Influence of residual stresses on the fatigue life of welded joints

Abstract

Per ottenere elevati standard di qualità e sicurezza in un componente strutturale, occorre una notevole familiarità con il processo di produzione. Di fatto, i processi di produzione tendono a generare difetti quali tensioni residue, imperfezioni interne e superficiali, e considerando anche le variazioni geometriche intrinseche, come intagli, cricche o difetti in generale, è spesso complesso caratterizzare con precisione la resistenza strutturale di tali parti. In questo contesto, le tensioni residue giocano un ruolo importante, specialmente nelle strutture saldate. La stima delle tensioni residue è tipicamente effettuata tramite metodi sperimentali e numerici. Entrambi presentano punti di forza e svantaggi che ne richiedono l'uso combinato in modo da ottenere una valutazione coerente e significativa delle tensioni residue. La presente tesi di dottorato si inserisce in tale ambito. Il lavoro presentato nel seguito propone uno studio sulla generazione delle autotensioni e analizza il loro effetto sulla vita a fatica di giunti saldati tubo-piastra caricati in torsione e in flessione. Nella prima parte, viene valutata la capacità di diversi metodi termici nel riprodurre la distribuzione della temperatura intorno al cordone di saldatura, utilizzando simulazioni agli elementi finiti. I risultati delle simulazioni sono stati successivamente confrontati con misure sperimentali della temperatura superficiale calcolata in prossimità al cordone di saldatura. I modelli termici considerati presentano diversi livelli di complessità, partendo da quello base, che implementa una temperatura iniziale costante degli elementi appartenenti al cordone di saldatura, al più completo e diffuso modello a doppia ellissoide di Goldak. Lo studio mostra come i diversi metodi termici impiegati, presentino comportamenti termici simili in prossimità del cordone di saldatura. In secondo luogo è stato ottenuto un buon accordo tra le misure sperimentali e quelle numeriche utilizzando un metodo semplificato (cioè che richiede l'impostazione di un solo parametro). Il seguente modello può essere utilizzato per riprodurre efficacemente la storia termica durante un processo di saldatura. Nella seconda parte, viene presentato lo studio sulle autotensioni per un giunto saldato tubo-piastra in acciaio al carbonio S355JR. Per ottenere una conoscenza più ad ampio raggio sono state utilizzate sia simulazioni numeriche che prove sperimentali. Il software Ansys è stato utilizzato per effettuare simulazioni termo-strutturali disaccoppiate e valutare così le sollecitazioni, deformazioni e la temperatura in ogni nodo del modello. Per simulare correttamente il processo di saldatura agli elementi finiti sono state implementate proprietà del materiale elasto-plastiche e dipendenti dalla temperatura mentre, per riprodurre il processo di solidificazione del cordone, sono stati analizzati due diversi approcci numerici. I risultati ottenuti sono stati discussi e confrontati con dati sperimentali di deformazioni radiali rilassate misurate vicino al cordone di saldatura e ottenute tramite una tecnica di foratura incrementale. Nella terza parte del lavoro è stata studiata l'influenza delle autotensioni sulla vita a fatica dei giunti saldati. Nell'analisi sono stati considerati fattori critici quali discontinuità geometriche e la microstruttura eterogenea del materiale. Sono state eseguite prove sperimentali sui giunti saldati in condizioni as-welded e rilassati, sottoposti a carichi di torsione e flessione. I risultati sperimentali hanno mostrato come le tensioni residue abbiano un'influenza principalmente sui componenti caricati in torsione. In questo contesto il modello termo-strutturale presentato nei capitoli precedenti è stato usato per valutare il campo completo delle sollecitazioni residue all'interno del provino, così da poterle mappare e includerle come condizioni iniziali nei modelli numerici destinati al calcolo dei fattori di danno a fatica. Infine, l'efficacia dei modelli numerici nel descrivere il danneggiamento a fatica è stata valutata tramite confronto con risultati sperimentali. Nell'ultima parte di questo lavoro viene presentato uno studio numerico preliminare su un provino con intaglio acuto. Il lavoro si pone lo scopo di riprodurre nel provino intagliato condizioni di stress residuo paragonabili a quelle riscontrate sulla sezione critica del giunto saldato. Infatti, è possibile ottenere un gradiente di stress simile a quello ottenuto dopo il processo di saldatura variando il raggio e l'angolo di apertura dell'intaglio. L'uso di una geometria semplificata permette un'analisi più accessibile e migliora la comprensione dei processi che avvengono all'interno del materiale in presenza di autotensioni e carichi affaticanti.