN 10025-3

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Saldabilità degli acciai microlegati

Resilienza - norma UNI EN 10025-3

Struttura off-shore

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Saldabilità degli acciai microlegati

Composizioni chimiche - norma UNI EN 10025-4*

* Sostituisce la EN 10113-3 12

Saldabilità degli acciai microlegati

Resistenza meccanica - norma UNI EN 10025-4

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Saldabilità degli acciai microlegati

Resilienza - norma UNI EN 10025-4

Una fase della fabbricazione di un ponte metallico

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Saldabilità degli acciai microlegati

Carbonio equivalente UNI EN 10025 – 3 e – 4 (2005)

NOTA: il carbonio equivalente calcolato in accordo alla UNI EN 10025-1 (formula IIW) non fornisce risultati significativi in termini di saldabilità, poiché non è applicabile qualora l’acciaio contenga elementi microleganti.

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Saldabilità degli acciai microlegati

Composizioni chimiche - norma UNI EN 10028-3

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Saldabilità degli acciai microlegati

Resistenza meccanica - norma UNI EN 10028-3

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Saldabilità degli acciai microlegati

Resistenza meccanica - norma UNI EN 10028-3

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Saldabilità degli acciai microlegati

Tenacità - norma UNI EN 10028-3

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Saldabilità degli acciai microlegati

Composizioni chimiche - norma UNI EN 10028-5

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Saldabilità degli acciai microlegati

Resistenza meccanica e tenacità - norma UNI EN 10028-5

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Classificazione ASTM acciai microlegati - Strutturali

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Saldabilità degli acciai microlegati

Classificazione ASTM acciai microlegati – App. pressione

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Saldabilità degli acciai microlegati

Normativa di riferimento (settore PIPELINE) • I riferimenti applicabili per gli acciai per tubazione trasporto fluidi sono: – API 5L “Specification for line pipe” – UNI EN ISO 10208 “Tubi in acciaio per condotte di fluidi combustibili”

• Le norme stabiliscono i requisiti per i metodi di fabbricazione, le caratteristiche meccaniche e di composizione chimica, l’accettabilità di difetti di fabbricazione

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Saldabilità degli acciai microlegati

API 5L: Product Specification Level • Sono definiti due livelli di requisiti (Product Specification Level)

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Saldabilità degli acciai microlegati

API 5 L: Caratteristiche meccaniche

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Saldabilità degli acciai microlegati

API 5 L: Composizione chimica (PSL1)

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Saldabilità degli acciai microlegati

API 5 L: Composizione chimica (PSL2)

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Saldabilità degli acciai microlegati

UNI EN 10208 – 1: Composizione chimica • In corrispondenza a quanto visto per la normativa API, anche la normativa europea prevede due livelli di fornitura: – Tubi della classe di prescrizione A (UNI EN 10208 – 1) – Tubi della classe di prescrizione B (UNI EN 102808 – 2)

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Saldabilità degli acciai microlegati

UNI EN 10208 -1: Caratteristiche meccaniche

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Saldabilità degli acciai microlegati

UNI EN 10208 – 2: Composizione chimica

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Saldabilità degli acciai microlegati

UNI EN 10208 – 2: Caratteristiche meccaniche

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Saldabilità degli acciai microlegati

Corrispondenza tra i gradi • E’ possibile identificare una corrispondenza di principio, anche se i requisiti previsti possono presentare leggeri differenze nei valori e nei metodi di prova. • L’effettiva corrispondenza deve essere indicato sul certificato del materiale, che deve riportare entrambe le designazioni.

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Saldabilità degli acciai microlegati

Introduzione alla saldabilità • Il problema principale sono le variazioni microstrutturali in ZTA, in funzione della T raggiunta localmente e della T di soluzione dei precipitati (in realtà, un ∆T) • Accanto alla linea di fusione (T tra 1150°C e 1350°C) i carburi di Nb e V entrano in soluzione, peraltro senza effetti sulla durezza:

• Nella fascia a T max attorno a 1000° C tende a verificarsi solo una certa coalescenza dei precipitati per elevati Q (e basse velocità di raffreddamento)

DUREZZA (HV10)

– con apporti termici moderati (processi manuali, semiautomatici), i carburi non riprecipitano – con apporti maggiori (processi APPORTO automatici) è possibile una TERMICO (kJ/mm) riprecipitazione

MB

ZTA

ZONA FUSA

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Saldabilità degli acciai microlegati

Introduzione alla saldabilità • Nella fascia di T inferiori ad Ac1 si hanno fenomeni metallurgici vari: – ridistribuzione delle dislocazioni – poligonalizzazione della ferrite – formazione di soluzioni sovrassature di C ed N

• A T ancora inferiori (tra 100° e 400°C) si possono verificare fenomeni di invecchiamento (coalescenza dei precipitati), con conseguenze sulla tenacità

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Saldabilità degli acciai microlegati

Acciai termomeccanici • •

Gli acciai caratterizzati da questo stato di fornitura risultano particolarmente sensibili alle variazioni microstrutturali in ZTA. I risultati sperimentali mostrano infatti una netta perdita di caratteristiche meccaniche, a seguito dell’addolcimento della Zona Termicamente Alterata (ZTA softening)

50 µm

50 µm

50 µm

50 µm

50 µm

50 µm

50 µm

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

[mm]

MATERIALE BASE 36

Saldabilità degli acciai microlegati

ZF nella saldatura degli acciai termomeccanici • Il problema principale può essere il Nb proveniente (per diluizione) dal materiale base: si verifica una sua precipitazione nella matrice ferritica, con scadimenti della tenacità (limitarne, per quanto possibile, il tenore) • Positivo, invece, l’effetto del V sulla tenacità (bainite fine) • In ogni caso le caratteristiche meccaniche finali del giunto sono influenzate dalla composizione del materiale d’apporto:

ZONA FUSA

MATERIALE BASE

– carichi di rottura variabili tra 485 ed 830 N/mm2 – ha in aggiunta elementi di lega quali Cr, Mo, e Ni in tenori superiori al materiale base – può avere comportamento maggiormente temprante rispetto al materiale base

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Saldabilità degli acciai microlegati

Criccabilità a caldo • La sensibilità di questi acciai non è diversa da quella caratteristica degli acciai al C - Mn • I microleganti non sembrano avere influenza (la dimensione del grano ha un’importanza secondaria sul fenomeno) • Un effetto può averlo il livello di calmatura del materiale base (presenza di Al, in particolare): – la limitazione di O2 nel bagno favorisce la solubilità dei solfuri nella matrice, limitando la duttilità in ZF

•

Per gli acciai a maggiore resistenza (tenore di Mn nei consumabili): – limitare il rapporto Mn/Si a 3,5 per evirate l’insorgere di cricche a caldo in ZF (silicati di Fe e Mn in fase liquida, interdendritici): chevron cracks

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Saldabilità degli acciai microlegati

Criccabilità a freddo • E’ legata principalmente alla composizione chimica del materiale base ed alla sua correlazione con il materiale d’apporto: – Uso di consumabili con Rm variabile tra 485 ed 830 N/mm2 (Ni, Cr, Mo) – Le cricche si possono trovare sia in zona fusa sia in zona termicamente alterata

• Fattori che influenzano il fenomeno per questi acciai: – il limite elastico (che determina incrementi dei livelli delle tensioni residue) – lo spessore (con i procedimenti multi in uso, determina velocità di raffreddamento più severe) – il carbonio equivalente – la velocità di raffreddamento (espressa mediante il ∆T8/5)

• Il controllo del ∆T8/5 è effettuato mediante l’applicazione del preriscaldo

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Saldabilità degli acciai microlegati

Criccabilità a freddo

Effetto della T di preriscaldo sulla velocità di raffreddamento, in funzione dell’apporto termico specifico 40

Saldabilità degli acciai microlegati

Criccabilità a freddo [UNI EN 1011-2] • La norma UNI EN 1011-2 fornisce un metodo per il calcolo della temperatura di preriscaldo, applicabile agli acciai microlegati: – Per considerare l’effetto di alcuni elementi che tendono a formare composti (carburi e carbonitruri), è stata elaborata una formula del carbonio equivalente specifica (CET) – Si fa riferimento al cosiddetto “spessore equivalente” (valutato come somma degli spessori degli elementi costituenti il giunto saldato) – Si considera l’idrogeno diffusibile depositato dal processo di saldatura (Hdm [ml/100g]) 41

Saldabilità degli acciai microlegati

TEMPERATURA DI PRERISCALDO

Criccabilità a freddo [UNI EN 1011-2]

VALIDITA’ DEL DIAGRAMMA

TEMPERATURA DI PRERISCALDO

SPESSORE COMBINATO

SPESSORE COMBINATO

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Saldabilità degli acciai microlegati

Criccabilità a freddo [UNI EN 1011-2] • Valutazione della temperatura di preriscaldo in modo numerico:

• Questa formula è valida per gli acciai con carico di snervamento fino a 1.000 MPa, e se sono verificate le seguenti condizioni:

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Saldabilità degli acciai microlegati

Criccabilità a freddo • Un approccio integrato al problema, oltre a quello della vigente UNI EN 1011-2, tiene conto anche del grado di vincolo, per quanto possibile • La composizione chimica ed livello di Hd possono essere riassunti in un unico parametro detto Susceptivity Index: SI = 12 Pcm + log(Hd) essendo:

SI Gruppo 0-3,0 A 3,10-3,15 B 3,60-4,00 C 4,10-4,50 D 4,60-5,00 E 5,10-5,50 F 5,60-7,00 G

Pcm= C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

• L’indice viene categorizzato in sette gruppi, da A a G • Le condizioni di vincolo sono suddivise in tre livelli (basso, medio ed alto)

Basso Giunti saldati con apprezzabile possibilità di movimento Medio Giunti saldati con ridotte possibilità di movimento (ad esempio, insiemi saldati collegati alla struttura principale) Alto Giunti saldati senza possibilità di movimento (ad esempio, spessori elevati o riprazioni)

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Saldabilità degli acciai microlegati

Criccabilità a freddo • In questo modo, è possibile dare indicazioni sulla minima temperatura di preriscaldo in funzione dello spessore Livello di vincolo

Basso

Medio

Alto

Spessore [mm] 0-9,50 9,50-19,10 19,10-38,10 38,10-76,00 > 76.00 0-9,50 9,50-19,10 19,10-38,10 38,10-76,00 > 76.00 0-9,50 9,50-19,10 19,10-38,10 38,10-76,00 > 76.00

A 20 20 20 20 20 20 20 20 40 95 18 18 18 115 115

Minima T di prerisaldo in funzione dell'indice SI B C D E 20 20 20 60 20 20 60 100 20 20 80 110 20 40 95 120 20 40 95 120 20 20 20 70 20 20 80 115 20 75 110 135 80 110 130 150 121 140 150 160 18 20 40 110 18 65 105 140 85 115 140 150 130 150 150 160 130 150 150 160

F 140 140 140 140 140 140 145 150 150 160 150 160 160 160 160

G 150 150 150 150 150 160 160 160 160 160 160 160 160 160 160

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Saldabilità degli acciai microlegati

Effetto dei trattamenti termici sugli acciai microlegati • Il trattamento termico può provocare alterazioni microstrutturali, legate al particolare trattamento di fornitura. • Si possono verificare: – diminuzione del carico di snervamento ed aumento della duttilità (coalescenza dei precipitati) – diminuzione della tenacità (stessa ragione) come anche suoi aumenti, per ricristallizzazione anche parziale Rif: UNI EN 10025 – 1: 2004

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Saldabilità degli acciai microlegati

Effetto dei trattamenti termici sul materiale base • Gli acciai termomeccanici risultano particolarmente sensibili alle condizioni di trattamento termico, essendo le loro caratteristiche legate alle dimensioni dei precipitati: – Se ne sconsiglia l’applicazione – Se necessario, è opportuno un controllo adeguato di tempi e temperature, ed eventualmente una qualifica della procedura di trattamento termico. STATO

Rs

Rm

A

KV-20°C

T*

As welded

455

563

29

249

-72

468

551

35

244

-67

449

540

36

245

-70

PWHT 550°C – 2h PWHT 600°C 2h

MATERIALE BASE (TERMOMECC.)

PWHT (550°C – 2h)

PWHT (600°C – 2h)

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Saldabilità degli acciai microlegati

Processi di saldatura • In generale, occorre impiegare consumabili a basso H (classe H5 EN) • Di norma, si adottano preriscaldi per spessori superiori a 25 mm (in funzione del Ceq) • Vanno evitati processi ad elevato apporto termico specifico (SAW a forte penetrazione, ESW): – –

decadimenti del limite elastico e a rottura tenacità

• Processi ad energia concentrata (EBW, LBW, PW) • Uso di consumabili con Rm variabile tra 485 ed 830 N/mm2 (Ni, Cr, Mo)

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Saldabilità degli acciai microlegati

Trattamenti termici sui giunti saldati •

•

•

Il trattamento di distensione (PWHT) è sconsigliato a meno di casi specifici (es. formazione di strutture fragili per eccessive velocità di raffreddamento, tensocorrosione, ecc.) In ogni caso non si verificano variazioni delle caratteristiche meccaniche particolarmente significative per il giunto saldato rispetto a quanto avviene in materiale base. Pertanto Quando necessario il PWHT –

–

È condotto a T variabili tra 550° e 600°C in funzione dell’acciaio, per evitare eccessive perdite di caratteristiche Può essere applicato anche in modo localizzato, per limitarne l’effetto negativo.

COME SALDATO

PWHT 550°C – 2h

PWHT 600°C – 2h

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Saldabilità degli acciai microlegati

Acciai al carbonio e microlegati: preriscaldo e PWHT • EN 13445-4:2009 Acciai Tipo o grado

Spessore nominale en mm

PWHT Tempo di Temperatura di mantenimento trattamento °C minuti

≤35mm

30

Tp

Acciai non legati (Gruppo 1.1-1.2)

In accordo alla normativa EN 1011-2

Acciai normalizzati a grano fine (1.2-1.3)

550÷600

> 35mm, ≤90mm en -5 >90mm

40 + 0,5en

• ASME VIII- DIV 1 Materiale base (PNum)

Tipologi a di acciai

Spessore nominale mm

T di preriscaldo raccomanda ta °C

P-No 1

Acciai al carbonio

<25

PWHT Spessore nominale mm

Tempo minimo di mantenimento alla temperatura di trattamento

T minima di trattamento °C

10

Fino a 2 pollici (50 mm)

1ora/pollice, minimo 15 min

595

≥25

79

>2 pollici (50 mm), ≤5 pollici (125 mm)

2ora/pollice, più 15 min per ciascun pollice ulteriore ai primi due

tutti

79

>5 pollici (125 mm)

2ora/pollice, più 15 min per ciascun pollice ulteriore ai primi due

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