Lassen van hoge rekgrens staalsoorten

Transcriptie

1 Lassen van hoge rekgrens staalsoorten S.Mueller Onderwerpen 1. Wat is hoge rekgrens staal + toepassingen 2. Verschillende soorten en vervaardiging 3. Lassen 1. Invloed van lassen 2. Lastoevoegmateriaal 3. Voorwarmen t.b.v. voorkomen van waterstofscheuren 4. Mechanische eigenschappen las en WBZ 5. Praktische tips 4. Conclusie Onderwerpen 1. Wat is hoge rekgrens staal + toepassingen 2. Verschillende soorten en vervaardiging 3. Lassen 1. Invloed van lassen 2. Lastoevoegmateriaal 3. Voorwarmen t.b.v. voorkomen van waterstofscheuren 4. Mechanische eigenschappen las en WBZ 5. Praktische tips 4. Conclusie 1

2 Hogerekgrens staal Indien. de rekgrens (MSYS) > 355 MPa, dus vanaf 420MPa MSYS = Minimum Specified Yield Strength Yield Strength = rekgrens = Re, Rp0,2 2

3 Reh (<500MPa) met vloeigedrag Rp0,2 zonder vloeigedrag Gebruikte benamingen op de markt Groep 1 Staalsoorten met verhoogde rekgrens Staalsoorten met verhoogde sterkte Groep 2 Fijnkorrel staalsoorten Genormaliseerde staalsoorten QT- staalsoorten TM- staalsoorten 8 Distributor training implementation plan Typische eigenschappen van hoge rekgrens staalsoorten; Hoge rekgrens en treksterkte Word verkregen door Fijne korrelstructuur Toegevoegde legeringselementen Vervaardigings methode Goede taaiheid Goede lasbaarheid 9 Distributor training implementation plan

4 Voordeel Functionele aspecten sterkte/gewicht verhouding (mobiele kranen) Economische aspecten Gewicht reductie Lagere transportkosten Minder materiaal Reductie van fabricage kosten Lasnaad inhoud Let op: Om de economische voordelen te kunnen incasseren, dient ontwerp en verwerking correct te geschieden. 10 Distributor training implementation plan Nadeel Hoe hoger de sterkte van het materiaal hoe hoger het risico voor koud scheuren hoe gevoeliger het materiaal is voor afwijkende warmte inbreng Hoe hoger de sterkte van het basis- en lasmetaal hoe meer de beproefde procedure moet worden gevolgd Welding of high strength steels Economische aspecten Kostprijs lasconstructie mobiele kraan 4

5 Toepassingen Mobiele werktuigen Draagvermoger 800 ton Hefhoogte 134 mtr Reikwijdte 104 mtr Draagvermoger 1200 ton Hefhoogte 100 mtr Incl Jib 191 mtr Toepassingen Mobiele werktuigen Hydraulische graafmachine Voertuig voor grondtransport Toepassingen Civiele constructies Erasmusbrug Millau Frankrijk 5

6 Toepassingen Vrachtwagen kranen Toepassingen Water turbine Toepassingen Offshore 6

7 Toepassingen LIEBHERR LR Height: 270 m Max. Load: 3000 ton Some World Records Onderwerpen 1. Wat is hoge rekgrens staal + toepassingen 2. Verschillende soorten en vervaardiging 3. Lassen 1. Invloed van lassen 2. Lastoevoegmateriaal 3. Voorwarmen t.b.v. voorkomen van waterstofscheuren 4. Mechanische eigenschappen las en WBZ 5. Praktische tips 4. Conclusie Belangrijkste productie/vervaardigingsmethode; 1. Normaalgloeien 2. Q&T staalsoorten 3. TMCP 7

8 Walsprocessen en warmtevoering 1. Normaalgegloeid fijnkorrelstaalsoorten Krijgen hun sterkte d.m.v. chemische analyse in combinatie met normaal gloeiing of normaliserend gewalst EN Normaalgegloeid met Re 275 en 460 Mpa S275 - S355 = gespecificeerd als ongelegeerd kwaliteitsstaal S420 - S460 = gespecificeerd als gelegeerd speciaalstaal Kwaliteit N kerfslagarbeid bij 20 C Kwaliteit NL Kerfslagarbeid bij - 50 C Dikte tot +/- 300mm (is afhankelijk van type en productie methode, normaal gegloeid of normaliserend gewalst) Microstuctuur fijne ferriet + fijne perliet Walsprocessen en warmtevoering 2. Gehard en ontlaten fijnkorrelstaalsoorten Quenced and Tempered (Q&T) Re Mpa Afschrikken in water fijnste korrel martensitisch / bainitisch Ontlaten C hardheid daalt taaiheid stijgt sterkte daalt iets sterkte te regelen met de ontlaattemperatuur EN Q&T staalsoorten met Re = MPa Kwaliteit Q kerfslagarbeid bij 20 C Kwaliteit QL Kerfslagarbeid bij - 40 C Kwaliteit QL1 Kerfslagarbeid bij - 60 C Microstuctuur, bainiet en/of martensiet Walsprocessen en warmtevoering 3. TMCP (t< 150 mm afhankelijk van kwaliteit) Thermo-Mechanically rolled Controlled Processing (TM) Warmte behandeling tijdens walsproces Nauwkeurige temperatuurvoering Walsproces: lagere starttemperatuur (austenietkorrelgrootte te beperken) Hoge walskrachten Toevoeging van o.a. Ti en Nb vertraagd de rekristallisatie Wordt gekenmerkt door Laag C- gehalte Fijne korrel structuur Goede lasbaarheid EN TMCP fijnkorrelstaal met Re 275 en 460 Mpa S275 S460 = gespecificeerd als gelegeerd speciaalstaal Kwaliteit M kerfslagarbeid bij 20 C Kwaliteit ML Kerfslagarbeid bij - 50 C 8

9 Walsprocessen en warmtevoering Warmband-variant tot ca.15 mm Re = MPa Laag koolstof % Laag gehalte aan legerings elementen Uitstekende koudvervormbaarheid Goede lasbaarheid EN Normaalgegloeid en TMCP (warmband) staal met hoge rekgrens bedoeld voor koudvervorming`: Normaalgegloeide typen met Re = Mpa (NC) TMCP typen met Re = Mpa (MC) Ontwikkeling verschillende soorten Effect van korrelgrootte op mechanische eigenschappen Hoe meer korrelgrenzen per mm 3 des te sterker en taaier het materiaal: k Hall Petch relatie: y i d Warmtevoering Chemische samenstelling Walsen 9

10 Onderwerpen 1. Wat is hoge rekgrens staal + toepassingen 2. Verschillende soorten en vervaardiging 3. Lassen 1. Invloed van lassen 2. Lastoevoegmateriaal 3. Voorwarmen t.b.v. voorkomen van waterstofscheuren 4. Mechanische eigenschappen las en WBZ 5. Praktische tips 4. Conclusie Invloed van het lassen Basismateriaal is fijnkorrelig (mede) door zorgvuldig uitgevoerde warmte- walsbehandeling Lassen = afwijkende warmtebehandeling = verstoort basismateriaal => WBZ. lasmetaal bezit afwijkende samenstelling Giet structuur Doel: dat de lasverbinding sterkte en taaiheidseigenschappen bezit die overeenkomen met het basismateriaal Eigenschappen WBZ en las zijn afhankelijk van: Basismateriaal (samenstelling, vervaardigingsmethode en structuur) Lastoevoegmateriaal (samenstelling) Lasprocedure (temperatuur-cyclus, laagdikte, opmenging) 10

11 Typische waarden Re0,2 en Rm S690QL Invloed op laskwaliteit van MAG lassen Parent Composition Wire Composition Shielding Gas Composition Welding Parameters Plate Thickness Welding Process Heat Input Weld Design Dilution Composition of Pure Weld Metal Cooling Rate t 8½ 5 Interlayer Temperature Welding Parameters Weld Bead Composition Micro Structure Annealing Welding Current Arc Voltage Welding Speed Torch Positioning mech. Properties Toughness Freedom of Imperfections Skilled Welders Weld Design Welding Parameters Feeding Properties Quality of Weld Seam Onderwerpen 1. Wat is hoge rekgrens staal + toepassingen 2. Verschillende soorten en vervaardiging 3. Lassen 1. Invloed van lassen 2. Lastoevoegmateriaal 3. Voorwarmen t.b.v. voorkomen van waterstofscheuren 4. Mechanische eigenschappen las en WBZ 5. Praktische tips 4. Conclusie 11

12 Lasprocessen De meeste toegepaste lasprocessen: MAG met massieve draad (GMAW) MAG met gevulde draad (FCAW) Beklede Elektrode (BMBE, SMAW) Onder Poederdek (OP, SAW) NB: TIG bezit grote spreiding in opmenging en warmte-inbreng Legerings concept voor toevoegmaterialen HRS Minimum rekgrens MPa Legerings concept < 460 Mn (1,4 %) oder Mn (1,4 %) + Mo (0,4 %) Mn (1,4 %), Ni (1 %) 550 Mn (1,4 %), Mo (0,4 %), Ni (1,7 %) Mn (1,6 %), Cr (0,4 %), Mo (0,4 %), Ni (1,8 %) 890 Mn (1,4 %), Cr (0,8 %), Mo (0,5 %), Ni (2,2 %) 960 Mn (1,9 %), Cr (0,4 %), Mo (0,55 %), Ni (2,35 %) Keuze lastoevoegmateriaal 12

13 Datasheets lastoevoegmateriaal Datasheets => puur lasmetaal gemiddelde lasparameters, testplaat in PA Praktijk => opmenging met basismateriaal praktische parameters, position Constructie (spanning) Laagdikte, temperatuur, HI 43 Normering van massieve draad voor hoge rekgrens NEN EN-ISO G 69 6 M Mn4Ni1,5CrMo G = Gas metal arc welding 69 = Yield strength and elongation; 690 MPa min. yield strength 6 = Fracture toughness; min. 47 J at 60 C) M = Shielding gas; mixed gas Mn4Ni1,5CrMo = code for chemical composition Onderwerpen 1. Wat is hoge rekgrens staal + toepassingen 2. Verschillende soorten en vervaardiging 3. Lassen 1. Invloed van lassen 2. Lastoevoegmateriaal 3. Voorwarmen t.b.v. voorkomen van waterstofscheuren 4. Mechanische eigenschappen las en WBZ 5. Praktische tips 4. Conclusie 13

14 Waterstofscheuren 1. Aanwezigheid van waterstof Bekleding / poeder Kerndraad / lasdraad Atmosfeer Basismateriaal incl. oppervlakte vervuiling 2. Scheurgevoelige structuur Warmte-beinvloede zone (WBZ) Lasmetaal (LM) Door: Hoger C% en legeringselementen (CET) Snelle afkoeling van de las (T8/5 / harding) 3. Spanningen Hoge krimpkrachten (krimpverhindering) > dikte Waterstofscheuren 4. Temperatuur <150 C Krimp en spanning Waterstof-oplosbaarheid neemt af Scheurvorming in scheurgevoelige structuur Komen voor Mogelijk tot 3 dagen na het lassen Meestal in warmte-beïnvloede zone Kan ook in lasmetaal Waterstofscheuren 1. Voorkom aanwezigheid van waterstof Voldoende voorverwarmen Laag waterstof lastoevoegmaterialen Vacuum verpakking herdrogen Geen vocht en roest in lasnaad Geen water in beschermgas Schone lasvoorbereiding (vet, krijt, primer) Gebruik aanbevolen warmte inbreng Eventueel soaken 14

15 Voorwarmen Voorwarmtemperatuur is gerelateerd aan Chemische samenstelling basismateriaal Type basismateriaal Waterstofgehalte lastoevoegmateriaal Dikte basismateriaal Chemische samenstelling lastoevoegmateriaal Warmte inbreng Voorwarmtemperatuur volgens EN Waterstofarm gloeien (Soaking) Doel is om eventueel aanwezige waterstof uit te drijven (diffunderen), zodat het gevaar voor het optreden van waterstof geïnduceerde scheuren (koud) afneemt. Deze behandeling wordt aansluitend aan het lassen doorgevoerd op een temperatuur van 200 tot 250 ºC. De tijd dat deze temperatuur wordt aangehouden is ca. 2 uur. Door het toevoeren van de warmte zal de diffusiesnelheid van het waterstof toenemen, zodat deze gemakkelijker kan ontwijken uit het materiaal. Diffusiesnelheid ml/sec Diffusiesnelheid waterstof 100x Voorwarmen op 120 C geeft 100x hogere diffusiesnelheid (tov 20 C) C Temperatuur C 15

16 Waterstof scheuren 2. Voorkom scheurgevoelige structuur Basismateriaal met laag koolstof equivalent Gecontroleerde t8/5 afhankelijk van: Plaatdikte Voorwarm temperatuur Warmte inbreng Koolstof equivalent (CEV, CET) Koolstofequivalent(en) CEV= CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 is een maat voor de hardbaarheid (EN 1011, methode A) CET = C + (Mn + Mo) / 10 + (Cr + Cu) / 20 + Ni / 40 IIW-Doc. IX , EN 1011 (Methode B) Tekkentest is een maat voor de koudscheurgevoeligheid is afgeleid van koudscheurproeven geldigheidsgebied CET 0.18 to 0.45 % C Si Mn Cr Cu Mo Nb Ni Ti V B Min Max Massieve draad: CE / CET ( typisch ) MAG-massieve draad EN ISO 21952/14341/16834 CE CET Union K 52 (S) G 42 4 M G 3 Si Union K 52 Ni G 3 Ni Union MoNi G 62 5 M Mn3Ni1Mo Union NiMoCr G 69 6 M Mn4Ni1,5CrMo Union X 85 G 79 5 M Mn4Ni1,5CrMo Union X 90 G 89 6 M Mn4Ni2CrMo Union X 96 G 89 5 M Mn4Ni2,5CrMo Shieldinggas: EN 439-M21 16

17 Waterstof scheuren 3. Voorkom te hoge spanningen Beperk vooropening < 4 mm (minder spanningen) Gebruik lasmateriaal met lagere treksterkte voor hechten en grondlagen (undermatching) Hechtlassen minimaal 50 mm lang Juiste las volgorde (vermijd waar mogelijk starts en stops in hoeken) 1. Wat is hoge rekgrens staal + toepassingen 2. Verschillende soorten en vervaardiging 3. Lassen 1. Invloed van lassen 2. Lastoevoegmateriaal 3. Voorwarmen t.b.v. voorkomen van waterstofscheuren 4. Mechanische eigenschappen las en WBZ 5. Praktische tips 4. Conclusie Mechanische eigenschappen Sterkte (Rp0,2 & Rm Mpa) Rek A % Taaiheid (KCV J) Hardheid (HV) 17

18 Mechanische eigenschappen zoals taaiheid, sterkte en hardheid worden beïnvloed door de warmte inbreng. V x I x 60 Warmte-inbreng (heat-input HI) = Q = x (kj/cm) v x 100 Invloed op Warmte beïnvloede zone basismateriaal Basismateriaal is fijnkorrelig (mede) door zorgvuldig uitgevoerde warmtebehandeling in de staalfabriek Lassen is een verstorende warmte-behandeling tpv WBZ Lasmetaal Let op het verschil tussen verbindingslas en overdund lasmetaal door: Opmenging met basismateriaal Afhankelijk van temperatuur-cyclus tijdens het lassen Steel producers Comparison of materials HAZ properties: maximum hardening alform 700M vs. S690Q alform 900 x-treme vs. S890Q Q Q M M Hardness profile comparision first run on the second side fusion line fusion line Balanced hardness profile across all areas of the welding joint 18

19 Steel producers Comparison of materials Processing companies Non-harmonized welding consumable Weld metal softening during welding of alform 700M dependent on t 8/5 time Systematic weld seam design Harmonized welding consumable 19

20 Mechanische eigenschappen Wat te voorkomen Te lage sterkte Te lage taaiheid Te hoge hardheid Hoe? d.m.v.gecontroleerde t8/5 t8/5 is afkoelsnelheid van 800 naar 500ºC 77 Distributor training implementation plan Afkoelsnelheid van de las ( t8/5) Afhankelijk van: Voorwarm temperatuur Warmte inbreng (Q = * 60 * U * I / (v * 100) ) Geometrie Lasnaadvorm Dikte Proces-nummer Proces Thermisch rendement (zie EN ) 121 OP 1,0 111 Beklede elektrode 0,8 131 MIG massief 0,8 135 MAG massief 0,8 114 Gasloze draad 0,8 136 MAG gevuld 0,8 138 MAG metaalgevuld 0,8 141 TIG-lassen 0,6 15 Plasma-lassen 0,6 20

21 Afkoeltijd van de las ( t8/5) Afhankelijk van: Voorwarm temperatuur Warmte inbreng (Q = * 60 * U * I / (v * 100) ) Geometrie Lasnaadvorm Dikte Afkoeltijd van de las ( t8/5) Afhankelijk van: Voorwarm temperatuur Warmte inbreng (Q = * 60 * U * I / (v * 100) ) Geometrie Lasnaadvorm Dikte Invloed warmte inbreng 21

22 Invloed warmte inbreng Invloed warmte inbreng Invloed warmte inbreng 22

23 Afkoeltijd van de las ( t8/5) Afhankelijk van: Voorwarm temperatuur Warmte inbreng (Q = * 60 * U * I / (v * 100) ) Geometrie Lasnaadvorm Dikte Invloed van lassnelheid op afkoelsnelheid bij twee dimensionale afkoeling Invloed van lassnelheid op afkoelsnelheid bij drie dimensionale afkoeling 23

24 Invloed van afkoeltijd op mechanische eigenschappen Higher hardness Lower hardness Invloed van afkoeltijd op mechanische eigenschappen Invloed afkoelsnelheid t8/5 op S690QL1 lasmetaal: Re, Rm en rek Hardheid Kerfslagwaarde WBZ Hardheid, sterkte Kerfslagwaarde 24

25 t8/5 : te meten en te berekenen = achteraf Bepaling van de afkoelsnelheid t 8/5 SEW 088 EN Berekenen 25

26 Berekenen Werkgebied bepalen Variabelen Warmte-inbreng (vert) Voorwarmtemperatuur (hor) Criteria max t8/5 ivm korrelgroei (15 s) min t8/5 ivm hardheid voorkomen koudscheuren max interpass-temperatuur. 1. Wat is hoge rekgrens staal + toepassingen 2. Verschillende soorten en vervaardiging 3. Lassen 1. Invloed van lassen 2. Lastoevoegmateriaal 3. Voorwarmen t.b.v. voorkomen van waterstofscheuren 4. Mechanische eigenschappen las en WBZ 5. Praktische tips 4. Conclusie 26

27 Voorbereiding Schoon werken, bij hoeklassen primer verwijderen Lasnaadvoorbereiding zoals bij C-staal maar beperk naadinhoud/vooropening Controleren naadflanken (visueel, PT, MT) Slijpen: niet te hard duwen, vermijd verkleuring Invloed van type vooropening Lastoevoegmaterialen Volg richtlijnen opslag en herdrogen van fabrikant Gebruik alleen laagwaterstof toevoegmaterialen Na opening beperkt bruikbaar 27

28 Hechtlassen (voorwarmen) minimaal 50 mm lang dikte > 25 mm eventueel eerste twee lagen lassen met undermatching toevoegmateriaal Bij vullagen en meerlaagse hoeklassen geen tussentijdse afkoeling bij lasdikte < 0,33 * dikte Meten voorwarmtemperatuur (EN-ISO 13916) t 50 mm: A = 4 x t, max. 50 mm t > 50 mm: A = min. 75 mm Meten tussenlaagtemperatuur (EN-ISO 13916) 28

29 Aanbevelingen ter voorkoming scheurvorming Temperbead ca 1-2 mm van basismateriaal. Aanbevelingen ter voorkoming scheurvorming vermijd kerfwerking in ontwerp en uitvoering (geen vloeigedrag) Arc-strikes verboden. Slijpen + lassen Laagdikte Dunne lagen geven hogere taaiheid en sterkte Vermijdt bolle rupsen => licht zwaaien Dunne lagen 2-3 mm 29

30 Invloed zwaaien of snoeren Aanbevelingen ter voorkoming scheurvorming vermijd lassen op de zwaarstbelaste lokaties Afb: Rusch Kraantechniek BV Onderwerpen 1. Toepasgebied en wat is hoge rekgrens staal 2. Verschillende soorten en vervaardiging 3. Lassen 1. Invloed van lassen 2. Lastoevoegmateriaal 3. Voorwarmen t.b.v. voorkomen van waterstofscheuren 4. Mechanische eigenschappen las en WBZ 5. Praktische tips 4. Conclusie 30

31 Conclusie Conclusie Literatuur - SSAB - ThyssenKrupp Steel - EN 10025, 10027, 10149, EN VM voestalpine ( 31

32 Bedankt voor uw aandacht! 32