Fattibilità della saldatura orbitale per attrito su tubi rivestiti di acciaio API X65 e Inconel 625

Mar 25, 2024

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 10669 (2023) Citare questo articolo

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La saldatura orbitale per attrito (FSW) è stata applicata ai tubi rivestiti, il che è sicuramente di interesse per l'industria del petrolio e del gas. In questo contesto, è stato sviluppato un sistema FSW in grado di eseguire giunzioni solide in un unico passaggio con piena penetrazione dell'utensile. Il FSW orbitale è stato eseguito in tubi rivestiti in acciaio API X65 PSL2 di 6 mm di spessore con Inconel 625 di 3 mm di spessore utilizzando uno strumento di nitruro di boro cubico policristallino (pcBN). Sono state studiate le proprietà metallurgiche e meccaniche dei giunti. Sono stati ottenuti giunti sani con forze assiali di 45–50 kN, velocità di rotazione dell'utensile di 400–500 giri/min e una velocità di saldatura di 2 mm/s, dimostrando che il sistema sviluppato può eseguire giunti FSW senza difetti volumetrici.

Le principali sfide dell’industria del petrolio e del gas sono legate all’esplorazione di pozzi profondi e ultraprofondi, che presentano un ambiente aggressivo con sale e gas come H2S e CO2. In questo contesto, l'utilizzo di tubi in acciaio al carbonio rivestiti in una lega resistente alla corrosione (CRA) si è rivelata un'opzione adatta per soddisfare i requisiti di progettazione a bassi costi di produzione1,2,3. Tuttavia, la saldatura di tubazioni attualmente utilizzata dall'industria petrolifera e del gas, come la saldatura basata sulla fusione, spesso comporta temperature elevate e può causare problemi metallurgici a causa di giunti dissimili (ad esempio, tubi rivestiti), con conseguente fessurazione da solidificazione, microstrutture dure all'estremità interfaccia, elevate tensioni residue a trazione ed eccessiva diffusione del carbonio che possono compromettere le prestazioni del giunto4,5.

La saldatura orbitale per attrito (FSW), un processo di giunzione allo stato solido, è riconosciuta come un'alternativa adeguata che ha il potenziale di ridurre al minimo le sfide tipicamente riscontrate nella saldatura basata sulla fusione poiché viene eseguita a temperature più basse e tempi di lavorazione più brevi, il che si traduce nel ridotto apporto energetico, evitando (o minimizzando) la maggior parte dei problemi sopra menzionati6,7. FSW utilizza l'energia di attrito prodotta tra i materiali da unire e uno strumento rotante non consumabile. Nel FSW orbitale vengono utilizzati due approcci: nel primo, il tubo ruota mentre l'utensile rotante rimane fermo; e nel secondo, l'intera testa dell'utensile ruota mentre il tubo rimane fermo8. Come per il FSW classico, lungo il percorso di saldatura si verificano gravi deformazioni plastiche e flussi di materiale. In breve, il materiale viene trasportato dalla parte anteriore dell'utensile al bordo d'uscita, successivamente forgiato, producendo la giunzione9,10,11.

Sebbene il FSW venga applicato con successo a lastre di vari materiali, il FSW orbitale comporta sfide da superare poiché esistono difficoltà associate al dispositivo di bloccaggio8,12. Le sfide del FSW ai giunti complessi e di forma circolare sono state recentemente esaminate da Senthil et al.8, dove il sistema di bloccaggio era uno dei fattori più significativi per il processo di saldatura stesso. Ad esempio, a causa delle forze elevate durante FSW, è necessario un supporto interno dei tubi. Un'altra differenza nella saldatura dei tubi è il contatto dell'utensile con le parti da unire, ad es., a seconda del diametro del tubo, la curvatura del tubo comporta un contatto non completo della spalla dell'utensile con il pezzo, influenzando così il flusso di materiale e la generazione di calore12,13. Senthil et al.8 hanno inoltre sottolineato che prima che il FSW possa essere preso in considerazione per la giunzione di tubi industriali, è essenziale una profonda comprensione dell'influenza del sistema di bloccaggio.

Nel complesso, sono stati condotti solo pochi studi sul FSW orbitale sugli acciai delle tubazioni utilizzando approcci diversi per ottenere giunti sani. Feng et al.14 hanno studiato la saldatura orbitale FSW di un acciaio API X65, dove le saldature sono state ottenute utilizzando un sistema FSW portatile appositamente progettato. I giunti hanno mostrato una resistenza meccanica leggermente superiore e una resistenza agli urti superiore rispetto al materiale di base (BM). Giorjao et al.15 hanno eseguito un FSW orbitale in un tubo di acciaio inossidabile super duplex di 8 mm di spessore in modalità di controllo della forza e penetrazione totale dell'utensile. I test di durezza e trazione hanno mostrato un aumento della durezza nella zona di agitazione (SZ) e un cedimento sul BM. Tuttavia, la FSW orbitale nei tubi rivestiti è scarsa, ma sicuramente necessaria per applicazioni industriali.