Stress e sollecitazioni nel telaio della bicicletta – Parte 3 di 4

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Stress e sollecitazioni nel telaio della bicicletta – Parte 3 di 4

Le saldature nei telai da bicicletta

Dopo aver parlato degli stati di tensione e dei fenomeni di fatica che intervengono nei telai da bicicletta e dopo aver trattato le geometrie dei telai da bicicletta, i materiali e i metodi costruttivi, proseguiamo l'analisi dei telai da bicicletta affrontando il tema delle "saldature".


Le saldature

Abbiamo visto che i telai da bici sono costituiti da aste di varia forma unite tra loro con saldature.
La saldatura è un "processo speciale", definizione tipica delle lavorazioni che non possono essere verificate dopo l'esecuzione, se non con metodi distruttivi o parziali.
Questi tipi di processo richiedono un'esecuzione molto attenta, che avvenga in condizioni ottimali e utilizzando stabilmente parametri uguali a quelli di omologazione. La saldatura rappresenta sempre una criticità in una struttura complessa perché, se eseguita a regola d'arte, fa sì che vi sia una corretta continuità tra i vari pezzi, ma se introduce difetti, crea punti di debolezza nell'insieme. Ed è statisticamente certo che, alla lunga, qualche difetto può arrivare.

Vediamo com'è fatta una saldatura eseguita bene:

La foto mostra una saldatura ben eseguita vista al microscopio
Esempio di saldatura ben eseguita vista al microscopio

Prendendo d'esempio questa foto, si possono distinguere tre zone:
  1. Il materiale base, costituente gli elementi da unire (marcata in azzurro).
  2. Il cordone di saldatura, in cui si vede il materiale d'apporto dell'elettrodo (in rosso).
  3. Una zona detta "termicamente alterata", appartenente al materiale base, posta sul confine con il cordone di saldatura. E' l’area dove la fusione ha procurato una mutazione della natura cristallina dovuta al forte riscaldamento e al successivo rapido raffreddamento, con inevitabile effetto di tempra (in giallo).

Cricche e rotture nei punti di saldatura

E' proprio quest'ultima terza zona, colorata in giallo, la più delicata, dove il materiale è più fragile e soggetto a cricche (combinazione assai poco raccomandabile) per motivi che vedremo dopo.
Questo fa già intuire perché in tanti casi le rotture partono proprio dai margini delle saldature.
Ecco un paio di esempi di saldature non riuscite benissimo.

La foto mostra una saldatura eseguita male con evidenti lacune marginali
Saldatura eseguita male con evidenti lacune marginali

La foto mostra una saldatura mal riuscita con presenza di porosità denominate "tarli"
Altro esempio di saldatura mal riuscita con presenza di porosità denominate "tarli"

Si vedrà poi quando parleremo di fatica quali effetti hanno questi bug. L'esperienza ci insegna che, molte volte, questo è ciò che segue:

La foto illustra delle cricche nella saldatura, tipico di lesioni
Esempio di lesioni nelle zone di saldatura denominate "cricche"

La foto illustra una lesione pericolosa in una saldatura su telaio da bicicletta
Lesioni pericolose in una saldatura su telaio da bicicletta

Inizialmente è una cricchetta che col tempo diventa una criccona, dopo di che c'è il crash e, quando accade in bici, c'è solo da augurarsi di avere il casco e un po' di fortuna.
Non voglio però spaventare nessuno! Sono casi rarissimi.
Comunque quanto visto dovrebbe insegnare a fare qualche controllo ogni tanto. Va precisato che la cricca vista nella penultima foto non è visibile a occhio nudo e anche quella dell'ultima foto, che sembra enorme, può vedersi poco su strutture verniciate, in particolare con colori scuri.
Il nero lucido poi è una iattura. L’unico modo per trovarle, se si sono formate subito dopo saldatura, è usare i liquidi penetranti quando il telaio non è ancora stato verniciato.

Nella foto seguente si può vedere come appare un'indagine PT (liquidi penetranti) su un provino, e dove si vedono chiaramente i difetti, evidenziati dal liquido rosso.

Esempio di utilizzo di liquidi penetranti per ricercare lesioni avvenute dopo la saldatura
Esempio di utilizzo di liquidi penetranti per ricercare lesioni avvenute dopo la saldatura
                                                       

I metodi di saldatura nei telai da bicicletta

Le saldature possono essere eseguite con diversi metodi.
Le foto viste prima mostrano saldature ad arco (nelle bici si usa prevalentemente il metodo TIG -Tungsten Inert Gas-) fatte con temperature del bagno di fusione intorno ai 3000/4000°C, ma sui telai delle bici è comune trovare anche brasature fatte col cannello ossiacetilenico.

La brasatura è una saldatura "gentile" che si esegue scaldando i materiali alle stesse temperature dell'arco (circa 3000°C) ma in modo più lento. Dopo brasatura le zone termicamente alterate si presentano meno temprate di quelle dell’arco. Di solito si esegue con materiali di riporto "deboli", come argentana, stagno, etc., o forti, come leghe particolari di ottone e come lo stesso materiale base.

L’alluminio non si brasa, anche se sarebbe in teoria possibile, e sul titanio è proprio meglio evitarlo. Quando si usa materiale di riporto debole, non gli si può affidare compiti strutturali impegnativi.
Gli stati di stress sotto sforzo devono perciò essere di livello contenuto.
Se i giunti tra aste dovessero presentare stress elevati per usare la brasatura è necessario avere degli incastri tra i vari pezzi, tipo questo movimento centrale Columbus predisposto per ricevere i tubi del telaio.

Elemento centrale Columbus predisposto per ricevere gli altri elementi del telaio
Elemento centrale Columbus predisposto per ricevere gli altri elementi del telaio

                                                              
Questo sistema si fa carico del passaggio delle tensioni e in questo caso la brasatura ha funzione più da "collante" che strutturale. I giunti brasati hanno anche un altro vantaggio: sono meno soggetti a difetti e quindi più sicuri agli effetti della fatica.

Gli stati di tensione delle saldature

Esiste infine un altro fenomeno legato alla saldatura che non tutti conoscono.
Come abbiamo visto nelle zone termicamente alterate il metallo cambia forma cristallina. Questo cambiamento provoca una contrazione del volume. In parole povere, dopo saldatura, il pezzo si accorcia (in gergo: "ritira").
Questo ritiro, in un elemento mediamente saldato, vale empiricamente circa l’1‰ della sua lunghezza. Se il nostro pezzo non è libero di scorrere durante il raffreddamento il ritiro provoca uno stato di tensione interno spontaneo. Questo avviene nelle strutture chiuse, come quelle triangolari. Le tensioni interne createsi possono essere anche abbastanza forti da generare microcricche nella zona termicamente alterata durante il raffreddamento, come si era detto prima.
I ritiri inoltre tendono a deformare le strutture.

Se mettiamo la nostra bici nuova sul marciapiede, appoggiata al cavalletto e senza alcun carico, non sarà quindi completamente priva di stress. Col tempo questo stato di tensione scompare spontaneamente a causa di un altro fenomeno chiamato "rilassamento", comune a molti materiali.
Per spiegarlo faccio il solito esempio: immaginiamo di tendere un normale elastico tra due chiodi. L’elastico assumerà uno stato di tensione. Se lo togliamo da questa posizione, ritornerà alla sua forma originale scaricandosi. Se però aspettiamo un anno a farlo lo troveremo allungato, privo di stress interno e avrà perso, in tutto o in parte, le sue proprietà elastiche.
Lo stesso avviene con i metalli.

Lo stato di tensione interno provoca micro deformazioni plastiche che lentamente lo attenuano, sino a farlo sparire (sono necessari mesi dal momento della saldatura). Volendo si possono eliminare gli stati di tensione interni (almeno nell'acciaio) con un processo di "normalizzazione" che consiste nel riscaldare il materiale a temperature precise (fino a 850°C circa) ed eseguire poi un lento e controllato raffreddamento ripristinando lo stato cristallino originale.
Nei carrelli ferroviari, ad esempio, i telai sono sistematicamente normalizzati dopo essere stati saldati, per eliminare le tensioni interne spontanee che altrimenti si sommerebbero poi a quelle di esercizio.
Con i telai di bici d'acciaio non mi risulta che qualcuno lo faccia, anche perché le saldature sono poche, piccole e il processo è costoso (può durare ore).


Termina qui la terza parte degli articoli sullo stress e sulle sollecitazioni nei telai da ciclismo.
Nel prossimo articolo parleremo del "fenomeno della fatica", cioè il maggior grattacapo per ogni progettista di telai da bicicletta!




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