- 14.00 - 14.30: Sviluppo di metalli di apporto per saldatura in acciaio inossidabile austenitico e proprietà di saldatura per applicazioni di stoccaggio di idrogeno liquido
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L'idrogeno gassoso viene liquefatto raffreddandolo sotto -253°C (20°K), riducendo il suo volume di un rapporto di 1:848. Una volta liquefatto, l'idrogeno può essere immagazzinato e trasportato più facilmente.
Negli ultimi anni, con la rapida transizione dell'industria energetica, la domanda di idrogeno liquefatto come una delle principali fonti di carburante è in rapida crescita. Questo trend porta alla necessità di strutture di stoccaggio e sistemi di tubazioni capaci di funzionare a temperature estremamente basse fino a -253°C, richiedendo alta tenacità sia per i materiali di base che per il metallo d’apporto di saldatura.
Gli acciai inossidabili austenitici a basso contenuto di carbonio 316L e 304L sono attualmente i materiali base preferiti per la loro tenacità alle temperature di servizio, implicando sfide per il soddisfacimento della tenacità nei metalli di apporto.
Uno dei requisiti più stringenti della Sezione VIII UHA-51 dell'ASME e della ISO 21028-1, nel qualificare la tenacità del metallo di saldatura per il servizio fino a 4°K (-269°C), è l’ottenimento del valore di espansione laterale minima dell'impatto Charpy di 0,53mm (21 mils) a -196°C (77°K). Questo si basa sulle correlazioni tra tenacità alla frattura e valori di impatto a queste temperature. In molti progetti è necessario verificare l’ottenimento di questo requisito per ogni lotto di produzione.
È riconosciuto che i consumabili di grado 316L e 308L di composizioni standard, o anche quelli con un contenuto di ferrite controllato attraverso modifiche mirate delle composizioni chimiche entro i range specificati delle classificazioni AWS/EN ISO pertinenti di questi gradi, non sono in grado di produrre materiali d’apporto che soddisfano l'espansione laterale dell'impatto Charpy alla temperatura di test specificata. Per questo si sono resi necessari design di consumabili ottimizzati per il deposito di una microstruttura austenitica completamente priva di ferrite.
Il presente documento presenta lo sviluppo e la valutazione di una gamma completa di consumabili per saldatura per i processi GTAW, SMAW, FCAW e SAW. Questi consumabili mirano a produrre depositi che superano le limitazioni di tenacità dei metalli di apporto standard per applicazioni di stoccaggio di idrogeno. Il lavoro mostra che, ottimizzando gli elementi di lega, le saldature possiedono una microstruttura austenitica completamente priva di ferrite, e i requisiti di espansione laterale dell'impatto a temperatura criogenica sono soddisfatti. La memoria esplora gli effetti dei processi di saldatura sul deposito in funzione del tipo di scoria. I risultati mostrano inoltre che i materiali d’apporto privi di ferrite minimizzano le variazioni di tenacità tipiche dei materiali tradizionali, offrendo maggiore ripetibilità ed affidabilità nelle prestazioni e migliorando così la sicurezza e la durata delle strutture di idrogeno liquido. - 14.30 - 15.00: Effetto dell'introduzione di nanomateriali in strutture saldate
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I nanomateriali, grazie alle loro proprietà uniche su scala nanometrica, offrono numerosi vantaggi in diversi settori come l'elettronica e la farmaceutica, con risultati promettenti anche per applicazioni di saldatura.
Uno dei principali benefici dei nanomateriali è la loro capacità di modificare e migliorare le proprietà meccaniche dei giunti saldati, inclusi resistenza, tenacità e durezza. Grazie a queste caratteristiche, i nanomateriali trovano applicazione nelle operazioni di riporto superficiale, mentre il loro impiego nella fabbricazione di giunti è ancora in fase di sviluppo.
Inoltre, i nanomateriali svolgono un ruolo chiave nella riduzione dell'impatto ambientale e dei costi di fabbricazione associati ai processi di saldatura. Incorporando nanoparticelle nei consumabili di saldatura, è possibile ottenere maggiore efficienza e precisione nel processo di giunzione, riducendo così i problemi che influiscono sul flusso di lavoro e sui relativi costi.
Questi vantaggi si traducono inoltre in un minore consumo di energia e materie prime, riducendo gli sprechi e abbattendo le emissioni, contribuendo quindi a pratiche di produzione più sostenibili.
Tuttavia, l'integrazione dei nanomateriali nella saldatura presenta diverse sfide. Una delle principali problematiche è garantire una dispersione uniforme delle nanoparticelle all'interno dei materiali da saldatura, fondamentale per mantenere proprietà meccaniche costanti nei giunti saldati. Inoltre, il comportamento delle nanoparticelle durante la saldatura non sempre si allinea con le dinamiche del processo, spesso portando alla loro decomposizione che si riflette sulla chimica della zona fusa.
Oltre a ciò, i rischi per la salute e la sicurezza legati alla manipolazione dei nanomateriali in operazioni di saldatura su larga scala richiedono un’attenta valutazione per mitigare i potenziali pericoli per i lavoratori e l'ambiente.
Questo studio indaga sugli effetti dell’introduzione di nano-carburo di titanio su vari aspetti della saldatura.
Passando dall'incremento delle proprietà meccaniche all'influenza dei parametri di processo, questo lavoro approfondisce la comprensione sull'impatto di questo nanomateriale sulla zona fusa e ne esplora l’applicazione su un caso reale. - 15.00 - 15.30: Modern filler metal development for liquid hydrogen cryogenic application
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The climate change is one of the key challenges of the modern society.
Upcoming environmental legislations aim for reducing greenhouse gases emission, whereby one of the most promising solutions from a long-term perspective is the adaption of alternative fuels such as hydrogen to decrease especially the CO2 emissions in the transportation and power generation sector. Hydrogen can be also used as energy carrier and feedstock and shows highest volumetric capacity in liquid condition. To store liquid hydrogen, special tanks are needed. Predominantly, these tanks are welded and made from austenitic stainless steels due to the very low liquefaction temperature of the hydrogen (-253°C).
However, many factors such as the welding process, the related welding parameters as well as the requirements arising from the Standards have to be taken into account by the manufacturers to deliver a reliable product which is suitable for liquid hydrogen applications. The objective of this work is to implement optimized filler metals for welding processes such as GTAW, GMAW and SAW to weld the austenitic stainless steel AISI 316L and AISI 304L(N).
The development of suitable filler materials not only aim on fulfilling the requirements of ISO and ASME Standards, but also to outline predominant influences on the welding performance and the corresponding mechanical properties. - 16.00 - 16.30: Effect of current type and filler metal chemical composition in submerged arc super duplex stainless steel welding
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Super duplex stainless steels are often selected by materials engineers as a high performance solution for pressure vessels and heat exchangers in the process industry, due to their superior mechanical properties combined with excellent pitting corrosion resistance.
Submerged arc welding is the preferred and most economically effective process for joining of thick-walled components. The optimum balance between filler material composition and welding parameters need to be reached in order to achieve the desired corrosion resistance and impact toughness of the joint. In particular, low temperature impact test results are always challenging to be obtained in combination with a sound weld metal.
This paper investigates the effect of current type (DC+ versus AC) and the variation of the filler material chemical composition (in particular Nitrogen content) on the properties of the resulting SAW weld metal in the practically applicable welding parameter range for this process. The main scope of this investigation are the toughness properties, but also ferrite/austenite balance and corrosion properties of the fusion zone were evaluated to confirm that its performance matches common industry requirements. - 16.30 - 17.00: L’effetto Marangoni nella saldatura dissimile tra leghe di Nickel e acciaio Super duplex
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L’effetto Marangoni, noto in saldatura per la sua influenza sulla penetrazione del bagno fuso, è causato da variazioni di tensione superficiale dovute a diverse concentrazioni di elementi di lega. Questo fenomeno ha attirato la nostra attenzione durante le prove di qualifica per la saldatura di tubi in lega di nickel di piccolo diametro e spessore. Le macrografie ottenute presentavano configurazioni anomale mai osservate prima.
Dopo un’analisi bibliografica e sperimentale, abbiamo ipotizzato che l’effetto Marangoni fosse la causa principale delle anomalie riscontrate.
Nel nostro studio abbiamo analizzato l’influenza di parametri di saldatura specifici sull’effetto Marangoni e sulla sua incidenza nella giunzione considerata. Abbiamo condotto test variando i parametri operativi e confrontando le macrografie risultanti. Inoltre, abbiamo sperimentato sequenze di saldatura suggerite dalla letteratura. Questa presentazione riporta i risultati dei nostri esperimenti, evidenziando le correlazioni tra i parametri di saldatura, il verificarsi dell’effetto Marangoni e le caratteristiche finali della saldatura. - 17.00 - 17.30: Sviluppo e studio delle caratteristiche microstrutturali e tribologiche di riporti duri saldati in acciaio bainitico nanostrutturato
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Gli acciai bainitici nanostrutturati appartenenti alla terza generazione degli Advanced High Strength Steels (AHSS) sono noti per le eccellenti caratteristiche meccaniche di resistenza a trazione (>1.5 GPa), duttilità
(~15%) e le notevoli caratteristiche funzionali come la resistenza all’abrasione. Grazie alla loro semplicità in termini di composizione chimica, priva di elementi alliganti quali Cr, V, Mo, e Nb, e alle buone proprietà meccaniche, trovano crescente impiego come alternativa in numerose applicazioni industriali. Una di queste è l’utilizzo di acciai bainitici nanostrutturati per il deposito di riporti saldati duri, largamente impiegati in industria e agricoltura al fine di prolungare la vita dei manufatti in acciaio soggetti ai fenomeni di usura, quali abrasione, sfregamento o impatto. I materiali d’apporto più comunemente utilizzati per l’applicazione tramite saldatura ad arco elettrico di riporti duri si basano sulla formazione di carburi di Cr, W, Ti, V, Nb in matrice martensitica o austenitica, risultando quindi metallurgicamente complessi e costosi. D’altro canto, l’uso di materiali d’apporto in acciaio bainitico sfrutta la trasformazione bainitica per aumentare la durezza della microstruttura, con un notevole vantaggio sul costo della materia prima.
Nonostante il loro potenziale applicativo, gli studi riguardanti la saldabilità e la realizzazione di rivestimenti antiusura basati su acciai bainitici sono ancora limitati. Per tali motivi, è necessario mettere a punto materiali di consumo specifici e ottimizzare i parametri di processo per ottenere riporti duri che abbiano prestazioni paragonabili o superiori a quelle degli attuali riferimenti commerciali, basati principalmente sulla presenza di carburi di cromo e tungsteno dispersi in matrice martensitica. In questa attività di ricerca sono stati fabbricati dei fili animati a polvere metallica (metal-cored) con composizione chimica del deposito equivalente ad un acciaio bainitico nanostrutturato a medio tenore di carbonio (0.38C-3.2Si-2.6Mn-0.1Al). Su di un substrato in acciaio EN 10025-2 S355 sono stati depositati dei cordoni di saldatura mediante processo di saldatura a filo animato metal-cored sotto protezione gassosa UNI EN ISO 4063: 138 (FCAW) con gas di protezione EN ISO 14175: M21. I depositi sono stati caratterizzati mediante analisi metallografica in microscopia ottica ed elettronica, misure di durezza e prove di tribologiche di erosione da particelle solide (ASTM G76). Le caratteristiche di resistenza ad usura sono state inoltre confrontate con quelle di prodotti commerciali attualmente in uso per la realizzazione di riporti duri, contenenti carburi di cromo o di tungsteno. Le analisi microstrutturali hanno permesso di dettagliare le peculiarità dei depositi e di porle in relazione al comportamento ad usura valutato sia mediante perdita di peso a valle del processo erosivo sia mediante analisi post mortem (profilometria ottica a non contatto e microscopia elettronica).
I risultati ottenuti hanno evidenziato come i riporti duri realizzati in acciaio bainitico mostrino caratteristiche promettenti e si pongano come valida alternativa alle soluzioni esistenti in alcuni settori industriali. - 17.30 - 18.00: Studio dell'evoluzione microstrutturale e delle proprietà meccaniche di saldature multipass in acciaio S355 microlegato al Vanadio
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Nelle saldature multi-pass di lamiere di grande spessore in acciaio micro-legato alto resistenziale (HSLA), si generano cicli termici che portano alla formazione di una zona termicamente alterata (ZTA) con una microstruttura complessa, costituita da sottoregioni con diversi costituenti microstrutturali. In alcune condizioni, possono formarsi fasi fragili che influenzano il comportamento meccanico della giunzione saldata. L'aggiunta di elementi di micro lega in questi acciai è una strategia metallurgica che consente di ottenere giunti saldati con un equilibrio ottimale tra resistenza meccanica e tenacità. Questo studio valuta l'influenza dell'aggiunta di vanadio come elemento micro-legante sulla microstruttura della ZTA. A tal fine, sono stati realizzati quattro giunti saldati con passaggio multiplo su lamiere di spessore 15mm, utilizzando il processo GMAW robotizzato. La composizione chimica degli acciai ha previsto l’impiego diversi contenuti di vanadio, a partire da un acciaio S355. Inoltre, è stata considerata una variante contenente vanadio e niobio e i risultati sono stati confrontati con l’acciaio convenzionale S355. L'analisi delle diverse sottoregioni dei giunti saldati rivela una microstruttura eterogenea, caratterizzata dalla presenza di ferrite in diverse morfologie, bainite e isole di martensite/austenite (M/A). L'aggiunta di vanadio riduce la solubilità del carbonio durante le trasformazioni di fase indotte dal riscaldamento continuo durante la saldatura. Ciò favorisce la formazione di precipitati fini (~11 nm) e riduce la proporzione della fase M/A nella variante con lo 0,1 wt.% di vanadio, rispetto alle altre varianti sperimentate. Inoltre, le varianti micro-legate mostrano un aumento della resistenza meccanica (snervamento e carico massimo) senza compromettere la duttilità né la resistenza alla fatica.