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Giornate Nazionali di Saldatura 7
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Saldatura arco sommerso di acciai ad
elevata resistenza: come ridurre la
criccabilità da idrogeno utilizzando flussi
classificati H2.
Gerard Pierre - Lincoln Electric Europe - Bruxelles
Barone Carmela Andrea - Lincoln Electric Italia - Genova
Sommario
L’espressione “danno da idrogeno” è utilizzata per
definire tutta la serie di processi di decadimento delle
caratteristiche dei metalli indotta dalla presenza di
idrogeno, spesso combinata con tensioni residue o
carichi applicati.
Sebbene si manifesti prevalentemente in acciai al
carbonio ed acciai bassolegati, molti metalli e leghe
sono suscettibili a danneggiamento da idrogeno.
Lincoln Electric lavora da sempre sul miglioramento
delle formulazioni dei flussi e sulle materie prime per
fornire flussi con livelli di idrogeno sempre più bassi
nel metallo d’apporto e un bassissimo assorbimento
di umidità anche quando esposti alle condizioni
ambientali. Anche nel campo del packaging sono stati
sviluppati confezionamenti a tenuta stagna che
assicurano un assorbimento di umidità pari allo 0%
anche qualora I flussi vengano stoccati a lungo in
condizioni di umidità elevata.
I recenti sviluppi nella produzione di flussi consentono
in arco sommerso depositi a bassissimo tenore di
idrogeno che permettono di soddisfare i più stringenti
requisiti richiesti sui materiali di impiego industriale.
Giornate Nazionali di Saldatura 7
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INTRODUZIONE
L’espressione “danno da idrogeno” è utilizzata per definire tutta la serie di processi di decadimento
delle caratteristiche dei metalli indotta dalla presenza di idrogeno, spesso combinata con tensioni
residue o carichi applicati. Sebbene si manifesti prevalentemente in acciai al carbonio ed acciai
bassolegati, molti metalli e leghe sono suscettibili a danneggiamento da idrogeno. L’interazione tra
l’idrogeno ed i metalli può determinare formazione di soluzioni solide di idrogeno nel metallo,
presenza di idrogeno molecolare, gas formati dalla reazione tra idrogeno ed elementi di lega.
I danni causati dall’idrogeno:
Infragilimento da idrogeno, blistering, precipitazione di idrogeno, attacco da idrogeno, formazione
di ibridi. L’infragilimento da idrogeno si verifica tipicamente negli acciai ad elevato snervamento,
mentre il blistering è un fenomeno tipico degli acciai basso legati eserciti in presenza di fluidi ad
elevata pressione di idrogeno. Poiché la solubilità e la diffusibilità dell’idrogeno nell’acciaio
diminuisce al diminuire della temperature, in caso di rapido raffreddamento, gli ioni H+, riassociati
in forma gassosa, possono rimanere intrappolati nella matrice metallica e possono, in alcuni casi,
determinare cricche.
.
Infragilimento da idrogeno – Quando acciai ad
elevato snervamento vengono sottoposti a stati
tensionali in presenza di idrogeno possono
verificarsi fenomeni di rottura fragile. Questo
fenomeno si manifesta prevalentemente negli
acciai temprati per precipitazione. La presenza di
idrogeno riduce la duttilità e determina rotture
anche sotto carichi statici. Gli acciai possono
risultare infragiliti per tenori di idrogeno anche
molto bassi, spesso poche parti per milione.
Il fenomeno è molto insidioso poiché l’idrogeno
può avere diverse fonti : umidità presente sui
lembi da saldare, sostanze organiche (grassi ed
oli) o vernici; volatilizzazione di sostanze
organiche presenti nei consumabili; inefficace
protezione del bagno di fusione da parte del gas
protettivo o presenza di umidità nel gas di
protezione). La suscettibilità all’infragilimento da
idrogeno generalmente aumenta all’aumentare
delle caratteristiche tensili.
Blistering – questa tipologia di danneggiamento si
osserva in acciai che sono stati esposti ad elevate
pressioni di idrogeno ed alta temperature (impianti
H2S). L’idrogeno atomico generato sulla superficie
delle componenti viene assorbito dal metallo. Una
volta diffuso nel metallo, l’idrogeno può precipitare
sottoforma molecolare, la pressione esercitata
nelle micro cavità può essere tale da generare
fessurazioni
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TIPOLOGIE DI ACCIAI PARTICOLARMENTE SENSIBILI AL FENOMENO
Nella pratica comune vengono comunemente considerati acciai altoresistenziali gli acciai a grana
fine con carico di rottura minimo di 530MPa (o 460MPa riferendosi allo snervamento).
Poiché la sensibilità all'infragilimento da idrogeno aumenta all’aumentare della resistenza a
trazione, particolari precauzioni devono essere prese nella saldatura degli acciai indicati in grigio
nella seguente tabella.
EN STANDARD
Acciai a grana fine,
normalizzati
EN 10028-3
Acciai a grana fine,
termomeccanici
EN 10028-5
Acciai a grana fine
bonificati
EN 10028-6
CLASSIFICAZIONE
P275NH
P275NL1
P275NL2
P355N
P355NH
P355NL1
P355NL2
P460NH
P460NL1
P460NL2
P355M
P355ML1
P355ML2
P420M
P420ML1
P420ML2
P460M
P460ML1
P460ML2
P355Q
P355QH
P355QL1
P355QL2
P460Q
P460QH
P460QL1
P460QL2
P500Q
P500QH
P500QL1
P500QL2
P690Q
P690QH
P690QL1
P690QL2
W.N.
1.0487
1.0488
1.1104
1.0562
1.0565
1.0566
1.1103
1.8935
1.7703
1.7767
1.8821
1.8832
1.8833
1.8824
1.8835
1.8828
1.8826
1.8837
1.8831
1.8866
1.8867
1.8868
1.8869
1.8870
1.8871
1.8872
1.8864
1.8873
1.8874
1.8875
1.8865
1.8879
1.8880
1.8881
1.8888
Re [MPa]
275
275
275
355
355
355
355
460
460
460
355
355
355
420
420
420
460
460
460
355
355
355
355
460
460
460
460
500
500
500
500
690
690
690
690
Rm [MPa]
390-510
390-510
390-510
490-630
490-630
490-630
490-630
560-730
560-730
560-730
450-610
450-610
450-610
530-720
530-720
530-720
530-720
530-720
530-720
490-630
490-630
490-630
490-630
550-720
550-720
550-720
550-720
590-770
590-770
590-770
590-770
770-940
770-940
770-940
770-940
CVN
30J at -20°C
27J at -40°C
27J at -50°C
27J at-20°C
27J at -20°C
27J at -40°C
27J at -50°C
27J at -20°C
27J at -40°C
27J at -50°C
27J at -20°C
27J at -40°C
27J at -50°C
27J at -20°C
27J at -40°C
27J at -50°C
27J at -20°C
27J at -40°C
27J at -50°C
27J at -20°C
27J at -20°C
27J at -40°C
27J at -60°C
27J at -20°C
27J at -20°C
27J at -40°C
27J at -60°C
27J at -20°C
27J at -20°C
27J at -40°C
27J at -60°C
27J at -20°C
27J at -20°C
27J at -40°C
27J at -60°C
PROCEDURE STANDARD PER LA DETERMINAZIONE DEL TENORE
IDROGENO NEL METALLO D’APPORTO-SALDATURA ARCO SOMMERSO
DI
Per la determinazione dell’idrogeno diffusibile nel metallo d’apporto gli standard internazionali di
riferimento sono la ISO 3690 e l’AWS A4.3 che descrivono le modalità di prelievo delle provette e
la procedura di analisi per la determinazione dell'idrogeno diffusibile nel metallo fuso mediante
saldatura ad arco con materiale d'apporto di acciai martensitici, bainitici e ferritici.
Gli standard prevedono impianti di saldatura specifici per ottenere campioni uniformi. I parametri di
saldatura devono essere gli stessi utilizzati per la saldatura dei coupon per la determinazione delle
caratteristiche meccaniche. Eseguita la saldatura, appena spento l’arco, il pezzo viene immerso in
un bagno di acqua e ghiaccio per 4 secondi. Una volta estratto dal bagno di acqua ghiacciata
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(dopo un tempo non superiore ai 20 secondi) il pezzo viene immerso in un bagno di
metanolo+anidride carbonica solida oppure in un bagno di azoto liquido.
Sono possibili due metodi di analisi: la tecnica per la raccolta dell'idrogeno diffusibile sotto
mercurio e quella basata sulla conducibilità termica. In entrambi i casi il campione viene mantenuto
in temperatura per un tempo sufficiente al rilascio dell’idrogeno diffusibile.
La tecnica per la raccolta dell’idrogeno diffusibile sotto mercurio prevede che il campione sia
trasferito in un collettore. Mantenendo il pezzo a 25°C l’idrogeno rilasciato viene raccolto in una
buretta, la quantità di idrogeno viene valutata attraverso la misurazione del volume di gas sostituito
nel collettore.
In metodo per conducibilità termica la provetta viene trasferita in un recipiente pieno di gas inerte.
Il campione viene riscaldato fino a 400°C e la quantità di idrogeno rilasciato viene misurata grazie
ad un rilevatore di conducibilità termica (gas chromatography device).
La quantità di idrogeno diffusibile è espressa in ml/100mg di metallo d’apporto o metallo fuso,
inclusa la porzione diluita del materiale base.
FLUSSI PER LA SALDATURA ARCO SOMMERSO DEGLI ACCIAI
ALTORESISTENZIALI
Una selezione adeguata dei consumabili di saldatura è fondamentale per la resistenza alla
criccabilità da idrogeno.
Le qualifiche di prodotti e procedimenti utilizzati in applicazioni critiche (come le applicazioni
offshore) prevedono estese prove e test per la validazione delle caratteristiche meccaniche,
incluse le prove CTOD. L’idrogeno diffusibile è difficilmente valutabile fuori da un laboratorio.
Inoltre in molte applicazioni, come i cantieri offshore, dove inoltre vengono tipicamente utilizzati
materiali ad elevato snervamento, i materiali sono esposti ad elevata umidità. Questi fattori
rendono ancora più critica e necessaria la capacità di un flusso SAW a limitare l’idrogeno diffusibile
nel metallo d’apporto.
Lincoln Electric lavora da sempre sul miglioramento delle formulazioni dei flussi e sulle materie
prime per fornire flussi con livelli di idrogeno sempre più bassi nel metallo d’apporto e un
bassissimo assorbimento di umidità anche quando esposti alle condizioni ambientali. Anche nel
campo del packaging sono stati sviluppati confezionamenti a tenuta stagna che assicurano un
assorbimento di umidità pari allo 0% anche qualora i flussi vengano stoccati a lungo in condizioni
di umidità elevate.
La possibilità di usare flussi che non richiedano ricondizionamento, grazie alla elevate resistenza
alla ripresa di umidità ed a confezionamenti sempre più performanti, riduce i costi legati al
ricondizionamento dei flussi stessi ed, eventualmente, al PWHT.
In particolar modo due sono i flussi sviluppati per minimizzare il contenuto di idrogeno diffusibile
nel metallo d’apporto degli acciai altoresistenziali: il Lincolnweld 812-SRC ed il MIL800H.
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LincolnWeld 812-SRC
Lincolnweld 812-SRC è un flusso altamente basico, neutro, progettato per la saldatura di acciai ad
elevato snervamento che richiedano PWHT di durata elevata con estremo controllo delle durezza
in zona fusa e zona termicamente alterata. Questo flusso viene utilizzato tipicamente in
abbinamento con il filo LNS 164, per la saldatura di acciai bonificati garantendo un tenore di
idrogeno diffusibile inferiore a 4ml/100g. Esposto a condizioni ambientali di 27°C ed umidità
relativa 80%, il Lincolnweld 812-SRC manifesta limitata tendenza alla ripresa di umidità, il che si
traduce in minore necessità di ricondizionare il flusso prima della saldatura.
Figura 1 – Valori di idrogeno diffusibile del flusso Lincolnweld 812-SRC (tutto metallo d’apporto)
LNS 164 polarità DC+
Figura 2 - Ripresa di umidità Lincolweld 812-SRC
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Figura 3 - Influenza della polarità AC welding sui valori HDM
I valori di idrogeno diffusibile ottenibili con un determinato flusso in polarità alternata (AC) sono
generalmente superiori a quelli ottenibili in corrente continua (DC+). Questo è parzialmente dovuto
alla stabilità dell’arco, più l’arco è stabile, minore è il rischio di assorbimento di umidità
dall’ambiente circostante.
Filo
LNS 164
Composizione chimica tipica del filo
Classificazione
A5.23: EF3
EN 756: S3Ni1Mo
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
0,1
1,6
0,1
-
0,9
0,5
Condizioni
Snervamento
[MPa]
Rottura
[MPa]
Allungamento
[%]
-50°C
CVN
Filo
Classificazione
LNS 164
F10A6-EF3-F3-H4
AW
675
785
24%
85J
F10P6-EF3-F3-H4
SR 1hr @620°C
640
735
24%
60J
Tabella 1 - Caratteristiche meccaniche tipiche (tutto metallo d’apporto)
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MIL800-H
MIL800-H è un flusso altamente basico, neutro, progettato per applicazioni che richiedano
bassissimo idrogeno diffusibile e caratteristiche meccaniche, inclusi valori di resilienza, elevate.
Il flusso MIL800-H è adatto a saldatura single-pass e multipass con fili pieni e metalcored.
Abbinato al filo pieno LA-100 o con il filo animato metalcored MC-100.
Il flusso MIL800-H è qualificato in accordo alla MIL-E-23765/2D (Amd.1), abbinato al filo LA-100 è
classificato MIL-100S-2F, abbinato al filo MC-100 è classificato MIL-100S-2CF.
Il flusso MIL800-H in abbinamento con I fili sopracitati consente livelli di idrogeno diffusibile al di
sotto dei 3 ml/100d di metallo depositato. Impiegando una appropriata procedura di saldatura è
possibile ottenere inferiori a 2 ml/100g.
Riportiamo i valori ottenuti con il flusso MIL800-H in abbinamento con diversi fili (tests condotti in
accordo alla AWS 4.3).
Figura 4 - Valori di idrogeno diffusibile ottenuti con MIL 800-H + LA 100
(diametri da 2.4mm a 4.0mm)
Figura 5 - Ripresa di umidità del flusso MIL 800-H rispetto ad altri
flussi disponibili in commercio (Condizioni: 27°C 80% U.R.).
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Il MIL800-H presenta una eccellente resistenza alla ripresa di umidità (fig. 5) ed inoltre una
eccezionale resistenza alle porosità da soffio magnetico (azoto), questo ne consente l’impiego ad
elevati amperaggi o in sistemi multiarco per aumentare la produttività.
I giunti eseguiti con il flusso MIL800-H presentano una elevata resistenza alla criccabilità in
multipass grazie a:
•
•
•
Basso tenore di idrogeno
Elevata disossidazione
Bassissimi tenori di zolfo e fosforo
Il flusso è indicato per la saldatura di acciai al carbonio e bassolegati, non è indicato per saldature
ad elevata velocità.
Per ottenere le migliori caratteristiche tensili vanno selezionati fili in grado di produrre nel materiale
d’apporto un tenore di silicio pari almeno 0,25%.
Filo
LNS 160
LA-90
LA-100
Composizione chimica del filo
Classificazione
A5.23: ENi1
ISO 14171-A: S2Ni1
A5.23: EA3K
ISO 26304-A: SZ
A5.23: EM2
ISO 16834-B:G69A5AN3M2
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
0,1
1,1
0,15
-
1,0
-
0,1
2,0
0,7
-
-
0,5
0,05
1,63
0,5
0,05
1,9
0,45
CVN
Classificazione
Condizioni
Snervamento
[MPa]
Rottura
[MPa]
Allungamento
[%]
LNS 160
F7A6-NiK-Ni1
AW
465
560
33%
175J
LA-90
F9A6-EA3K-A3
AW
640
710
27%
95J
LA-100
F10A6-EM2-H2
AW
670
745
27%
Filo
-20°C
156J
-50°C
100J
Tabella 2 - Caratteristiche meccaniche tipiche (tutto metallo d’apporto)
CONCLUSIONI
I recenti sviluppi nella produzione di flussi consentono, in arco sommerso, depositi a bassissimo
tenore di idrogeno che permettono di soddisfare i più stringenti requisiti richiesti sui materiali di
impiego industriale.
BIBLIOGRAFIA
* ASM Handbook – Volume 11 – Failure Analysis and Prevention
* Lincoln Electric Engineering Report – Lincolnweld MIL 800H – Ronald F.Young
* Lincoln Electric Engineering Report – Lincolnweld 812-SRC – J.Ben Schaeffer, Teresa Melfi and Marie
Quintana
* ISO 3690 – Procedure for determining the hydrogen content in weld metal
* AWS A4.3 – Standard methods for determination of the diffusible hydrogen of martensitic, bainitic and
ferritic steel weld metal produced by arc welding.