Controllo dell’apporto termico nella saldatura di tubazioni duplex: prevenzione dell’indurimento da fase sigma nella zona termicamente influenzata (HAZ)

Se saldate acciai inossidabili duplex o super duplex (DSS/SDSS), camminate su una fune. Se la temperatura è troppo bassa, si ottiene un eccesso di ferrite e una perdita di tenacità. Se è troppo alta, si favorisce il killer silenzioso delle saldature duplex: Indurimento da fase sigma (σ) nella zona termicamente influenzata (HAZ).

La fase sigma è un composto intermetallico che rende le saldature fragili e ne distrugge la resistenza alla corrosione. Sebbene si formi nel materiale base a seguito di un trattamento termico non corretto, nella saldatura è una conseguenza diretta di una gestione inadeguata controllo del calore immesso .

Questo articolo fornisce un'analisi tecnica approfondita su come regolare l'apporto termico per prevenire la formazione della fase sigma nella saldatura di tubi duplex, garantendo così l'integrità meccanica e la resistenza alla corrosione localizzata.

Il problema: perché si forma la fase sigma nella zona influenzata dal calore (HAZ)

La precipitazione della fase sigma avviene quando la zona influenzata dal calore (HAZ) del cordone di saldatura è esposta a temperature comprese approssimativamente tra 600 °C e 950 °C per un tempo eccessivo . Nella microstruttura duplex, la fase sigma si nuclea principalmente alle interfacce ferrite/austenite. Cresce consumando la ferrite (δ), ricca di cromo e molibdeno: proprio questi elementi conferiscono al materiale duplex la sua resistenza alla corrosione. .

Il meccanismo è eutettoide: δ → σ + γ₂ (austenite secondaria) . Man mano che la fase sigma si forma, estrae cromo e molibdeno dalla matrice circostante. Una volta precipitata, la rimozione della fase sigma richiede un trattamento completo di ricottura in soluzione (1050–1100 °C), operazione impraticabile per lunghi tratti di tubazione. nello stato saldato, la fase sigma è una fase dura e fragile che riduce drasticamente la tenacità all’urto e la resistenza alla corrosione localizzata.

La variabile principale: apporto di calore e velocità di raffreddamento (t12/8)

Sebbene la composizione chimica sia fondamentale, il ciclo termico ne costituisce l’attivatore. Lo standard di settore per la misurazione di tale parametro è il tempo di raffreddamento da 1200 °C a 800 °C (t12/8) . Questo intervallo copre la finestra critica sia per la formazione dell’austenite sia per la precipitazione della fase sigma.

Per evitare la formazione della fase sigma pur mantenendo l’equilibrio tra le fasi, in genere è necessario un valore di t12/8 compreso tra 8 e 15 secondi . Se t12/8 supera circa i 15 secondi (ciò che avviene con un elevato apporto di calore), si corre il rischio di precipitazione della fase sigma. .

Per un acciaio duplex al 22 % Cr (come il 2205), l’apporto di calore raccomandato per la saldatura di tubazioni varia tipicamente tra 0,5 kJ/mm e 2,5 kJ/mm per spessori di parete compresi tra 10 e 15 mm tuttavia, studi recenti suggeriscono che questi limiti non sono statici; essi variano in base allo spessore della parete e alla geometria del giunto.

Nuove prospettive: lo spessore della piastra modifica le regole

Una ricerca recente mette in discussione l'assunzione secondo cui «un elevato apporto di calore è sempre negativo». Uno studio del 2025 sulla saldatura di lamiere spesse in acciaio duplex ha dimostrato che, per lamiere con spessore superiore a 10 mm, il limite superiore dell’apporto di calore aumenta significativamente. .

• Per tubi a parete sottile (< 10 mm): La dissipazione lenta del calore mantiene la zona termicamente influenzata (HAZ) a temperature elevate. L’utilizzo di calcoli standard dell’apporto di calore è fondamentale per evitare perforazioni o surriscaldamento.

• Per tubi a parete spessa (> 14 mm): La massa del tubo agisce come un enorme pozzo di calore, allontanando rapidamente il calore. In questi casi, è necessario un apporto di calore più elevato per ottenere una corretta fusione e la formazione di austenite. Lo studio ha confermato che, con lamiere da 20 mm di spessore, sono stati utilizzati apporti di calore pari a 5 kJ/mm e 7 kJ/mm senza alcuna precipitazione di sigma nella zona termicamente influenzata (HAZ) .

Da portare via: È necessario calcolare l'apporto di calore in relazione allo spessore del materiale. Maggiore è lo spessore del tubo, maggiore può essere l'apporto di calore "sicuro", poiché la velocità di raffreddamento rimane sufficientemente elevata da evitare la regione della curva TTT corrispondente alla precipitazione della fase sigma.

La sfida dei super duplex (gradi al 25% Cr)

Nella saldatura di acciai super duplex (ad esempio 2507, Zeron 100), il margine di errore si riduce. Questi materiali con tenore più elevato di leganti presentano una maggiore forza motrice per la precipitazione della fase sigma.

• Sensibilità del passo di radice: Nella saldatura di tubi, il passo di radice è particolarmente vulnerabile. Studi indicano che il passo di radice dovrebbe essere eseguito con un più alto apporto di calore (superiore a 1,0 kJ/mm) rispetto ai primi passi successivi. Perché? Un apporto di calore basso nel passo di radice può causare la precipitazione di nitruro di cromo sulla superficie interna a causa della mancanza di riscaldamento successivo. .

• Idoneità all'uso: Sebbene le specifiche richiedano spesso una percentuale nulla di fase sigma, la realtà industriale (in particolare nei progetti del Mare del Nord nel Regno Unito) mostra che una limitata presenza di fase sigma nella zona termicamente alterata (HAZ) a bassa temperatura (2-5 mm dalla linea di fusione) può talvolta essere tollerata. Alcuni studi hanno accettato fino a 2,5% in frazione volumetrica di fase sigma nell’HAZ, purché vengano superati i test di tenacità alla frattura CTOD (Crack Tip Opening Displacement) e i test di corrosione ASTM G48 . Tuttavia, questo rappresenta un limite di qualifica, non un obiettivo produttivo.

Linee guida pratiche per l’ingegnere della saldatura

Per prevenire la formazione della fase sigma nelle saldature di tubi duplex, occorre andare oltre le generiche regole di "basso apporto termico". Applicare i seguenti controlli:

1. Gestire la temperatura tra i passaggi

La fase sigma si accumula progressivamente. Aggiungendo ulteriori passaggi, la zona termicamente alterata (HAZ) dei passaggi precedenti viene nuovamente riscaldata nella cosiddetta zona pericolosa (700-900 °C). È pertanto necessario limitare rigorosamente la temperatura tra i passaggi. Per i materiali super duplex (25% Cr), la temperatura massima tra i passaggi è generalmente 150°C  . Per i duplex standard con 22% Cr, il valore limite è solitamente di 200 °C .

2. Evitare la trappola dei "molti passaggi di piccole dimensioni"

Può sembrare controintuitivo, ma l'uso di un elevato numero di passate con basso apporto di calore può essere più pericoloso rispetto a un numero minore di passate più ampie. Ogni piccola passata riscalda nuovamente la zona termicamente alterata (HAZ) precedente, invecchiando di fatto il materiale e favorendo la precipitazione delle fasi sigma e chi (χ). .

• Strategia: Utilizzare una sequenza di saldatura che minimizzi il numero di cicli termici su qualsiasi area specifica della zona termicamente alterata (HAZ).

3. Bilanciare i numeri ferritici

La fase sigma si forma più facilmente nella ferrite. Se il contenuto ferritico della vostra zona termicamente alterata (HAZ) supera il 70–75%, il rischio di precipitazione della fase sigma aumenta drasticamente, poiché è disponibile una maggiore quantità di ferrite instabile soggetta a trasformazione.

• Assicurarsi che il gas di protezione e i metalli d’apporto favoriscano un’adeguata riformazione dell’austenite. I metalli d’apporto a base di nichel sono utili, ma occorre prestare attenzione: un contenuto più elevato di Ni allarga l’intervallo di temperature in cui avviene la formazione della fase sigma. .

4. Calcolare l’apporto di calore efficace

Non basarsi sull’istinto. Utilizzare la seguente formula:

$$\text{Apporto termico (kJ/mm)}=\frac{\text{Tensione (V)}\times \text{Corrente (A)}\times 60}{\text{Velocità di avanzamento (mm/min)}\times 1000}$$

Per i processi GTAW (TIG), ricordarsi di tenere conto del fattore di efficienza termica (η), che è tipicamente pari a circa 0,6 per il TIG. .

Conclusione

L'indurimento da fase sigma è un modo di rottura prevenibile. È un segnale che il cordone di saldatura ha subito troppo calore per troppo tempo, sia a livello globale (elevato apporto termico in tubi sottili) che locale (ripassaggi multipli con passate piccole).

La saldatura moderna di tubi duplex richiede un passaggio dal semplice "seguire la procedura di saldatura qualificata (WPS)" alla comprensione della storia termica . Controllando i tempi di raffreddamento t12/8, rispettando i limiti di temperatura tra le passate e adeguando l'apporto termico allo spessore effettivo della parete del tubo, è possibile ottenere microstrutture nella zona termicamente influenzata (HAZ) prive di fase sigma, tenaci e resistenti alla corrosione.