Collegamenti fissi - saldature, chiodature e incollaggi

Prima: Sezioni, tratteggi e convenzioni di rappresentazioneUna sezione mostra l'interno di un pezzo: si taglia con un piano (traccia in linea mista, grossa agli estremi, con frecce e lettere A-A), si toglie la parte davanti e si disegna ciò che resta; la parte tagliata si tratteggia con linee sottili a 45 gradi a passo costante (stesso pezzo, stesso tratteggio; pezzi adiacenti in direzione opposta). Tipi: totale, a piani paralleli, a piani concorrenti, mezza sezione (pezzi simmetrici), parziale, ribaltata in loco (contorno sottile) e traslata. Per convenzione non si tratteggiano, se tagliati nel senso della lunghezza, viti, bulloni, dadi, perni, spine, chiavette, rivetti, alberi pieni, sfere, rulli, nervature, razze e denti. Altre convenzioni: viste interrotte, semi-viste, elementi ripetuti, intersezioni fittizie, superfici piane con diagonali.Sezioni, tratteggi e convenzioni di rappresentazione →, Quotatura - elementi, regole e disposizione delle quoteLa quotatura (ISO 129) scrive sul disegno tutte e sole le misure necessarie a costruire e controllare il pezzo. Una quota è fatta da linea di misura (continua sottile con frecce), linee di richiamo (perpendicolari, sporgono 1-2 mm), cifra (altezza 3,5 mm, letta dal basso o da destra), linee di riferimento e simboli (Ø, R, SØ, □, t=, 4×). Regole: ogni quota una sola volta, fuori dalle viste, quelle piccole più vicine al contorno (circa 10 mm dal contorno, circa 7 mm tra loro), mai su linee nascoste, mai assi o contorni come linee di misura, nessuna quota ridondante. Disposizioni: in serie, in parallelo (da un riferimento), progressiva, combinata, per coordinate.Quotatura - elementi, regole e disposizione delle quote →. Collegamenti smontabili: Collegamenti filettati - filettature, viti, dadi e rappresentazioneUna filettatura è un piano inclinato avvolto a elica: la vite trasforma la coppia di serraggio in una forza assiale di precarico che tiene unite le parti per attrito. Il profilo metrico ISO ha angolo di 60 gradi, si designa M10 (passo grosso) o M10x1,25 (passo fine), e l'area resistente As usa il diametro medio tra d2 e d3. Il precarico si porta al 75% del carico di prova Sp di una vite di classe 8.8 (Sp = 580 MPa); la coppia vale circa 0,2 F d. Nel disegno la cresta è una linea grossa, il fondo una linea sottile.Collegamenti filettati - filettature, viti, dadi e rappresentazione →. Esercizi: Esercizio - cordoni d'angolo di una staffa saldata e lettura del simbolo, Esercizio - giunto chiodato a sovrapposizione e modi di rottura, Esercizio - giunto incollato a sovrapposizione e scelta del collegamento fisso.

Collegamenti fissi e smontabili

Un collegamento smontabile (viti, spine, linguette) si apre senza danneggiare i pezzi. Un collegamento fisso o stabile invece si separa solo distruggendo l'elemento di unione o i pezzi. Si sceglie un collegamento fisso quando sono richieste tenuta, rigidezza continua, risparmio di peso o di costo in serie, e non serve smontare. I principali sono saldatura, brasatura, chiodatura e incollaggio.

Saldatura

La saldatura unisce due pezzi metallici fondendo localmente i lembi (di solito con metallo d'apporto) in modo che si solidifichino insieme. Il giunto è continuo, rigido e tenace come il metallo base, a patto di lavorare bene.

Processi più comuni

I numeri sono i codici ISO 4063, che si scrivono in coda al simbolo:

La brasatura e la saldobrasatura uniscono con un metallo d'apporto che fonde a temperatura minore del metallo base e che non lo fonde: i giunti sono meno resistenti, ma si evitano le distorsioni e si possono unire materiali diversi.

Tipi di giunto e di cordone

Le posizioni relative dei due pezzi danno i giunti: testa a testa, a T, a L (o d'angolo), a sovrapposizione, a lembi. I cordoni (la saldatura in sé) sono di due famiglie:

• di testa (a completa o parziale penetrazione): i lembi sono prima preparati (smussati) per permettere al metallo di raggiungere tutto lo spessore. Per spessori fino a circa $3$-$4$ mm basta il giunto a lembi dritti (I); poi si lavorano lembi a V, a mezza V, a U, a doppia V (X); più il pezzo è spesso, più la preparazione deve essere profonda. La sezione resistente del cordone di testa è la sezione del pezzo più sottile.
• d'angolo: un cordone di sezione approssimativamente triangolare tra due superfici che formano un angolo (spesso $90^\circ$), senza preparazione dei lembi. È il più semplice e il più usato.

Il cordone d'angolo: geometria e calcolo

Il triangolo ha due lati uguali di lunghezza $z$ (il lato), e la altezza di gola $a$ è l'altezza del triangolo rispetto all'ipotenusa: $$a = \frac{z}{\sqrt 2} = 0{,}707\,z$$ Esempio. $z = 6$ mm dà $a = 4{,}24$ mm. Normalmente si scrive $a$ nel disegno ($a4$, $a5$) e il saldatore ricava $z$.

Alle estremità del cordone il metallo non penetra bene (crateri): la lunghezza che porta il carico è $$l_{eff} = l - 2a$$

La sezione di gola (la sezione piana attraverso l'altezza di gola, lungo il cordone) ha area $a\, l_{eff}$ ed è quella che si considera a rottura. Per un cordone parallelo alla forza (cordone laterale, che lavora a taglio):

Formula (cordoni laterali, sollecitazione di taglio). $$\tau = \frac{F}{\sum a_i\, l_{eff,i}} \le \tau_{adm}$$ dove la somma è estesa a tutti i cordoni che portano la forza. $\tau_{adm}$ dipende dal materiale base e dal metodo (la norma di calcolo dà il valore); negli esercizi è dato.

Metodi di calcolo più raffinati (norme strutturali) tengono conto delle componenti normali e tangenziali sulla gola; qui si usa la verifica semplificata a taglio, che è quella dei corsi di base.

Esempio svolto. Una piastra tirata da $F = 50$ kN è saldata con due cordoni laterali di altezza di gola $a = 4$ mm e lunghezza $l = 100$ mm. $l_{eff} = 100 - 2\cdot 4 = 92$ mm: $$\tau = \frac{50\,000}{2\cdot 4\cdot 92} = 67{,}9\ \text{MPa}.$$

Difetti e controlli. Porosità (gas intrappolato), mancanza di fusione o penetrazione, inclusioni di scoria, cricche (a caldo o a freddo), incisioni marginali. Le zone saldate hanno tensioni residue e distorsioni per la contrazione del metallo. Si controllano con esame visivo, liquidi penetranti, magnetoscopia (solo ferromagnetici), ultrasuoni e radiografia per i difetti interni.

Rappresentazione delle saldature (ISO 2553)

Il simbolo ha quattro parti:

1. linea di richiamo (freccia): tocca il giunto e indica la saldatura;
2. linea di riferimento: una linea continua orizzontale a cui è attaccata la freccia, con sotto una linea tratteggiata (linea di identificazione);
3. simbolo elementare: la forma della saldatura (V, mezza V, I, U, triangolo per il cordone d'angolo, ecc.);
4. dati dimensionali e complementari.

La posizione del simbolo rispetto alla linea di riferimento dice da che lato è la saldatura:

• simbolo dalla parte della linea continua: saldatura dal lato della freccia (il lato del giunto che la freccia tocca);
• simbolo dalla parte della linea tratteggiata: saldatura sul lato opposto alla freccia;
• simbolo da entrambe le parti: saldatura da entrambi i lati.

Le dimensioni si scrivono davanti al simbolo (a sinistra) per le grandezze trasversali e dietro (a destra) per quelle longitudinali:

• $a$ seguita dal valore: altezza di gola ($a4$); $z$ seguita dal valore: lato ($z6$);
• dopo il simbolo, la lunghezza $l$ del cordone (per esempio $100$); per i cordoni intermittenti $n \times l\ (e)$: $n$ tratti di lunghezza $l$ con interasse $e$;
• un cerchio sull'intersezione di freccia e riferimento: saldatura tutt'attorno al pezzo; una bandierina: saldatura da eseguire in cantiere;
• nella forcella in coda (all'estremità della linea di riferimento) si scrive il codice del processo (per esempio $135$) e altre indicazioni.

Per esempio la sequenza "$a4\ \triangleright\ 100$" dalla parte della linea continua con codice $135$ in coda si legge: cordone d'angolo, altezza di gola $4$ mm, lunghezza $100$ mm, dal lato della freccia, processo MAG. Se lo stesso simbolo è ripetuto anche dalla parte del tratteggio, il cordone è su entrambi i lati.

In sezione (o in vista) la saldatura si può rappresentare con il suo contorno, ingrandito, accanto al simbolo; nelle tavole d'assieme si usa solo il simbolo.

Chiodatura

Il rivetto è un cilindro con una testa; si inserisce in due fori coassiali e si ribatte l'altra estremità, formando una seconda testa. Lega le lamiere con un collegamento fisso, senza fusione: ancora usato in aeronautica, costruzioni metalliche leggere, caldaie storiche. Rappresentati con simboli convenzionali (UNI EN ISO 5845).

Tipi di giunto: a sovrapposizione (le lamiere si sovrappongono: rivetti a taglio semplice) e a coprigiunto (le lamiere sono accostate e coperte da una o due piastre: rivetti a taglio semplice o doppio). Le file di rivetti possono essere una, due o più.

Verifica

Si considera che ogni rivetto porti la stessa quota del carico $F$ e si controllano tre modi di rottura (più il quarto, di tipo geometrico):

1. Taglio del rivetto (area del foro, perché il rivetto riempie il foro dopo la ribaditura; $n$ rivetti, $m$ sezioni di taglio per rivetto): $$\tau = \frac{F}{n\, m\, \dfrac{\pi d_f^2}{4}} \le \tau_{adm}$$
2. Rifollamento (pressione di contatto tra il gambo e la parete del foro nella lamiera, area proiettata $d_f\, t$): $$\sigma_b = \frac{F}{n\, d_f\, t} \le \sigma_{b,adm}$$
3. Trazione della lamiera nella sezione netta (indebolita dai fori; $w$ larghezza, $k$ numero di fori allineati): $$\sigma_t = \frac{F}{(w - k\,d_f)\,t} \le \sigma_{t,adm}$$
4. Strappo del bordo: distanza dal bordo $e \ge 1{,}5\,d_f$ e passo $p \ge 3\,d_f$ (valori usati di norma per evitare lo strappo e l'ostruzione tra i rivetti).

Il rendimento del giunto è il rapporto tra il carico massimo del giunto e quello della lamiera intera: $\eta = F_{max}/(\sigma_{t,adm}\,w\,t)$.

Esempio svolto. Lamiere di spessore $t = 8$ mm, larghezza $w = 120$ mm, tre rivetti in una fila con foro $d_f = 13$ mm (taglio semplice), $\tau_{adm} = 80$ MPa, $\sigma_{b,adm} = 160$ MPa, $\sigma_{t,adm} = 100$ MPa. Area del foro: $\frac{\pi\cdot13^2}{4} = 132{,}7\ \text{mm}^2$.

• taglio: $F_{max} = 80\cdot3\cdot132{,}7 = 31{,}9$ kN;
• rifollamento: $F_{max} = 160\cdot3\cdot13\cdot8 = 49{,}9$ kN;
• trazione: sezione netta $(120 - 3\cdot13)\cdot8 = 648\ \text{mm}^2$, $F_{max} = 100\cdot648 = 64{,}8$ kN. Il carico massimo è quello minore: $31{,}9$ kN (taglio dei rivetti), rendimento $31{,}9/(100\cdot120\cdot8/1000) = 0{,}33$ (la lamiera intera reggerebbe $96$ kN). Le distanze sono rispettate: servono $2\cdot1{,}5\,d_f + 2\cdot3\,d_f = 117\ \text{mm} \le 120$.

Incollaggio

L'incollaggio strutturale unisce i pezzi con un adesivo (epossidico, acrilico, poliuretanico, cianoacrilato per piccoli pezzi). Vantaggi: unisce materiali diversi (metalli, plastiche, compositi, vetro), distribuisce il carico su tutta l'area (niente fori né concentrazioni di tensione), non altera il materiale (nessun riscaldamento), sigilla. Svantaggi: richiede preparazione delle superfici (sgrassaggio, irruvidimento, a volte primer), tempi di indurimento, bassa resistenza alla temperatura e all'invecchiamento, controllo difficile, non smontabile.

L'adesivo lavora bene a taglio (giunto a sovrapposizione) e a compressione, male a trazione e male a pelatura (carico che apre il giunto da un bordo, concentrando tutta la forza su una striscia stretta). Un buon progetto fa lavorare l'adesivo a taglio:

Formula (giunto a sovrapposizione, taglio medio). $$\tau_m = \frac{F}{b\, l} \le \tau_{adm} = \frac{\tau_u}{\nu}$$ con $b$ larghezza, $l$ lunghezza della sovrapposizione, $\tau_u$ resistenza a taglio dell'adesivo, $\nu$ coefficiente di sicurezza (alto, $3$ o più). In realtà la tensione non è uniforme: è massima alle due estremità della sovrapposizione, anche del doppio della media, e allungare troppo la sovrapposizione non porta vantaggi.

Esempio svolto. Resina epossidica con $\tau_u = 20$ MPa e $\nu = 3$: $\tau_{adm} = 6{,}67$ MPa. Larghezza $b = 25$ mm, forza $F = 4$ kN: $l = \dfrac{F}{b\,\tau_{adm}} = \dfrac{4000}{25\cdot6{,}67} = 24{,}0$ mm.

Come scegliere

Calcolo con Python

from math import pi, sqrt

# cordoni d'angolo laterali
z = 6.0
a = z / sqrt(2)                    # altezza di gola
l = 100.0
l_eff = l - 2 * a
print(f"a = {a:.2f} mm,  l_eff = {l_eff:.1f} mm,  tau = {50000 / (2 * 4 * (100 - 8)):.1f} MPa (a = 4, l = 100)")

# giunto chiodato: tre modi di rottura
df, n, t, w = 13.0, 3, 8.0, 120.0
Fs = 80 * n * pi * df**2 / 4        # taglio
Fb = 160 * n * df * t               # rifollamento
Ft = 100 * (w - n * df) * t         # trazione sezione netta
print(f"taglio {Fs/1000:.1f} kN, rifollamento {Fb/1000:.1f} kN, trazione {Ft/1000:.1f} kN -> min {min(Fs, Fb, Ft)/1000:.1f} kN")

Output:

a = 4.24 mm,  l_eff = 91.5 mm,  tau = 67.9 MPa (a = 4, l = 100)
taglio 31.9 kN, rifollamento 49.9 kN, trazione 64.8 kN -> min 31.9 kN

Errori comuni

• Usare $l$ invece di $l - 2a$ per la lunghezza efficace del cordone.
• Confondere il lato $z$ con l'altezza di gola $a$: $a = 0{,}707\,z$.
• Scambiare i lati del simbolo: la parte della linea continua è il lato della freccia, quella del tratteggio il lato opposto.
• Nella chiodatura usare il diametro del rivetto invece del foro, o dimenticare la sezione netta della lamiera.
• Caricare l'adesivo a pelatura o trazione invece che a taglio.

Domande d'esame

1. Che cos'è l'altezza di gola di un cordone d'angolo? L'altezza del triangolo di sezione relativa all'ipotenusa; vale $0{,}707\,z$. La sezione resistente è $a\,l_{eff}$.
2. Dove si mette il simbolo di saldatura per indicare il lato opposto alla freccia? Dalla parte della linea tratteggiata di identificazione.
3. Quali sono i tre modi di rottura di un giunto chiodato? Taglio del rivetto, rifollamento della lamiera, trazione della sezione netta della lamiera (più strappo del bordo).
4. Perché l'incollaggio deve lavorare a taglio? L'adesivo è resistente a taglio e debole a trazione e pelatura.