Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008
Università di Trento
Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e delle Tecnologie Industriali
Gruppo di ricerca
Area Costruzione di macchine
Vigilio Fontanari Prof. associato
Matteo Benedetti Ricercatore
Bernardo Monelli Dottorando
Andrea Rao
Dottorando
Area Metallurgia
Giovanni Straffelini Prof. Associato
Area Materiali Polimerici e Compositi
Alessandro Pegoretti Prof. Associato
Introduzione
Sommario
-Attività svolte e competenze acquisite, principali pubblicazioni
-Attrezzature disponibili
-Filoni di ricerca di interesse in prospettiva
Attività svolte
Le attività svolte nell’ambito dei sistemi di giunzione hanno riguardato due filoni
principali:
-Caratterizzazione meccanica e microstrutturale di giunti saldati
-Caratterizzazione meccanica di giunti incollati e degli adesivi
L’attività è stata principalmente condotta nell’arco di tempo tra il 1996 e il 2004
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Attività svolta: principali filoni di ricerca
Saldature
1. Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega
Al6063 (1996-1999)
2. Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa (1996-1999)
3. Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche (20002003)
4. Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in
acciaio operanti in zona sismica (1998-2002)
Incollaggi
1. Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi (1999-2001)
2. Analisi del comportamento a creep di giunti incollati (2001-2003)
3. Analisi termo-meccanica di giunti tubolari incollati per applicazioni in circuiti frigoriferi
(2002-2004)
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Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti
saldati in lega Al6063
Obiettivo del lavoro: Studio dell’effetto di trattamenti termici (invecchiamento,
solubilizzazione ed invecchiamento) e meccanici (pallinatura 1 e 2) sul
comportamento a fatica di giunti saldati
Attività sperimentale
Modellazione numerica
Giunzione saldata ad X con la
tecnica GMAW, materiale di
apporto Al4043 (Al-Si)
-
Caratterizzazione microstrutturale,analisi TEM dei
precipitati coerenti, tensioni residue superficiali
(diffrattometria X), profili microdurezza
-
Curve di fatica: fino a 5.106 cicli
-
Modellazione del profilo di tensione residua
-
Simulazione del rilassamento delle tensioni
residue
Effettivo ciclo di sollecitazione nei punti critici
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Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti
saldati in lega Al6063
Informazioni ottenute dall’osservazione T.E.M
Materiale come saldato (a.w.)
140
130
120
R=0
95
110
T =1:1.18
90
microdurezza HV (0.05)

(MPa)
100
90
nom

P=90%
P=50%
P=10%
80
x2
70
x3
(2*106 cicli): 71.4 MPa
60
run-out
precipitati
incoerenti
rottura
50
6
8 105
2
4
6
8 106
2
4
Materiali
a.w. e inv.
80
75
70
65
60
-2
0
2
4
solubilizzazione
dei precipitati
6
cicli a rottura
''
'+''
solub.
85
6
8
10
distanza (mm)
Precipitati coerenti e
12
14
16
semicoerenti
Confronto diversi trattamenti
Tensioni residue (XRD)
120
pall.2
100
pall.1
R=0
B
90
Ca. 5 mm
Punti di
misura
A
80
a. w.

(nom)
(MPa)
110
Cordone di
saldatura
70
sol.+inv.
60
inv.
50
4
6
8 105
2
4
6
8 106
2
4
cicli a rottura
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Mat.
a.w.
pall.1
pall.2
inv.
Tensione residua
(MPa)
Punto A
Punto B
60
-115
-100
-125
-121
10
-
Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti
saldati in lega Al6063
Risultati della modellazione numerica
Profili di tensione residua dovuti a locale plasticizzazione
Evoluzione dei profili di tensione residua preesistenti
40
60
40
20
0
tensione (MPa)
tensione (MPa)
20
0
-20
-40
1,0
-80

= 89 MPa
= 120 MPa
(max,nom)
= 89 MPa
-100

= 120 MPa
-120
tensioni residue iniziali
(max,nom)
0,5
-60

-140
0,0
-80
0,0
-40

(max,nom)
-60
-20
1,5
2,0
2,5
(max,nom)
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
distanza dalla superficie (mm)
distanza dalla superficie (mm)
R=-1
200
175
150
 (MPa)
125
Curve di resistenza a fatica a numero di
cicli costante
100
75
Curve a numero di cicli
a rottura N costante
50
N=2*106

N=1*106
25
R
N=3*105
R=1
0
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
tensione media  (MPa)
m
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Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa
Obiettivo del lavoro: sviluppo di una funzione peso per la previsione della
propagazione per fatica di fessure in piastre ortotrope saldate. Effetto delle tensioni
residue di saldatura
C
B
B
340
300
12
crack tip
B
80
G
A
W = 281
6
x
A
B
a
A
no constraints
B
symmetrical constraints
C
axial load
R = 25
0
a
K I a     n ( x )  h( x , a )  dx
n m
2
a
h( x , a ) 
    ij   
W
  W i 1 j 1
i  32
 2 j  p2 
 2 j  p2  

2p
2p
x
x





  1  
 1  
 a
 a 



0
da
 C  ( K n  K th n )
dN

K th0  1  C0  R  for R  R0
K th  

K th0  1  C0  R0  for R  R0
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Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa
MPa
150
180
residual stress path
Cycles to failure
160
100
1 07
6
5
50
R=0
R=0,2
R=0,4
R=0,6
120
(MPa)
4
0
2
80
n
-50
2
3
4
5
100

1
3
-100
1 05
140
60
6
1
40
20
-150
0
50
100
150
200
250
0
300
0
curvilinear coordinate (mm)
20
40
60
80
100
120
crack length (mm)
Infinite fatigue life
180
Partially opened crack
A:considering residual stresses
B:disregarding residual stresses
160
A > 0
140
A
B
KA>0
R=0
R=0,2
R=0,4
R=0,6
100
80

n
B < 0
B
120
(MPa)
KB = 0
A
60
40
Residual stress path
20
0
0
20
40
60
80
100
120
crack length (mm)
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140
160
Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni
ciclistiche
Obiettivo del lavoro: studio, mediante prove di laboratorio, del comportamento a fatica
delle giunzioni saldate di un telaio ciclistico: influenza di modifiche microstrutturali locali
indotte dalla saldatura ed effetto della pallinatura e della geometria del tubo.
Attività sperimentale
Modellazione numerica
Su telaio
Definizione di un’attrezzatura di prova per lo
studio del giunto tubo obliquo/tubo sterzo
Prove di fatica su diverse varianti di giunto
diversificate per condizioni metallurgiche e per
geometria
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Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni
ciclistiche
300
275
unpeened
peened
run out
250
Tensione di hot spot (MPa)
225
200
175
150
125
100
100000
1000000
Cicli a rottura
Geometria circolare
Geometria a goccia
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Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni
ciclistiche
Analisi dei risultati mediante approccio basato su tensioni di hot-spot e su weld
stress intesity factor
Miglior razionalizzazione dei dati
ottenuti, miglior interpretazione dei
fenomeni di danno locale
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Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati
per strutture in acciaio operanti in zona sismica
Obiettivo del lavoro: definire criteri utili per la progettazione antisismica di
collegamenti flangiato-bullonato in considerazione dell’alta vulnerabilità sismica delle
connessioni saldate
Curva ciclica del materiale de finizione dei
parametri del modlelo di Lemaitre Caboche
Caratterizzazione sperimentale
Prove di meccanica della frattura in
regime elastoplastico
Prove in piena scala su particolare di
collegamenti trave-colonna
Modellazione numerica
Simulazione ad elementi finiti del
raggiungimento delle condizioni di collasso
elastoplastico del giunto a seguito della
propagazione di fessure alla radice del cordone
di saldatura
Modello coesivo di propagazione
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Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati
per strutture in acciaio operanti in zona sismica
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Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati
per strutture in acciaio operanti in zona sismica
Cicli di isteresi per diversi livelli di ampiezza
di deformazione
Modello FEM di uno dei giunti studiati
Curva ciclica e parametri del
modello di Lemaitre Caboche
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Giunti saldati: principali pubblicazioni
M. Beghini, L. Bertini, V. Fontanari: “Fatigue life evaluation by weight functions for orthotropic bridge decks”
Theoretical and applied fracture mechanics, Vol. 28, 1997, pp. 41-50
L. Bertini, V. Fontanari, G. Straffelini: “Influence of post weld treatments on the fatigue behaviour of Al-alloy
welded joints” International journal of fatigue, Vol. 20, 1998, No. 10, pp. 749-755
Benedetti M., Fontanari V., Valenari A., "Fatigue behaviour of Al-alloy bike frames welded joints". A cura di
Blom A., EMAS, Vol. 1, p. 405-412. Atti del convegno "Fatigue 2002 (Eighth International Fatigue
Congress)", Stockholm (Sweden), 3-7 June, 2002
O. Bursi, F. Ferrario, V. Fontanari: “Numerical analysis of the low-cycle fatigue behaviour of bolted steel
connections”, 5th Int. Conference on Computational Structures Technology, 6-9 September 2000,
Leuven, Belgium, Civil-Comp Press:Edimburgh, 2000, pp. 385-396
Bursi O. S., Ferrario F., Fontanari V., "Non-linear Analysis of the Low-cycle Fracture Behaviour of Isolated
Tee Stub Connections". Computers & structures : an international journal, 2002, v. 80, n. 27-30, p.
2333-2360.
Benedetti M., Fontanari V., Slaghenaufi S., Valenari A., "Modellazione numerica e caratterizzazione a fatica
di giunzioni tubolari saldate". Atti del convegno "AIAS 2003", Salerno, 3-6 settembre, 2003
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Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi
Obiettivo del lavoro: definizione di una procedura di prova per caratterizzare a
taglio diverse geometrie di incollaggio
Caratterizzazione sperimentale
Messa a punto delle procedure di
incollaggio e caratterizzazione delle
proprietà dell’adesivo
Prove di resistenza statica a taglio su
‘double lap joints’
INCOMPLETE POLIMERIZATION
COESIVE FRACTURE
applied load [kN]
50
45
Square shape
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,05
0,1
displacement (mm)
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0,15
0,2
Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi
Modellazione numerica EF del giunto incollato: analisi dello stato tensionale ed
interpretazione dei dati sperimentali
2,4
2,2
t max/t av
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
Rapporto tensione di picco / tensione nominale
Circular
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Square
"H"
Rect.
Transv.
Rect. Long.
Analisi del comportamento a creep di giunti incollati
Obiettivo del lavoro: valutazione della risposta a creep del giunto sulla base di
definizione di un modello di risposta viscoelastico lineare dell’adesivo
Conservative (E') and Dissipative (E'') modules
160
Sperimentazione in bulk su adesivo
2000
Furnace
E' (MPa)
1600
Transducer
Freq.
Frequency
0.3 Hz
1 Hz
3 Hz
10 Hz
30 Hz
1200
140
120
100
80
60
800
E'' (MPa)
2400
40
400
20
Freq.
0
-50
Vibrophore
Specimen
0
0
50
100
150
Temperature (°C)
2500
2000
Drive
150
E''
E'
1500
100
1000
50
500
Analisi dinamo-meccanica (DMTA)
0
0
-12-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
log(frequency) Hz
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E'' (MPa)
Moving device
E' (MPa)
Basement
Analisi del comportamento a creep di giunti incollati
Principio di sovrapposizione tempo temperatura: curve maestre del modulo di
rilassamento E(t) e della cedevolezza a creep D(t)’
0.035
1500
E(t)
0.03
D(t)
1200
0.025
E (MPa)
D (1/MPa)
900
600
0.02
0.015
0.01
300
0.005
0
1.E-17 1.E-14 1.E-11 1.E-08 1.E-05 1.E-02 1.E+01 1.E+04 1.E+07
0
1.E-17 1.E-14 1.E-11 1.E-08 1.E-05 1.E-02 1.E+01 1.E+04 1.E+07
Time (s)
0.1
TIme (s)
0.09
0.08
Shear
double lap
joint
e (mm/mm)
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
2000
4000
6000
time (s)
Previsione della risposta a creep del giunto
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8000
10000
Analisi termo-meccanica di giunti tubolari incollati per applicazioni in
circuiti frigoriferi
Obiettivo del lavoro: identificazione di nuove formulazioni di adesivi in grado di
garantire la tenuta dell’incollaggio negli intervalli di temperatura previsti nel circuito
Analisi sperimentali: prove di tenuta
sui giunti in opera e rilevazioni
estensimetriche durante il ciclo
termico
Analisi FEM: Distribuzione della temperatura e tensione in uno dei giunti
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Giunti incollati: altre attività
Partecipazione ad un round robin in ambito ESIS TC4 per definizione procedura di prova su double cantilever
e tapered double cantilever beam finalizzati all’ottenimento della curva Gc vs crack length
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Giunti incollati: altre attività
Gc versus Crack length
1200.00
1000.00
Gc (J/m^2)
800.00
600.00
400.00
Eqn. [4] G SBT [J/m2]
Eqn. [5b] G CBT [J/m2]
200.00
Eqn. [9b] G ECM [J/m2]
0.00
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
110.0
120.0
Crack length (mm)
Giunti incollati: principali pubblicazioni
L. Bertini, V. Fontanari, P. Mauri Influenza della forma sulla resistenza a taglio di giunti incollati
XXIX Convegno AIAS, Lucca , 2000
V. Fontanari, A. Pegoretti, M. Tassan: Relazione tra proprietà viscoelatiche dell'adesivo e comportamento
a creep di giunti incollati XXX Convegno AIAS, Alghero, 2001
M. Tassan, V. Fontanari, P. Mauri: Viscoelastic properties and creep of adhesive joints European
Coatings, 78(14), 2002, pp. 53-61
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Attrezzature disponibili
• Instron 8516 servoidraulica 100 kN con camera climatica per prove ad alta temperatura (fino
1000 °C)
• MTS bionic servoidraulica 25 kN con camera climatica per prove in temperatura su materiali
polimerici
• Instron 4502 servomeccanica 10 kN con camera climatica ed estensimetro per grandi
deformazioni
• Vibroforo Rumul Mikroton 20 kN per prove di fatica ad elevata frequenza
• Wolpert Pendolo strumentato 300 J
• Microscopio ESEM
• DSC Differential scanning calorimeter Mettler DSC 30/TC15 TA
• DMTA macchina per analisi termo-dinamo-meccanica
• Diffrattometri per misure XRD (tensioni residue)
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Attività in prospettiva
Attualmente siamo coinvolti con i colleghi di tecnica della costruzioni (prof. Bursi, ing.
Zonta) e macchine (Prof. Battisti) in un progetto finanziato dalla Provincia Autonoma
di Trento per la messa a punto di un sistema di monitoraggio del danneggiamento a
fatica dei giunti flangiati delle torri eoliche
Recentemente è stata anche ripresa, mediante una tesi di laurea, l’attività di analisi
del comportamento a creep dei giunti incollati
Intendiamo contribuire alle attività del neocostituito gruppo di lavoro AIAS
puntando sulle competenze finora acquisite:
- Caratterizzazione meccanica e microstrutturale, nonché modellazione
numerica dei giunti saldati
- Caratterizzazione meccanica dei giunti incollati e studio microstrutturale
dell’adesivo
Completa disponibilità ad affrontare nuovi argomenti di ricerca: partecipare ad altri
progetti che dovessero essere avviati
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