De invloed van elektromagnetisch roeren op het MIG/MAG-lasproces. S.J.P. de Jonge

Transcriptie

1 De invloed van elektromagnetisch roeren op het MIG/MAG-lasproces S.J.P. de Jonge

2 De invloed van elektromagnetisch roeren op het MIG/MAG-lasproces afstudeerverslag van S.J.P. de Jonge begeleider: Ir. IVI.J.M. Hermans afstudeerhoogleraar: Prof. Dr. G. den Ouden faculteit der Scheikundige Technologie en der MATERIAALKUNDE oktober 1989, TU Delft

3

4 SAMENVATTING In dit verslag worden de resultaten beschreven van het afstudeeronderzoek naar de invloed van elektromagnetisch roeren op het MIG/MAG-lasproces. Elektromagnetisch roeren is het verschijnsel dat boog en lasbad ten gevolge van Lorentz-krachten gaan roteren. Deze Lorentz-krachten zijn het resultaat van de interactie tussen de lasstroom en een externe magnetische inductie. Het onderzoek is uitgevoerd aan Fe 510, waarbij gelast is in het sproeiboog gebied en in het kortsluit-boog gebied. Er zijn zowel constante als sinusvormig wisselende magneetvelden toegepast. Er is in het onderzoek vooral aandacht besteed aan de struktuur, de lasafmetingen en de druppelafsplitsing. De belangrijkste resultaten zijn: Er zijn geen opvallende verschillen tussen het effect van elektromagnetisch roeren in het sproeiboog gebied en in het kortsluit-boog gebied. De lasafmetingen worden door wisselende magneetvelden niet of nauwelijks beïnvloed; constante magneetvelden zijn wel van Invloed op de lasafmetingen. De struktuur wordt niet beïnvloed. De druppelfrequentie (respektievelijk kortsluitfrequentie) neemt af met toenemende magnetische inductie bij constante velden.

5

6 SUMMARY In this report the results are described of a study dealing with the influence of electromagnetic stirring during Gas Metal Arc Welding (GMAW) of steel Fe 510. Electromagnetic stirring is the phenomenom that both arc and weld pool rotate as a result of Lorentz forces. These Lorentz forces are caused by the interaction between the welding current and an external magnetic field. Welds have been made both under conditions of spray transfer and bridging transfer. Constant magnetic fields as well as sine shaped alternating magnetic fields have been applied. Attention was paid to the solidification structure, the weld dimensions and the metal transfer. The main results obtained are as follows: There are no significant differences between the effect of electromagnetic stirring while welding with spray transfer and the effect of electromagnetic stirring while welding with bridging transfer. The weld dimensions are hardly influenced by alternating magnetic fields; constant magnetic fields do change the weld dimensions. There is no influence of electromagnetic stirring on the solidification structure. The droplet frequency (short-circuiting frequency) decreases with increasing magnetic induction when applying a constant magnetic field.

7

8 INHOUDSOPGAVE 1 INLEIDING 1 2 THEORETISCHE ACHTERGRONDEN MIG/MAG-lassen Het principe van MIG/MAG-lassen De boog Materiaaltransport van de elektrode naar het werkstuk Het lasbad Het beschermgas De struktuur die bij lassen ontstaat De macrostruktuur De microstruktuur Korrelverfijning De invloed van een extern magneetveld op het MIG/MAGlasproces Het principe van elektromagnetisch roeren De Invloed van een extern longitudinaal veld op de boog De invloed van een extern longitudinaal veld op het materiaaltransport De invloed van een extern longitudinaal veld op de vorm van het lasbad en op de stroming binnen het lasbad De invloed van e.m. roeren op de temperatuurverdeling binnen het lasbad en de gevolgen daan/an De invloed van e.m. roeren op de lasafmetingen De invloed van e.m. roeren op de struktuur Beïnvloeding van de stolling door e.m. roeren Resultaten van ander werk 15 3 EXPERIMENTEN De lasapparatuur Het opwekken van het magneetveld Het materiaal Fe 510 en gebruikt toevoegmateriaal Het lasprogramma Bepaling van de lasafmetingen Struktuuronderzoek Bepaling van de druppelfrequentie en onderzoek naar het spatgedrag Overige experimenten TIG-lassen Stikstofabsorptie 21

9

10 4 RESULTATEN De lasafmetingen De inbrandingsvorm De lasafmetingen bij toepassing van een constant magneetveld De lasafmetingen bij toepassing van een wisselend magneetveld De struktuur Druppelfrequentie Spatgedrag Stikstofabsorptie 26 5 DISCUSSIE De invloed van een extern magneetveld op het MIG/MAG-lasproces De lasafmetingen De inbrandingsvorm De invloed van een constant magneetveld op de lasafmetingen De invloed van een wisselend magneetveld op de lasafmetingen De struktuur De druppelfrequentie Spatgedrag Stikstofabsorptie 32 6 CONCLUSIES 34 7 AANBEVELINGEN VOOR VERDER ONDERZOEK 35 LITERATUUR 36 BIJLAGE I 40

11

12 1 INLEIDING Het is bei<end dat door l<orrelverfijning tijdens lassen de eigenschappen van lasmetaal sterk kunnen verbeteren. Desondanks worden in de praktijk van het lassen korrelverfijningsmethoden niet of nauwelijks toegepast. Dit komt omdat er (nog) geen eenvoudig uit te voeren methoden bestaan, of omdat er over bestaande methoden te weinig bekend is. Enkele technieken, waaraan onderzoek gedaan is, zijn: toevoeging van heterogene kiemen aan het lasbad; boogoscillatie; mechanische vibratie van het lasbad; beïnvloeding van het lasproces door een magnetisch veld. Met name de laatste methode, die wel aangeduid wordt met elektromagnetisch roeren, is bij TIG-lassen (TIG = Tungsten Inert Gas) van aluminium en staal op laboratoriumschaal zeer succesvol gebleken. Er is nog maar zeer weinig bekend over de invloed van externe longitudinale magneetvelden op het MIG/MAG-lasproces (MIG = Metal Inert Gas; MAG = Metal Active Gas). Het doel van dit onderzoek was het verder onderzoeken van die invloed. Hierbij is speciale aandacht besteed aan de struktuur, de vorm van de las en de druppelafsplitsing, waarbij gelast is in het open-boog gebied en in het kortsluit-boog gebied. In dit verslag worden eerst enige theoretische achtergronden gegeven van het MIG/MAG-lasproces, van de te verwachten struktuur die daarbij ontstaat en van de invloed van elektromagnetisch roeren op beide. Aan het begin van een paragraaf is aangegeven welke literatuur daarin gebruikt is. Vervolgens wordt een overzicht gegeven van de gebruikte opstelling en de uitgevoerde experimenten. Hierna worden de resultaten gegeven en besproken. Er wordt tevens een vergelijking met de resultaten in TIG-lassen gemaakt. Afgesloten wordt met conclusies en enkele aanbevelingen voor verder onderzoek. Dit onderzoek is het afsluitende afstudeeronderzoek in het kader van de opleiding tot materiaalkundig ingenieur binnen de vakgroep "Toepassing van Materialen in Constructies', sectie "Lastechnologie en Niet-Destruktief Onderzoek". 1

13 lasdraad - gestold lasmetaal beschermgas Jh moedermateriaal smeltbad Figuur 1 Scliematisclie voorstelling van het MIG/MAG-lasproces [1] anode-valgebied elektrode boogzuil kathode-valgebied Figuur 2 Schematische voorstelling van een lasboog [4] 2a

14 2 THEORETISCHE ACHTERGRONDEN 2.1 MIG/MAG-lassen Het principe van MIG/MAG-lassen (1,2) Het MIG/MAG-lasproces, waarvan in figuur 1 een sctiematische voorstelling gegeven is, is een booglasproces. Tussen een continu toegevoerde, afsmeltende elektrode (hierna te noemen de elektrode) en het werkstuk wordt een gasontlading tot stand gebracht. Deze ontlading wordt kortweg 'boog' genoemd en wordt gebruikt om druppels van de elektrode af te smelten en een lasbad te vormen. De benodigde energie is afkomstig van een gelijkstroombron, waarbij in het algemeen de elektrode positief is en het werkstuk negatief is. De boog en het smeltbad worden beschermd door een gas. Wanneer dit gas inert is (Ar of He) wordt gesproken van MIG-lassen; wanneer het gas (of een gedeelte daarvan) niet inert en dus actief is {OOJO^ wordt gesproken van MAG-lassen De boog (1,2) De lasboog die bij het MIG/MAG-lassen tot stand gebracht wordt, neemt in het algemeen de vorm van een klok aan. De boog kan verdeeld worden in vijf gebieden: de kathodevlek; het kathode valgebied; de boogzuil; het anode valgebied; de anodevlek. In figuur 2 is een schematische voorstelling van de boog gegeven, waarin het kathode valgebied, het anode valgebied en de boogzuil aangegeven zijn. De kathodevlek is het gedeelte van het werkstuk dat elektronen uitzendt; de anodevlek is het gedeelte van de elektrode dat elektronen absorbeert. Het anode valgebied en het kathode valgebied zijn zeer dunne lagen die de verbinding vormen tussen de relatief hete boogzuil en respektievelijk de anode en de kathode die relatief koud zijn. Het grootste gedeelte van de boog wordt in beslag genomen door de boogzuil. De boogzuil bestaat uit neutrale deeltjes, zoals atomen en molekulen, en elektrisch geladen deeltjes, zoals ionen en elektronen. De ionen ontstaan door dissociatie en ionisatie van gassen en metaaldampen ten gevolge van de hoge boogtemperatuur (in de meeste gevallen tussen en K [1]). De ionen en de elektronen bewegen zich onder invloed van de heersende veldsterkte en zorgen aldus voor 2

15 Figuur 4 Elel<tromagnetisclne kracliten a convergentie van de lasstroom in de druppel resulteert in een afsplitsing tegenwerkende kracht b divergentie van de lasstroom in de druppel resulteert in een druppelafsplitsende kracht c ten gevolge van de hoge stroomdichtheid neemt de elektromagnetische kracht sterk toe d convergentie van de lasstroom bij de overgang van de druppel naar de boog resulteert in een afsplitsing tegenwerkende kracht e divergentie van de lasstroom bij de overgang van de druppel naar de boog resulteert in een'druppelafsplitsende kracht [4] 3a

16 elektrische geleiding. De boogzuil wordt gekenmerkt door elektrische neutraliteit (en is dus een plasma), wat tot gevolg heeft dat de elektrische veldsterkte constant is. Aangetoond kan worden dan de ionenstroom verwaarloosbaar klein is ten opzichte van de elektronenstroom. De elektrische stroom induceert een magneetveld dat de boog kan beïnvloeden: De totale elektrische stroom kan opgevat worden als een bundel elementaire stroompjes die elkaar volgens de wet van Lorentz aantrekken, waardoor een drukverhoging ontstaat. Aangezien de boog een klokvorm heeft en de aantrekkende kracht tussen twee stroompjes omgekeerd evenredig is met de afstand tussen die twee stroompjes, ontstaat een drukverloop langs de boog. Ten gevolge van dit drukverloop ontstaat een plasmastroming die meestal 'plasmajet' genoemd wordt. De plasmajet ontspringt uit het meest gecontraheerde deel van de boog. Een ander verschijnsel dat door het magneetveld van de boog opgewekt kan worden is de zogenaamde magnetische blaaswerking. In figuur 3 is een voorbeeld van magnetische blaaswerking schematisch weergegeven. Wanneer een werkstuk éénzijdig geaard is, zoals in de figuur, dan kan de magnetische veldlijndichtheid verstoord worden. Dit kan ook gebeuren aan de rand van een ferromagnetisch werkstuk. Hierdoor ontstaan veranderende Lorentz-krachten die de boog beïnvloeden. De boog verandert steeds van stand, met als gevolg een onregelmatige las. De sterkte van het eigen magneetveld is ongeveer 10"^ T Materiaaltransport van de elektrode naar het werkstuk (1-10) Door de warmte die in de boog vrijkomt worden aan het uiteinde van de elektrode druppels gevormd, die door de boog heen naar het lasbad getransporteerd worden. De aard van het materiaaltransport, zich uitend in de druppelgrootte, de vorm van de druppels, de snelheid van de druppels, de druppelfrequentie en de regelmaat van de druppelovergang, is onder meer afhankelijk van een aantal op de druppel werkende krachten. Deze krachten zijn: de elektrostatische aantrekkingskracht tussen de elektroden; de zwaartekracht: deze zal afhankelijk van de laspositie druppelafsplitsing bevorderen of tegen gaan; de oppervlaktespanning: deze werkt de druppelafsplitsing altijd tegen; explosieve krachten, veroorzaakt door zeer snelle verdamping van het insnoeringsgebied tussen elektrode en druppel. De oorzaak hien/an is de plaatselijk en tijdelijk zeer hoge stroomdichtheid. Het mogelijke gevolg is afsplitsing van vloeibare metaaldeeltjes in alle richtingen; zuigkrachten ten gevolge van de in de boog optredende plasmastroming. Deze plasmastroming bevordert de druppelafsplitsing; een reactiekracht van de dampdruk. Ten gevolge van de gasontwikkeling aan de elektrodetip ontstaat een drukopbouw, die deze reactiekracht veroorzaakt. Door deze kracht wordt druppelafsplitsing tegengegaan; 3

17 TABEL 1 Classificatie van metaaltransport volgens het I.I.W. [10] Designation of transfer type Welding processes (examples) 1. Free flight transfer 1,1. Globular Drop Low-current GMA Repelled CO2 shielded GIVIA 1.2. Spray Projected Intermediate-current GIVIA Streaming Medium-current GMA Rotating High-current GMA 1.3. Expiobive SMA (coated electrodes) 2. Bridging transfer 2.1. Short-circuiting Short-arc GMA, SMA 2.2. Bridging without interruption Welding with filler wire addition 3. Slag-protected transfer 3.1. Flux-wall guided SAW 3.2. Other modes SMA, cored wire, electroslag O o drop repelled projected streaming rotating explosive short-circuiting flux-wall-guided Figuur 5 Vormen van metaaltransport volgens het I.I.W. [10] 4a

18 elektromagnetische krachten. In figuur 4 zijn verschillende mogelijkheden weergegeven en verklaard. In het algemeen wordt bij divergentie van de stroom in de druppel (figuur 4e) de afsplitsing bevorderd, terwijl bij convergentie de afsplitsing wordt tegengewerkt. De genoemde krachten zijn van invloed op het materiaaltransport van de elektrode naar het lasbad. Het is sterk afhankelijk van het lasproces (en dus van de boogspanning, de stroomsterkte, het elektrodemateriaal, het werkstukmateriaal en het beschermgas) welke van de krachten gaat domineren. Men is het er in de literatuur [7,8,9] niet altijd over eens welke kracht in een bepaalde situatie de grootste invloed heeft. Het blijkt dat er in de praktijk een aantal, duidelijk van elkaar te scheiden, soorten materiaaltransport optreedt. In tabel 1 is een classificatie gegeven die opgesteld is door het 'International Institute of Welding (I.I.W.)'[10]. In de tabel is bij ieder soort druppelovergang een voorbeeld gegeven van een lasproces waarbij de betreffende overgang voorkomt. In figuur 5 zijn de verschillende druppelovergangen uit tabel 1 schematisch weergegeven. Voor dit onderzoek zijn alleen hoofdgroep 1, Free-flight transfer, en hoofdgroep 2, Bridging transfer, van belang. Free-flight transfer wordt in het Nederlands aangeduid met open-booglassen en bridging transfer met kortsluitbooglassen. De overige benamingen in tabel 1 zullen in dit verslag onvertaald blijven, omdat dikwijls geen goede Nederlandse omschrijvingen van deze termen bestaan. Hieronder worden verschillende van belang zijnde overgangen kort beschreven. Bij het open-booglassen is de snelheid waarmee de draad smelt (= neersmeltsnelheid) gelijk aan de snelheid waarmee de draad aangevoerd wordt (= draadsnelheid). Het overgangstype wordt in dit geval vooral bepaald door het soort gebruikte beschermgas en door de stroomsterkte. Op het beschermgas wordt in paragraaf teruggekomen; het hieronder beschreven gedrag geldt voor een argonrijk beschermgas. Bij lage stroomsterkte vindt de overgang plaats in de vorm van 'drop transfer', gekenmerkt door een druppeldiameter die groter is dan de diameter van de elektrode en door een lage druppelfrequentie (enkele per seconde). Elektromagnetische krachten spelen bij deze overgang nauwelijks een rol; de druppels worden afgesplitst door de zwaartekracht. Bij verhoging van de stroomsterkte gaat bij een kritische stroomsterkte, die afhankelijk is van het elektrodemateriaal en van de elektrodediameter, de 'drop transfer' abrupt over in 'projected transfer'. Bij 'projected transfer' overheersen de elektromagnetische krachten en de overgang wordt gekenmerkt door fijne druppels met een diameter die ongeveer gelijk is aan de elektrodediameter en door een hoge frequentie (honderden per seconde). Bij nog hogere stroomsterkte ontstaat 'streaming transfer'; de druppeltjes zijn nog kleiner geworden en het lijkt of er continu een stroom vloeibaar metaal van de elektrode naar het werkstuk loopt. Bij nog hogere stroomsterkte ontstaat 'rotating transfer', waarbij de zachte elektrodetip spiraalsgewijs ronddraait en de druppels in tangentiële richting worden afgesplitst. 4

19 Figuur 6 Verloop van stroomsterkte en boogspanning bij kortsluit-booglassen [2] V = 2,5 mm/s V = O V = 7,5 mm/s Figuur 7 De vorm van Inet lasbad bij toenemende lassnelheid [1] 5a

20 Bij liet l<ortsluit-booglassen wordt gelast met een lage boogenergie. De spanning en de stroomsterkte zijn lager dan bij het open-booglassen. In figuur 6 is het kortsluitproces met het verloop van de spanning en de stroomsterkte in de tijd schematisch weergegeven. De neersmeltsnelheid blijkt in het begin van een periode kleiner te zijn dan de draadsnelheid. Hierdoor ontstaat een kortsluiting waarbij de stroom snel stijgt. Door deze hoge kortsluitstroom snoert de aan de elektrode hangende druppel in en de druppel vloeit in het smeltbad. De draad komt dan weer vrij en de boog, die bij de kortsluiting gedoofd was, start opnieuw. De kortsluitfrequentie ligt tussen 30 en 200 Hz en is vooral afhankelijk van de lasspanning en de draadsnelheid; bij grotere draadsnelheid neemt de kortsluitfrequentie toe tot een zeker maximum waarbij de draad op de bodem van het lasbad stoot Het lasbad (1,11,12,13) Tijdens het lassen wordt door de toegevoerde energie materiaal opgewarmd en gedeeltelijk gesmolten. Hierdoor ontstaat het lasbad, dat met een bepaalde voortloopsnelheid door het materiaal kan worden 'voortbewogen'. De vorm van het lasbad is afhankelijk van de voortloopsnelheid; in figuur 7 is dit schematisch weergegeven. Bij lage voortloopsnelheid is het lasbad ellipsvormig; bij hoge voortloopsnelheid is het lasbad druppelvormig. In figuur 8 is schematisch een bewegend lasbad weergegeven. In het algemeen vertonen legeringen die gelast worden een smelttraject, waardoor zich rond het lasbad een zone van gedeeltelijk gesmolten materiaal bevindt. De fractie vloeistof in deze zone varieert van 0% bij de stippellijn tot 100% aan de rand van het lasbad. De afmetingen van het lasbad hangen naast de voortloopsnelheid nog vooral van de stroomsterkte tijdens het lassen af: Het volume van het lasbad is ongeveer evenredig met de grootte van de stroomsterkte en ongeveer omgekeerd evenredig met de grootte van de voortloopsnelheid. De stroomsterkte heeft bij TIG-lassen nagenoeg geen invloed op de vorm van het lasbad. Bij MIG/MAG-lassen wordt het type materiaaltransport mede door de stroomsterkte bepaald en daardoor is de vorm van het lasbad ook afhankelijk van de stroomsterkte. De vorm en de afmetingen van het lasbad worden nog mede bepaald door convectieve stromingen die altijd in het lasbad optreden. Deze stromingen zijn onder te verdelen in twee soorten, zie figuur 9: A radiaal naar buiten gerichte stromingen die leiden tot een relatief breed en ondiep smeltbad; B naar beneden gerichte stromingen die leiden tot een relatief nauw en diep smeltbad. De stromingen worden veroorzaakt door: 5

21 Locus ol' llio hquidus, Isotherme du solidus Figuur 8 Sctiematisciie voorstelling van een bewegend lasbad [14] Figuur 9 Mogelijke stromingen in het lasbad - type A, radiaal naar buiten gericht - type B, naar beneden gericht [1] 6a

22 elektromagnetische krachten als gevolg van divergentie van de elektrische stroom (type B); variatie in oppervlaktespanning (type A of B); variatie in dichtheid of temperatuur (type A); wrijving ten gevolge van plasmastromingen langs het oppervlak (type A); impuls van druppels die in het lasbad vallen, in het algemeen resulterend in turbulente stroming Het beschermgas (1,2,4) De belangrijkste functie van het beschermgas is de bescherming van elektrode, druppel en smeltbad tegen de omgevingslucht, die voor 20% uit Og en voor 79% uit Ng bestaat. Wanneer er geen bescherming is kan het lasmetaal verbranden of kan er porositeit in het lasmetaal ontstaan. De beschermende functie wordt verkregen door het gas langs de boog te laten stromen; de omgevingsatmosfeer wordt hierdoor weggedrukt. In de praktijk wordt onderscheid gemaakt tussen: inerte gassen; inerte mengsels; actieve gassen; actieve mengsels. Inerte gassen die gebruikt worden zijn argon en helium. Deze gassen worden vooral gebruikt voor metalen die een grote gevoeligheid hebben voor de inwerking van zuurstof. Het belangrijkste verschil tussen helium en argon is het verschil in warmtegeleiding. Argon is een slechte warmtegeleider, waardoor er minder warmte in het werkstuk terecht komt dan bij helium, dat een goede warmtegeleider is. Helium is daarom meer geschikt voor grotere materiaaldikten. Een nadeel van helium is dat het zeer licht is. Om deze reden moet bij gebruik van helium dus een grotere gasstroom toegepast worden dan bij gebruik van argon. Het gebruik van helium is dus financieel niet aantrekkelijk. Bovendien wordt de boog minder stabiel en de druppelafsplitsing is grof. Met helium is geen open-booglassen mogelijk. Bij gebruik van argon ontstaat een stabiele boog, maar door de hoge oppervlaktespanning van staal is de druppelafsplitsing grof; hierdoor is het spatveriies hoog. Beide gassen zijn (in zuivere vorm) dus niet geschikt voor het MIG-lassen van staal. Inerte argon-helium mengsels worden toegepast met als doel de gunstige eigenschappen van beide gassen te combineren: Met name bij materialen met een grote wanddikte die goed warmte geleiden, zal de warmte te snel afgevoerd worden wanneer met zuiver argon gelast wordt. Wanneer helium wordt toegevoegd zal de warmte van de boog meer ten goede komen aan het werkstuk. Wanneer een menggas voor meer dan 75% uit één component bestaat, dan heeft de andere component geen invloed meer. 6

23 TABEL 2 Overzicht van gebruil<te menggassen [2] inert samenstelling gas moedermateriaal eigenschappen en toepasssingen Argon aluminium, koper en legeringen univérseel voor oxydatiegevoelige materialen Ar + 2 a 3% CO2 hittebestendige en roestvaste staalsoorten traag smeltbad, geschikt voor kortsluit- openboog- en pulsbooglassen AR + 2% O2 hittebestendige en roestvaste staalsoorten dun smeltbad, geschikt voor onder de hand lassen. Ook voor pulslassen Ar + 15%C02 ongelegeerd- en laaggelegeerd staal goede inbranding, w/einig spatten, stabiele boog, universeel niet te grote wanddikten. Ook voor pulslassen Ar + 20% CO2 ongelegeerd- en laaggelegeerd staal diepere inbranding, universeel, bij voorkeur grotere wanddikten actief CO2 ongelegeerd- en laaggelegeerd staal spatten, nabewerking, goede inbranding, lagere neersmeltsnelheid, kortsluitbooglassen, globulaire boog mogelijk Figuur 10 Verband tussen de stolsnelheid R en de lassnelheid v [1] 7a

24 COg is Inet enige actieve gas dat ongemengd gebruikt wordt en wel bij ongelegeerd en laaggelegeerd staal. De boogspanning is tioger dan bij het lassen met argon. Verder ontstaan een dunvloeibaar smeltbad, een brede lasrups en een brede inbranding in combinatie met een goede ontgassing. Zuiver COg wordt steeds minder toegepast omdat hierbij een grove druppelovergang en een groot spatveriies (bij staal zelfs mogelijk in de orde van 10 a 15% [2]) ontstaan. Bij stroomsterkten boven 200 A is open-booglassen onmogelijk. Actieve menggassen bestaan uit een inert gas (meestal argon), waaraan een bepaald percentage COg of Og is toegevoegd en soms wat Hg. De reden dat met actieve menggassen gelast wordt is dat zuurstof de oppervlaktespanning van staal sterk verlaagt, waardoor de druppels fijner worden en het spatveriies minder wordt. Wanneer met COg gelast wordt, dan ontstaat vrije zuurstof doordat COg in de boog dissocieert. Naast de verlaging van de oppervlaktespanning is de oxydatiegevoeligheid van het moedermateriaal van belang voor de keuze van een bepaald menggas. In tabel 2 is een globaal overzicht van enkele toegepaste beschermgassen gegeven. 2.2 De struktuur die bij lassen ontstaat De struktuur die bij lassen ontstaat lijkt veel op de struktuur die bij gieten ontstaat en wordt daarom ook wel de gietstruktuur genoemd. Deze struktuur is uitvoerig beschreven in een literatuuroverzicht [12] dat geschreven is aan de hand van een literatuuronderzoek voorafgaand aan dit afstudeeronderzoek. De belangrijkste resultaten worden hieronder vermeld; voor verdere gegevens wordt verwezen naar de literatuur [11-18]. In deze paragraaf wordt de struktuur beschreven die onder 'normale' omstandigheden ontstaat. Met 'normaal' wordt in dit verband bedoeld dat gelast wordt volgens de manier beschreven in paragraaf 2.1, dus zonder dat een korrelverfijningsmethode wordt toegepast, in paragraaf 2.3 zal ingegaan worden op korrelverfijning De macrostruktuur (13-17) Aan de rand van een las wordt de stolling van lasmetaal gekenmerkt door epitaxiale groei. Dit wil zeggen dat nieuw gevormde kristallen dezelfde kristallografische oriëntatie hebben als de korrels in de warmte-beïnvloede zone, waarop ze geënt zijn. Deze kristallen groeien stengelvormig uit naar het midden van de las met een groeisnelheid R. Er geldt: R = V cos ( ) (1) In formule (1) is v de voortloopsnelheid en ^ de hoek tussen de voortlooprichting en de stolrichting (zie figuur 10). 7

25 Figuur 11 Lasstruktuur in een ellipsvormig en in een druppelvormig lasbad a 'stray' struktuur b 'centerline' struktuur [17] Figuur 12 'Axial' struktuur [13] Figuur 13 'Equiaxed' struktuur in tiet midden van lasmetaal [17] 8a

26 De vorm van de stengelvormige kristallen wordt, via de vorm van het lasbad, bepaald door een verschijnsel dat bekend staat als competitieve groei. Door de epitaxiale groei hebben sommige korrels hun richting van gemakkelijke groei (bijna) evenwijdig aan de richting van de maximale temperatuurgradiënt G. Deze kristallen groeien sneller dan kristallen die minder gunstig georiënteerd zijn. In figuur 11 is de struktuur die ontstaat schematisch weergegeven voor zowel een ellipsvormig als een druppelvormig smeltbad. Wanneer het smeltbad ellipsvormig is (bij lage voortloopsnelheden), dan verandert langs het stolfront de richting van de maximale temperatuurgradiënt voortdurend; in figuur 11a is dit met behulp van pijltjes weergegeven. Hierdoor hebben korrels de neiging te buigen in de lasrichting en hebben steeds andere korrels een gunstige oriëntatie. Binnen een gebogen korrel blijft de kristallografische oriëntatie wel dezelfde. De struktuur die ontstaat wordt de 'stray' struktuur genoemd. Bij hoge voortloopsnelheden is het smeltbad druppelvormig. De richting van de maximale temperatuurgradiënt is dezelfde over een groot gedeelte van het stolfront, zie figuur 11b. De gunstig georiënteerde korrels drukken de minder gunstig georiënteerde weg en 'botsen' in het centrum van de las op elkaar. De struktuur die ontstaat is grover dan de 'stray' struktuur en heeft een hoge mate van textuur; deze struktuur wordt de 'centerline' struktuur genoemd. Wanneer het smeltbad een vorm heeft die tussen een ellips en een druppel in ligt, dan verschijnt de 'axial' struktuur, zie figuur 12. Langs de as van het smeltbad groeien langgerekte korrels met een stolsnelheid die gelijk is aan de voortloopsnelheid. Een laatste, voor dit onderzoek van belang zijnde, struktuur die op kan treden is de 'equiaxed' struktuur. Deze struktuur wordt gekenmerkt door willekeurig georiënteerde, fijne kristallen, die in een band in het midden van de las liggen. In figuur 13 is deze struktuur schematisch weergegeven. Onder normale omstandigheden treedt deze struktuur slechts op bij grote voortloopsnelheden in legeringen met een hoog gehalte aan legeringselementen en/of verontreinigingen. Dit is begrijpelijk omdat door de vorm van het lasbad de temperatuurgradiënt aan de achterkant laag Is. Hierdoor wordt de onderkoeling zo groot dat de legeringselementen en/of de verontreinigingen als kiemen kunnen gaan dienen. De 'equiaxed' struktuur is een zeer gewenste struktuur omdat fijne, 'equiaxed' kristallen de stolscheurgevoeligheid verminderen en mechanische eigenschappen zoals sterkte, taaiheid en vermoeiingssterkte verbeteren. De hierboven beschreven gietstruktuur wordt de primaire struktuur genoemd. De secundaire struktuur treedt op in legeringen die een fase-overgang hebben. De tertiaire struktuur treedt op wanneer in meerdere lagen gelast wordt; hierdoor ondergaan eerder gelegde lagen een warmtebehandeling, met als gevolg rekristallisatie en korre Igroei. 8

27 Solid/ SoUde Variation in liquidps lempcralure for a fast growth rale/ Variation de la temperature du liquidus pour une Vitesse de solidification élevée Liquid/ Liquide Steep lempcratun; gradient G, /Fort gradient de températute C, Shallow temperature gradient G,/Faible gradient de temperature G, t2 Variation in liquidus temperature for slow growth rate - R,/ Variation de la temperature du liquidus pour une Vitesse de solidificalion lent - R. Eo- J_L Distance from solid to solide-liquide (inches) liquid interface.. in./distancc de I'lnlerface Figuur 14 De invloed van de groeisnellieid en van de temperatuurgradiënt op mate van de constitutionele onderkoeling [14] Figuur 15 De verschillende substrukturen van lasmetaal [1] a vlak b cellulair c cellulair-dendritisch d dendritisch

28 2.2.2 De microstruktuur (13,14,17,18) Binnen de primaire strul<tuur l<unnen verschillende substrukturen optreden. De oorzaak hiervan is dat technische materialen legeringselementen en/of verontreinigingen bevatten, die door segregatie aanleiding geven tot constitutionele onderkoeling. Binnen één materiaal hangt de mate van constitutionele onderkoeling af van de temperatuurgradiënt in het smeltbad en van de groeisnelheid, zie figuur 14. Wanneer de groeisnelheid R toeneemt, dan neemt de tijd af die beschikbaar is voor diffusie van elementen in de vloeistof. Het gevolg is dat de concentratiegradiënt in de vloeistof in absolute zin groter wordt, waardoor de effectieve liquidustemperatuur stijgt. Het gebied van constitutionele onderkoeling wordt dan groter. Wanneer de temperatuurgradiënt G verandert, dan verschuift het snijpunt met de effectieve liquidustemperatuur. Om een zo groot mogelijk gebied van constitutionele onderkoeling te krijgen, moet de temperatuurgradiënt zo klein mogelijk zijn. In figuur 15 zijn de verschillende soorten substrukturen die mogelijk zijn weergegeven. In figuur 16 is de invloed van de chemische samenstelling en van de stollingsparameter G/R op de substruktuur gegeven. 2.3 Korrelverfijning (15-21) Zoals al eerder opgemerkt is, is een fijne macrostruktuur gewenst. Equiaxed kristallen ontstaan bij het lassen ten gevolge van kiemvorming in de bulk van het lasmetaal. Hoe meer kiemvorming, hoe meer nieuwe kristallen en dus ook: hoe fijner het lasmetaal. Kiemvorming in de bulk van het lasbad kan optreden door middel van één of meer van drie verschillende mechanismen, te weten: het afbreken van groeiende dendrieten (dendrietfragmentatie), die door convectieve stromingen in de bulk terecht komen; het loslaten van gedeeltelijk gesmolten korrels aan de smeltkant van het lasbad, die eveneens door convectieve stromingen in de bulk terecht komen; heterogene kiemvorming. Met heterogene kiemen worden 'vreemde' deeltjes bedoeld. Dit zijn (kleine) deeltjes met een andere samenstelling als het lasmetaal. In figuur 17 zijn deze drie mechanismen schematisch weergegeven. Een voonwaarde voor elk van de drie genoemde mechanismen is dat de temperatuur in het lasbad niet te hoog mag zijn, omdat de kiemen anders (her)smelten. In de literatuur werd tot voor kort in bijna alle gevallen aangenomen dat dendrietfragmentatie verantwoordelijk is voor korrelverfijning. In de meer recente literatuur 9

29 Figuur 16 De invioed van de stollingsparameter en van de mate van legeren op de uiteindelijke substruktuur [14] MECHANISM 1 : Dendrite Fragmentation MECHANISM 2: Grain Detachment MECHANISM 3; Heterogeneous Nucleation Figuur 17 Schematische weergave van de microstruktuur van de gedeeltelijk gesmolten zone en van kiemvormingsmechanismen in lasmetaal [16] 10a

30 wordt echter beweerd dat de stolling meestal niet dendritisch verloopt [16]. De oorzaak van deze opvattingsverschillen ligt in het feit dat in gietwerk dendrietfragmentatie wèl een belangrijke bron van korrelverfijning is [21]. Bovendien worden verschillen in materiaalsamenstelling uit het oog verloren. Het staat vast dat in roestvast staal de stolling wel dendritisch verloopt. Het loslaten van korrels wordt soms als het verantwoordelijke mechanisme gezien, maar in de recente literatuur [16,18] wordt beweerd dat vooral heterogene kiemen de korrelverfijning veroorzaken. In zowel roestvast staal als aluminium bestaan deze kiemen uit (een) intermetallische fase(n) van titaan en aluminium. Homogene kiemvorming treedt in lasmetaal nauwelijks op. Constitutionele onderkoeling alleen is niet genoeg om korrelverfijning te veroorzaken, omdat de temperatuurgradiënten in het lasbad groot zijn. 2.4 De invloed van een extern magneetveld op het!\/lig/i\/1ag-lasproces Het is bekend dat het lasproces beïnvloedbaar is door magneetvelden. In paragraaf is de invloed van het eigen magneetveld besproken, in deze paragraaf wordt de invloed van een extern longitudinaal magneetveld besproken (een longitudinaal veld is een veld waarvan de magnetische inductie B evenwijdig is aan de as van de boog). Dit veld kan constant zijn of met een bepaalde frequentie van polariteit wisselen. Door het opleggen van een extern longitudinaal magneetveld gaan boog en lasbad roteren. Om deze reden wordt deze techniek in de literatuur wel aangeduid met elektromagnetisch roeren [22]. De theorie in deze paragraaf is vooral gebaseerd op TIG-lassen. De reden hiervoor is dat elektromagnetisch roeren tijdens MIG/IVIAG-Iassen nauwelijks onderzocht is Het principe van elel<tromagnetiscli roeren (22-26) Elektromagnetisch roeren berust op het verschijnsel dat boog en lasbad, die beide stroomgeleiders zijn, in een extern longitudinaal magneetveld een Lorentzkracht FL ondervinden, zie figuur 18. De grootte van deze kracht wordt gegeven door: "Fl=Tx B (2) Hierin geldt: FL = de kracht die op een bepaald volume-element van boog of lasbad werkt; j = de stroomdichtheid in dat volume-element; B = de magnetische inductie. Ten gevolge van deze krachten (F^ op de boog (are) en "F), op het lasbad (pool)) gaan boog en lasbad roteren in de richting van F! Deze richting kan bepaald worden met de kurketrekkerregel van Maxwell, waarbij de draairichting van de kurketrekker overeenkomt met de draairichting van J naar ^ over de kleinst mogelijke hoek. De 10

31 Figuur 18 Het principe van elektromagnetisch roeren [22] 11a

32 voortbewegingsrichting van de kur(<etrekker, behorende bij deze draairichting, geeft de richting van de Lorentzkracht en van de rotatie. Uit formule (2) blijkt datf^l nul is, wanneerfen's evenwijdig aan elkaar zijn. Tijdens het lassen neemt de boog echter een klokvorm aan, waardoor het stroomverloop ontbonden kan worden in twee componenten, waarvan er één loodrecht op'ë staat, in het lasbad maken J en B een hoek van 90 met elkaar en is de Lorentzkracht maximaal De invloed van een extern longitudinaal veld op de boog (3,4,22,27,28) Zoals al vermeld is, zal de boog in aanwezigheid van een extern, longitudinaal magneetveld door de Lorentzkracht gaan roteren. De rotatiesnelheid is afhankelijk van een aantal factoren, waarvan de belangrijkste zijn: de geometrische afmetingen van de boog; de elektrische parameters; de wrijving tussen de boog en de omgevingsatmosfeer (beschermgas); de sterkte en de wisselingsfrequentie van het magneetveld; de fysische eigenschappen van het elektrodemateriaal; inwendige wrijving binnen de boog. Wanneer een constant magneetveld toegepast wordt, dan gaat de boog unidirectioneel roteren. Hierbij wordt de boog breder en neemt een kegelvorm aan [4,22]. Verder neemt de helderheid naar de buitenkant toe. In dit verband wordt gesproken van een holle boog [22]. Doordat de boog veranderd is, wordt ook de inbrandingsvorm veranderd: De lasbreedte neemt toe en de inbrandingsdiepte neemt af. De oorzaak hiervan is dat de ingebrachte hoeveelheid warmte over een groter oppervlak verdeeld wordt. Een ander effect dat gevonden wordt, is dat de lashoogte in het algemeen toeneemt. Dit wordt mogelijk veroorzaak doordat de boogdruk afneemt wanneer de boog hol wordt. Wanneer een wisselend veld toegepast wordt, dan verandert hierdoor de rotatierichting van de boog voortdurend. Door Basler [27,28] wordt gesteld dat de toepassing van een sinusvormig wisselend magneetveld de magnetische blaaswerking geheel onderdrukt De invloed van een extern longitudinaal veld op het materiaaltransport (4,29) Door het opleggen van een extern longitudinaal magneetveld ontstaat een Lorentzkracht die op de aan de elektrode hangende druppel werkt. Er is nog maar zeer weinig onderzoek gedaan naar de invloed van die Lorentzkracht op de druppelafsplitsing. Wel is duidelijk [4,29] dat de overgang van 'streaming transfer' naar 'rotating transfer' bij lagere stroomsterkte plaatsvindt. Dit Is begrijpelijk omdat waar- 11

33 Vt Figuur 19 Scliematisclie voorstelling van het lasbad in bovenaanzicht en van de las in dwarsdoorsnede bij aanwezigheid van een constant axiaal magneetveld V, = voortloopsnelheid van de lasboog V, = snelheid van de vloeistofdeeltjes in het lasbad [22] Figuur 20 Drie gebieden in het lasbad bij de aanwezigheid van een extern axiaal magneetveld [31] 12a

34 schijniijk de druppel, evenals de boog en het smeltbad, onder invloed van het veld gaat roteren. Basler [28] rapporteert in overeenstemming hiermee, dat de elektrodedraad ten gevolge van de elektromagnetische krachten spiraalsgewijs afsmelt. Het blijkt dat bij hoge magnetische inductie en lage wisselingsfrequentie van het magneetveld de spatveriiezen sterk toenemen [4] De invloed van een extern longitudinaal veld op de vorm van iiet iasbad en op de stroming binnen liet lasbad (4,22,23,30-33) Wanneer tijdens TIG-lassen een extern constant magneetveld opgelegd wordt, dan verandert de stand van het lasbad en wordt de symmetrie in de doorsnede van de las opgeheven. De optredende asymmetrie blijkt toe te nemen bij sterkere velden. Deze verschijnselen zijn schematisch weergegeven in figuur 19; een verklaring hiervoor volgt uit dezelfde figuur. Nieuw gesmolten materiaal aan de voorzijde van de boog voert onder invloed van de Lorentzkracht een roterende beweging uit. Ten gevolge van centrifugale krachten wordt een groot gedeelte van dit vloeibare metaal zijwaarts weggedrukt. Doordat de stolling snel verloopt, kan het metaal niet terugvloeien en wordt de doorsnede asymmetrisch. Dit verschijnsel is door Malinowski-Brodnicka e.a. [22] aangeduid als het sloot-dijk effect. Bij MIG-lassen is het sloot-dijk effect door Hermans [4] niet aangetroffen. De vorm van een doorsnede verandert wel onder invloed van een constant magneetveld: de typische vingervormige inbranding, karakteristiek voor een MIG-las, blijkt te verdwijnen. Wanneer een extern wisselend veld wordt opgelegd, dan blijken de hierboven beschreven verschijnselen af te nemen bij toenemende frequentie en bij een bepaalde waarde geheel te verdwijnen. Chernysh [31] heeft de stroming binnen het lasbad tijdens TIG-lassen in aanwezigheid van een extern wisselend longitudinaal veld onderzocht. Hij concludeert dat het lasbad uit drie verschillende zone's bestaat, zie figuur 20. In zone 1 wordt de stroming geïnitieerd met een sterke versnelling. In zone 2 vindt een vertraging plaats. Het lasbad is in zone 2 het breedst en de viscositeit is minimaal. De vertraging is dus niet het gevolg van toenemende wrijvingskrachten. Chernysh stelt dat de vertraging ontstaat doordat de boog een kegelvorm aanneemt en daardoor de stroomdichtheid in zone 1 groter is dan in zone 2. Waarschijnlijker is echter dat de stroomdichtheid beïnvloed wordt door de aarding. Matsuda [23] beweert in dit verband dat aarding aan de voor- en achterzijde van het werkstuk optimaal is. Volgens beide genoemde verklaringen nemen de elektromagnetische krachten af. In zone 3 vindt een verdere vertraging plaats. Als verklaring hiervoor wordt gegeven dat door de verhoogde viscositeit (de temperatuur in zone 3 is relatief laag) van het lasmetaal de wrijvingskrachten toenemen. 12

35

36 Het blijkt dat bij TIG-lassen de stroming ten gevolge van het elektromagnetisch roeren dominant is ten opzichte van de andere stromingen, beschreven in paragraaf Bij het MIG-lassen blijft volgens Hermans [4] de stroming ten gevolge van het materiaaltransport van de elektrode naar het werkstuk dominant. Het is dan ook nog de vraag of de beschreven drie zone's uit figuur 20 ook in een MIG-lasbad voorkomen De invloed van e.m. meren op de temperatuun/erdeling binnen het lasbad en de gevolgen daarvan (34,35) Malinowski [34] heeft in een literatuuroverzicht de temperatuurverdeling in en rondom het lasbad tijdens e.m. roeren beschreven. De voornaamste resultaten zijn als volgt: Wanneer geen extern veld toegepast wordt, dan fluctueert de temperatuur in elk punt van het lasbad met een maximale amplitude van 100 G. De temperatuur van het lasmetaal dat e.m. geroerd wordt heeft in elk punt een trillingsvorm met een regelmatig karakter. De frequentie van deze trilling hangt af van de wisselingsfrequentie van het magneetveld. De temperatuur is binnen het lasbad tijdens e.m. roeren bijna constant. E.m. roeren leidt dus tot lage temperatuurgradiënten. Morgan-Warren [35] heeft temperatuurverdelingen binnen lasbaden gemeten. Geconcludeerd wordt dat in de gesmolten fase de temperatuurgradiënten relatief klein zijn ten opzichte van de temperatuurgradiënten in de omringende gedeeltelijk gesmolten fase en de vaste fase. Verder wordt geconcludeerd dat, in overeenstemming met het gestelde van Malinowski, de condities in de gesmolten fase sterk variëren onder gewone omstandigheden. Het verschil tussen kleine en grote smeltbaden wordt ook aangegeven. In kleine smeltbaden (bijvoorbeeld bij TIG-lassen) zijn de temperatuurgradiënten kleiner dan in grote smeltbaden. Op basis hiervan wordt geconcludeerd dat e.m. roeren bij grotere smeltbaden waarschijnlijk grotere effecten zal hebben dan bij relatief kleine smeltbaden. Een ander, niet genoemd, effect is de invloed van e.m. roeren op de constitutionele onderkoeling, die toeneemt door de lage temperatuurgradiënt, zie figuur 14. In kleine smeltbaden kan e.m. roeren ook effect hebben. Wanneer namelijk de temperatuurgradiënt in een lasbad klein is, dan is de gedeeltelijk gesmolten zone rondom dat lasbad relatief breed. Het gevolg daarvan is dat eventueel meer korrels los kunnen laten om te dienen als nieuwe kiemen, die door het vlakke temperatuurverloop tevens een grotere kans op overleven hebben. Het gevolg daarvan is (meer) korrelverfijning. Ook zullen heterogene kiemen en eventueel afgebroken dendrieten een grotere kans op overleven hebben dan in een niet-beïnvloed lasbad. Een ander effect van het vlakke temperatuurverloop is dat korrels verder voor het stolfront uit kunnen ontstaan, wat ook weer leidt tot meer korrels en dus tot korrelverfijning. 13

37 I) h d Figuur 21 Definitie van de lasafmetingen b = lasbreedte h = lashoogte d = penetratiediepte V- mm hec Figuur 22 Variaties in de absolute groeisnelheid van kristallen 1 onder normale omstandigheden 2 tijdens elektromagnetisch roeren [37]

38 2.4.6 De invloed van e.m. meren op de lasafmetingen (4,22,36) Door e.m. roeren blijken de lasafmetingen te veranderen. In figuur 21 zijn deze afmetingen gedefinieerd voor een MIG/MAG-las. Voor een TIG-las kunnen dezelfde definities gebruikt worden, met één uitzondering. Wanneer namelijk geen toevoegmateriaal gebruikt wordt, dan zal er geen lasmetaal boven de plaat uitsteken als er zonder extern veld gelast wordt. De lashoogte is dan nul. De toepassing van een constant veld leidt er toe dat de vorm van de doorsnede verandert, zoals beschreven is in paragraaf De breedte en de hoogte nemen toe en de penetratiediepte neemt af, zoals verklaard is in paragraaf Wanneer een wisselend veld toegepast wordt, dan worden boven een bepaalde wisselingsfrequentie de beschreven veranderingen weer teniet gedaan. Er is echter een belangrijk voordeel van het wisselende veld. Bij het TIG-lassen is o.a. door Willgoss [38] gerapporteerd dat binnen een las de afmetingen van plaats tot plaats veel minder spreiding vertonen. Door e.m. roeren wordt dus de reproduceerbaarheid van een TIG-las verbeterd. 2.5 De invloed van e.m. roeren op de struktuur Beïnvloeding van de stolling door e.m. roeren (37,38) Chernysh [37] heeft met behulp van filmopnamen de beweging van het stolfront tijdens e.m. roeren bestudeerd. Het blijkt dat het stolfront zich periodiek verplaatst rond een bepaalde positie die meebeweegt met de boog. Groeisnelheden van kristallen zijn bepaald en het resultaat hiervan is gegeven in figuur 22. In deze figuur is tevens de groeisnelheid van kristallen onder normale omstandigheden weergegeven. Het blijkt dat, wanneer geroerd wordt, de groeisnelheid van de kristallen periodiek verandert met de wisselingsfrequentie van het magneetveld. In het begin van de groei (voor t < 3,5 s in figuur 22) smelten kristalten periodiek. Maximum groeisnelheden die gemeten zijn, zijn 1,5 tot 10 maal hoger dan groeisnelheden onder normale omstandigheden. Op grond van deze resultaten heeft Chernysh het stolproces in twee fasen verdeeld. In de eerste fase wordt één van de zijden van het lasbad schoongeveegd door de vloeibare metaalstroom. Ten gevolge hiervan smelten kristallen gedeeltelijk of helemaal. In de tweede fase stolt het grootste gedeelte van het metaal. De vloeistofstroom werkt nu, door wisseling van de polariteit van het magneetveld, op de andere zijde van het lasbad. De groeisnelheid wordt nu 1,5 tot 10 maal hoger dan bij lassen zonder roeren. Deze hogere groeisnelheid leidt tot korrelverfijning van de primaire struktuur, waarbij tegelijk een homogenere samenstelling ontstaat. Gagen [38] heeft vastgesteld dat door e.m. roeren de stoltijd toeneemt en dat de struktuur daarbij verfijnt. Dit lijkt in tegenspraak met datgene wat bijvoorbeeld in 14

39

40 Gagen [38] heeft vastgesteld dat door e.m. roeren de stoltijd toeneemt en dat de struktuur daarbij verfijnt. Dit lijkt in tegenspraak met datgene wat bijvoorbeeld in gietwerk gebeurt. Door de lange stoltijd is meer tijd voor ontgassing, waardoor mechanische eigenschappen verbeterd worden. De theorieën van Chernysh en Gagen lijken elkaar aan te vullen. Chernysh verdeelde de stolling in twee fasen die, vanwege de periodieke wisseling van het veld, even lang moeten zijn. In de eerste fase treedt echter nauwelijks groei op en de stolling vindt bijna geheel in de tweede fase plaats. De tijd waarin effectieve stolling optreedt is dus klein en hierdoor treedt korrelverfijning op. De totale stoltijd wordt wèl langer, in overeenstemming met wat Gagen beweert Resultaten van ander werk (4,19,22-26) Het meeste onderzoek is tot nu toe gericht geweest op e.m. roeren tijdens TIG-lassen van aluminium en van roestvast staal [22-26]. Het hoofddoel van dat onderzoek was de bepaling van de juiste waarden van de wisselingsfrequentie en van de grootte van de magnetische inductie om tot een optimale struktuur te komen. De voornaamste resultaten zijn als volgt: In commercieel zuivere materialen ontstaat geen korrelverfijning. Legeringen die onder normale omstandigheden een 'equiaxed' struktuur hebben, zijn door e.m. roeren niet verder te verfijnen. Legeringen die een geringe hoeveelheid titaan en aluminium bevatten zijn door e.m. roeren sterk te verfijnen. Bij toenemende magnetische inductie neemt korrelverfijning toe. De optimale wisselingsfrequentie is ongeveer evenredig met de grootte van de voortloopsnelheid. Bij hoge lassnelheden wordt de struktuur niet meer beïnvloed door e.m. roeren. De verschillende onderzoekers zijn het niet geheel eens over de verklaring van deze resultaten. Het is duidelijk dat het effect van e.m. roeren sterk afhangt van de samenstelling van het te lassen materiaal. Dit zou kunnen betekenen dat heterogene kiemen verantwoordelijk zijn voor eventuele korrelverfijning. Dit wordt inderdaad door Pearce en Kerr [19] beweerd. Matsuda [23-26] en Malinowski-Brodnicka e.a. [22] beweren echter dat dendrietfragmentatie in combinatie met een grotere constitutionele onderkoeling het verantwoordelijke mechanisme is. Beide verklaringen kunnen juist zijn, hoewel Matsuda niet aangetoond heeft dat de stolling dendritisch is. Het is nog maar de vraag of de stolling tijdens het lassen van aluminium inderdaad dendritisch is, zie paragraaf 2.3. Vast staat dat door e.m. roeren de temperatuurgradiënt in het lasbad verlaagd wordt. Hierdoor hebben kiemen een grotere kans op overleven en wordt korrelverfijning bevorderd. 15

41

42 Dat de optimale wisselingsfrequentie evenredig is met de voortloopsnelheid, is eenvoudig in te zien. Volgens de theorie van Chernysh, beschreven in paragraaf 2.5.1, vindt de stolling periodiek plaats. De grootte van de kristallen is daardoor omgekeerd evenredig met de grootte van de wisselingsfrequentie. De afstand waarover kristallen groeien is evenredig met de lassnelheid (formule (1), paragraaf 2.2.1). Om tot een bepaalde kristalgrootte te komen, zal bij toenemende lassnelheid de wisselingsfrequentie dus groter moeten worden. Bij hogere lassnelheden blijkt de struktuur niet meer beïnvloed te worden door e.m. roeren. Matsuda verklaart dit door te stellen dat de stroming het staartgedeelte van het lasbad niet meer bereikt en daardoor dendrieten niet meer af kunnen breken. Dit hoeft geen reden te zijn om aan te nemen dat dendrietfragmentatie het verantwoordelijke mechanisme voor korrelverfijning moet zijn, omdat Matsuda zelf beweert dat bij hoge lassnelheden de struktuur al equiaxed is wanneer niet geroerd wordt. Bij hogere magnetische inductie neemt de korrelvertijning toe. Dit lijkt logisch omdat door sterker roeren het lasbad en de temperatuurverdeling waarschijnlijk homogener worden. Er kunnen dan meer kiemen in de bulk overleven. Zoals al eerder opgemerkt is, is er weinig onderzoek gedaan naar e.m. roeren tijdens MIG/MAG-lassen. Hermans [4] heeft geen korrelverfijning aangetroffen en beweert dat waarschijnlijk de impuls van de in het lasbad vallende druppels dusdanig groot is, dat e.m. roeren geen dominante invloed heeft. 16