DETERMINAZIONE DELLE TENSIONI RESIDUE IN GIUNTI SALDATI MEDIANTE MODELLAZIONE AGLI ELEMENTI FINITI

Le strutture metalliche sottoposte a processi di saldatura per fusione sono caratterizzate da tensioni residue, che nascono a seguito di cicli di riscaldamento e di raffreddamento nel giunto e nel materiale base. Gli elevati flussi di calore danno origine a campi di temperatura non uniformi, cui si associano fasi di espansione e di contrazione termica del metallo. Ad esempio, nel caso di lamiere saldate di testa, durante la fase di riscaldamento nascono nei pressi del giunto tensioni di compressione lungo la direzione di saldatura, a causa dell’impossibilità di dare corso pienamente all’espansione del materiale. Ciò comporta elevate deformazioni plastiche localizzate nelle zone dove, per le alte temperature, il metallo presenta minore resistenza allo snervamento. Se il metallo si deforma plasticamente in maniera non uniforme, il recupero elastico durante la successiva fase di raffreddamento non si completa ed il materiale rimane in uno stato di tensione residua. In letteratura sono descritte tecniche sperimentali di tipo distruttivo per la determinazione delle tensioni residue, basate su metodi estensimetrici, e di tipo non distruttivo, come le misure ultrasoniche, di rumore Barkhausen o di diffrazione dei raggi X. Tali metodi forniscono, però, un quadro incompleto, limitato a strati superficiali e a zone di dimensioni non estese. Insieme alle indagini sperimentali sono stati effettuati studi per la previsione ed il calcolo delle tensioni residue attraverso soluzioni analitiche e sistemi di calcolo numerici, a partire dalle prime applicazioni del metodo degli elementi finiti in questo campo. Negli ultimi anni hanno trovato sempre maggiore sviluppo modelli di calcolo basati sull’utilizzo di softwares commerciali. Come è noto, tensioni residue di trazione possono contribuire a fratture di tipo fragile o provocare rotture premature in componenti sollecitati a fatica, mentre quelle di compressione sono responsabili di deformazioni ed ingobbamenti in pannelli sottili di grande dimensioni, come quelli utilizzati nell’industria automoblistica e navale. Risulta quindi di estrema importanza la possibilità di determinare lo stato di tensione residua di una struttura saldata già in fase di progetto. In questo lavoro si considera il caso di giunti di testa tra lamiere in acciaio strutturale ASTM A36, ottenuti con processo di saldatura al fascio laser in un’unica passata. I campi termici nel materiale sono stati determinati mediante soluzioni analitiche, mentre per il calcolo delle tensioni residue è stato messo a punto un modello basato sul metodo degli elementi finiti con l’utilizzo di un programma di calcolo di tipo commerciale.