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Alluminothermic welding
 

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Una brev

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    Alluminothermic welding Alluminothermic welding Document Transcript

    • Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale Laurea Magistrale in Ingegneria Civile - Orientamento Infrastrutture di Trasporto La tecnologia delle saldature alluminotermiche Corso di Infrastrutture Ferroviarie Autore : Andrea Benedetti
    • Sommario Sommario ............................................................................................................................................. 2 1 Introduzione e cenni storici .......................................................................................................... 4 2 La chimica della reazione .............................................................................................................. 5 3 Tecniche di saldatura alluminotermica ........................................................................................ 7 3.1 Procedimenti di Pre-riscaldamento delle testate ................................................................. 7 3.2 Brevetti omologati RFI ........................................................................................................... 7 4 Acciai da Rotaia ............................................................................................................................. 8 5 Materiale di consumo ................................................................................................................... 9 5.1 Porzioni saldanti .................................................................................................................... 9 5.2 Forme di refrattario ............................................................................................................. 10 5.3 Fodera di refrattario per crogiolo ....................................................................................... 10 5.4 Tappo autofondente per crogiolo ....................................................................................... 10 5.5 Terra refrattaria ................................................................................................................... 10 5.6 Candeletta di accensione .................................................................................................... 11 6 Attrezzature ................................................................................................................................ 12 6.1 Troncatrice a disco abrasivo o sega a nastro ...................................................................... 12 6.2 Portacrogiolo ....................................................................................................................... 12 6.3 Crogiolo tradizionale ........................................................................................................... 12 6.4 Crogiolo Mono-uso .............................................................................................................. 13 6.5 Portascorie........................................................................................................................... 14 6.6 Cannello da preriscaldamento ............................................................................................ 14 6.7 Bombole di gas .................................................................................................................... 14 6.8 Altre attrezzature ................................................................................................................ 15 7 Fasi operative della saldatura alluminotermica ......................................................................... 15 7.1 Considerazioni preliminari .................................................................................................. 15 7.2 Fasi ....................................................................................................................................... 15 1. Preparazione del giunto ...................................................................................................... 15 2. Montaggio delle dei morsetti e delle forme refrattarie...................................................... 16 3. Preriscaldamento ................................................................................................................ 17 4. Reazione Alluminotermica .................................................................................................. 17 5. Smontaggio del portascorie e del crogiolo.......................................................................... 18 2
    • 6. Rimozione delle forme. ....................................................................................................... 19 7. Sgrossatura e smerigliatura della saldatura ........................................................................ 19 8 Controlli sulle saldature .............................................................................................................. 20 8.1 Controlli in sito .................................................................................................................... 20 8.2 Controlli in stabilimento ...................................................................................................... 22 9 Difetti .......................................................................................................................................... 24 3
    • 1 Introduzione e cenni storici La saldatura alluminotermica è una delle metodologie più diffuse per realizzare la continuità fra i diversi spezzoni di rotaia, eliminando i giunti e realizzando una connessione omogenea e garantendo inoltre resistenza e sicurezza alla circolazione dei treni. La tecnica, oggi ampiamente collaudata, deve la sua esistenza allo scienziato, chimico tedesco Hans Goldschmidt, il quale nel 1893 scoprì la reazione della termite, una particolare miscela in grado di sprigionare una notevole quantità di calore e addirittura di esplodere. Goldschmidt brevettò la Thermite® nel 1895, dando allo stesso tempo il nome all’omonimo processo. La termite può essere variamente prodotta, miscelando l’ossido di un metallo :  ossido di ferro Fe2O3 (altamente diffuso in ambito ferroviario)  ossido di rame (utilizzato per scopi altamente specializzati nel settore elettrotecnico)  ossido di manganese MnO2 con un agente che subisce l’ossidazione. Nel caso delle reazioni alluminotermiche questo secondo elemento è l’alluminio. La prima applicazione della miscela venne effettuata nel 1899, presso Essen, una città della Germania centrale, allo scopo di saldare dei binari tramviari. Da quell’anno il processo prese piede nei maggiori settori industriali e militari, ma l’applicazione maggiormente diffusa, la termite la ebbe nel settore delle saldature. La veloce diffusione della scopertà portò alla fondazione, nel 1919, della Elektro-Thermit GmbH (Goldschmidt-Thermit-Group), che ad oggi racchiude un gruppo industriale presente in 20 paesi del mondo e che produce non solo la materia prima, cioè la miscela, ma anche i diversi dispositivi e le attrezzature per eseguire le saldature e i controlli pre e post-lavorazione. In Italia, il settore delle saldature alluminotermiche è controllato dalla Thermit-Italiana, fondata nel 1945. L’azienda si occupa non solo di saldature alluminotermiche in stabilimento e in sito, ma anche di prodotti per l’armamento, per la sicurezza e per la mitigazione del rumore e delle vibrazioni. Quest’azienda, insieme alle sue cugine straniere, ha permesso lo sviluppo di nuove tecnologie in ambito ferroviario, una fra tutte quella della lunga rotaia saldata, un perfezionamento dell’infrastruttura che ha eliminato il tipico sussulto del treno al passaggio sui giunti di rotaia. 4
    • 2 La chimica della reazione La reazione alluminotermica è una reazione di ossidoriduzione o redox e come tale necessita di due elementi fondamentali, un combustibile e un agente ossidante. Esistono diversi modi per sviluppare una reazione redox. Si possiamo scegliere, infatti, in base al risultato che si vuole ottenere, fra diversi elementi combustibili e agenti ossidanti, miscelati nelle corrette proporzioni (Figura 2.1): •Alluminio •Magnesio Combustibile •Calcio •Titanio REAZIONE di OSSIDORIDUZIONE •Ossido boroso B2O3 Agente •Triossido di dicromo Cr2O3 Ossidante •Diossido di manganese MnO2 •Triossido diferrico Fe2O3 Figura 2.1 - Reagenti reazione redox La combinazione più comune in ambito ferroviario , rimane tuttavia, quella costituita da alluminio (Al) e da triossido diferrico (Fe2O3) che da luogo alla seguente trasformazione: 2 Al + Fe2O3 Al2O3 + 2 Fe + CALORE Prima di procedere all’attivazione della reazione è sempre necessario procedere ad un riscaldamento preventivo (pre-riscaldamento) delle testate. All’innesco della reazione, la temperatura sale molto rapidamente e la scissione dell’ossigeno dal ferro inizia attorno ai 2400°C. La temperatura massima raggiunta dalla reazione è di circa 2960°C, quasi doppia rispetto alla temperatura di fusione del ferro puro (1536°C). Il processo, infatti, è così fortemente esotermico che il calore sprigionato è tale da rendere la saldatura autogena. Con questa definizione intendiamo sottolineare che il metallo base (metallo della rotaia) partecipa attivamente, per fusione e cristallizzazione, alla costituzione del reticolo cristallino della zona di giunzione, al contrario di ciò che succede nel procedimento di brasatura, dove fonde il solo metallo di apporto. L’esperienza e i controlli eseguiti sulle saldature, dimostrano che le zone adiacenti il giunto saldato, in funzione della distanza, reagiscono in modo diverso al calore. 5
    • Il quadro normativo RFI identifica, nelle “Norme tecniche per la saldatura in opera delle rotaie eseguita con i procedimenti alluminotermico ed elettrico a scittillio”, 3 zone della rotaia adiacenti al punto di giunzione, che subiscono alterazioni diverse. Queste 3 zone, identificate meglio in Figura 2.2, sono:  MB: Metallo Base che non ha subito alterazioni  ZTA: Zona Termicamente Alterata  ZF: Zona Fusa Figura 2.2 - Zone termicamente alterate La ZF può avere, utilizzando il procedimento di saldatura della THERMIT ITALIANA, un’estensione che va dai 20 ai 70 mm, in funzione della tipologia di acciaio della rotaia e del tipo di armamento. La ZTA raggiunge per 3-4 min una temperatura anche di 1200-1430 °C, vicinissima al punto di fusione del ferro. Questo ha un effetto sulla dimensione dei grani del metallo che tendono a ingrossarsi, creando quindi condizioni di disomogeneità nella sezione. La normativa RFI prevede, proprio per questo fatto, un’estensione massima della ZTA di 40mm. Figura 2.3 - Gradiente termico appena dopo la saldatura In Figura 2.3, possiamo distinguere meglio il gradiente termico che si sviluppa all’interno della rotaia, identificando con il colore rosso una temperatura di circa 2370°C, con il colore verde la temperatura all’interfaccia fra porzione saldante e faccia del binario (1340°C) e con il colore blu più intenso la zona MB a temperatura di 300°C. Questi dati derivano da una simulazione eseguita presso gli stabilimenti francesi della RailTech. 6
    • 3 Tecniche di saldatura alluminotermica 3.1 Procedimenti di Pre-riscaldamento delle testate Le metodologie di saldatura alluminotermica accettate in Italia da RFI sono di due tipi e si differenziano fra loro per il tempo di pre-riscaldo:  Processo PRA  Saldatura con pre-riscaldamento ABBREVIATO Il procedimento PRA è basato su un tempo di preriscaldamento delle rotaie limitato, variabile fra 1 e 2 minuti, a seconda della stagione e soprattutto della temperatura dell’aria. Le testate in questa fase vengono portate ad una temperatura di circa 300- 400°C. Questo processo è usato per i profili più diffusi, tipo 60 UIC e 50 UNI.  Processo PRL  Saldatura con pre-riscaldamento LUNGO Questo procedimento è anche denominato RIA ed è caratterizzato da un preriscaldamento di 6-8 minuti, necessari a portare le testate ad una temperatura misurata di 950°C. Nel procedimento PRL l’operatore, prima di effettuare la colata, deve verificare a vista, con occhiali a lenti scure per saldatura, che le estremità delle rotaie abbiano raggiunto, in base alla colorazione assunta, la temperatura prevista. Il processo PRA presenta alcuni vantaggi, in termini qualitativi e di resistenza finale, infatti:  Si riduce l’estensione della zona termicamente alterata, riducendo al minimo la formazione del cosiddetto “bicchierino”, ossia una zona schiacciata della superficie di rotolamento.  Formazione di un reticolo cristallino formato da grani più fini che conferiscono alla sezione maggior resistenza.  Minor rischio di errori da parte dell’operatore nel valutare la temperatura di preriscaldo. 3.2 Brevetti omologati RFI Sempre la normativa RFI ha omologato, 3 diverse metodologie per effettuare saldature alluminotermiche dei binari. Vediamole brevemente:  KLK. E’ una procedimento brevettato da una azienda statunitense, la KLK Welding. Formalmente l’azienda utilizza i due modi di pre-riscaldamento descritti nel paragrafo precedente e una tecnica e delle attrezzature del tutto simile a quelle utilizzate in Europa.  RAILTECH. Questo sistema è stato brevettato dalla RailTech International, azienda francese che opera in campo ferroviario e che si occupa di posare e manutenere l’infrastruttura ferroviaria.  THERMIT ITALIANA. In quanto di proprietà di un’azienda italiana, il brevetto Thermit è anche quello più utilizzato sulle nostre reti ferroviarie. Contempla, come i precedenti brevetti, sia il procedimento PRA che il PRL. Gli addetti alle saldature alluminotermiche in Italia sono addestrati e patentati alla realizzazione di giunzioni secondo questo brevetto. 7
    • 4 Acciai da Rotaia Le rotaie utilizzate per armamenti ferroviari, hanno caratteristiche meccaniche e di resistenza diverse in funzione sia della loro sezione, sia della lega metallica che le compongono. Quest’ultima infatti, oltre a contenere basse percentuali di Carbonio, è composta da piccole quantità di Manganese, Silice, Cromo, Fosforo e Zolfo. L’aggiunta di questi ultimi elementi conferisce alla lega, maggior durezza e più alti carichi di rottura. Durezza Composizione chimica (%) Carico tavola di Tipo di di Allungamento rotolamen acciaio rottura (%) C Mn Si Cr P S to (MPa) (HB) 0.05- Max Max 700 0.4 – 0.6 0.8-1.25 - 680-830 Min 14 200-240 0.35 0.05 0.05 Max Max 900 A 0.6 – 0.8 0.8 – 1.3 0.1 – 0.5 - 880-1030 Min 10 260-300 0.04 0.04 900 A (con Max Max perlitizzazion 0.6 – 0.8 0.8-1.3 0.1 – 0.5 - >1180 Min 9 330-390 0.04 0.04 e fine) Max Max 1100 0.6-0.82 0.8-1.3 0.3 – 0.9 0.8 – 1.3 0.03 0.03 >1080 Min 9 320-360 Tabella 1 - Composizione chimica acciai da rotaia In Tabella 1 possiamo individuare per ogni tipologia di acciaio, le percentuali di riferimento degli elementi di lega, il carico di rottura e il corrispondente allungamento e infine la durezza della tavola di rotolamento misurata su campioni di materiale per mezzo di una Prova di Microdurezza, misurata in Brinell (HB). Quest’ultima prova viene effettuata mediante un penetratore sferico di dimensioni standardizzate, appoggiato sul piano di rotolamento e caricato da un carico P. La prova termina quando la profondità dell’impronta raggiunge un determinato valore. L’indice di durezza HB si misura come: , dove D = diametro del penetratore d = diametro dell’impronta P = carico di prova Quando si procede al ripristino della continuità di un binario, per mezzo di una saldatura, è importante aver presente quale sia il tipo di acciaio del binario madre per poter adottare una miscela di porzioni saldanti adatte allo specifico caso. La qualità di una saldatura è quindi testimoniata non solo dalla buona preparazione degli addetti, ma anche dalla qualità delle porzioni saldanti, che devono alla fine dare un risultato metallurgicamente molto simile all’acciaio madre delle rotaie. 8
    • A questo proposito l’azienda Elektro-Thermit Goldschmidt ha effettuato diverse analisi, sia con microscopio elettronico a scansione sia con prove Brinell. I risultati, riassunti in Figura 4.1, testimoniano i buoni risultati raggiunti dalla tecnologia odierna. Figura 4.1 - Scansione al microscopio e prova MB Nella figura in alto è possibile notare le piccole differenze fra l’acciaio di saldatura (Thermit Steel) e l’acciaio madre (Parent Steel); mentre nella figura in basso sono riportati i valori di HB che testimoniano una minima differenza di durezza, 230 HB per la saldatura e 200-220 HB per l’acciao madre. HAZ in figura equivale alla ZTA. 5 Materiale di consumo Per materiali di consumo si intendono tutti quegli elementi, posti in opera e che insieme alle attrezzature specifiche rendono possibile la reazione chimica, la realizzazione del corretto profilo della rotaia, nonché l’esecuzione delle operazioni in sicurezza per i lavoratori. 5.1 Porzioni saldanti Alla luce di quanto detto nel paragrafo 4 a proposito delle leghe di acciaio per rotaie, è facile comprendere come una miscela di termite realizzata ad hoc, sia in grado di garantire la perfetta adesione e la massima resistenza. Thermit Italiana, per esempio realizza porzioni saldanti costituite dagli elementi fondamentali, ossia ossido di Ferro e Alluminio, con l’aggiunta di Carbonio, Manganese e Silicio. 9
    • Talvolta vengono confezionate porzioni con pezzettini triturati di acciaio dolce (ossia con una percentuale di Carbonio inferiore allo 0.25%), al fine di abbassare la temperatura della reazione fino a 2100°C. Le porzioni saldanti vengono vendute alle aziende appaltatrici che effettuano la lavorazione, in appositi sacchetti stagni di plastica, allo scopo di impedire l’assorbimento di umidità e a un peso variabile fra i 7 e i 17kg. 5.2 Forme di refrattario Le forme di refrattario sono gli elementi che avvolgono le rotaie da saldare e all’interno delle quali viene colata la porzione saldante incandescente. Le forme refrattarie sono costituite da biossido di Silicio e vengono prodotte in appositi stampi per coprire le diverse forme e dimensioni delle rotaie presenti in linea. Questi elementi devono avere le seguenti caratteristiche, per poter essere accettati:  Porosità: la presenza dei pori, garantisce la fuoriuscita dei gas di combustione durante la colata, in modo da scongiurare la formazione di inclusioni di gas nel giunto saldato.  Refrattarietà: devono resistere senza danneggiarsi alle alte temperature.  Resistenza: non devono erodersi sotto l’azione della fiamma di preriscaldamento. 5.3 Fodera di refrattario per crogiolo La fodera è un elemento essenziale di ricoprimento della superficie interna del crogiolo e serve per isolare la reazione dal crogiolo stesso. E’ altamente resistente alle alte temperature, solitamente composta da magnesite, può essere sostituito anche dopo 20 – 25 saldature. 5.4 Tappo autofondente per crogiolo Il tappo autofondente è un elemento che viene inserito sul fondo del crogiolo, prima di versare la porzione saldante. E’ costituito da sabbia silicea e ha una parte centrale in metallo che fonde a una determinata temperatura, più precisamente al completamento della reazione all’interno del crogiolo, lasciando cadere l’acciaio nella forma refrattaria. Il tappo autofondente è stato introdotto solamente in un secondo momento e ha eliminato la necessità di aprire manualmente il crogiolo da parte di un operatore, scongiurando eventuali errori. 5.5 Terra refrattaria Questo materiale plastico è utilizzato nel sistema Thermit Italiana e ha lo scopo di stuccare gli interstizi fra rotaia e forme in modo da evitare la fuoriuscita di gas e materiale saldante. Essa deve essere conservata in sacchetti sigillati. 10
    • 5.6 Candeletta di accensione Al fine di innescare la reazione alluminotermica è necessario avvalersi di una candeletta di accensione, costituita da Perossido di Bario o Perossido di Magnesio. Queste candelette per accendersi necessitano di una temperatura molto bassa, di soli 250°C. Per avviare la reazione è necessario inserire la candeletta per 4-5 cm all’interno della porzione saldante, già versata nel crogiolo, e accenderla. TERRA REFRATTARIA FORMA REFRATTARIA CROGIOLO A BICCHIERE FODERA REFRATTARIA TAPPO AUTOFONDENTE Figura 5.1 - Materiale di consumo e sua collocazione 11
    • 6 Attrezzature In questo paragrafo vengono riportate solo le attrezzature più importanti e indispensabili all’effettuazione delle saldature. Vengono tralasciati di fatto utensili manuali di piccole dimensioni utili ai singoli addetti. 6.1 Troncatrice a disco abrasivo o sega a nastro Il taglio delle rotaie, deve avvenire obbligatoriamente mediante troncatrice a disco, salvo particolari casi previsti dalla normativa RFI. Il taglio, effettuato con troncatrice, risulta infatti ortogonale all’asse delle rotaia e ha la caratteristica di lasciare la superficie liscia e senza grossolani difetti. Vengono utilizzati diverse tipologie di disco, ma tutti devono essere raffreddati mediante liquido refrigerante versato costantemente sulla lama durante il taglio. Il taglio mediante troncatrice a disco abrasivo può essere sostituito dal taglio a cannello, solo nei seguenti casi specifici: a. Taglio delle rotaie in stato di compressione In questi casi non sarebbe possibile utilizzare un mezzo meccanico per il taglio, infatti, la lama rimarrebbe schiacciata a cause degli sforzi di compressione. b. Taglio della rotaia mentre è applicato il morsetto tendi rotaia. In questa situazione risulta impossibile posizionare la troncatrice sui binari a causa della presenza del tendi rotaia. Perciò il taglio può essere eseguito a cannello. c. Operazioni connesse ai deviatoi Anche in questi casi, soprattutto nelle operazioni di varo di un deviatoio, può verificarsi la necessita di un taglio a cannello delle rotaie, a causa del poco spazio a disposizione per fissare la troncatrice. 6.2 Portacrogiolo Il portacrogiolo è l’attrezzo necessario al sostegno del crogiolo a bicchiere al di sopra del giunto da saldare. Esso può essere regolato in altezza tramite l’apposita ghiera, in modo da portare il crogiolo il più vicino possibile alle forme refrattaria, ma senza toccarle. Il porta crogiolo è inoltre fissato e stretto saldamente alle rotaie, per mezzo di un apposito morsetto. Alcuni morsetti, come quelli di Thermit Italiana, di recente fabbricazione, hanno incluso nel loro supporto un perno porta cannello di preriscaldamento. Questo sistema agevola la lavorazione degli addetti, che in questo modo devono montare, nelle fasi preliminari della lavorazione, il solo portacrogiolo. 6.3 Crogiolo tradizionale Il crogiolo è quel particolare contenitore dove avviene la reazione alluminotermica e dove si forma l’acciaio e la scoria da eliminare. Esso è costituito da 3 parti fondamentali: un parte inferiore Figura 6.1 – Foto Crogiolo Tradizionale tronco conica, la quale svolge la funzione di un imbuto per versare all’interno della forma 12
    • refrattaria i prodotti della reazione; un anello per aumentare il volume del contenitore; un coperchio forato, che evita la proiezione di materiale incandescente all’esterno. Figura 6.2 - Sezione trasversale del crogiolo. Fasi di reazione e colata In Figura 6.2 è possibile notare la posizione del crogiolo e i prodotti della reazione alluminotermica, partendo dall’alto, la scoria di ossido di alluminio Al 2O3 (slag), la forma refrattaria (mould plug) e l’acciaio puro (Thermit Steel). 6.4 Crogiolo Mono-uso Oltre ai crogioli tradizionali, sono stati recentemente introdotti i crogioli mono-uso. Questi sono dei contenitori dotati di manico e quindi facilmente trasportabili che non vanno assemblati, né protetti da fodera interna, già presente nel contenitore. La Goldschmidt Groupe, ma anche le altre aziende produttrici di porzioni saldanti, distribuiscono, ad oggi, diverse tipologie di crogioli mono-uso adatti a qualsiasi tipo di rotaia e di acciaio. Figura 6.3 - Crogiolo mono-uso Inoltre, al fine di limitare le emissioni di gas, dannose per la salute degli operatori, Thermit ha ideato un dispositivo supplementare, da collocare al di sopra del crogiolo, che funge da filtro e che può essere utilizzato anche per 2 volte consecutive. Figura 6.4 - Filtro supplementare 13
    • 6.5 Portascorie Le vaschette porta scorie sono contenitori aperti, di piccole dimensioni, che vanno fissati opportunamente al portacrogiolo e avvicinate all’apposito stramazzo della forma dal quale tracimano le scorie della reazione. Sono raffigurate in Figura 6.2, nella sezione di destra. 6.6 Cannello da preriscaldamento Il cannello è utilizzato per preriscaldare le rotaie da saldare. Esso è costituito da due parti essenziali, una parte anteriore denominata lancia con una punta forata dalla quale esce la fiamma e una parte posteriore di impugnatura. La punta della lancia per eseguire saldature tipo Thermit può avere 22 fori (saldature PRL) o 32 fori (saldature PRA). Il cannello vero e proprio è creato appositamente per convogliare fino alla punta la miscela ossipropanica utile al riscaldamento e per questo ad esso sono fissate le tubazioni flessibili per l’immissione dei due gas. Figura 6.5 - Schema di cannello 6.7 Bombole di gas La produzione della fiamma per il preriscaldo (ma anche per il taglio delle rotaie) avviene miscelando due gas, l’ossigeno e il propano. Questi due gas sono contenuti in apposite bombole capaci di resistere alle forti pressioni della carica. Tutte le bombole devono essere dotate di una valvola di chiusura in bronzo alla quale andrà secondariamente fissato il riduttore di pressione.  Bombola dell’Ossigeno L’Ossigeno contenuto nelle bombole deve essere puro al 99%, infatti un contenuto eccessivo di impurità porterebbe ad un taglio ossipropanico di scarsa qualità.  Bombola di Propano Il Propano (C3H8) è un gas conservato nelle bombole d’acciaio a 13-16 atmosfere. Al di sotto di questa pressione e a temperatura ambiente, lo troviamo allo stato gassoso e quindi poco conveniente da trasportare. La fiamma Ossipropanica è composta da 75% di Ossigeno e dal restante 25% da Propano e raggiunge una temperatura di 2720°C. 14
    • 6.8 Altre attrezzature Oltre alle attrezzature precedentemente descritte, per eseguire una corretta saldatura alluminotermica sono necessari altri dispositivi, utili al controllo nelle diverse fasi. Le attrezzature indispensabili sono:  Orologio  per il controllo dei tempi di preriscaldamento  Termometro  necessario per la rilevazione della temperatura prima delle lavorazione, prima di effettuare i tagli ossipropanici e durante il preriscaldamento PRL. In commercio esistono termometri digitali a sonda o a infrarossi senza contatto.  Calibro  utile per misurare la luce della saldatura, l’altezza della punta del cannello dal fungo della rotaia  Riga di acciaio  E’ indispensabile per effettuare l’allineamento delle due testate, in fase di preparazione del giunto, al fine di controllare la planarità della tavola di rotolamento. 7 Fasi operative della saldatura alluminotermica 7.1 Considerazioni preliminari  La saldatura alluminotermica è un processo molto sensibile alle condizioni atmosferiche, prima fra tutte la temperatura ambientale. La Normativa RFI impone il controllo costante della temperatura, al fine di assicurarsi che quest’ultima non scenda al di sotto dei - 5°C per acciaio di tipo 700 e degli 0°C per rotaie dure tipo 900 A.  Per poter effettuare una saldatura alluminotermica è necessario essere in possesso del patentino, rilasciato anche dalle stesse aziende produttrici di porzioni saldanti. Il suddetto patentino viene conseguito seguendo un programma specifico di apprendimento.Per effettuare il taglio delle rotaie basta invece il Certificato di idoneità al taglio delle rotaie, rilasciato da RFI.  Prima di eseguire la saldatura è necessario allentare 40 attacchi a cavallo del giunto (20 da una parte e 20 dall’altra) al fine di non avere eccessive tensioni interne dovute al ritiro longitudinale della saldatura  Occorre altresì verificare che il primo treno passi sulla saldatura non prima di 30 minuti dalla conclusione delle operazioni. 7.2 Fasi 1. Preparazione del giunto Il giunto da saldare va preliminarmente spazzolato e controllato al fine di rilevare eventuali deformazioni o cricche di testata. Le eventuali scorie dovute al taglio vanno rimosse e mediante dei cunei e una mazza si procede all’allineamento dei funghi e delle suole dei due tronchi. L’assetto altimetrico della tavola di rotolamento deve prevedere una cuspide nella luce del giunto, in modo da compensare l’abbassamento dovuto al ritiro della saldatura in fase di raffreddamento. 15
    • L’ampiezza della cuspide deve essere tale che posizionando una riga di acciaio lunga 1,00 m sulla suola (Figura 7.1), si abbia ai lati della riga: - 1 mm di spazio se la luce della saldatura è 25 mm - 1.5 mm se la luce è 50 mm - 2 mm se la luce è 70 mm Figura 7.1 - Allineamento preliminare testate Figura 7.2 - Foto controllo allineamento 2. Montaggio delle dei morsetti e delle forme refrattarie Il montaggio del portacrogiolo e portacannello e dei relativi morsetti è una fase molto delicata. La loro corretta scelta e il loro altrettanto corretto posizionamento sono requisiti necessari per la buona riuscita dell’operazione. CALIBRO Altrettanta cura è richiesta per il posizionamento delle forme refrattarie, le quali necessitano di una preliminare ispezione visiva per controllare che non abbiano cricche o difetti. Dopodiché facendole aderire molto bene alle testate, vanno fissate con l’apposito morsetto. Successivamente si passa alla stuccatura degli interstizi fra le due semiforme e le rotaie. 16 Figura 7.3 - Morsetti SKV Thermit
    • 3. Preriscaldamento Il preriscaldamento delle testate avviene, come specificato nel Paragrafo 3.1, in modalità diverse. Tuttavia, indipendentemente dal processo, si opera inizialmente sistemando bene il cannello e verificando la posizione dei tubi di mandata dei gas lontani dalla fiamma. Successivamente si procede con l’apertura completa delle manopole. La fiamma che si sviluppa all’interno della forma refrattaria deve ritornare all’esterno per una altezza di circa 30 cm. Figura 7.4 - Fiamma di preriscaldo 4. Reazione Alluminotermica Il crogiolo tradizionale a questo punto deve essere già fissato sul proprio alloggiamento, ma ruotato esternamente alla rotaia durante le operazioni di preriscaldamento. Quando pronti, il crogiolo caricato, nell’ordine con tappo autofondente, porzione saldante e innesco, può essere posizionato e allineato proprio al di sopra della forma refrattaria. Il cannello ancora acceso, può essere utilizzato per accendere l’inncesco e dare il via alla reazione (Figura 7.5). L’operatore deve comunque assicurarsi di non avere persone nel raggio di 4 – 5 metri dal crogiolo e subito dopo l’avvio della reazione deve chiudere il crogiolo con l’apposito coperchio. Figura 7.5 - Foto di saldatura alluminotermica eseguita in Stazione Centrale a Milano Come è possibile notare dalla foto precedente, il processo è fortemente esotermico e pertanto rischioso per gli addetti nelle vicinanze. 17
    • L’esperienza Thermit ha anche per questo saputo arricchire i propri prodotti con la categoria di crogioli mono-uso (Sigle Use Crucible), i quali prevedono una reazione molto più contenuta in termini di effetti luminosi e temperature. I dispositivi di questo tipo, insieme a nuove forme refrattarie permettono la massimizzazione della qualità delle saldature e la riduzione di tempi morti. In Figura 7.6 possiamo notare l’abbinamento del crogiolo Thermit con due diverse forme refrattarie che fanno circolare i prodotti nella reazione in versi opposti. Figura 7.6 - Crogioli mono-uso e forme a diverse circolazioni Gli effetti molto più contenuti della reazione utilizzando questi Single Use Crugible, si possono vedere in Figura 7.7. Figura 7.7 - Dall'innesco all'eliminazione delle scorie (Single Use Crucible) La fase conclusiva della reazione è caratterizzata dalle scorie di ossido di alluminio che essendo molto più leggero dell’acciaio di fusione, galleggiando si portano in superficie per essere raccolte nei contenitori portascorie. 5. Smontaggio del portascorie e del crogiolo. A reazione terminata, si può passare all’allontanamento del crogiolo e del portascorie, facendo attenzione poiché sono ancora incandescenti. 18
    • Si lascia a questo punto indisturbata la forma refrattaria per almeno 3 minuti e poi si possono rimuovere i soli morsetti delle forme refrattarie. Figura 7.8 - Forme refrattarie dopo la rimozione del porta forme 6. Rimozione delle forme. Trascorsi altri 6 – 7 minuti è possibile procedere con cautela alla rimozione delle forme refrattarie, inclinandone la parte superiore verso l’esterno controllando allo stesso tempo che l’acciaio si sia solidificato. Allontanando i materiali ad alta temperatura è necessario porre attenzione alle zone in cui vengono depositate, non devono essere di passaggio e devono essere lontane da altri materiali infiammabili. 7. Sgrossatura e smerigliatura della saldatura La fase successiva è quella della tranciatura, sgrossatura e smerigliatura del giunto appena saldato. Quando l’effetto del raffreddamento si fa sentire, testimoniato da una colorazione rosso scura, è necessario precedere alla tranciatura della saldatura in eccesso ai lati della rotaia e sul fungo. Questa lavorazione è effettuata con una troncatrice idraulica (Figura 7.9) Figura 7.9 - Troncatrice idraulica La smerigliatura dovrà essere eseguita una volta tolti i cunei di rialzo, quando la temperatura della saldatura sarà scesa sotto i 100°C. Effettuare l’operazione a temperature elevate, porterebbe ad un eccessivo consumo della saldatura. Questa operazione viene eseguita mediante una mola a tazza appositamente realizzata. Figura 7.10 - Smerigliatura 19
    • 8 Controlli sulle saldature Le saldature eseguite in ambito ferroviario, siano esse alluminotermiche o a scintillio, devono essere controllate al fine di verificare l’assenza di difetti, visivi, geometrici e strutturali:  Il controllo visivo della saldatura può essere fatto nell’immediato, appena terminata la fase di smerigliatura. L’addetto, infatti, verifica l’assenza di difetti superficiali visibili.  Il controllo geometrico va eseguito su ambedue i fianchi del fungo delle rotaie e sulla tavola di rotolamento mediante la riga metallica da un metro e uno spessimetro.  Il controllo strutturale della saldatura è differente in funzione del tipo di saldatura. E’ un controllo svolto in stabilimento e prevede test di fatica, macrografia e durezza della saldatura. 8.1 Controlli in sito RFI prevede tolleranze abbastanza restrittive sull’allineamento dei due tronchi di binario. In sito si possono difatti riscontrare, avvallamenti o cuspidi sulla tavola di rotolamento e disallineamenti dei fianchi. Le suddette tolleranze differiscono in funzione della velocità prevista sulla linea, minore o maggiore dei . CONTROLLO DELLA SUPERFICIE DI ROTOLAMENTO La tavola di rotolamento può presentare una cuspide e in questo caso si dice di avere una saldatura alta. Le tolleranze sono riportate nella figura sottostante: 20
    • Allo stesso modo si può riscontrare una saldatura bassa, ossia un avvallamento in corrispondenza della saldatura: CONTROLLO DEI FIANCHI DEL FUNGO Anche i fianchi del fungo necessitano un controllo di allineamento e i valori di tolleranza di eventuali restringimenti o allargamenti dello scartamento, sono riportati nelle seguenti figure. Massimo restringimento dello scartamento: Massimo allargamento dello scartamento: 21
    • 8.2 Controlli in stabilimento I controlli strutturali in stabilimento sono eseguiti presso laboratori cetificati SINAL o dallo stesso Istituto Sperimentale RFI. PROVA DI FATICA A FLESSIONE La prova di fatica a flessione consiste nel sottoporre lo spezzone di rotaia poggiato con la suola su due appoggi distanti 1,10 m con la saldatura al centro, ad un carico dinamico pulsante, variabile fra 30 e 300 kN (in funzione del tipo di rotaia). La frequenza di prova deve essere compresa fra 8 e 100 Hz. Il campione supera il test se sopporta 2 milioni di cicli senza rompersi e senza mostrare cricche. Figura 8.1 - Posizionamento provino per la prova di flessione La Goldschmidt – Thermit – Groupe a questo proposito ha effettuato prove di flessione, misurando non solo la resistenza a fatica, ma anche la deflessione di campioni di rotaia. I diagrammi Carico – Deflessione (riportati in )registrano andamenti diversi in funzione sia delle caratteristiche del profilo, ma anche delle miscele saldanti adottate. Figura 8.2 - Deflessione Rotaia 54E1 (EN 13674-1) Figura 8.3 - Deflessione Rotaia 60E1 (EN 13674-1) PROVA DI DUREZZA Il secondo importante test è il controllo di durezza Brinell, già precedentemente trattato al Paragrafo 4. 22
    • Secondo Normativa Tecnica RFI questo test va effettuato dopo la prova a fatica se quest’ultima ha avuto esito positivo. Vengono eseguite tre misurazioni trasversali sulla ZF e le distanze fra gli assi delle impronte deve essere di 15 mm come mostrato in Figura 8.4. Figura 8.4 - Localizzazione impronte prova Brinell Delle tre misurazioni se ne fa la media, la quale va confrontata con i valori minimi previsti da RFI: Saldatura su acciaio 700  HB = 230 – 270 Saldatura su acciaio 900 A  HB = 275 – 315 MACROGRAFIA Un ultimo test eseguito in sede di controllo e certificazione è l’esame macrografico, il quale ha lo scopo di esaminare la struttura interna della saldatura e delle ZTA. Lo scopo è quello di determinare quale sia la diversità fra la dimensione dei grani dell’acciaio madre e l’acciaio apportato con il processo di giunzione. Alcuni esami hanno effettivamente rilevato che le porzioni saldanti di ultima generazione tendono a migliorare e ha far scemare la differenza fra le due zone. Un esempio è riportato nelle seguenti foto (Goldschmidt – Thermit – Groupe): Grani fini nella zona fra ZF e ZTA Grani più grossi al confine fra ZTA e MB 23
    • 9 Difetti delle saldature I difetti riscontrabili nelle saldature alluminotermiche sono molti e possono dipendere da diversi fattori. Primo fra tutti difetti di messa in opera e disattenzione alle procedure specifiche da parte degli addetti. Analizziamo nel seguito le diverse tipologie di anomalie rilevabili. 9.1 Buchi neri I buchi neri sono fori isolati che si creano a causa del lento passaggio di singole bolle di gas durante il raffreddamento dell’acciaio. Molto spesso sono causate anche dall’umidità presente nelle forme refrattarie se queste non sono state accuratamente stoccate (Figura 9.1) 9.2 Inclusioni di scorie Dette inclusioni possono essere causate da una non perfetta pulizia e preparazione del giunto da saldare. Per esempio se Figura 9.1 - Buco nero non è stato effettuato un taglio perfetto. Tuttavia possono essere causate anche da un insufficiente preriscaldamento e da una miscela di porzione saldante non corretta. 9.3 Ritiro e lacerazioni Il ritiro della saldatura e la conseguente lacerazione possono verificarsi solitamente nella parte bassa della saldatura, corrispondente alla suola della rotaia, questo perché in questa zona l’acciaio fuso solidifica per ultimo e più lentamente (Figura 9.2). Può essere causato maggiormente da un insufficiente preriscaldamento, da un insufficiente tensione del binario, causata anche da macchinari o lavoratori che lavorano nelle vicinanze sui binari. Infatti prima di applicare un carico anche nelle vicinanze, la saldatura deve raggiungere almeno i 350°C e dalla colata, solitamente trascorrono ben 24 minuti. Figura 9.2 - Ritiro della saldatura 9.4 Fusione delle forme o della pasta refrattaria La comparsa di piccoli fori sul piano del ferro (Figura 9.3), testimoniano che la fiamma del cannello per il preriscaldamento è venuta in contatto, bruciando una porzione di forma refrattaria. Questi difetti possono essere rimossi solitamente con una smerigliatura adeguata. Figura 9.3 - Fusione materiale refrattario 24
    • 9.5 Disallineamento forme refrattarie Il disallineamento delle forme può causare la non corretta fusione di alcune area, solitamente quelle basse della rotaia. In queste aree infatti può venire a mancare il materiale di fusione. E’ importante, al fine di evitare simili difetti, allineare correttamente nella mezzeria del giunto le forme e assicurarsi che siano ben fissate. Figura 9.4 - Disallineamento forme 9.6 Porosità La porosità è maggiormente riscontrabile solamente all’interno della saldatura, per questo non facilmente rilevabile ad occhio nudo. La pericolosità di questo difetto è essenzialmente di ridurre in maniera significativa la capacità portante della sezione, creando un pericolo per la circolazione. Figura 9.5 – Porosità Al fine di evitare questo anomalia è necessario preriscaldare le forme refrattarie per far evaporare l’umidità, preriscaldare adeguatamente le testate e assicurarsi di aver conservato adeguatamente le porzioni saldanti. 25
    • 10 Bibliografia Goldschmidt – Thermit – Groupe “Elektro – Thermit SoW5” Goldschmidt – Thermit – Groupe “Elektro-Thermit 90 Jahre lückenloses Gleis” Goldschmidt – Thermit – Groupe “Silence at speed 3” Goldschmidt – Thermit – Groupe “Elektro-Thermit SkV Elite” Goldschmidt – Thermit – Groupe “EuroTIEGEL – Single Use Crugible” Thermit Welding (GB) Ltd. “The Thermit® SkS Process” Thermit Welding (GB) Ltd. “The Thermit® SkV-E Welding Process, with Single Use Crucible (SUC)” ARTC – Australian Rail Track Corporation Ltd “Aluminothermic Welding Manual” (2007) RailTech – Delachaux Group “Good practice in welding with PLA” RailTech – Delachaux Group “Process Manual Railtech PLA” Welding Technology Institute of Australia “Aluminothermic Weld Defects” (2006) Thermit “Welding Methods – General Products Information” Rolf PLOTZ GmbH – “Le nuove forme refrattarie” RFI Rete Ferroviaria Italiana “Norme Tecniche per la saldatura in opera di rotaie eseguite con i procedimenti allumino termici ed elettrico a scintillio” RFI Rete Ferroviaria Italiana “Kit completo per sistemi di saldatura alluminotermica” Lucchini S.p.A. “Rotaie e laminati per armamento ferroviario” 26