Analisi numerico-sperimentale per la determinazione delle tensioni residue in un giunto saldato

Abstract

La durata di un componente dipende dall’interazione tra le caratteristiche meccaniche del materiale con cui è costruito e gli sforzi a cui esso è sottoposto. Per la determinazione dello stato tensionale agente, oltre agli sforzi dovuti ai carichi imposti durante l’esercizio, è necessario conoscere accuratamente gli stati tensionali residui derivanti dal processo di produzione. Generalmente, le tensioni residue sono indesiderate poiché possono essere di entità elevata e tale da ridurre la resistenza complessiva del componente meccanico. Un aspetto particolarmente insidioso delle tensioni residue è che la loro presenza viene generalmente riconosciuta solo dopo il verificarsi di un malfunzionamento o di un guasto. Tuttavia, anche se campi tensionali residui di trazione riducono le prestazioni meccaniche del materiale favorendo l’insorgenza di fratture fragili, le tensioni residue di compressione hanno in genere un effetto benefico in quanto ritardano l’innesco e la propagazione delle cricche di fatica. I metodi sperimentali che permettono di determinare l’andamento del campo tensionale residuo in un componente meccanico sono molteplici, e ciascuno di essi si basa su un differente principio fisico. Tra questi, la cut-compliance technique (CC-method) è una tecnica introdotta da W. Cheng e I. Finnie [1, 2], ed indipendentemente da T. Fett [3] e K. J. Kang [4], recentemente sviluppata da H. J. Schindler [5, 6]. L’idea di base è quella di rilassare le tensioni residue introducendo progressivamente un intaglio di piccolo spessore nel componente considerato. Dalla variazione dei valori di deformazione dovuta all’avanzamento del difetto è possibile calcolare la distribuzione delle tensioni residue. Le potenzialità di questa tecnica sono state ampiamente descritte da diversi autori. Prime et al. [7] hanno valutato le tensioni residue in laminati d’alluminio. Pasta et al. [8] hanno impiegato la tecnica CC-method per determinare l’andamento del fattore di intensificazioni delle tensioni e studiarne l’influenza sulla propagazione di cricche di fatica in giunti Ti-6-4 realizzati mediante Friction Stir Welding (FSW). Dalle Donne et al. [9] hanno utilizzato la tecnica CC-method per la determinazione delle tensione residue in provini compact tension realizzati mediante FSW, ottenendo buone corrispondenze fra i risultati sperimentali e i dati di letteratura. Fratini et al. [10, 11] hanno determinato il campo di tensioni residue in giunti in componenti di geometria complessa realizzati sempre mediante FSW. L’accuratezza dei risultati ottenuti nelle numerose applicazioni ha ampiamente dimostrato la semplicità e l’efficacia della cut-compliance technique. L’unico fattore che limita il campo di applicazione di questa tecnica è la necessità di conoscere le funzioni peso h(x,a) e la funzione di influenza Z(a) del componente in esame. Per componenti di geometria semplice, espressioni analitiche di tali funzioni possono essere facilmente reperite in letteratura [5, 12-15], mentre per componenti di geometria complessa devono essere appositamente determinate. Nel lavoro è stato effettuato uno studio numerico-sperimentale per la determinazione delle tensioni residue in profilati in lega di alluminio Al 6082-T6 saldati di testa mediante FSW. In particolare lo studio sperimentale ha permesso di riscostruire l’andamento delle tensioni residue in direzione longitudinale, nella sezione di mezzeria perpendicolare al cordone di saldatura. Il lavoro è finalizzato alla determinazione dell’influenza dell’irrigidimento presente sul profilato sull’andamento delle tensioni residue. A tal fine sono stati sviluppati e validati modelli FEM che consentono la determinazione del fattore di intensificazione delle tensioni K(a) mediante la Virtual Crack Closure Technique (VCCT) [16-19], delle funzioni peso h(x,a) della funzione di influenza Z(a). I modelli FEM sono stati implementati in un algoritmo che consente di ott