Geschreven door H. Mulder,

Transcriptie

1 Geschreven door H. Mulder,

2 TITELBLAD STAGEVERSLAG Titel : Het onstaan en voorkomen van waterstofscheuren Toegepast op laswerkzaamheden aan hoge reksterkte stalen Verslagnummer : 01 Verslagcode : V1 Datum : Studentgegevens Naam : Erik Mulder Stagedocent Naam : J.H. de Vries Studentcode : Code : vrsjh Bedrijfsgegevens Naam : GINAF Trucks bv Veenendaal Paraaf voor akkoord bedrijf Code : 033 Datum : Naam begeleider : J. van Harn Paraaf bedrijfsbegeleider: Beoordeling HTS-Autotechniek Cijfer : Datum : Paraaf stagedocent :

3 Eigen beoordeling stageverslag G V Z O - G V Z O I Structuur/onderdelen II Taal, uiterlijk en vormgeving Titelpagina A. Taal - volledig V - (werkwoord)spelling V -dekkende titel V - woordgebruik V Samenvatting - interpunctie V - zelfstandig leesbaar V - zinsbouw V - doelstelling verslag V - probleem-/vraagstelling V B. Uiterlijk/vormgeving V - werkwijze V - belangrijkste conclusies V - eventuele aanbevelingen V III Vakinhoud Inhoudsopgave - onderwerp V - informatieve titels V - actualiteit V - volledige inhoudsopgave V - niveau/inhoud V Inleiding - scheiding hoofd- en bijzaken V - aanleiding onderwerpkeuze V - eigen opzet V - probleem-/vraagstelling V - gebruikte informatiebronnen V - doelstelling verslag V - werkwijze V - uitleg opbouw verslag V Hoofdstukken - indeling in hoofdstukken V - indeling in (sub)paragrafen V -indeling in secties/alinea s V Conclusie - zelfstandig te lezen V - helder/overzichtelijk V - verband met de inleiding V Bronvermelding - in de tekst V - literatuurlijst (einde rapport) V Bijlagen - nummer en titel V - zelfstandig leesbaar V G = goed, V = voldoende, Z = zwak, O = onvoldoende en - = ontbreekt

4 Samenvatting In deze samenvatting zal het volledige verslag worden besproken. Achtereenvolgens zal de aanleiding van het onderzoek, de doelstelling, de werkwijze en de uitleg van het rapport worden behandeld. Als laatste zal het resultaat van het onderzoek beknopt worden weergegeven. Aanleiding De reden waarom dit onderzoek is uitgevoerd is de vraag naar een meer theoretische achtergrond en advies over mogelijke fouten bij laswerkzaamheden aan hoogsterkte stalen. De reden van deze vraag is dat deze hoogsterkte stalen steeds meer gebruikt worden, door onder andere vrachtwagenfabrikanten. In dit rapport is het onderwerp beperkt tot het ontstaan en voorkomen van waterstofscheuren. Probleemstelling De probleemstelling van dit rapport is hoe waterstofscheuren in hoogsterkte stalen, welke ontstaan door laswerkzaamheden, voorkomen kunnen worden. Werkwijze Om een antwoord te kunnen geven op de gestelde vraag is er een bronnenonderzoek uitgevoerd. De gegevens uit dit onderzoek zijn vervolgens verwerkt in de verschillende hoofdstukken van dit rapport waarna het verslag is opgesteld en de conclusie en samenvatting zijn geschreven. Uitleg opbouw rapport Uit het uitgevoerde onderzoek is gebleken dat een van de grote gevaren van het lassen aan hoogsterkte stalen het ontstaan is van waterstofscheuren. Om antwoord te geven op deze probleemstelling worden, in hoofdstuk 2, eerst de verschillende lasmethoden besproken. Hoofdstuk 3 beschrijft achtereenvolgens het onderwerp waterstofbrosheid, wat wordt verstaan onder waterstofscheuren, hoe waterstofscheuren ontstaan, wat dit voor gevolgen heeft voor de materiaaleigenschappen, welke waterstofbronnen ervoor zorgen dat waterstofscheuren ontstaan en hoe deze bronnen beïnvloed kunnen worden. Conclusie en aanbevelingen Uit het onderzoek blijkt dat waterstofscheuren een van de grote gevaren is bij laswerkzaamheden. Verder is ook gebleken dat deze waterstofscheuren, door het toepassen van verschillende technieken, kan worden voorkomen. Hieronder zijn deze technieken puntsgewijs aangegeven: o o o o o Het beperken van de warmte-inbreng Het toepassen van voorverwarmen Het controleren van de tussenlaagtemperatuur Het toepassen van nawarmen Het product gecontroleerd laten afkoelen (afkoelsnelheid) Als deze technieken, volgens de gestelde eisen, worden toegepast wordt de kans op waterstofscheuren bij laswerkzaamheden tot een minimum beperkt waardoor de kwaliteit van de laswerkzaamheden kan worden gewaarborgd. Daardoor wordt vervolgens de kwaliteit van het eindproduct gewaarborgd. 1

5 Inhoudsopgave 1. Inleiding Aanleiding Probleemstelling Werkwijze Uitleg opbouw rapport Lasprocessen Inleiding Indeling lasprocessen Beschrijving gebruikte lasprocessen MIG/MAG-lassen TIG-lassen Waterstofscheuren Wat wordt verstaan onder waterstofbrosheid Wat wordt verstaan onder waterstofscheuren Hoe ontstaan waterstofscheuren Het proces op moleculair vlak Gevolgen voor de eigenschappen van het materiaal Waterstofbronnen Basismateriaal Toevoegmateriaal Laselektrode Spleetgrootte Bevuiling van de lasverbinding Waterstofscheuren voorkomen Warmte-inbreng Voorverwarmen Tussenlaagtemperatuur Nawarmen Afkoelsnelheid Conclusie Literatuurlijst Verklarende woordenlijst Bijlagen

6 1. Inleiding 1.1. Aanleiding De reden waarom dit onderzoek is uitgevoerd is de vraag naar een meer theoretische achtergrond en advies over mogelijke fouten bij laswerkzaamheden aan hoogsterkte stalen. De reden van deze vraag is dat deze hoogsterkte stalen steeds meer gebruikt worden, door onder andere vrachtwagenfabrikanten, waardoor er meer vraag is naar bijvoorbeeld de lasbaarheid van de materialen. Omdat GINAF Trucks bv altijd zoekt naar nieuwe manieren om het rendement van haar producten te vergroten stelt zij steeds hogere eisen aan het te gebruiken materiaal. Omdat GINAF Trucks bv ook garant wil staan voor de kwaliteit van haar producten wil zij de lasmogelijkheden van deze materialen optimaal benutten. Vandaar dat GINAF Trucks bv energie wil steken in de lasmogelijkheden en lasrisico s van deze materialen. Op deze manier zal GINAF Trucks bv blijven innoveren op het gebied waarin zij al jarenlang resultaat heeft geboekt. In dit rapport is het onderwerp beperkt tot het ontstaan en voorkomen van waterstofscheuren Probleemstelling De probleemstelling van dit rapport is hoe waterstofscheuren in hoogsterkte stalen, welke ontstaan door laswerkzaamheden, voorkomen kunnen worden Werkwijze Om een antwoord te kunnen geven op de gestelde vraag is er een bronnenonderzoek uitgevoerd. De gegevens uit dit onderzoek zijn vervolgens verwerkt in de verschillende hoofdstukken van dit rapport waarna het verslag is opgesteld en de conclusie en samenvatting zijn geschreven Uitleg opbouw rapport Uit het uitgevoerde onderzoek is gebleken dat een van de grote gevaren van het lassen aan hoogsterkte stalen het ontstaan is van waterstofscheuren. Om antwoord te geven op deze probleemstelling worden, in hoofdstuk 2, eerst de verschillende lasmethoden besproken. Omdat ook uit het onderzoek is gebleken dat deze waterstofscheuren een onderdeel is van waterstofbrosheid wordt dit onderwerp even kort aangehaald in hoofdstuk 3. Vervolgens wordt in dit hoofdstuk het onderwerp waterstofscheuren besproken. Dit hoofdstuk beschrijft dus achtereenvolgens het onderwerp waterstofbrosheid, wat wordt verstaan onder waterstofscheuren, hoe waterstofscheuren ontstaan, wat dit voor gevolgen heeft voor de materiaaleigenschappen, welke waterstofbronnen ervoor zorgen dat waterstofscheuren ontstaan en hoe deze bronnen beïnvloed kunnen worden. 3

7 2. Lasprocessen 2.1.Inleiding Dit hoofdstuk zal eerst de indeling van de lasprocessen geven. Vervolgens zal dit hoofdstuk de verschillende gebruikte lasprocessen beschrijven welke door de vrachtwagenfabrikant wordt toegepast. 2.2.Indeling lasprocessen Hieronder volgt een indeling van de verschillende smeltlas-processen. figuur 1. overzicht van verschillende smeltlas-processen (bron: Voor het doel van het verslag heeft het uitwerken van alle weergegeven lasprocessen geen toegevoegde waarde. Vandaar dat het beschrijven van de lasprocessen beperkt zal worden tot de lasprocessen welke door de vrachtwagenfabrikant worden gebruikt. Dat zal gaan om de lasprocessen MIG-, MAG- en TIG-lassen. 4

8 2.3.Beschrijving gebruikte lasprocessen Dit hoofdstuk zal deze gebruikte lasprocessen beschrijven: - MIG/MAG-lassen - TIG-lassen Van deze lasprocessen worden achtereenvolgends de procesbeschrijving en de kenmerken van het lasproces beschreven MIG/MAG-lassen Procesbeschrijving Bij het MIG/MAG-lassen wordt de warmte, die benodigd is om het materiaal te smelten, verkregen uit een boog tussen de lasdraad en het werkstuk. Het uit de lasdraad neergesmolten metaal vormt samen met het meegesmolten werkstukmateriaal de lasverbinding. Omdat er sprake is van een continue mechanische draadtoevoer wordt het proces ook wel aangeduid als halfautomatisch lassen. Dit proces kent 4 varianten: - Kortsluitbooglassen Bij het kortsluitbooglassen tikt de elektrode steeds het werkstuk aan. Daardoor ontstaat kortsluiting en loopt er een zeer hoge stroom door de draad. Door deze stroom smelt de draad, waarna de kortsluiting is verbroken. Omdat de draad continu wordt aangevoerd, zal even later weer kortsluiting ontstaan en begint het proces weer opnieuw. Dit herhaalt zich 50 tot 250 maal per seconde. Het kortsluitbooglassen geschiedt bij een combinatie van een lage spanning, een lage stroomsterkte en een dunne draad. - Openbooglassen Bij openbooglassen wordt het elektrodemateriaal in een continue stroom naar het werkstuk getransporteerd. De grootte van de afsmeltende deeltjes is onder andere afhankelijk van het schermgas; CO 2 geeft bijvoorbeeld grotere druppels. Als het lasmateriaal in kleine deeltjes wordt aangevoerd, is sprake van sproeibooglassen - Pulserend lassen Bij pulserend lassen heeft de stroombron twee verschillende niveaus van stroomsterkte. Er is een constante basisstroom, die de boog in stand houdt, met daaroverheen een (pulserende) pulsstroom, die zorgt voor het loslaten van de druppels. Bij pulserend lassen wordt minder warmte ingebracht en is er beter in positie te lassen. - Lassen met gevulde draad Men spreekt van lassen met gevulde draad, wanneer MIG/MAG-lassen wordt uitgevoerd met een draad, die is gevuld met poeder. Dit poeder vormt op het smeltbad een slak, waardoor het lasproces minder last heeft van wind en tocht Beschermgas De bescherming van dit proces geschied door het, door de lastoorts, geleverde beschermingsgas. Als dit gas bestaat uit Argon in combinatie met CO 2 of O 2 wordt het proces MAG-lassen (Metal Active Gas) genoemd. Hierbij reageert het gas met het lasproces Als het beschermingsgas bestaat uit Argon of een combinatie van Argon met Helium wordt het proces MIG-lassen (Metal Inert Gas) genoemd. Hierbij reageert het gas niet met het lasproces 5

9 figuur 2. Het MIG/MAG-lasproces (bron: Kenmerken MIG/MAG-lasproces Enkele kenmerken van MIG/MAG-lassen zijn: - Grote smeltsnelheid (nadeel: moeilijk beheersbaar) - Geen slak - Weinig warmte-inbreng - Hoge lassnelheid - Hoge inschakelduur - Goede bescherming tegen oxidatie - Minder vervorming - Geschikt voor alle lasstanden - Ononderbroken draadaanvoer - Geschikt voor mechanisering en automatisering - Windgevoelig - Hinderlijke boog 6

10 TIG-lassen TIG is de afkorting voor: Tungsten Inert Gas (Tungsten is wolfraam). In het Engels wordt dit proces aangeduid met GTAW, Gas Tungsten Arc Welding Procesbeschrijving figuur 3. Het TIG-lasproces (bron: Bij het TIG-lasproces wordt de boog getrokken tussen het werkstuk en een niet-afsmeltende elektrode. De boog en het smeltbad worden beschermd door een edelgas (Argon, Helium). De elektrode bestaat in hoofdzaak uit wolfraam. Het toevoegmateriaal bestaat uit een lasstaaf, die in de boog wordt gehouden. Hierdoor is de toevoer van het materiaal afzonderlijk te regelen van de warmte-inbreng. Het TIG-lasproces wordt toegepast bij dunne producten van hooggelegeerd metaal (ook roestvrijstaal en aluminium). Daarnaast wordt het gebruikt om een grondnaad in een hoogwaardig materiaal te leggen. Voor constructiewerk wordt het proces echter niet toegepast. 7

11 Beschermgas Het beschermgas wordt gekozen aan de hand van het te lassen werkstukmateriaal. Hiervoor kunnen de volgende richtlijnen behulpzaam zijn: - Argon, het meest gebruikte beschermgas, dat toegepast kan worden voor een breed scala metalen, bijvoorbeeld staalsoorten, roestvast staal, aluminium en titanium. - Argon + 2% 5% H 2, toevoeging van waterstof maakt het gas licht reducerend, dit draagt bij tot een schonere lasuiterlijk zonder oxidatie van het oppervlak. Daar de boog heter en geconcentreerder is zijn hogere lassnelheden mogelijk. Nadelen zijn een verhoogd gevaar voor waterstofscheuren bij koolstofstaal en poreusheid bij aluminiumlegereringen. - Helium en helium/argonmengsels, toevoeging van helium aan argon verhoogt de temperatuur van de boog. Dit maakt hogere lasnelheden en diepere inbranding mogelijk. Nadelen van helium of helium/argonmengsels zijn hogere gaskosten en moeilijker starten van de boog Kenmerken TIG-proces - Het ontbreken van slakvormige smeltbad-bescherming, waardoor steeds een goed zicht op het smeltbad mogelijk is. Geen kans op slakinsluiting - Grote flexibiliteit door niet aan de boog gekoppelde lastoevoegmaterialen - Optimale aanpassing procesparameters - Geen spatten - Geen rookontwikkeling - Geen lasspetters - Hoge inschakelduur - Het lassen van alle smeltbare metalen - Lassen in alle posities - Grote toegankelijkheid in moeilijk toegankelijke werkstukken - Zeer hoge warmtedichtheid (104W/mm²), en zeer hoge temperatuur (ca ºC) van de lasboog (Grote warmte-inbreng kans op waterstofscheuren (nadeel) - Gevoelig voor verontreinigingen - Zeer hoge vaardigheid van de lasser vereist 8

12 3. Waterstofscheuren Omdat waterstofscheuren een onderdeel is van waterstofbrosheid wordt het onderwerp waterstofbrosheid eerst beschreven. Vervolgens zal worden beschreven wat wordt verstaan onder waterstofscheuren, hoe waterstofscheuren ontstaan, wat dit voor gevolgen heeft voor de materiaaleigenschappen, welke waterstofbronnen ervoor zorgen dat waterstofscheuren ontstaan en hoe deze bronnen beïnvloed kunnen worden Wat wordt verstaan onder waterstofbrosheid Waterstofbrosheid is het meer bros worden van het materiaal door de opname van waterstof. Uit het onderzoek is gebleken dat de achterliggende theorie over het ontstaan van waterstofbrosheid nog onduidelijk is. Daarbij is ook nog gebleken dat over deze materie verschillende meningen en opvattingen bestaan. Vandaar dat dit onderwerp even kort is aangehaald in dit hoofdstuk maar niet verder wordt uitgewerkt. Voor de volledigheid is de materie, welke met dit onderzoek te maken heeft, in bijlage 7.1. en 7.2. opgenomen. Dat gaat om deze documenten: - hydrogen effects (7.1) - hydrogen embrittlement (7.2) 3.2. Wat wordt verstaan onder waterstofscheuren Waterstofscheuren ontstaan door de opname van waterstof in de materiaalstructuur ten gevolge van bijvoorbeeld laswerkzaamheden (engels hydrogen cracking ). Door deze opname wordt het materiaal bros en zullen er, wanneer het materiaal onder een (buig)spanning komt te staan, scheuren optreden. Deze scheuren kunnen, afhankelijk van de samenstelling van het materiaal, optreden in het moedermateriaal of in de door de laswarmte beïnvloede zone (HAZ). Kenmerkend voor deze scheurvorming is dat het spontaan optreedt, zonder enige voorafgaande aanwijzing. In de komende paragraven wordt het ontstaan van waterstofscheuren dieper beschreven en worden de verschillende factoren uiteen gezet zodat hier met gepast beleid mee omgegaan kan worden Hoe ontstaan waterstofscheuren Zoals in het vorige hoofdstuk is beschreven ontstaan waterstofscheuren door de opname van waterstof. Dit hoofdstuk zal een versimpelde weergave van deze opname beschrijven. Omdat dit verslag zich beperkt tot het waterstofrisico bij lasprocessen zal deze weergave besproken worden vanuit een benadering van een lasproces. figuur 4. (verschillende vormen van waterstofscheuren) (bron: figuur 5. een waterstofscheur in gelast metaal (bron: 9

13 Het proces op moleculair vlak Tijdens het lasproces worden er waterstofionen (H + ) ingebracht in het materiaal. Deze waterstofionen nemen op dit moment een klein volume in en kunnen zich inter-kristallijn door het materiaal verplaatsen. Als veel waterstofionen in het materiaal aanwezig zijn kunnen deze, door de zeer kleine elektrische stromen, met elektronen van het materiaal vormen tot waterstofmoleculen (H 2 ). Dit proces is linksboven weergegeven in figuur 6. Het waterstofmolecuul heeft een veel groter volume dan de afzonderlijke waterstofionen. Er gaat hier om een volumevergroting van 10-voudig of meer. Op de kristalgrenzen ontstaan lokaal hoge drukken ten gevolge van deze volumetoename. Bij aanwezigheid van voldoende waterstofmoleculen kan dit leiden tot hoge interne spanningen in het materiaal. Deze interne spanningen zullen vervolgens leiden tot waterstofscheuren (voids). Dit proces is rechtsonder weergegeven in figuur 6. figuur 6. het proces van waterstofscheuren versimpeld weergegeven (bron: Gevolgen voor de eigenschappen van het materiaal Door de opname van de waterstofatomen in het materiaal zullen de eigenschappen van het materiaal veranderen. Omdat deze waterstofatomen zich nestelen op de kristallijnen van het materiaal wordt de sterkte van de verbinding op deze kristallijnen lager waardoor het materiaal, zoals al eerder aangegeven, meer bros wordt. Door het meer bros worden van het materiaal wordt de kans op waterstofscheuren groter. Verder heeft het materiaal minder technische reserve omdat er al een deel van deze reserve wordt opgenomen door de spanningen ten gevolge van deze opgenomen waterstofmoleculen. Hierdoor zal het materiaal bij een lagere belasting bezwijken dan wanneer er geen waterstofmoleculen worden opgenomen. Het materiaal zal overigens ook niet waarschuwen dat het materiaal eerder bezwijkt. Daardoor zal de bezwijking heel plotseling optreden. Daarbij gaat deze bezwijking gepaard met een duidelijk hoorbare knal. 10

14 3.5. Waterstofbronnen Dit hoofdstuk zal beschrijven welke bronnen de waterstofionen leveren waardoor de waterstofscheuren ontstaan. Allereerst wordt er een lijst gegeven van de factoren. Daarna zullen de aangegeven punten stuk voor stuk besproken worden. Hierbij eerst de lijst welke de verschillende factoren beschrijft: o Basismateriaal o Toevoegmateriaal o Laselektrode o Spleetgrootte o Bevuiling van de lasverbinding Basismateriaal Omdat de totale hoeveelheid waterstofionen bepaalt of er waterstofscheuren ontstaan moet de hoeveelheid waterstofionen van het basismateriaal bepaald worden. Hoeveel waterstofionen dat basis materiaal bevat is uit te rekenen aan de hand van het koolstofequivalent. Hoe hoger deze waarde, hoe gevoeliger het materiaal is voor waterstofscheuren zonder dat het voorverwarmd wordt. De kantelwaarde hiervoor ligt op 0,40%. Voor deze waarde moet meegenomen worden dat er dan gebruik wordt gemaakt van toevoegmaterialen met een lage waterstofinhoud. Boven deze 0,40% moet er worden voorverwarmd. In hoofdstuk wordt verder ingegaan op voorverwarmen en het berekenen van deze voorverwarmtemperatuur. Er zijn verschillende manieren om het koolstofequivalent te berekenen. Een aantal van deze berekenmethoden worden verder besproken in dit hoofdstuk Berekenmethode volgens brochures SSAB Vanuit de brochures van SSAB zijn en aantal berekenmethoden gegeven: Berekenmethode volgens de Carbon Equivalent Value (CEV) (formule 1, bron: SSAB Weldox brochure, bijlage: 7.4, pag. 4 ) Dit is dezelfde rekenmethode als die volgens de International Institute of Welding welke internationaal geaccepteerd is. Berekenmethode volgens de CET (SSAB Weldox brochure). (formule 2, bron: SSAB Weldox brochure, bijlage: 7.4, pag. 4 ) Berekenmethode volgens de NEN-EN :2001 De NEN-EN :2001 reikt dezelfde aan als die volgens de CEV methode. Hierbij wordt overigens wel opgegeven dat deze formule alleen geldt bij een koolstofequivalent tussen de 0,35% en 0.70%. Deze NEN-EN norm is opgenomen in de bijlage onder nummer 7.6, pagina

15 Toevoegmateriaal Omdat al eerder is gebleken dat de hoeveelheid waterstofionen bepalend is voor het ontstaan van waterstofscheuren worden er ook eisen gesteld aan de waterstofinhoud van het toevoegmateriaal. Op pagina 10 van de SSAB Weldox brochure (bijlage 7.4.) worden hier onder andere bepalingen voor gegeven. Hierin wordt aangegeven dat de waterstofinhoud van on- en laaggelegeerde toevoegmaterialen niet hoger mag zijn dan 5 ml per 100 gram toevoegmateriaal. Als deze waarde hoger ligt moet dit vervolgens worden meegenomen bij het bepalen van de voorverwarmtemperatuur. Hoe hoger deze waarde is, hoe hoger de voorverwarmtemperatuur moet zijn. Het onderwerp voorverwarmtemperatuur wordt verder uitgewerkt in hoofdstuk In de NEN-EN :2001 norm wordt ook aangegeven dat er, voor het bepalen van de voorverwarmtemperatuur, rekening gehouden moet worden met de waterstofinhoud van de toevoegmaterialen. Hiervoor worden verschillende categorieën gehanteerd die deze waterstofinhoud beschrijven. Vervolgens wordt deze categorie gebruikt in de berekening van de benodigde voorverwarmtemperatuur. Een overzicht van deze categorieën is weergegeven in tabel 1. De bron van deze tabel is de NEN-EN :2001 welke bijgevoegd is in bijlage 7.6, pagina 19. Hoeveelheid waterstof in ml/100 gr toevoegmateriaal Waterstofwaarde > 15 A B 5-10 C 3-5 D < 3 E tabel 1. categorieën voor de waterstofinhoud van toevoegmaterialen (bron: NEN-EN :2001, bijlage 7.6, pagina 19 Omdat de waterstofinhoud van de toevoegmaterialen zo belangrijk is moeten deze waarden worden opgevraagd bij de respectievelijke fabrikant. Als deze materialen worden opgeborgen volgens de aanbevelingen van de fabrikant zal de waterstofinhoud van deze toevoegmaterialen op een voldoende laag niveau blijven Laselektrode Ook de bekleding van de gebruikte laselektrode geeft een hoeveelheid waterstofionen aan de te lassen verbinding. Vandaar dat er ook eisen worden verbonden aan het gebruik van deze laselektrode. Ook hiervoor gelden een aantal maximum waardes waaraan voldaan moet worden. Wanneer er boven deze waarde gewerkt wordt moet het te lassen materiaal worden voorverwarmd. Het Nederlandse Instituut voor Lastechniek (NIL) heeft voor bepalingen opgesteld voor de verschillende lastechnieken en daarbij de waterstofinhoud van de gebruikte laselektrodes. In de bronvermelding van dit verslag wordt naar de websites van dit instituut verwezen. 12

16 Spleetgrootte Als de grootte tussen de twee te lassen delen te groot is zullen de waterstofionen, welke in deze ruimte aanwezig zijn, worden opgenomen in de lasverbinding wat verontreiniging van deze lasverbinding tot gevolg heeft. Vandaar dat er een maximum aan deze ruimte wordt gesteld om waterstofscheuren te voorkomen. Een voorbeeld van een dergelijke voorwaarde staat omschreven op pagina 12 van de SSAB Weldox brochure (bijlage 7.4, pagina 13). Deze voorwaarde houdt in dat deze grootte niet groter mag zijn dan 3 mm. Voor de verduidelijking is deze bepaling ook weergegeven in figuur 7 en 8. figuur 7 & figuur 8. maximale speetgrootte (bron: SSAB Weldox brochure, bijlage 7.4, pagina 13) Bevuiling van de lasverbinding Als de lasverbinding niet goed is schoongemaakt voordat er begonnen wordt met lassen kan de lasverbinding verontreinigd raken met als gevolg een lagere sterkte. Vooral als er zich in deze verontreiniging waterstof bevindt bestaat er een grotere kans op waterstofscheuren. Vandaar dat het belangrijk is om de verbinding goed schoon te maken van vet, roest en vocht zodat deze problemen voorkomen kunnen worden. Hieronder is een aantal van deze reinigingsvoorbeelden gegeven. - Ontvetten o Dompelen in, sproeien met organische oplosmiddelen of afwrijven met schone katoenen doeken zijn geschikte methoden voor het verwijderen van vet, olie, vuil of losse deeltjes op het materiaaloppervlak. - Mechanisch reinigen o Borstelen met roterende roestvrijstalen borstels, schrapen of vijlen zijn goede methoden om oxiden en verontreinigingen in het oppervlak te verwijderen. Ontvetten dient steeds vooraf te gaan aan zo'n mechanische reiniging. Op pagina 11 van de NEN-EN :2009 opgenomen in de bijlage onder nummer 7.5. en op pagina 9 van de NEN-EN :2001 opgenomen in de bijlage onder nummer 7.6. zijn ook verschillende bepalingen opgenomen voor het voorbereiden van een lasverbinding. 13

17 3.6. Waterstofscheuren voorkomen Naast de maatregelen vermeld in hoofdstuk 3.5. zal ook dit hoofdstuk beschrijven welke factoren kunnen worden gebruikt om het ontstaan van waterstofscheuren te voorkomen. Allereerst wordt er een lijst gegeven van de factoren. Daarna zullen de aangegeven punten stuk voor stuk besproken worden. Hierbij eerst de lijst welke de verschillende factoren beschrijft: o Warmte-inbreng o Voorverwarmen o Tussenlaagtemperatuur o Nawarmen o Afkoelsnelheid Warmte-inbreng De warmte-energie die geleverd wordt tijdens het lassen heeft gevolgen voor de mechanische eigenschappen van het materiaal. Vooral de sterkte van de warmtebeïnvloede zone (HAZ) is sterk afhankelijk van deze warmte-inbreng. Als deze warmte-inbreng foutief bepaald wordt kan dit leiden tot waterstofscheuren in het moedermateriaal of in de HAZ. Het berekenen van de juiste warmte-inbreng (Q) kan worden uitgevoerd met formule 3. Deze berekende waarde zal vervolgens moeten worden vermenigvuldigd met een factor om de thermische effectiviteit van het lasproces mee te nemen in de berekening. De waardes voor de verschillende lasmethoden zijn gegeven in tabel 2. Deze gegevens zijn onttrokken uit de SSAB Weldox brochure, bijlage 7.4, pagina 7. formule 3. Berekening warmte-inbreng tabel 2. rekenwaarde lasmethode (bron: SSAB Weldox brochure, bijlage 7.4, pagina 7 (bron: SSAB Weldox brochure, bijlage 7.4, pagina 7 Deze beschreven bepalingen worden ook beschreven in de NEN-EN :2009 welke opgenomen is in de bijlage onder nummer 7.5. Deze bepalingen staan beschreven op pagina 13 van deze bijlage. 14

18 Voorverwarmen Omdat in hoofdstuk 3.5. al gebleken is dat de benodigde voorverwarmtemperatuur een belangrijke factor is om waterstofscheuren te voorkomen wordt het bepalen van deze waarde in dit hoofdstuk verder uitgewerkt. In hoofdstuk 3.5. is ook gebleken dat deze voorverwarmtemperatuur afhankelijk is van het basismateriaal (H ), de gebruikte laselektrode (H ) en waterstofinhoud van het toevoegmateriaal (H ). Het effect van voorwarmen bij het lassen is groot. Immers een verhoogde temperatuur geeft de eventueel aanwezige waterstof de tijd uit de lasverbinding te diffunderen. Bovendien wordt de afkoelsnelheid van de lasverbinding vertraagd, waardoor de kans op het ontstaan van een harde, brosse structuur wordt verkleind zo niet wordt uitgesloten. Voor het bepalen van de juiste voorverwarmtemperatuur is er binnen Nederland een norm opgesteld, de NEN-EN :2001. Hierin worden meerdere methodes besproken hoe deze voorverwarmtemperatuur kan worden vastgesteld. Deze norm is opgenomen in de bijlage onder nummer 7.6. Vanaf pagina 23 van deze bijlage wordt het bepalen van deze voorverwarmtemperatuur verder uitgewerkt Tussenlaagtemperatuur De tussenlaagtemperatuur is de temperatuur welke gemeten wordt tussen twee lagen van een lasbewerking die uit meerdere lagen bestaat. Als deze temperatuur te hoog is voordat er met de volgende lasgang begonnen wordt, loopt de temperatuur van de lasverbinding te hoog op wat vervolgens gevolgen heeft voor de sterkte van de verbinding. Daardoor wordt de kans op waterstofscheuren groter. In de SSAB Welding brochure (bijlage 7.4, pagina 5) en de SSAB Domex brochure (bijlage 7.3, pagina 12) zijn bepalingen gegeven voor de hoogte van deze tussenlaagtemperatuur. De NEN-EN :2001 geeft ook bepalingen ten aanzien van deze tussenlaagtemperatuur. Deze bepalingen zijn opgenomen in de bijlage onder nummer 7.6, pagina 20) Nawarmen De berekende voorverwarmtemperatuur wordt, bij constructies die gevoelig zijn voor waterstofscheuren, vaak nog een aantal uren vastgehouden om de waterstofionen verder te laten diffunderen. Hierdoor wordt de kans op waterstofscheuren verder verkleind. In de NEN-EN :2001 worden bepalingen gegeven voor deze nawarmperiode. Deze bepalingen zijn opgenomen in de bijlage onder nummer 7.6, pagina 21) Een ander voordeel van dit nawarmen is dat de residuele spanningen, welke ontstaan zijn door de uitgevoerde laswerkzaamheden, verlaagd zullen worden. Het voordeel hiervan is dat het materiaal beter om kan gaan met de constructiebelastingen waaraan het materiaal wordt blootgesteld Afkoelsnelheid Als de afkoelsnelheid van de gelaste verbinding te hoog is, bijvoorbeeld door een te grote warmteinbreng, zal de verbinding te snel afkoelen wat ervoor zorgt dat de korrelgrootte van de materiaalstructuur groter wordt. Dit resulteert in een materiaal met een lagere sterkte en wat gevoeliger is voor waterstofscheuren. Op pagina 44 tot en met 49 van de NEN-EN :2001 norm, welke is opgenomen in de bijlage onder nummer 7.6, worden voorwaarden gegeven voor het berekenen van de juiste afkoelsnelheid. 15

19 4. Conclusie In de inleiding is de hoofdvraag van dit verslag vermeld. Deze hoofdvraag is als volgt geformuleerd: hoe kunnen waterstofscheuren in hoogsterkte stalen, welke ontstaan door laswerkzaamheden, voorkomen worden. In deze conclusie wordt er antwoord gegeven op deze vraag en worden de beschreven aanbevelingen beknopt weergegeven. Voor de volledigheid worden eerst de waterstofbronnen beschreven waarna de verschillende mogelijkheden om waterstofscheuren te voorkomen worden beschreven. Waterstofbronnen o Basismateriaal De waterstofhoeveelheid van het basismateriaal kan worden berekend aan de hand van het koolstofequivalent. Voor het berekenen van deze waarde zijn verschillende manieren gegeven. o Toevoegmateriaal Het toevoegmateriaal is een grote bron van waterstofionen voor de lasverbinding. Vandaar dat er eisen worden gesteld aan de waterstofinhoud van dit toevoegmateriaal. o Laselektrode Ook de laselektrode kan een hoeveelheid waterstofionen leveren aan de lasverbinding. Vandaar dat er ook eisen worden gesteld aan de waterstofinhoud van de laselektrodes. o Spleetgrootte Omdat er door een te grote spleetgrootte een extra hoeveelheid lucht, en dus ook waterstofionen, wordt toegevoegd aan de lasverbinding wordt aan deze grootte een maximum gesteld. o Bevuiling van de lasverbinding Voordat er met de lasverbinding wordt begonnen moet deze goed worden schoongemaakt. Hierdoor wordt het ontstaan van waterstofscheuren verder beperkt. Het voorkomen van waterstofscheuren o Warmte-inbreng De ingebracht warmte-inbreng bij laswerkzaamheden zorgt voor een verandering van het lasmateriaal. Doordat er eisen worden gesteld aan deze warmteinbreng worden de gevolgen van de verandering van het lasmateriaal tot een minimum beperkt. o Voorverwarmen Om het aantal waterstofionen, welke zorgen voor waterstofscheuren, te verlagen kan het basismateriaal worden voorverwarmd. Aan dit voorverwarmen worden vervolgens weer eisen gesteld. o Tussenlaagtemperatuur Als de temperatuur van de verbinding te hoog is wanneer er begonnen wordt met de volgende lasgang heeft dit gevolgen voor de sterkte van de verbinding. Vandaar dat aan deze temperatuur eisen worden gesteld. o Nawarmen Om te voorkomen dat er na de laswerkzaamheden alsnog kans is op waterstofscheuren wordt de verbinding op temperatuur gehouden. Aan deze nawarmperiode zijn ook weer eisen gesteld. o Afkoelsnelheid Omdat, bij een te hoge afkoelsnelheid, de kans op waterstofscheuren wordt vergroot, worden er aan deze afkoelsnelheid eisen gesteld. In deze conclusie wordt veel verwezen naar de gestelde eisen. Omdat deze conclusie te uitgebreid wordt wanneer deze eisen worden vermeld is dit achterwege gelaten. De verschillende eisen zijn in de desbetreffende hoofdstukken of bijlagen terug te vinden. 16

20 5. Literatuurlijst In dit hoofdstuk volgt de lijst met de literatuur welke gebruikt is voor het maken van dit verslag. Per bron is ook aangegeven in welke hoofdstukken deze informatie is gebruikt. Voor hoofdstuk 2 1) Informatie voor de beschrijving van de verschillende lasprocessen o Dictaat 5155: Productietechniek Course 1 (Juni 2004) o Website Tosec ( , 14:51) o Website Multiweld ( , 16:16) o Website Vanotools B.V. ( , 16:13) nische%20informatie%20lasprocessen%20overzicht.html o Website Cybercomm ( , 16:12) Voor hoofdstuk 3 1) Informatie over waterstofborsheid o hydrogen effects onttrokken van website ( , 08:30) Verwijzing vermeld in hoofdstuk 3.1 Dit document ook opgenomen in de bijlage onder nummer 7.1 o hydrogen embrittlement onttrokken van website ( , 08:41) Verwijzing vermeld in hoofdstuk 3.1 Dit document is ook opgenomen in de bijlage onder nummer 7.2 2) Brochures metaalleverancier (SSAB) o Brochure Domex Welding Opgenomen in de bijlage onder nummer 7.3 Ontrokken van website ( , 11:24) o Brochure Weldox Welding Opgenomen in de bijlage onder nummer 7.4 Ontrokken van website ( , 11:24) 3) Websites Nederlandse Instituut voor Lastechniek (NIL) o Website lasbaarheid van materialen - aluminium en aluminiumlegeringen ( , 09:11) Gebruikt in hoofdstuk o Website waterstofscheuren ( , 08:46) Gebruikt in hoofdstuk o Website voorkomen van waterstofscheuren ( ( , 08:48) Gebruikt in hoofdstuk 3.6 4) NEN EN Normen o NEN-EN :2009 Besteld door Erik Mulder bij de NEN ten behoeve van dit verslag Norm opgenomen in de bijlage onder nummer 7.5 o NEN-EN :2001 Besteld door Erik Mulder bij de NEN ten behoeve van dit verslag Norm opgenomen in de bijlage onder nummer

21 6. Verklarende woordenlijst - Diffunderen o Diffusie is een proces ten gevolge van de willekeurige beweging van deeltjes. Deze willekeurige beweging is het gevolg van de kinetische energie die deze deeltjes bezitten. Bij verschillen in concentratie leidt diffusie tot een netto verplaatsing van deeltjes van plaatsen met een hoge concentratie naar plaatsen met een lage concentratie. o Deze definitie is ontrokken van de website ( , 11:28) - GMAW o o - GTAW o o - HAZ o o Afkorting voor Gas Metal Arc Welding Engelse benaming voor MIG- en MAG-lassen Afkorting voor Gas Tungsten Arc Welding Engelse benaming voor TIG-lassen Afkorting voor Heat Affected Zone Engelse benaming voor warmtebeïnvloede zone. - Hydrogen cracking o Engelse benaming voor waterstofscheuren - Hydrogen Embrittlement o Engelse benaming voor waterstofbrosheid - Koolstofequivalent o Een rekenwaarde waarmee o.a. bepaald kan worden of een bepaald materiaal gemakkelijk te lassen is zonder het eerst te hoeven voorverwarmen. - SSAB o Zweedse leverancier van o.a. hoogsterkte stalen. o Website ( , 11:23) - Tussenlaagtemperatuur o De gemeten temperatuur tussen 2 lasgangen bij een lasverbinding bestaande uit meerdere lasgangen. - Warmte-inbreng o De hoeveelheid ingebrachte warmte-energie bij laswerkzaamheden. 18

22 7. Bijlagen 7.1. Hydrogen Effects 7.2. Hydrogen Embrittlement 7.3. SSAB Brochure Domex Welding 7.4. SSAB Brochure Weldox Welding 7.5. NEN-EN : NEN-EN :