Las. G.denOud.,.,."",..,.

Transcriptie

1 Las G.denOud.,.,."",..,.

2

3 .. Lastechnologie Bib! idl-,eek TU Delft. " 111 ~ L 2Ll24'/52

4 ' ~4~;, 1 I., J. \ rl l ~,

5 Lastechnologie prof.dr. G. den Ouden! 1" \.. '. \.' Delftse Uitgevers Maatschappij

6 CIP-gegevens Koninklijke Bibliotheek, Den Haag Ouden, G. den Lastechnologie / G. den Ouden. - Delft: Delftsche U.M Met lito opg. ISBN SISO UDC Trefw.: lassen. VSSD Eerste druk 1987 Derde druk 1993 Delftse Uitgevers Maatschappij b.v. P.O. Box 2851, 2601 CW Delft, The Netherlands Tel , telefax Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of op enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photo-copying, recording, or otherwise, without the prior written permission of the publisher. ISBN

7 5 Voorwoord Dit boek handelt over lastechnologie in de brede zin van het woord. Het is in eerste instantie bedoeld voor studenten aan technische universiteiten en gelijkwaardige opleidingsinstituten als handleiding bij de studie. Daarnaast kan het ook van nut zijn voor degenen die in het kader van hun werk direct of indirect met het onderwerp te maken hebben. De inhoud van het boek is gebaseerd op notities ten behoeve van colleges gegeven in de periode sedert 1980 aan studenten van de Technische Universiteit Delft. De eerste druk (1987). Deze druk moet worden gezien als 'eerste benadering'. De bedoeling is om in volgende drukken de stof uit te breiden en waar nodig te verdiepen. De tweede druk (1990). Ten behoeve van deze druk zijn de volgende paragrafen geheel of gedeeltelijk herschreven: paragraaf 1.10 (De neersmeltsnelheid), paragraaf 2.10 (Laser lassen), paragraaf 5.1 (De temperatuurcyclus) en paragraaf 5.5 (De structuur van de lasverbinding). Voorts is de tekst op een aantal plaatsen uitgebreid en aangepast en zijn enkele figuren toegevoegd. De derde druk (1993). In deze druk is de tekst op een aantal plaatsen verder uitgebreid. Voorts zijn opgaven aan de hoofdstukken toegevoegd. Suggesties met betrekking tot de inhoud zullen door de schrijver zeer op prijs worden gesteld. Delft, juni 1993 G.d.O.

8

9 d th... i... i,;,.",; Inhoud 7 Inhoud ALGEMENE INLEIDING I Processen 1. BOOGLASSEN Inleiding 1.2. Algemene beschrijving van de boog De boogzuil 1.4. Het kathodevalgebied 1.5. Het anodevalgebied 1.6. Het ontsteken van de boog 1.7. Het booglasproces Warmtetransport bij het booglassen 1.9. Materiaaltransport bij het booglassen De neersmeltsnelheid Spatverliezen Magnetische effecten Stroombronnen Robotisering van het booglasproces Opgaven Literatuur 2. ANDERE LASPROCESSEN 2.1. Inleiding 2.2. Weerstandlassen 2.3. Hoog-frequent lassen 2.4. Elektroslak lassen 2.5. Autogeen lassen hermietlassen 2.7. Wrijvingslassen Ultrasoon lassen 2.9. Explosielassen Laser lassen Elektronenbundellassen Diffusielassen Opgaven Literatuur

10 8 Lastechnologie 3. SOLDEREN Inleiding 3.2. Oppervlaktegesteldheid 3.3. Bevochtigingseigenschappen van soldeer 3.4. De vloeibaarheid van soldeer 3.5. Zachtsolderen en hardsolderen 3.6. De sterkte van de soldeerverbinding Opgaven Literatuur 4. THERMISCH SNUDEN 4.1. Inleiding 4.2. Autogeen snijden 4.3. Boogsnijden 4.4. Laser snijden Opgave Literatuur 11 Metaalkundige aspecten 5. METAALKUNDIGE ASPECTEN VAN HET BOOGLASSEN De temperatuurcyclus 5.2. Het lasbad 5.3. Slak-bad reacties 5.4. De opname van di-atomaire gassen 5.5. De structuur van de lasverbinding 5.6. Restspanningen 5.7. Lasdefecten 5.8. Lasbaarheid Opgaven Literatuur Toepassingen 6. LASSEN VAN ONGELEGEERD EN LAAGGELEGEERD STAAL Ongelegeerd en laaggelegeerd staal- soorten en kenmerken Lasprocessen en lasprocedures 140 { 6.3. Beklede elektroden voor het lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal De structuur van de lasverbinding Lasproblemen 159 Opgaven 170 Literatuur 171

11 Ij Inhoud 9 7. LASSEN VAN ROESTVAST STAAL Eigenschappen van roestvast staal Lasbaarheid van roestvast staal Vermindering van de corrosiebestendigheid ten gevolge van het lassen Lasverbindingen tussen staalsoorten van verschillende samenstelling (zwart-wit verbindingen) 187 Opgaven 188 Literatuur LASSEN VAN ALUMINIUM Eigenschappen van aluminium Lasbaarheid van aluminium 191 Opgave 194 Literatuur 194 ApPENDICES A. Lastypen B. Naadvorrnen C. Lasposities D. Normen op lasgebied E. Organisaties op lasgebied F. Afkortingen INDEX

12

13 i i i l :11 " IliIUi llii1it IJij'_IIIIJD[.j(t 11 Algemene inleiding Voor het duurzaam verbinden van materialen is in loop der tijd een groot aantal methodes en technieken ontwikkeld. Solderen, lijmen en lassen zijn bekende voorbeelden, die elk een zeer belangrijke rol spelen in de huidige metaal verwerkende industrie. Vooral lassen wordt op grote schaal toegepast. Bij het lassen worden metalen delen met elkaar verbonden door gebruik te maken van warmte, al of niet in combinatie met druk. Essentieel daarbij is dat - er volledig continuïteit ontstaat tussen de delen; - de verbinding globaal dezelfde materiaaleigenschappen heeft als de verbonden delen. De warmte die voor het lassen nodig is kan door verschillende bronnen worden geleverd. Er kan bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van chemische reactiewarmte, van wrijvingswarmte en van warmte die onstaat bij elektrische stroomdoorgang. De verschillende lasprocessen kunnen worden ingedeeld in smeltlassen en druklassen, waarbij het criterium is het al dan niet toepassen van druk tijdens het lassen. Duidelijker is echter een indeling naar de aard van de benodigde warmtebron. Een dergelijke indeling is voor de belangrijkste lasprocessen weergegeven in onderstaande tabel. Warmtebron elektrisch thermo-chemisch mechanisch Lasproces booglassen weerstandlassen hoog-frequent lassen elektroslak lassen autogeen lassen thermiet lassen wrijvingslassen ultrasoon lassen explosie lassen straling laser lassen elektronenstraal lassen

14 12 Opgemerkt moet worden dat sommige Iasprocessen niet zonder meer in dit schema zijn in te passen. Dit houdt verband met het feit dat de benodigde warmtebron in die gevallen van samengestelde aard is. Deze situatie doet zich voor bij diffusielassen, waar zowel warmte van thermo-chemische als van mechanische oorsprong een rol speelt. Tijdens het lassen doorloopt het metaal een temperatuurcycius, bestaande uit een zeer snelle opwarming gevolgd door een betrekkelijk snelle afkoeling. Gedurende deze cyclus vinden er in de vloeibare en vaste fase verschillende fysische en chemische veranderingen plaats, die bepalend zijn voor de eigenschappen van de uiteindelijke verbinding. Aan deze eigenschappen worden in het algemeen hoge eisen gesteld, vooral wanneer de verbinding deel uitmaakt van een hoogwaardig produkt of van een hoogwaardige constructie. In dit boek worden de belangrijkste aspecten die bij het lassen een rol spelen aan de orde gesteld. Deel I (hoofdstuk I tot en met 4) handelt over processen, dat wil zeggen over de mogelijkheden die er zijn om een lasverbinding tot stand te brengen. Van de verschillende lasprocessen die in de praktijk worden toegepast is booglassen verreweg de belangrijkste, vandaar dat aan dit proces de meeste aandacht wordt besteed (hoofdstuk 1). Van de andere lasprocessen die in hoofdstuk 2 worden besproken krijgen weerstandlassen, autogeen lassen en laser lassen de meeste aaandacht. Naast lasprocessen komen ook solderen (hoofdstuk 3) en thermisch snijden (hoofdstuk 4) kort aan de orde. In deel 11 (hoofdstuk 5) worden de metaalkundige aspecten van het lassen behandeld. Het gaat daarbij vooral om de eigenschappen van de lasverbinding en om de manier waarop die eigenschappen door het lasproces worden beïnvloed. Tenslotte wordt in deel III (hoofdstuk 6 tot en met 8) het lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal, roestvast staal en aluminium besproken.

15 13 I Processen

16 ,

17 1 Booglassen Inleiding Het verschijnsel van elektriciteitsgeleiding door gassen is al heel lang bekend. Het manifesteert zich in een aantal van elkaar verschillende vormen, die met de nogal misleidende naam gasontladingen worden aangeduid. Voorbeelden van gasontladingen zijn: vonk, bliksem, Townsend-ontlading, glimontlading en boogontlading. Vonk en bliksem zijn kortstondige, niet-stationaire ontladingstypen; hun maximale levensduur ligt in de buurt van 10-2 s. De Townsend-ontlading, glimontlading en boogontlading zijn s'tationaire ontladingstypen die voor onbepaalde tijd kunnen voortduren. Zij kunnen onder bepaalde omstandigheden in elkaar overgaan en kunnen worden beschreven aan de hand van een zogenaamde stroom-spanning karakteristiek, waarvan een voorbeeld is gegeven in figuur 1.1. >" 2000 Cl C C C co C. en T ownsend-ontl ad i ng f 1000 ontlading O~-----L~----~----~~--~~----~----~~ " _ stroomsterkte (A) Figuur Stroom-spanning karakteristiek van de verschillende typen gasontlading.

18 16 Lastechnologie De Townsend-ontlading wordt gekenmerkt door een hoge spanning (kilovolts) en een zeer lage stroom (micro-ampères). Een hoge weerstand in de stroomkring is noodzakelijk om deze ontladingsvorm te handhaven. De glimontlading wordt gekenmerkt door een lagere spanning (enkele honderden volts) en een hogere stroom (milli-ampères). Bij deze ontlading treedt een positieve ruimtelading op vlak voor de kathode, die het elektrisch veld ter plaatse sterk vervormt. Bij de boogontlading spelen ruimteladingen eveneens een essentiële rol. De spanning is nog veel lager dan bij de glimontlading (enkele tientallen volts) en de stroom is veel hoger (ampères). In dit hoofdstuk zal aandacht worden besteed aan de boogontlading. Allereerst zullen de belangrijkste eigenschappen ervan worden besproken. Vervolgens komt aan de orde op welke wijze de boogontlading kan worden toegepast als warmtebron bij het booglassen Algemene beschrijving van de boog Zoals reeds werd opgemerkt, wordt de boogontlading (voortaan kortweg boog genoemd) gekenmerkt door een relatief lage spanning (tientallen volts) en een relatief hoge stroom (ampères). Een typische stroom-spanning karakteristiek is gegeven in figuur 1.2. Per tijdseenheid zal in de l:>o9~ _~Jel<trischeenergieword~n --= ~_.. ~- - ~._- --_ _.- o.~tw~"~_~~!~:.!?_~~~_~!1~~.s.~~ ~~gel~~~_ Y _><. Lwaarbij V de boogspanning en I de stroomsterkte voorstelt. In stationaire toestand zal deze energie gelijk zijn aan de energie die per tijdseenheid uit de boog verdwijnt door middel van warmtegeleiding, cqnvectie en straling., '""',.. ~ > ~ 0\30 C 'ë c 111 ~20 0\ 8.D stroomsterkte (A) Figuur 1.2. Stroom-spanning karakteristiek van de boogontlading.

19 Booglassen 17 De boog ontleent zijn naam aan de vorm die door het hete gas wordt aangenomen bij horizontale stroomdoorgang, dat wil zeggen wanneer de elektroden horizontaal tegenover elkaar zijn geplaatst (figuur 1.3): door de kleinere dichtheid zal het hete gas de neiging hebben op te stijgen en dat resulteert dan in het aannemen van de boogvorm. Dit effect is vooral goed waar te nemen wanneer dunne, staafvormige elektroden worden gebruikt die op betrekkelijk grote afstand van elkaar zijn geplaatst. In de praktijk van het booglassen is deze afstand echter meestal klein (maximaal enkele centimeters) en is slechts één van de twee elektroden (de elektrode) staafvormig. In dat geval blijft er weinig van de boogvorm over en is er bijna altijd sprake van een klokvorm (figuur IA). Figuur 1.3. Ontstaan van de boogvorm (staafvormige elektroden, horizontale stroomdoorgang). Figuur 1.4. Klokvormige boog.

20 18 Las technologie Uit metingen blijkt dat de elektrische spanning over de boog niet lineair verloopt, maar heel dicht bij de elektroden sprongen vertoont. Dit verschijnsel houdt, zoals later zal blijken, verband met de aanwezigheid van elektrische ruimtelading. Het spanningsverloop is schematisch weergegeven in figuur 1.5. Het is gebruikelijk de boog te verdelen in drie gebieden, elk met eigen fysische eigenschappen. Verreweg het grootste deel van de boog wordt in beslag genomen door de boogzuil, die word.!..gili.l!.i!l~.!.i~l~ een klein maar.~~nstl!m. P.almiQg.sverloo'p. Grenzend aan d~l~~trodel!._~~yind~~~~ii ~d~-zqi~aamd~ _ valgebie~en, waarbinnen zich de genoemde spanningssprongen bevinden: het kathodevalgebied v~e (negatieve elektr~de)~ -het3~?_d~~~ïgebied vóór de anode (positieve elektrode). In de volgende paragrafen zullen de drie genoemde booggebieden afzonderlijk worden besproken. '-\--anodeval I ---'I--boogzuil I r---'t- kathodeval -v Figuur 1.5. Verloop van de boogspanning De boogzuil De boogzuil bestaat uit neutrale deeltjes, zoals atomen en moleculen (al dan niet in aangeslagen toestand) en elektrisch geladen deeltjes, zoals elektronen en ionen. De elektronen bewegen zich onder invloed van de heersende elektrische veldsterkte in de richting van de anode, de positieve ionen bewegen zich in de richting van de kathode. Een ~.8.!:Ïi~e.~i.8~schap van de boogzuil is de elektrische.nentraliteit.(dit wil zeggen dat zich in een volume-eenheid van de zuil ten naaste bij evenveel positieve als negatieve elektrische ladingen bevinden. Men spreekt in dit verband dan ook van een plasma. Een gevolg van de elektrische neutraliteit en dus van de afwezigheid van ruimtelading is dat er in de zuil een constante elektrische veldsterkte moet heersen.pit volgt direct uit de wet van Poisson

21 I--~ Booglassen 19 d 2 V de - =-=-41tp (1.1) dx 2 dx waarin V de spanning, x de axiale coördinaat tussen anode en kathode, E de elektrische veldsterkte en p de ruimtelading per volume-eenheid voorstelt. De elektrische veldsterkte in de zuil heeft meestal een waarde in de orde van 10 V lcm. EeQ.andere belangrij!e eig~~~h~ _ :Y~!l _~~QQ~~~i~_~_~~~Jokaal the!..i!!i f-~ evenwicht h~rs~ Men spreekt van thermisch evenwicht wanneer door middel van onderlinge otsmgen volledige energie-uitwisseling tussen de verschillende deeltjes plaatsvindt. In dat geval heeft dus elk deeltjestype dezelfde gemiddelde kinetische energie~ dat wil zeggen (1.2) waarbij mj en Vj respectievelijk de massa en de snelheid van het deeltjestype j, k de constante van Boltzmann, en T de absolute temperatuur voorstelt. Vaak wordt onderscheid gemaakt tussen de elektronentemperatuur Te, en de gastemperatuur (ionenlatomenlmoleculen-temperatuur) Tg. In het geval van thermisch evenwicht zijn beide temperaturen uiteraard aan elkaar gelijk. In de boogzuil is Te echter altijd iets hoger dan Tg, omdat in het tijdsinterval tussen twee opeenvolgende botsingen de elektronen vanwege hun relatief grote vrije weglengte gemiddeld meer energie uit het elektrisch veld opnemen dan de ionen. Vandaar dat er in de boogzuil in thermisch opzicht eigenlijk van een quasi-evenwicht gesproken moet worden. Bij verlaging van de gasdruk wordt de afwijking van thermisch evenwicht geleidelijk groter en neemt het verschil tussen Te en Tg toe, zoals wordt gei1lustreerd in figuur 1.6. ~_Te Tg 10' L-,.-l._-'--l--1.-:---'--L-: ::- l(fl _ druk (N/m 2 ) Figuur 1.6. Elektronentemperatuur (Te) en gastemperatuur (Tg) als functie van de druk.

22 20 Lastechnologie Uit het voorgaande volgt dat de boogzuil bij atmosferische (of hogere) druk gekarakteriseerd kan worden door één temperatuur T ( -Te, -Tg). Deze temperatuur is uiteraard plaatsafhankelijk en wordt bepaald door de energiebalans: in stationaire toestand is de in een bepaalde volume-eenheid per tijdseenheid geproduceerde elektrische energie Uel gelijk aan de energie die uit diezelfde volume-eenheid per tijdseenheid wordt afgevoerd door middel van warmtegeleiding (Uw), straling (Us) en convectie (U e ), in formulevorm (1.3) Berekening van de temperatuurverdeling uit vergelijking (1.3) is in principe mogelijk maar in de praktijk uiterst gecompliceerd, omdat Uel, Uw, Us en U e zeer ingewikkelde functies van T zijn. Wel kan met behulp van vergelijking (1.3) globaal inzicht worden verkregen in de temperatuurverdeling. Uit metingen blijkt dat T maximaal is in de as_yal! de zuil en naar buiten toe snel ---_. ~ ~ '~....'... - afneetp.t. Ook langs de as treedt er een temperatuurverloop op: in het_!!a]jw.s.~ ge~~ van de zuil is T ma,,-imaal, biiloe.!l(~n1ende dqorsnede neemt.hij ~f. Ter illustratie-wordttfi figuur 1.7 de temperatuurverdeling weergegeven in de zuil van een 200 A boog in argon tussen een staafvormige wolfraamelektrode en een plaatvormige, watergekoelde koperanode. Zoals uit de figuur is af te lezen, varieert T langs de as van ongeveer tot ongeveer K. In het geval van de lasboog ligt de zuiltemperatuur in het algemeen veel lager (maximale waarde tussen 5' 000 K en K). Dit houdt verband met de aanwezigheid van metaaldamp in de boog (zie ook bij ionisatie en elektrische geleiding). Binnen de boogzuil spelen een aantal fysische verschijnselen een rol. De belangrijkste zullen hieronder kort worden besproken. f I I I :5mm I I I Figuur 1.7. Temperatuurverdeling in een 200 A boog in argon tussen een staafvormige wolfraamelektrode en een plaatvormige watergekoelde koperanode.

23 \ Booglassen 21 Ionisatie In de boogzuil zal e~!1.!!.~~l~.an_ de. atomen.of Jll.ol(!çulen..onderinyloeq.'y.an de relatief hoge temperatuur T geïoniseerd zijn volgens de vergelijking (l.4) De ionisatiegraad ai is g~definieerd als de fractie van het gas dat zich in geïonts ëërde toest~~<:l. b~\'.!~~t:-v~~r h~t-~~;-b~~dt~~~~~ di- e~ T geldt de Egg~rt- ' _v ~ ~. -, Saha vergelijking a? T5/2 (Ei) =C t -- exp -- I - a? p kt (1.5) waarin Cl een grootheid is die bij benadering constant mag worden verondersteld, p de gasdruk, Ei de ionisatie-energie van het atoom of molecuul, en k de constante van Boltzmann voorstelt. De ionisatiegraad is in figuur 1.8 en figuur 1.9 uitgezet als functie van de temperatuur voor enkele metaaldampen en gassen, en in figuur 1.10 als functie van de ionisatie-energie voor enkele temperaturen. In tabel 1.1 zijn de waarden van de ionisatie-energie van een aantal atomen en moleculen gegeven. a. lo I t K Ba Ca Hn Si Na Al Ti Fe Zn C o N T(K) Figuur 1.8. De ionisatiegraad van enkele metaaldampen en gassen als functie van de temperatuur.

24 22 Lastechnologie 1 ai 10-1 t Fe ~ ':-0~-L.~5~OLOO---'--7~0.L0-0 -" T(K) Figuur 1.9. De ionisatiegraad van AI, Fe, Ar en He als functie van de temperatuur. a. 1.0 I t ~--+---~~~~~~~~~~-...l16 - Ei (ev) Figuur De ionisatiegraad als functie van de ionisatie-energie voor enkele temperaturen.

25 Booglassen 23 Tabel De ionisatie-energie Ei van enkele atomen en moleculen. Element Ei (ev) Element Ei (ev) H 13,6 P 10,5 H2 15,6 S 10,4 He 24,6 Ar 15,8 B 8,3 K 4,3 C 11,3 Ca 6,1 CO 14,1 Ti 6,8 C02 14,4 Mn 7,4 N 14,5 Fe 7,9 N2 15,5 Ni 7,6 0 13,6 Cu 7, ,5 Zn 9,4 F 17,4 Zr 6,8 Na 5,1 Ma 7,1 Mg 7,6 Sn 7,3 AI 6,0 W 7,9 Si 8,1 Pb 7,4 Uit het voorgaande blijkt dat, vanwege het verschil in ionisatie-energie, metalen in veel sterkere mate zijn geïoniseerd dan niet-metalen. IJzerdamp bijvoorbeeld zal bij een temperatuur van K voor het grootste gedeelte geïoniseerd zijn, terwijl de ionisatiegraad van argon bij die temperatuur nauwelijks van nul verschilt. Eén en ander impliceert dat in het geval van de lasboog de effectieve <Xï. en daarmee de elektrische geleidbaarheid bijna geheel wordt bepaald door de aanwezige metaaldamp (zie ook bij elektrische geleiding). Opgemerkt moet worden dat ionisatie in het algemeen een meervoudig proces is. Dat wil zeggen dat bij toenemende temperatuur steeds nieuwe elektronen van de kern worden losgemaakt, totdat tenslotte alleen een gestripte kern overblijft. Ter illustratie van het meervoudige karakter van het ionisatieproces is in figuur 1.11 de deeltjesdichtheid van argon gegeven als functie van de temperatuur. Dissociatie In het geval van een moleculair gas zal onder invloed van de temperatuur een deel varide ' möjec;-~i~n gedissocieerd zijn. Voorbeelden van een moleculair gas zijn de di-atomaire gassen H2, 02 en N 2. Deze gassen dissociëren volgens de vergelijking

26 24 Lastechnologie '" IE "0 Cl>..r::. E S:! "0 Cl) Cl> '+=i' a; Cl> 1022 "0 t Figuur De ionisatie van argon als functie van de temperatuur (ne stelt het aantal elektronen voor, nt het totaal aantal deeltjes). (1.6) De dissociatiegraad a.d is gedefinieerd als de fractie v,!n ~et gas dat zich in gedissoëieerd~t~~~t~nd b~~i~dt. Voor het-vérbandtîïssen <ld en T geldt - - (1.7) waarin C 2 een nagenoeg constante factor en Ed de dissociatie-energie van het molecuul voorstelt. In figuur 1.12 wordt het verband tussen a.d en T grafisch weergegeven voor C02 (in evenwicht met CO + 02), H2, 02 en N2 De corresponderende Ed-waarden van deze gassen zijn vermeld in tabel 1.2. Tabel 1.2. De dissociatie-energie Ed van enkele gassen. Gas 4,48 9,76 5,08 4,3

27 Booglassen 25 Gegeven het feit dat de temperatuur in de as van de zuil in het algemeen hoger is dan 4000 K, mag uit figuur 1.12 geconcludeerd worden dat in het geval van genoemde gassen dissociatie een belangrijke rol speelt. Bij 6000 K bijvoorbeeld zal nagenoeg alle aanwezige 02 en ongeveer 10% van de aanwezige N2 gedissocieerd zijn. Overigens zal duidelijk zijn dat dissociatie altijd in combinatie met ionisatie zal optreden. Dit wordt voor N2 geïllustreerd in figuur ad lo t O.l. 0.2 O~~~~~~~--~8--~1~Ox~1~ -T(K) Figuur De dissociatiegraad van enkele gassen als functie van de temperatuur. Elektrische geleiding De elektrische stroom in de boogzuil is te beschouwen als de som van de elektronenstroom (van de kathode naar de anode) en de ionenstroom (van de anode naar de kathode). Voor de elektronenstroomdichtheid je (elektronenstroom per oppervlakte-eenheid) geldt (1.8) waarbij e, ne en u e respectievelijk de elektrische lading, de dichtheid en de gemiddelde driftsnelheid (de snelheid van de kathode naar de anode onder invloed van het elektrisch veld) van de elektronen voorstellen. De gemiddelde driftsnelheid kan berekend worden door de versnelling die de elektronen in het elektrisch veld krijgen te vermenigvuldigen met de gemiddelde tijd te tussen twee opeenvolgende botsingen, dus

28 .. 26 Lastechnologie _ 10 25, , '" IE :2 102' Cl) ~... ~.~ ~ Cl) ';:J' ëii Cl) "Cl t Figuur De dissociatie en ionisatie van stikstof als functie van de temperatuur (ne stelt het aantal elektronen voor, nt het totaal aantal deeltjes). _ ee Ue = Ille te (1.9) Aangezien te gelijk is aan het quotiënt van de gemiddelde vrije weglengte Ie en de gemiddelde thennische snelheid \Te kan vergelijking (1.9) geschreven worden als _. ee/ e u e =--- me Ve ( 1.10) Combinatie van de vergelijkingen (1.2), (1.8) en (1.10) en een numerieke correctie verband houdende met Coulomb wisselwerking tussen de geladen deeltjes leveren de volgende uitdrukking voor de elektronen stroomdichtheid in de zuil op: 2 -. e EOe Ie Je =.y 8IllekT/1t Voor de ionenstroomdichtheid kan op analoge wijze worden afgeleid (1.11). e 2 Enil Ji = r.y ~8m=i:;::kT~/;=-1t (1.12)

29 Booglassen 27 De verhouding tussen de elektronen stroomdichtheid en de ionenstroomdichtheid kan worden berekend uit de vergelijkingen (1.11) en (1.12). Bij benadering geldt t<=~ (1.13) Aangezien mi» me, volgt dat je» ji. Blijkbaar levert de elektronenstroom verreweg de grootste bijdrage tot de totale boog stroom en is de ionenstroom verwaarloosbaar klein. Voor het ejektrisch geleidingsvermogen cr, gedefinieerd als het quotiënt van stroomdichtheid en elektrische velds_t~r~te kan nu ;~r(fën -geschrë~ërï -....'. ~ _. (1.14) Aangezien ne (te berekenen uit ai) en te beide eenduidige functies van de temperatuur zijn, wordt cr geheel door T bepaald. In figuur 1.14 wordt het berekende verband tussen cr en T gegeven voor argon. Uit deze figuur blijkt dat cr snel toeneemt bij toenemende T en dat verzadiging optreedt bij volledige ionisatie van het gas. In figuur 1.15 wordt het verband tussen de soortelijke weerstand p (gedefinieerd als 1/cr) en T voor argon gegeven. 10' L--'L-~~~_-:I=_-=l:-= )(10 3 -T(K) Figuur 1, 14. De elektrische geleidbaarheid van argon als functie van de temperatuur.

30 - ~_.. _ , 28 Lastechnologie Ê lef' ~ Cl. t " Figuur De soortelijke weerstand van argon als functie van de temperatuur. Warmtegeleiding De warmtegeleiding wordt gekwantificeerd door de warmtegeleidingscoëfficiënt 1(, gedefinieerd als de -_. verhouding. r_ tussen.... de warmtestr~'inaq door êen-opp~~takte =---_ -.~_.._.. _--... _ eenheid en de temperatuurgradiënt dt/dx, in formulevorm dt AQ = K dx (1.15) Bij de warmtegeleiding van een plasma spelen verschillende mechanismen een rol. In de eerste plaats wordt warmte getransporteerd door middel van onderlinge botsingen tussen zware gasdeeltjes (atomen, moleculen en ionen). Met dit warmtetransport correspondeert de (klassieke) warmtegeleidingscoëfficiënt Kg die met behulp van de kinetische gastheorie kan worden berekend. Daarnaast wordt warmte getransporteerd door middel van botsingen tussen elektronen en zware deeltjes (Ke); deze bijdrage wordt belangrijker bij toenemende temperatuur. O~ndt ~mtetransq2!!j>laats d~ctiffusie. 'y_arlg~i5>nisee~~eyllfen (elektronen en positieve ionen). Hierbij ~ ionisatie-energie getrarîsporteerd van:<kplilats waa~molecu~l -;ordt geïonisee.!ijliäfd~pla~~-waar~ombin ;rtie _. -.._ ?J?!~~~t_.~~j):.? p analoge w~~~.!...~.y..~-~~lec.1:l!~i!.. ~-~-~-'!~~~~!u_~~_.~ an gedissocieerde paren een bijdrake leveren aan de warmtegeleiding (Kd). ", _.. :t ~ ". De verschillende bijdragen leveren tezamen de totale warmtegeleidingscoëfficiënt.

31 Booglassen 29 Als voorbeeld worden in figuur 1.16 de diverse bijdragen tot de warmtegeleidingscoëfficiënt van stikstof gegeven als functie van de temperatuur. In de 1( versus T kromme blijken twee pieken op te treden: een (dissociatie-)piek rond 7000 K en een (ionisatie-)piek rond K. Het is duidelijk dat deze pieken een belangrijke invloed hebben op het temperatuurprofiel van de boog. Ter illustratie is in figuur 1.17 het berekende temperatuurprofiel gegeven van een boog in stikstof. Bij de berekening is warmtetransport door middel van convectie en straling verwaarloosd. Opvallend is de schouder die in het temperatuurprofiel optreedt. Deze schouder correspondeert met de dissociatiepiek in de warmtegeleiding. Bij mono-atomaire gassen ontbreekt deze schouder en is het temperatuurprofiel min of meer parabolisch zoals aangegeven door de stippellijn in figuur Ook de ionisatiepiek kan aanleiding geven tot schoudervorrning in het temperatuurprofiel. Uiteraard is dit slechts van belang wanneer de maximale temperatuur voldoende hoog is (hoger dan de temperatuur waarbij ionisatie optreedt). ~ 0:15 t 0.05 Figuur De warm tegeleidingscoëfficiën t van stikstof als functie van de temperatuur. Straling De straling die door de boogzuil wordt uitgezonden ligt voor een deel in het zichtbare gebied en bestaat in het algemeen uit een lijnenspectrum en een achtergrondcontinuüm. Bij lage temperatuur domineert het lijnenspectrum, bij toenemende temperatuur gaat het lijnenspectrum geleidelijk over in continuümstraling. In figuur 1.18 is ter illustratie het spectrum gegeven van een 200 A boog in argon.

32 30 Lastechnologie 12x1()3 Q I- 10 t \ \ "- "- "' ~ ''\ r--... \ '" ~ ~ \, lo - r/ro Figuur De boogtemperatuur T als functie van de relatieve afstand rlro tot de as van de boog voor stikstof (getrokken lijn) en voor een mono-atomair gas (stippellijn). 1/1 0 t ~(nm) Figuur De relatieve stralingsintensiteit 1/10 als functie van de golflengte À. van een 200 A boog in argon. Berekening van de stralingsenergie is in het algemeen een zeer gecompliceerde aangelegenheid. Bij voldoend hoge temperatuur mag echter het lijnenspectrum ten opzichte van het continuüm worden verwaarloosd en mag de boogzuil bij benadering worden opgevat als een 'zwart lichaam'. In dat geval wordt de totale energie

33 Booglassen 31 die per tijdseenheid per oppervlakte-eenheid wordt uitgestraald, gegeven door de wet van Stefan-Boltzmann: S(T) = ct4 (1.16) waarin c een constante voorstelt die gelijk is aan 5,67 x 10-8 Wm- 2 K-4. Uit het voorgaande blijkt dat het aandeel van de stralingsenergie in de energiebalans van de boogzuil in sterke mate afhangt van de temperatuur. In het geval van de lasboog kan dit aandeel oplopen tot waarden in de buurt van 20 à 30%. Plasmastromingen Als gevolg van de plaatselijke verschillen in temperatuur en de daarmee samenhangende verschillen in dichtheid zullen in de boogzuil plasmastromingen ontstaan. Daarnaast treedt ook stroming op die wordt veroorzaakt door elektromagnetische krachten; deze stroming wordt meestal als plasmajet aangeduid. De plasmajet is axiaal gericht en vindt zijn oorsprong in het meest gecontraheerde deel van de boogzuil. In het geval van de lasboog is dat het gedeelte van de boogzuil dat zich het dichtst bij de elektrode bevindt. In de plasmajet kunnen stromingssnelheden van meer dan 200 mis voorkomen (ter vergelijking: windkracht 7 op de schaal van Beaufort komt overeen met 15,5 mis). De stromingssnelheid hee(teen maximale waarde dicht bij de elektrode en neemt snel af bij groter wordende afstand tot de cle1ëtróde. Ter illustratie wordt in figuur 1.19 het stromingspatroon gegeven van eei'f 200 A boog in lucht. Figuur Plasmastroming in een 200 A boog in lucht. Aangegeven zijn lijnen met gelijke stromingssnelheid (m/s).

34 32 Lastechnologie Het verschijnsel van de plasmajet kan worden verklaard met behulp van elektromagnetische (Lorentz-)krachten die in de boogzuil optreden. Dit kan het best worden toegelicht door de totale elektrische stroom op te vatten als een bundel van elementaire stroompjes. Deze elementaire stroompjes zullen elkaar volgens de wet van Lorentz onderling aantrekken en aldus aanleiding geven tot een drukverhoging. Aangezien de aantrekkende kracht tussen twee elementaire stroompjes omgekeerd evenredig is met hun onderlinge afstand zal de drukverhoging het grootste zijn in het meest gecontraheerde deel van de boog en afnemen met toenemende boogdoorsnede. Het zal duidelijk zijn dat ten gevolge van het aldus veroorzaakte drukverloop plasmastroming kan optreden. Hoewel daarover geen kwantitatieve gegevens beschikbaar zijn, mag worden aangenomen dat de plasmajet (zeker in het geval van de lasboog) een belangrijke rol speelt in de energiebalans van de boogzuil Het kathodevalgebied Het kathodevalgebied is een zeer dunne laag (-10-8 m) die de verbinding vormt tussen de relatief koude kathode en de relatief hete boogzuil. Het gebied wordt ~ekenmerkt door de aanwezigheid van positieve ruimteladin~ " -.A (een overschot aan positieve ionen), gepaarçlg;!ande meceensprongsgewijs verloüp~~pä~ing (;~-;;~g~îijking (l.i) en ág~-u-~ 1.5) De grootte van de spanningsval ligt in het algemeen tussen 10 en 20 V, de elektrische veldsterkte ter plaatse heeft dus een waarde in de buurt van 10 9 Vlm. Een ander belangrijk kenmerk van het kathodevalgebied is de afwezigheid van therm lschev(;;wicht: ~n~tbëtrekk elijk --geflng -äänt~îb~ t ~i~ ge"i1- Ts-de èï1èrgfë:uriw is;~iing tussen de diverse deeltjes onvolledig, hetgeen tot gevolg heeft dat (1.17) De belangrijkste taak van de kathode is de emissie van elektronen. Deze elektronen zullen, eenmaal geëmitteerd, onder invloed van het elektrisch veld in de richting van de anode worden getransporteerd. Een belangrijk mechanisme om elektronen uit de kathode vrij te maken is thermische emissie. Dit mechanisme speelt een dominerende rol bij hoge kathodetemperatuur, bijvoorbeeld in het geval van hoogsmeltende materialen (zoals wolfraam) bij hoge stroomsterkte. Voor thermische emissie geldt de formule van Richardson:

35 Booglassen 33. -AT2 (eq» Je - exp - kt (1.18) waarin je de elektronenstroomdichtheid, A een constante (die voor metalen een waarde heeft in de buurt van 6 x 10 5 Am- 2 K-2), T de absolute temperatuur van het materiaal, e de elektrische lading van een elektron, q> de uittreepotentiaal, en k de constante van Boltzmann voorstelt. Onder de uittreepotentiaal wordt verstaan de spanningsbarrière die een elektron moet overwinnen om het materiaal te kunnen verlaten. Gebru~~lij~~r is het ~e spre~en in terme!lvan de uittree-arbeide_~,. ~e a~eid nodigj?m_een_ e!~k!r<?n ui~~~t _m_ate.ri~~u2 J~.m.àl<.eri: fn tabel 1.3 is de uittree-arbeid gegeven van enkele metalen. Tabel 1.3. De uittree-arbeid van enkele metalen. Metaal Uittree-arbeid (ev) Al 4,0 Cu 4,3 Fe 4,4 Ni 5,0 W 4,6 Uit de tabel blijkt dat de uittree-arbeid van metalen in de buurt ligt van 4 à 5 ev. De uittree-arbeid van oxyden ligt in het algemeen aanzienlijk lager (-2 ev). Het is om deze reden dat aan wolfraam, dat als kathodemateriaal dienst moet doen, vaak een kleine hoeveelheid thoriumoxyde of zirkoonoxyde wordt toegevoegd. Bij rs@tief lage kathodetemperatuur, zoals in het geval van laagsmeltende m~terialen (waaronder staal) en in het geval van hoogsmeltende materialen bij lage stroomsterkte, zullen de vereiste elektronen niet meer (alleen) door thermische emissie kunnen worden geleverd en ~at..:;e ldemissie een rol ~~!~n. De theoretische achtergrond van veldemissie is zeer complex en zal hier niet aan de orde komen. Wel moet worden vermeld dat voor veldemissie niet alleen een hoge elektrische veldsterkte, maar ook een hoge stroomdichtheid (> Am-2) vereist is. Een dergelijke hoge stroomdichtheid kan alleen worden verkregen door contractie van de boog, waardoor het contactvlak tussen boog en kathode zich vernauwt tot de zogenaamde kathodevlek. Deze is in het algemeen zeer instabiel en beweegt zich met grote snelheid over het oppervlak van de kathode. De kathodevlek heeft een sterke voorkeur voor dié plaatsen van het oppervlak waarop zich oxyde bevindt. Hoewel een afdoende verklaring voor dit verschijnsel ontbreekt, is wel duidelijk dat het oxyde een essentiële rol speelt bij de opbouw

36 34 Lastechnologie van de vereiste hoge elektrisch veldsterkte. Naast thermisçbe emi~_~!l_veldemissie kunnen er in het katho~ied~k _ elektronen (en te~jlc. daa.l:m.ee.-p.ositieve ionen) worden geprod~d- dooc i~t.ie. D;-door ionisatie geproduce-;ct~-'~î~kironërï wordêii- äi;geven in de richting van de zuil, de geproduceerde positieve ionen in de richting van de kathode. Dit mechanisme is van belang in verband met de eis van stroomcontinuiteit tussen het kathodevalgebied en de boogzuil omdat de verhouding elektronenstroom/ionenstroom in beide gebieden in het algemeen ongelijk is Het anodevalgebied Het anodevalgebied is een zeer dunne laag (10-7 m) die de overgang vormt tussen de relatief koude anode en de relatief hete boogzuil. H~ed wordt.g.ekoomer.iqqq9... Lçkaanwe.z.i.gheiè-v:an n~g1!..tiç:y~.!llimtelading (een tekort aan positievei()!1en), gepaard gaande met een sprongsgewijs verloop va~ - de- spanning (zi~v~rg~lijking (1.1) en figuur 1.5). De grootte van de spanningsvalligt in het algemeen tussen 1 en 10 V. Ook in het anodevalgebied heerst geen thermisch evenwicht. In dit gebied geldt. _. ~_ _ (1.19) Voorts treedt bij relatief lage stroomsterkte «40 A) boogcontractie vóór de anode op. De hierdoor gevormde anodevlek verspringt van punt tot punt en draagt bij tot instabiel gedrag van de boog. De enige taak van de anode is het ontvangen van elektronen. Terwijl de stroom in de boogzuil voor het overgrote deel door elektronen en voor een klein deel door positieve ionen wordt gedragen (zie vergelijking (1.13)) is de stroom vlak voor de anode een pure elektronenstroom, daar de anode niet in staat is positieve ionen te produceren. In het anodevalgebied moet deze schijnbare discontinuïteit dus worden overbrugd. Deze overbrugging kan plaats vinden door ionisatie. De geproduceerde ionen worden daarbij afgegeven in de richting van de boogzuil, de geproduceerde elektronen in de richting van de anode Het ontsteken van de boog Er zijn verschillende manieren om de boog (vanuit de niet-geleidende toestand bij kamertemperatuur) tot ontsteking te brengen. Essentieel bij al deze manieren is dat de kathode plaatselijk sterk wordt verhit en aldus tot zelfstandige elektronenemissie wordt gebracht. Hieronder worden drie manieren van ontsteken nader toegelicht.

37 .!I J l Booglassen 35 Ontsteking via doorslag Beschouw twee elektroden die op een afstand d van elkaar zijn geplaatst in een gas van druk p, terwijl tussen de elektroden een elektrische spanning V wordt aangelegd. Zolang zich in de ruimte tussen de elektroden geen ladingsdragers bevinden is en blijft het gas elektrisch niet-geleidend. Deze situatie doet zich echter in werkelijkheid niet voor: er zal altijd wel een elektron, als produkt van de kosmische straling of van het foto-elektrisch effect, aanwezig zijn. Dit elektron zal zich onder invloed van de drijvende kracht, de elektrische veldsterkte E = Vld, voortbewegen in de richting van de anode en daarbij botsen met neutrale gasatomen of gasmoleculen. Tussen twee opeenvolgende botsingen zal het elektron uit het veld gemiddeld een energie eet opnemen, waarbij e de elektrische lading van het elektron en I de vrije weglengte van het elektron in het beschouwde gas voorstelt. Als nu deze energie groter of gelijk is aan de ionisatie-energie Ei van het gas, dan zal het elektron in staat zijn een gasatoom te ioniseren waarbij een extra elektron (en natuurlijk tevens een positief ion) wordt gevormd. Dit proces kan zich nu als een kettingreactie voortzetten en het resultaat is een lawine van elektronen (en positieve ionen). Het aantal elektronen dn dat per volt doorlopen spanning door ionisatie wordt gevormd is evenredig met het aantal aanwezige elektronen n, in formulevorm dn dv=an (1.20) waarin a het aantal ionisaties per elektron per volt doorlopen spanning voorstelt. De oplossing van differentiaalvergelijking (1.20) kan geschreven worden als (1.21) De grootheid efj.v is gelijk aan het aantal elektronen per lawine, terwijl het aantal positieve ionen per lawine efj.v - 1 bedraagt. Deze ionen bewegen zich naar de kathode, worden daar geneutraliseerd en kunnen uit de kathode secundaire elektronen vrij maken, welke laatste op hun beurt weer nieuwe lawines veroorzaken. Naast ionen kunnen ook fotonen secundaire elektronen uit de kathode vrij maken. Als nu y de totale kans is dat een elektron uit de kathode losgemaakt wordt per ion of foton, dan worden totaal y(efj.v - 1) secundaire elektronen gecreëerd. Het is gemakkelijk in te zien dat slechts dán doorslag (exponentiële toename van de stroom) optreedt wanneer y(efj.v -1) ~ 1 (1.22)

38 36 Lastechnologie Wanneer 1 ten opzichte van e av wordt verwaarloosd kan de spanning V D waarbij doorslag optreedt worden geschreven als 1 VD=--ln 'Y a. (1.23) De grootheid a. is een functie van het produkt pd en hangt verder natuurlijk van de gas soort af; de waarde van 'Y hangt af van het kathodemateriaal. Het verband tussen VD en pd wordt gegeven door de zogenaamde Paschen-kromme. Ter illustratie zijn in figuur 1.20 de Paschen-krommen gegeven voor lucht en voor argon. 1~~-Q~ ~----~1~O----~10~O~ _ pd (N/m 2 m) Figuur Paschenkrommen voor lucht en argon. Kenmerkend voor de Paschen-kromme is het optreden van een minimum voor een bepaalde waarde van pd. Dit minimum is verklaarbaar door te bedenken dat a. relatief klein en dus V D relatief groot moet worden voor: - grote waarden van pd, vanwege de relatief kleine vrije weglengte; - kleine waarden van pd, vanwege het gering aantal mogelijke botsingen. Bij een tussenwaarde van pd moet dan ergens een minimum liggen. Doorslag gebaseerd op de voorgaande beschouwing wordt naleveringsdoorslag genoemd. Dit ter onderscheiding van ruimteladingsdoorslag, die de inleiding vormt tot vonk en bliksem en hier niet zal worden besproken. Naleveringsdoorslag leidt tot een Townsend-ontlading. Deze wordt gehandhaafd als er een grote voorschakelweerstand in de elektrische kring is opgenomen. Is dit niet het geval dan kan de Townsend-ontlading zich via de glimontlading tot een boog ontwikkelen. In een dergelijke situatie worden echter wel speciale eisen gesteld aan de voedingsbron: enerzijds is voor de ontsteking een hoge spanning vereist (een spanning die in elk geval hoger is dan de minimale VD-waarde van de Paschen-kromme en tevens hoger is dan het hoogste punt van de stroom-spanning

39 Booglassen 37 karakteristiek; zie figuur 1.1), anderzijds moet direct na de ontsteking continu een hoge stroom bij lage spanning worden geleverd. Aan deze eisen kan worden voldaan door over de spanning van een 'normale lasstroombron' (lage spanning, hoge stroom) ten behoeve van de ontsteking een spanningspiek te superponeren. Bij gebruik van gelijkstroom is één piek aan het begin voldoende, bij gebruik van wisselstroom is een piekfrequentie van 100 Hz (afwisselend positief en negatief) vereist om de boog in stand te houden. Ontsteking door directe ka th ode verhitting Een andere manier om de boog te ontsteken is directe verhitting van de kathode. In dit geval zullen de elektronen die nodig zijn in de beginfase van de ontsteking, geproduceerd worden door thermische emissie van de kathode. Deze elektronen zullen door de boogspanning worden versneld, neutrale atomen of moleculen ioniseren en aldus een stationaire boog tot stand brengen. Een heel praktische manier om de kathode te verhitten is de werkwijze, waarbij de elektroden met elkaar in contact worden gebracht en vervolgens weer worden teruggetrokken. Tijdens de kortsluitperiode zal er door de elektroden een hoge stroom gaan lopen, die vooral het contactvlak vanwege de grote overgangsweerstand sterk zal verhitten. Hierdoor zal het metaal plaatselijk smelten en zal er een brug van vloeibaar metaal tussen de elektroden ontstaan. Bij het terugtrekken van de elektrode(n) zal de vloeistofbrug zich vernauwen waardoor de verhitting zich op een steeds kleiner wordend gebied zal concentreren. Tenslotte wordt het contact verbroken, resulterend in een kathode (en anode) van plaatselijk zeer hoge temperatuur. Een nadeel van ontsteken door middel van kortsluiten is contaminatie (en mogelijke beschadiging) van de elektrode(n). De methode kan echter zonder bezwaar worden toegepast bij het booglassen met afsmeltende elektrode. Hoogfrequent-ontsteking Bij deze methode wordt een hoogfrequente spanning (enkele MHz, enkele kv) over de boogspanning gesuperponeerd. Vanwege de zeer hoge frequentie zullen de aanwezige elektronen heen en weer worden geslingerd zonder de elektroden te bereiken. Als gevolg hiervan zullen door ionisatie in korte tijd zeer veel ladingsdragers worden gevormd. Onder invloed van de boogspanning zullen de elektronen naar de anode en de positieve ionen naar de kathode worden getransporteerd. Door het botsen van de positieve ionen tegen de kathode zal deze zeer sterk worden verhit en zal thermische emissie een rol gaan spelen, waardoor tenslotte een stationaire boog kan ontstaan.

40 38 Las technologie 1.7. Het booglasproces De boog is op grond van zijn eigenschappen uitermate geschikt om te worden toegepast als warmtebron bij het booglassen. Het principe van booglassen is schematisch weergegeven in figuur russen een metalen elektrode, die afs~ (zoals in figuur 1.21) of niet-afsmeltend kan zijn, en het te lassen werkstuk (bijvoorbeeld twee platen die met elkaar verbonden moeten worden) wordt een el~risç_he boqglq_~~~~gls.mtstoken. De afstand tussen de elektrod;en het werkstu.k (de booglengte) ligt m~~;t-;i -~sse;ö,l en 1 cm. De elektrische stroom kan worden gelever~ _ ~~<:>.~_~~.~~":.~~for~lor (In-geval van lassen met wisselstroom) of een gelijkrichter (in geval van lassen met gelijk- '- stroom). Door de in de lasboog geproduceerde elektrische energie zal het werkstuk worden -- ~. opgewarmd en gedeeltelijk smelten, waardoor een smeltbad (lasbad) ontstaat. Bij gêbfü1k van een afsmeltende elekt;~de zal ook...,gesmolten elektrodemateriaal ~ d~ppels in het Sineltbad terechtkomen. D~~~ <.i_~ _~~~~~~de l~~;d~-ï~~~~;ctte ~ (en in het geval van CIeäfsmëftende elektrode tevens naar beneden om het afsm~lten te compenseren) wordt de lasnaad met vloeibaar materiaal gevuld. 1let- ~-_.,- _._---~ =----- vloeibare metaal zal vervolgens afkoelen en stollen. Aldus ontstaat tenslotte de gewenste lasvëffili1dlng-:- ~ _-_.. ~-._.~._-_.- stroombron afsmeltende elektrode J boog smeltbad werkstuk zich vormende druppel overgaande druppel Figuur Principe van het booglassen. Bij het booglassen kunnen verschillende lastypen worden onderscheiden. De meest voorkomende lastypen zijn schematisch weergegeven in Appendix A. Wat de opbouw van de las betreft moet onderscheid gemaakt worden tussen een éénlagenlas en een meerlagenlas, waarbij in gedachte moet worden gehouden dat

41 _WtiW Iiil I i il U 111W"_,._= 21 ii " \ Booglassen 39 a sluitlagen b grondlaag Figuur Schematische weergave van a) een éénlagenlas en b) een meerlagenlas. een laslaag in het algemeen een maximale dikte heeft van 3 à 4 mmo Een voorbeeld van een éénlagenlas en van een meerlagenlas is gegeven in figuur Voorts moet worden opgemerkt dat bij het realiseren van een lasverbinding de voorbewerking van het werkstuk (de naadvorm) een belangrijke rol speelt, terwijl ook de laspositie, in verband met de werking van de zwaartekracht, een grote invloed kan hebben. Voor een overzicht van de belangrijkste naadvormen en lasposities (met hun codering) wordt verwezen naar respectievelijk Appendix B en Appendix C. Van het booglasproces worden in de praktijk vooral de volgende varianten toegepast: - TIG-lassen; - Plasma-lassen; - Lassen met beklede elektrode (handlassen); - MIG/MAG-Iassen; - Onder poeder lassen. TIG-lassen TIG is de afkorting van Tungsten Inert Gas. Bij het TIG-lassen (figuur 1.23) wordt een wolfraam-elektrode als niet-afsmeltende elektrode gebruikt. Meestal is aan het wolfraam 1-2% thoriumoxyde (Th02) of zirconiumoxyde (Zr02) toegevoegd om de elektronenemissie te bevorderen. Verhoogde elektronenemissie leidt tot stabilisering van de boog, verbetering van de ontsteking en vermindering van elektrode-erosie. Om de elektrode en het vloeibare metaal van de omringende lucht af te schermen, wordt gebruik gemaakt van inert gas (meestal argon, soms ook helium of een argon-helium mengsel). Dit gas wordt via een mondstuk, dat concentrisch om de elektrode is geplaatst, langs

42 40 Lastechnologie de boog en het vloeibare metaal gevoerd. Indien gewenst kan met de hand of automatisch toevoegmateriaal in de vorm van een draad of staaf worden toegevoerd. Omdat contact tussen elektrode en werkstuk bij het TIG-lassen moet worden vermeden, wordt voor het (her-)ontsteken gebruik gemaakt van een hoogfrequentvoorziening. wolfraam elektrode lasstaaf beschermgas moedermetaal gestold lasrnetaal smeltbad Figuur TIG-lassen.? - _._-_.-"... -._.~. - _....--_ TIG-lassen is in principe mogelijk voor alle metalen. g~t.pfoces i~ ~QQgl!~. çj.ü!<:t voor dun plaatmateriaal en metalen onderdelen van kleine afmetingen. (precisie- ~erk ) : 'ÖökwOi-aC'tlG~1ássên -veelvuldig toei~p~st"v oör het leggen van de grondlaag in geval van een meerlagenlas. Bij het TIG-lassen wordt meestal gebruik gemaakt van gelijkstroom (elektrode ne atief; bij elektrode positief zou de elektrode te heet worden - zie paragraaf 1.8). Wanneer aluminium wordt gelast met zuiver argon als beschermgas moet wisselstroom worden gebruikt in verband met de aanwezigheid van een ondoordringbare oxydehuid op het vloeibare metaal; bij gebruik van helium of een heliumrijk argonhelium mengsel is lassen met gelijkstroom (elektrode negatief) echter wel weer mogelijk. Soms wordt bij het TIG-lassen gebruik gemaakt van pulserende (gelijk)stroom met een pulsfrequentie in de buurt van 1-10 Hz. Het voordeel van pulserende lasstroom is dat de boog wordt gestabiliseerd, terwijl daarnaast een grotere penetratiediepte van de las wordt verkregen. De vorm van de boog en (in directe relatie daarmee) de vorm van het smeltbad worden in sterke mate bepaald door de tophoek van de elektrode.

43 Booglassen 41 Algemeen geldt: hoe kleiner de tophoek, hoe wijder de boo& en hoe breder en ondieper het smeitbad. Dit wordt gei1lustreerd in figuur '~~-- --"-'-- Figuur De invloed van de tophoek van de elektrode op de vorm van de boog en het smeltbad. Plasma-lassen Plasma-lassen (figuur 1.25) is te beschouwen als een verfijning van het TIG-lassen. Ook hier bestaat de elektrode uit wolfraam (met thoriumoxyde of zirconiumwolfraam elektrode o-j':>+-in- waterkoeling plasmastraal gestold lasmetaal ~--~ moedermateriaal Figuur Plasma-lassen. smeltbad

44 42 Lastechnologie oxyde) en wordt een inert gas (argon, helium of een argon-helium mengsel) om de elektrode geleid. Bij het plasma-lassen wordt echter de boog die tussen de el_~~.!:qq~n het we;k;-;;k ~nt~t;at ~n ~iièeko~i-d;~~dstukvërmtl!.~~' Hierdoor ontstaat een zeer energiedich~1.~~mastraal. Om de plasmastraal en het siïiëïibad teien ätmosferf;;h~ i;;-~iöëd te besch~;mêf(~ordt gebruik gemaakt van een extra gasstroom (argon, helium, argon-helium of argon-waterstof). Vanwege de hoge temperatuur van de plasmastraal (tot K) kunnen materialen met een zeer hoog smeltpunt tot smelten worden gebracht. Een speciale werkwijze die bij be~~an worden _!Q~g~'past is de sletii'élgat-methode (keyhole technique), zie figuur Met deze - method~i ~;jn -~~. dikkere platen een goede doorlassing worden verkregen. De plasmastraal smelt een gat in -ae--te-gén elkaargepraat;t;pï~t~~-en bij het voortlopen blijft dit gat ten gevolge van de oppervlaktespanning van het vloeibare metaal gehandhaafd (het vloeibare metaal stroomt rondom het gat van voren naar achteren). De situatie is vergelijkbaar met het trekken van een draad door een ijsblok. plasmastraal I' I' \1 I' \1, I I _-_-_-_-_-_-_-_ -: -=: ~ _-_-~ :-_-_-_ ~_=_t-_:{ I I I I Figuur De sleutelgat-methode.

45 Booglassen 43 Wanneer de boogstroom loopt van elektrode naar werkstuk (zoals hier beschreven) spreekt men van een overdragende boog. Het is ook mogelijk de boogstroom te laten lopen tussen elektrode en mondstuk. Er ontstaat dan een 'vrije' plasmastraal en men spreekt in dit geval van een niet-overdragende boog. Een voordeel van de niet-overdragende boog is dat er ook elektrisch niet-geleidende materialen mee kunnen worden gelast of gesmolten. Lassen met beklede elektrode Bij deze variant van het booglasproces (figuur 1.27) wordt een afsmeltende elektrode gebruikt, bestaande uit een metalen kerndraad (lengte 350 mm of 450 mm, diameter tussen 1,6 mm en 7 mm) waaromheen een bekleding is aangebracht. Deze bekleding bevat een aantal stoffen die elk een specifieke functie hebben. De belangrijkste functies van de bekleding zijn: - het richten van boog en druppels op het lasbad (door middel van kelkvorming); - het leveren van een beschermend gas (bijvoorbeeld C02 uit carbonaten); - het produceren van slak ter bescherming van het vloeibare metaal; - het stabiliseren van de boog; - het legeren van het lasrnetaal; - het verhogen van het neersmeltrendement (door toevoeging van metaalpoeder). Extra gasbescherming is bij het lassen met beklede elektrode niet nodig omdat bescherming van het vloeibare metaal al wordt verzorgd vanuit de bekleding (gas en slak). gestolde slak moedermateriaal gestold lasmetaal smeltbad Figuur Lassen met beklede elektrode. Een -- probleem ~il~.~l~s.~~.':l IEt?t_ beklede elektrod~.~~~.~.!!!2.8..t:!ltik~.p.name Yanrelatief grote hoeveclheden.waiëiiiof aooi-llû_lasm.etaal Deze waterstof is afkomstig van water dat gemakkelijk door de hygroscopische elektrodebekleding

46 44 Lastechnologie kan worden geabsorbeerd en bij het lassen vrijkomt in de boog.r.~().~~q.1;!9.e~ opnieuw -- dro~voor gebruik) van beklede laselektroden is d.us in het ~lgem~..en.._...._---~ _--,-_..- ~_ _ - _.-,--_._~...- e.:? vereist~. Afliankelijk van het elektrodetype wordt bij het lassen met beklede elektrode gebruik gemaakt van wisselstroom of van gelijkstroom (elektrode positief of elektrode negatief). Lassen met beklede elektrode is de oudste variant van het booglasproces en wordt nog steeds op zeer grote schaal toegepast bij staal en in (veel) mindere mate bij nikkel- en koperlegeringen. Het is een flexibel proces en er bestaat een grote verscheidenheid aan elektroden voor verschillende legeringen, materiaaldikten en lasposities. Daartegenover staat echter het nadeel dat het proces nauwelijks is te mechaniseren en te automatiseren, hoewel het zwaartekrachtlassen een poging in deze richting is te noemen. MIG/MAG-lassen MIG en MAG zijn afkortingen van Metal Inert Gas en Metal Active Gas. Bij het MIGIMAG-Iassen (figuur 1.28) wordt gebruik gemaakt van een afsmeltende elektrode in de vorm van een continu toegevoerde draad. Dit kan een massieve draad zijn of een gevulde draad bestaande uit een metalen omhulsel en een poedervormige vulling. Enkele voorbeelden van de gevulde draad in doorsnede zijn gegeven in figuur De gevulde draad heeft als voordeel dat de chemische samenstelling via de poedervormige vulling gemakkelijk gevarieerd kan worden. De stroomoverdracht naar de elektrode vindt plaats via de contactbuis. Het stroomvoerende gedeelte van de draad (uitsteeklengte) is daardoor relatief kort, zodat'ondanks de kleine diameter van de draad toch met hoge stroomsterkte kan worden gelast (bijvoorbeeld tot 300 A bij een draad van 1,2 mm diameter). lasdraad -f.:h;~ I*-N--contactbuis ~)J \~ -_l:~~teek'engte beschermgas 'JJ, " o gestold lasme~t!a~al~ "":::~7---- Figuur MIG/MAG-lassen. smeltbad moedermateriaal

47 Booglassen 45 Figuur Voorbeelden van de gevulde draad in doorsnede. Op basis van het gebruikte beschermgas wordt onderscheid gemaakt tussen MIGlassen en MAG-lassen. B1 het MIG~~~~rdt e~n inert ~ (argon, helium of een argon-helium mengsel')'als beschermga~...&ë.b._rui~_t! _~~rwul~ü!l~t."~q-lassen ~~Ill~e~~~1 arg~rit~qr.(;h!2.~,g.~p.~~~yv.'l:lar~an, een klein,e, hoeveelheid z~s02~~~~~$.~v'2~~~' Door de toevoeging van zuurstof of CO2 wordt de boog ge~.~b.i!!~c!erd en ~rijgt,het gesmolten lasmetaal betere vloei-eigenschap-.- pen. Een bijzondere vorm van MAG-lassen is het C02-lassen, waarbij zuivere C02 als --- beschefriîgäs-wördtgebruikt. In verband met de oxyderende werking van zuurstof en C02 worden bij het MAG-lassen meestal bepaalde des-oxyderende stoffen aan de lasdraad toegevoegd. In ~ algemeen geldt dat het MIG-proces wordt toegepast voor het lassen van non-f~o metalen _~J!.~~t.r~1Ä(J~~~~h-;t~n va~~. In tabel 1.4 zijn de meest toegepaste beschermgassen vermeld. In dit kader moet melding worden gemaakt van de zogenaamde luchtlasdraad. Dit is een gevulde draad waarvan de vulling onder meer stoffen bevat die bij hoge temperatuur ontleden. Bij deze ontleding ontstaan beschermende gassen, bijvoorbeeld CO2. Met een luchtlasdraad kan dus zonder (extern) beschermgas worden gelast. Bij het MIGIMAG-lassen moej onderscheid worden gemaakt tussen het normale open-boog lassen en het kortsluitboo~~~en. In het geväfviiï1üiïëi1-bëiog-ïässën br~dt de boog continü 'en~dën~r ~een kortsluitingen op tussen elektrode en ~~t.uk.-bil~t.kqrtslui.th,qqglassm.y!.!l9j.b~ateriaaltransporfvill - kortsiüitinge~ats en worqlg.e..b.q.q~riodiek gedoofd ~ Kort;iuitb~~gTässërï1 s "~le~hts ;-ogelijk bij relatief lage waard~~ van"st;öürrï-ën spannjng~ In figuur 1.3Ó wordt

48 46 Lastechn%gie Tabel 1.4. Toegepaste beschermgassen bij het MIG/MAG-lassen. beschermgas materiaal opmerkingen Ar non-ferro metalen stabiele boog He non-ferro metalen minder stabiele, hetere boog; geschikt voor grotere materiaaldikte Ar + 1 à 2% 02 hittebestendig en dun vloeibaar smeltbad roestvast staal Ar + 2 à 3% C02 hittebestendig en dik vloeibaar smeltbad roestvast staal Ar % C02 ongelegeerd en relatief stabiele boog; laaggelegeerd staal hoe meer C02, hoe dieper de inbranding C02 ongelegeerd en instabiele boog; spatten laaggelegeerd staal het verloop van stroom en spanning bij het kortsluitbooglassen schematisch weergegeven. Vanwege het relatief kleine lasbad wordt kortsluitbooglassen voor~ toegepast bij he~an dun (plaat-) materiaal; ook kan gelast w~-;;~e ~siti~s. Als nadeel moet ~enoemd wqrd~!!.h.et gevaar voor bindidg.s.fu1j1~jlten gevolge van de geringe warmte-inbreng in het werkstuk (zie paragraaf 5.7 ) ~~ het ;;ptreden van spatten ~6 A B ~~Mf 1~ ecd C 0-4J til 0 I o OD1 ().()2 tijd (s) ~x >H1t - B B B 0)30 C C.~ "A~ &ro~ C 0 o OD tijd (s) Figuur Het verloop van stroom en spanning bij karts/uitboog/assen.

49 Booglassen 47 Het MIG/MAG-Iassen heeft een groot (zich ten koste van het lassen met beklede elektrode uitbreidend) toepassingsgebied. Ee~oot voordeel is dat het proce~ mechaniseren en te automatiseren. Bij het MIG/MAG-Iassen wordtahijd gebruik gemaakt van gelijkstroom (elektrode positief). Dit houdt direct verband met de wijze waarop het materiaaltransport plaats vindt (zie paragraaf 1.9). Onder poeder lassen Bij het onder poeder lassen (figuur 1.31) wordt gebruik gemaakt van een afsmeltende elektrode in de vorm van een draad (massief of gevuld) of een strip. De boog wordt geheel omgeven door een poeder (flux), waarvan de functie vergelijkbaar is met die van de bekleding van een handlaselektrode. E~~~J~~n_ dit pr~~e~ Js da~ zeer hoge strooms~kt.en. kllnned w.ord.jm.~gt?pj\sj. Een nadeel is dat all~!!!lin ee~ntaal vlak (onc!~ik.ha.n.d)lc~~~?~~~1! ~last Het onder poeder lassen wordt vooral toegepast voor het lassen van dikke plaat, ---=--- _.--" voor het lassen va.!llangs.i}~9"~!!.!ti.lde pijpenfabricage en voor het~nbrengen van...._ - _ _.-_..-- metalen dekl~1!. (cladding) Gebruik kan worden gemaakt van wisselstroom of van gelijkstroom (elektrode positief of elektrode negatief). moedermateriaal gestolde slak Figuur Onder poeder lassen. gestold lasmetaal smeltbad 1.8. Warmtetransport bij het booglassen Eén van de belangrijkste eigenschappen van de boog is het niet-lineaire spanningsverloop (zie paragraaf 1.2). Hierdoor komt een onevenredig groot gedeelte van de totale boogenergie ten goede aan de kathode en de anode. Het is met name deze

50 l 48 Las technologie eigenschap die de boog zo geschikt maakt als warmtebron bij het lassen. De hoeveelheid warmte die bij het lassen per tijdseenheid in de kathode en de anode wordt geproduceerd kan worden berekend met behulp van de energiebalans. Voor de kathode en onmiddellijke omgeving (kathodevalgebied) geldt de energiebalans (1.24) waarbij links van het gelijkteken de per tijdseenheid geproduceerde energie en rechts van het gelijkteken de per tijdseenheid afgevoerde energie staat aangegeven. De term V kl stelt de energie voor die in het kathodevalgebied wordt geproduceerd, Ck V zl is de fractie van de in de boogzuil geproduceerde energie die (via warmtegeleiding, convectie en straling) ten goede komt aan de kathode, $kl is de energie die nodig is om de elektronen uit de kathode los te maken ($k is de uittree-potentiaal), de term f k(tz - Tk)I/e is de energie die nodig is om de elektronen van kathodetemperatuur T k op zuiltemperatuur T z te brengen cf kd T per elektron) en Qk is de energie die per saldo voor verwarming van de kathode beschikbaar blijft. Voor de anode en onmiddellijke omgeving (anodevalgebied) geldt de energiebalans 3 k(t z -T a ) Val + Ca V zl + $al + 2" e I = Qa (1.25) waarin de diverse termen een overeenkomstige betekenis hebben als hierboven aangegeven. Het verschil met vergelijking (1.24) is dat nu de uittree-energie en de thermische energie van de elektronen als positieve termen (links van het gelijkteken) voorkomen. Op basis van de vergelijkingen (1.24) en (1.25) kan worden geconcludeerd dat Qk en Qa evenredig zijn met de stroomsterkte en slechts in geringe mate (namelijk alleen via de term Ck V zl respectievelijk Ca V zl) van de totale boogspanning afhangen. Voorts blijkt uit deze vergelijkingen dat in het algemeen zal gelden dat Qa > Qk, dat wil zeggen aan de anode wordt meer warmte afgegeven dan aan de kathode. De situatie Qa < ~ kan zich echter ook voordoen. Daarvoor is vereist dat V k relatief groot enlof Va relatief klein is. Meer specifiek geldt dat, aangezien de som van de uittree-energie en de thermische energie van de elektronen van de orde van 5 V is, Qa < Qk als Vk -Va> 10 V. Een belangrijke grootheid bij het booglassen is het P!~!~endem~nt 1)p. _Hieronder wordt verstaan het gedeelte van de totale boogenergie dat ten goede komt aan het werkstuk (direct of via de afsmelteîiè1e elektrode):' --, - '. -'.,-----_'. Er geldt:

51 Booglassen 49 - voor het lassen met een niet-afsmeltende elektrode (gelijkstroom, elektrode positief) 1'\p = ~ x 100% (1.26) - voor het lassen met een niet-afsmeltende elektrode (gelijkstroom, elektrode negatief) 1'\p= % x 100% (1.27) - voor het lassen met een niet-afsmeltende elektrode (wisselstroom) (1.28) - voor het lassen met een afsmeltende elektrode (gelijkstroom en wisselstroom) 1'\p = Qk~ Qa x 100% (1.29) Typische waarden van 1'\p voor de belangrijkste varianten van het booglasproces zijn in tabel 1.5 weergegeven. / Tabel 1.5. Het procesrendement TIp voor enkele varianten van het booglasproces. Booglasproces TIG-lassen (elektrode negatief) TIG-lassen (elektrode positief) Plasma-lassen Lassen met beklede elektrode MIG/MAG-lassen Onder poeder lassen TIp (%) ". ((, 'tc( ~.!,i C!.'(, / r/ Onder het smeltrendement 1'\5 wordt verstaan het gedeelte van d~~ dat minimaal vereist js voor het opwarmen en selelten van het metaa~ Het smeltrendement kan worden benaderd met behulp van de vergelijking I gav 1'\5 = VI (1.30) waarin g de hoeveelheid warmte voorstelt die nodig is om een volume-eenheid van het metaiiïvän?f~xn~ïfëi!ip~_iliiiiir :iip.j.ejy~_~!!.i~~ë~~m~ l!en, A het oppervtakv; ' dél~;d~orsnede e~ ~ -de voortloopsnelheid (dat wil zeggen de snelheid van de

52 I 50 Lastechnologie lasboog ten opzichte van het werkstuk). Het blijkt dat het smeltrendement toeneemt met de energiedichtheid van de boog. Hoe groter namelijk de energiedichtheid des te sneller vindt verwarming plaats en des te minder warmte zal, zonder eerst voor smelten gebruikt te zijn, door warmtegeleiding verdwijnen. In tabel 1.6 zijn het smeltrendement en de energiedichtheid gegeven voor het booglasproces en enkele andere lasprocessen. Een andere belangrijke grootheid bij het booglassen is d~ warmte-inbreng, I:>e~e bei?.aalt de piektemperatunr en de afkoelsnell1eid_i~j;p r9i)d.ql1ulej.as.eo.bei)!yloe,dt aldus de struct~~~ de~gen.scllappen.ylill.dejasyerbinding (zie paragraaf 5.1). De warmte-inbreng W wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die per lengte-eenheid van de las aan het werkst.uk wordt overgedragen en kan worden...--"- -,.~--- " ~-_.~.,._--,,' ' "-' - geschreven als.. W = TlpVI v (1.31) De waarde van W ligt meestal in de buurt van enkele kj/mmo Tabel 1.6. Het smeltrendement T\s en de energiedichtheid van enkele lasprocessen. Lasproces T\s (%) Energiedichtheid (MW/m 2 ) Autogeen lassen Booglassen met afsmeltende elektrode TIG-lassen Plasma-lassen Laser lassen Elektronenstraal lassen Opgemerkt moet worden dat in deze paragraaf geen rekening is gehouden met Joule-verwarming van de kathode en de anode. Dit effect komt bij de bespreking van de neersmeltsnelheid aan de orde (zie paragraaf 1.10) Materiaaltransport bij het booglassen Bij het booglassen met afsmeltende elektrode (beklede elektrode, massieve draad, gevulde draad) zal het elektrodemateriaal door de overgedragen warmte tot smelten worden gebracht. Aan het einde van de elektrode zal zich ten gevolge hiervan een I druppel vormen die onder invloed van verschillende krachten zal worden I!

53 Booglassen 51 afgesplitst en naar het smeltbad zal worden getransporteerd. Bij dit proces spelen de volgende krachten een rol: - Zwaartekracht De zwaartekracht zal afsplitsing van de druppel bevorderen dan wel tegengaan, afhankelijk van de stand van de elektrode. - Oppervlaktespanning De oppervlaktespanning zal, in verband met het streven naar minimale oppervlakte-energie, druppelafsplitsing onder alle omstandigheden tegengaan. - Explosieve krachten Explosieve krachten zijn het gevolg van gasontwikkeling in de druppel en kunnen leiden tot afsplitsing van vloeibare metaal deelt jes in allerlei richtingen. Een voorbeeld van gasontwikkeling in het vloeibare metaal is de vorming van CO in ongelegeerd staal ten gevolge van de opname van zuurstof. - Zuigkracht ten gevolge van plasmastroming Zoals uit paragraaf 1.3 bleek, treedt er in de lasboog plasmastroming op. Deze plasmastroming zal een aanzuigende werking op de druppel uitoefenen en aldus druppelafsplitsing bevorderen. - lajrentzkracht Ten gevolge van het verloop van de stroomdichtheid in de druppel zal er op de druppel een elektromagnetische kracht (Lorentzkracht) werken. Deze kracht heeft dezelfde oorsprong als de kracht die de plasmajet veroorzaakt (zie paragraaf 1.3) en kan geschreven worden als (1.32) waarin C een factor voorstelt die bepaald wordt door het stroomdichtheidsverloop. Bij divergentie van de stroom (als het aanrakingsvlak tussen boog en druppel groter is dan de doorsnede van de elektrode) is C positief en zal druppelafsplitsing worden bevorderd. Bij convergentie van de stroom (als het aanrakingsvlak tussen boog en druppel kleiner is dan de doorsnede van de elektrode) is C negatief en zal druppelafsplitsing worden tegengewerkt. De situatie is in vereenvoudigde vorm weergegeven in figuur De bovengenoemde krachten hangen voor wat betreft grootte en richting af van de lasomstandigheden. Ze bepalen in combinatie het materiaaltransport, dat wil zeggen de grootte en vorm van de druppels en de regelmaat van de druppelovergang.

54 52 Lastechnologie Figuur De Lorentzkracht werkend op een metaaldruppel. Links: stroomdivergentie; rechts: stroomconvergentie. Uit onderzoek is gebleken dat er onderscheid kan worden gemaakt tussen verschillende typen druppelovergang. Deze zijn door het International Institute of Wel ding (UW) geclassificeerd als gegeven in tabel 1.7 en figuur In het nu volgende zal een overzicht worden gegeven van de wijze waarop het materiaaltransport plaats vindt bij het MIGIMAG-lassen, het lassen met beklede elektrode en het onder poeder lassen. MIG/MAG-lassen Het materiaaltransport bij het MIG/MAG-lassen is sterk afhankelijk van het beschermgas, de polariteit en de stroomsterkte. Wanneer gelast wordt in een argonrijk beschermgas met de elektrode als positieve pool en relatief lage stroomsterkte, vindt druppelovergang van de elektrode naar het smeltbad plaats in de vorm van 'drop transfer' (grove druppels met een diameter enkele malen groter dan de diameter van de elektrode, druppelfrequentie: enkele per seconde). Bij verhoging van de stroomsterkte vindt bij een bepaalde grenswaarde (de kritische stroomsterkte) een tamelijk abrupte verandering van het materiaaltransport plaats. Boven deze kritische stroomsterkte gaan de druppels over in de vorm van 'projected transfer' (een regelmatige stroom van gerichte druppels met een diameter ongeveer gelijk aan de diameter van de elektrode, druppelfrequentie: enkele honderden per seconde).

55 Booglassen 53 Tabel 1.7. IIW-cJassificatie van materiaaltransport*). Designation of transfer type 1. Free flight transfer 1.1. Globular Drop Repelled 1.2. Spray Projected Streaming Rotating 1.3. Explosive Welding processes (examplesl Low-current G MA CO 2 shielded GMA Intermediate-current GMA Medium-current GMA High-current GMA SMA (coated electrodesl 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 drop repelled o o projected : streaming.0 rotating explosive short-circuiting flux-wall guided Figuur De verschillende typen druppelovergang volgens de classificatie van het International Institute of Welding' *) Om verwarring te voorkomen is de classificatie in onvertaalde vorm overgenomen. - GMA (Gas Metal Arc) is de Engelse term voor MIGIMAG lassen. - SMA (Shielded Metal Arc) is de Engelse term voor lassen met beklede elektrode, - SAW (Submerged Arc Welding) is de Engelse term voor onder poeder lassen.

56 54 Lastechnologie ;; c :l 0- ~ a; a. a. 100 :l -0 t 'projected transfer' - I (Al Figuur De druppelfrequentie als functie van de stroomsterkte bij het MIGlassen in argon met 1,6 mm staaldraad als elektrode. De kritische stroomsterkte is atbankelijk van het elektrodemateriaal en van de diameter van de elektrode en heeft bijvoorbeeld voor 1,6 mm staaldraad een waarde van ongeveer 275 A (zie figuur 1.34). Bij verder verhogen van de stroomsterkte gaat 'projected transfer' over in 'streaming transfer' (een gerichte sproeiregen van zeer fijne druppeltjes), terwijl bij nog hogere stroomsterkte 'streaming transfer' weer overgaat in 'rotating transfer' (een spiraal van vloeibaar metaal). In figuur 1.35 is globaal aangegeven onder welke lasomstandigheden (boogspanning, stroomsterkte) de verschillende vormen van materiaaltransport optreden. De drie gebieden die in deze figuur te onderscheiden zijn worden vaak aangeduid als MIGIMAG werkgebieden. Om bij relatief lage stroomsterkte (beneden de kritische waarde) toch materiaaltransport in de vorm van 'projected transfer' (in plaats van 'drop transfer') te laten plaatsvinden, kan gebruik worden gemaakt van stroompulsen. Het principe ~an pu}seren lassen is in figuur 1.36 schematisch weergegeven en berust op het feit dat de stroom periodiek geduren e een köitétijd boven de kritische stroomst~rl<te ~ordt gebr~cht. De frequentie en- pulsduur wördëi11ïi- iiet -~ig~~~;~-- ;;danig gekozen dat per puls één druppel wordt afgesplitst. Bij het lassen in een argonrijk beschermgas met de elektrode als negatieve pool is de boog onder alle omstandigheden instabiel, terwijl de druppelovergang zeer onregelmatig is met grove druppels en veel spatten ('repelled transfer'). De

57 Booglassen 55 ~ , c c a. '" '" ~ o..c open-boog lassen g/obu/ar spray t karts/uitboog lassen stroomsterkte Figuur MIG/MAG werkgebieden. oorzaak van dit gedrag houdt verband met het optreden van stroomconvergentie in de druppel als gevolg van het kleine aanrakingsvlak tussen boog en druppel (kathodevlek). Door de stroomconvergentie ontstaat een Lorentzkracht waarvan de richting atbangt van de plaats van de kathodevlek (zie figuur 1.32). Het is duidelijk dat deze Lorentzkracht de druppelafsplitsing tegenwerkt en het optreden van spatten bevordert. lp r---- ~----I~ t - tijd Figuur Het principe van pulserend MIG/MAG-lassen.

58 56 Lastechnologie r ('. (Enige verbetering in het materiaaltransport treedt op wanneer een kleine hoeveelhcid zuurstof aan het beschermgas wordt toegevoegd of wanneer een alkalihoudende laag op het elektrode-oppervlak wordt aangebracht. Deze verbetering is een direct gevolg van de vergroting van de kathodevlek. ) Het bovenbeschreven gedrag g~ldt specifiek voor het geval dat een argonrijk beschermgas wordt gebruikt. Bij helium treedt onder alle omstandigheden 'globular transfer' op: 'drop transfer' bij het lassen met de elektrode als positieve pool, 'repelled transfer' bij het lassen met de elektrode als negatieve pool. Dat in bepaalde gevallen toch helium (of een helium-argon-mengsel) als beschermgas wordt gebruikt, vindt zijn oorzaak in het feit dat bij gebruik van helium in het algemeen een betere lasvorm wordt verkregen (zie figuur 1.37). Figuur Dwarsdoorsneden van de las bij het MIG/MAG-lassen in verschil/ende beschermgassen. Wanneer CO 2 als beschermgas wordt toegepast, vindt zowel bij positieve als bij negatieve polariteit instabiel materiaaltransport plaats in de vorm van grove druppels en veel spatten ('repelled transfer'). Hoewel bij negatieve polariteit duidelijke verbeteringen optreden wanneer op de elektrode een dunne alkalihoudende laag wordt aangebracht, worden in het algemeen toch de beste resultaten verkregen wanneer gelast wordt met de elektrode als positieve pool. Bij het MIGIMAG-kortsluitbooglassen (zowel in argon als in helium) vindt materiaaltransport plaats in de vorm van 'short-circuiting transfer' (zie figuur 1.30). Hierbij wordt het vloeibare metaal van de elektrode naar het smeltbad getransporteerd via kortsluitingen (honderden per seconde). Het optreden van spatten kan worden tegengegaan door het beperken van de snelheid van stroomtoeneming tijdens de kortsluitperiode. Lassen met beklede elektrode Het materiaal transport bij het lassen met beklede elektrode is een zeer complex verschijnsel. Het blijkt dat verschillende typen druppelovergang kunnen optreden,

59 Booglassen 57 al of niet in combinatie. Welk type druppelovergang in een bepaalde situatie domineert, hangt af van de chemische samenstelling van de bekleding, de polariteit en de stroomsterkte. Onder poeder lassen Ook bij het onder poeder lassen kunnen verschillende typen druppelovergang optreden. Uit snelle röntgenopnamen blijkt echter dat vooral 'flux-wall guided transfer' een belangrijke rol speelt. Hierbij worden druppels vloeibaar metaal van het uiteinde van de elektrode via het oppervlak van het omringende gesmolten poeder naar het smeltbad getransporteerd De neersmeltsnelheid Bij het booglassen met afsmeltende elektrode speelt de neersmeltsnelheid van de elektrode een belangrijke rol. De neersmeltsnelheid, gedefinieerd als de gewichtshoeveelheid elektrodema. aal ~._ _- die per tijdseenheid wordt gesmolten en vervolgens van de elektrode naar het werkstuk wordt getrans~, wordt enerzijds bepaald door de energie die per tijdseenheid aan de elektrode wordt afgegeven, anderzijds door de energie die nodig is om een gewichtseenheid elektrodemateriaal tot smelten te brengen en vervolgens te verwarmen tot de temperatuur die de druppel heeft als hij de elektrode verlaat. Zoals blijkt uit paragraaf 1.8 wordt vanuit de boog per tijdseenheid aan de elektrode een energiebijdrage geleverd, die evenredig is met de stroomsterkte I. In het geval de elektrode fungeert als anode, is deze bijdrage gelijk aan: Q [ V n.. 3k(T z - Ta)] I a= Va+ca z+'!'a+ 2e (1.33) waarin Va de spanning over het anodevalgebied, Ca een constante met een waarde tussen 0 en 1, V z de spanning over de boogzuil, <Pa de uittreepotentiaal van het anodemateriaal, k de constante van Boltzmann, T z de zuiltemperatuur, Ta de anodetemperatuur en e de lading van het elektron voorstelt. Daarnaast is er nog een bijdrage, die verband houdt met de Joule-verhitting van het stroomvoerende gedeelte van de elektrode. Deze bijdrage is gelijk aan: (1.34) waarin L de lengte van het stroomvoerende gedeelte van de elektrode (vaak uit-

60 58 Lastechnologie steeklengte genoemd), p de soortelijke elektrische weerstand van het elektrodemateriaal en d de elektrodediameter voorstelt. De energie die nodig is om een gewichtseenheid elektrodemateriaal tot smelten te brengen en verder te verwarmen tot de temperatuur die de druppel heeft als hij de elektrode verlaat, is gelijk aan: (1.35) waarin H de hoeveelheid energie voorstelt die nodig is om een gewichtseenheid elektrodemateriaal tot smelten te brengen, T d de temperatuur van de druppel, Ts het smeltpunt en Cp de soortelijke warmte van het vloeibare metaal. Combinatie van de vergelijkingen (1.33), (1.34) en (1.35) levert voor de neersmeltsnelheid S de volgende uitdrukking: met en r l / 2., " ), " e'./. S =a I + bi (t'u" ic,1 ~t c. a ;( [" Va + cav z + <l>a + 3k(T z - Ta)/2e H + (Td - Ts)Cp b- 4Lp - nd 2 [H + (T d - T s)c p ] (1.37) (1.38) Vergelijking (1.36) geldt voor het (meest voorkomende) geval, dat de elektrode fungeert als anode. Een soortgelijke uitdrukking kan worden afgeleid voor het geval de elektrode als kathode dienst doet. Bij het lassen met beklede elektrode moet vergelijking (1.36) worden gecorrigeerd in verband met: - warmte die nodig is voor het smelten van de elektrodebekleding (negatieve correctie); - het 'gratis meesmelten' van metaalpoeder, wanneer met een hoogrendementselektrode wordt gelast (positieve correctie). Soortgelijke correcties zijn nodig bij het MIGIMAG-lassen met gevulde draad. In figuur 1.38 wordt voor lassen met beklede elektrode, MIGIMAG-lassen en onder poeder lassen de experimenteel bepaalde neersmeltsnelheid gegeven als functie van de stroomsterkte. Rekening houdend met bovengenoemde correcties blijkt er een goede overeenkomst te bestaan tussen de experimentele resultaten en vergelijking (1.36). Afwijkingen kunnen voor het grootste deel worden toegeschreven aan spatverliezen (zie volgende paragraaf).

61 I1 J ImliIil~ ti 111_. lllit.' III It.ili Booglassen c E di 160 en. t MIG/MAG-lassen (draaddiam.1.6mm) (draaddiam mm) I(A) Figuur De neersmeltsnelheid als functie van de stroomsterkte voor verschillende varianten van het booglasproces Spatverliezen Tijdens het booglassen kan materiaalverlies optreden in de vorm van spatten. Deze spatten kunnen zich, als hun temperatuur hoog genoeg is, hechten aan het werkstuk of aan het mondstuk van de toorts, hetgeen aanleiding kan geven tot problemen. De aanwezigheid van spatten op het werkstuk maakt bijvoorbeeld in veel gevallen nabewerking van het werkstuk noodzakelijk, terwijl spatten op het mondstuk de gasbescherming kan verstoren en de draadaanvoer kan hinderen. De mate waarin spatvorming voorkomt, hangt af van verschillende factoren, onder meer van de samenstelling van het beschermgas, de lasparameters en de samenstelling van werkstuk- en toevoegmateriaal. Uit snelle-film opnamen is gebleken, dat spatten afkomstig kunnen zijn van zowel de elektrode als van het smeltbad. In het geval van de elektrode kan spatvorming plaatsvinden door explosieve gasvorming in het vloeibare metaal aan het uiteinde van de elektrode, of doordat de resultante van de op de druppel werkende krachten niet naar het 'smeltbad is gericht. Beide situaties zijn schematisch weergegeven in figuur In het geval van het smeltbad kan spatvorming eveneens worden veroorzaakt door gasexplosies. Daarnaast spelen echter twee andere verschijnselen een rol: breuk van gasbellen aan het oppervlak en inslag van druppels afkomstig van de elektrode. Beide verschijnselen leiden op analoge wijze tot spatvorming, hetgeen wordt geïllustreerd in figuur I

62 60 Lastechnologie o o 0 0 o 0 0 o () a a b Figuur Spatvorming aan de elektrode door (a) explosieve gasvorming en.. (b) zijwaarts gerichte krachtwerking. 0 ~.. -- tijd ~ ~ ~ 0 0 a b Figuur Spatvorming aan het oppervlak van het smeltbad (a) door breuk van gasbellen en (b) inslag van druppels.

63 I/ J t ~ lfil lil Booglassen 61 Een speciale situatie doet zich voor bij het kortsluitbooglassen. In dit geval wordt spatvorming veroorzaakt door explosie van de vloeistofbrug tussen elektrode en werkstuk. Deze explosie is het gevolg van de exponentiële temperatuurverhoging in het nauwste gedeelte van de vloeistofbrug, gepaard gaande met een abrupte overgang van de vloeistoffase naar de gasfase Magnetische effecten Aangezien zowel de boog als het smeltbad te beschouwen zijn als stroomgeleiders, is te verwachten dat de aanwezigheid van magneetvelden hun gedrag zal beïnvloeden. De optredende magnetische effecten kunnen beschreven worden met behulp van de wet van Lorentz ~ ~ ~ F= jxb ( 1.39) waarin F de kracht voorstelt die op een bepaald volume-element van de boog of het smeltbad werkt, 1 de stroomdichtheid in dat volume-element en B de magnetische inductie ter plaatse. Externe magneetvelden Voor wat betreft externe magneetvelden kan onderscheid worden gemaakt tussen transversale magneetvelden en axiale magneetvelden. Bij een transversaal magneeta b F I Figuur Magnetische beïnvloeding van de boog en het smeltbad. a) transversaal magneetveld; b) axiaal magneetveld., ij.1ii!lt!._j ~.i' H

64 62 Lastechnologie veld (figuurjil~!!lli.~~~~.~age:!!_~c.~~(meestal een hoek van 90ó) met de as van de bqq&.j21!!.~~~2~~~ijde!ie_g~~.l!fu'wqng_y_ajlg~.~oog. Wan~n wisselend transversaal ~neetveld wordt aangelegd zal de boog _ g~endejen.:. DAkan..~..Q!Q.~~~~g~pasJ.bij..hËl.~.P!~~~!L of()~èç.lqpt~~~en.y~ randinkarteling (zie paragraaf 5.7) tegen.!~. gaan.,-._--_ ~ ~ --- '.... _~-_. -- Wa~eenaxiaal magne~j.y~ordt ~~gel~gd, waarbij de.!!l~gnetische inductie evenwiidig is met de as van de boog (figuur 1.41b), zullen zowel de boog als het s~~i~bil9 g~an roteren. riit-verschijnsel, dat vaak wordt ';angeduid 'mét -d~ -t;~~ magnetisch roeren is een gevolg van de stroomdivergentie (en dus van de aanwezigheid van een radiale component van de stroom) in de boog en in het smeltbad. De rotatie resulteert in ~rwijding. van de Iwog en in een breder ~n _--~..., _.,., on~ieper sm~d. ~aast tre~t er een ni~~~h.. ~ff~çtop-in..d.e.-y..qrm va~aan.~. stu.wing..wn...ret-vloeibare-lasmetu!l Dit effe,çj.kan..wqrde~ teniet gedaan d()q!'jlettoe~sen van ~isse)end ax.iaal!!l~zi!ee1yeld. ~eidt-de rotatie van het smeltbad in sommige gevallen tot een fijnere struct1l..yix a.nj1et gestóraelasm~iaï!ï-=-ï5~~~~t@~~~!fit~fi!i_wöidt::onderme~r toegç..s.çhrey.en ~!l!1_de aa~wezlgheid v~q.!!l.ee.!: kiemen bij heqtoll~n door het afbreken van dendrieten. _.-_.-- -_.-._-_.. - Magnetische blaaswerking Ook het ei~n ma~neetveld kan 0.!lË~lÈ~E.~g~,5)m_~~~gh.~q~mJ!~L~d.raZ.Yl!n ~e ~og beïnvloeden. Q~nvloeding wo~t magneti~çb.ç~laa~~:r~~.~oel!!d en manifesteert zich als het schêëttrekken van de boog ten gevolge van op de boog werkende Lorentzkrachten. Aangezien het scheeftrekken van de boog op onregelmatige wijze plaatsvindt, zal de boog steeds van stand veranderen (flakkeren), hetgeen kan leiden tot een onregelmatig uitziende las. M~!ische.blaaswerkiQg is het gevolg van een ni~symmetrische verdeling vaol!.~.~ig.e.9. DlagneetY.cl.d-r.ond.9m de boog (plaatselijke concentratie van het eigen magneetveld). H~t_ ver~chij~sel tr~ bij é' ful~e aarding van het werk~ (figuur 1.42); - aan ~e ran~yilll.bs<l'!y~r!c~ bij ferromagnetisch~.i.im~erialen (figuur 1.43). Magnetische blaas werking speelt vooral een rol bij gebruik van gelijkstroom, waarbij moet worden opgemerkt dat de richting van de blaaswerking onafhankelijk is van de polariteit (bij omkeren van de stroomrichting keert ook de richting van de magnetische inductie om). ~ij gebruik van wisselstroom treedt het vers~.y~!lml!gnetisçhe_bla~~g slechts in beperkte mate op. Dit houdt verba~we.t:yeh;tr.ome!utie...door de wiss~fden.gçli1_çl.!lceerc(~!l het magneetveld t~! plaats~ ten d~j.ç.neutraliseren.

65 ii 1 1 ; i Booglassen 63 I I I! ~~-----F Figuur Magnetische blaaswerking ten gevolge van eenzijdige aarding van het werkstuk. ~ ~ -t._f /::-:-==:: -'--, '//'--... '", \, ' _ Figuur Magnetische blaas werking aan de rand van een ferromagnetisch werkstuk.

66 64 Lastechnologie Stroombronnen Voor het booglassen zijn stroombronnen vereist die in staat zijn een relatief hoge stroomsterkte ( A) te leveren bij een relatief lage spanning (10-50 V). Afhankelijk van de toepassing kan gebruik worden gemaakt van gelijkstroom of van wisselstroom. Als stroombron komen in aanmerking: - transformatoren (wisselstroom); - gelijkrichters (gelijkstroom); - motor-generatoren (wisselstroom of gelijkstroom). De ontwikkeling op het gebied van stroombronnen voor het booglassen heeft de laatste jaren een grote vlucht genomen, voornamelijk als gevolg van het beschikbaar komen van geavanceerde micro-elektronische schakelingen. Op deze ontwikkeling zal hier niet worden ingegaan. Verwezen wordt naar de literatuur.... De belangrijkste technische eigenschap van een stroombron is de stroom-spanning karakteristiek, waarvan in figuur 1.44 een voorbeeld wordt gegeven. N aast de karakteristiek van de stroombron is in figuur 1.45 ook de stroomspanning karakteristiek van een boog met booglengte l weergegeven. Het snijpunt van de twee karakteristieken (het werkpunt W) geeft de stroom en de spanning waarbij de boog onder de gegeven omstandigheden brandt. Bij verandering van de booglengte zal de karakteristiek van de boog en daarmee het werkpunt verschuiv t o \,, ~-.,, l+~l l l-~l -I Figuur De stroom-spanning karakteristiek van de stroombron en van de boog o = open spanning, W = werkpunt, I = booglengte.

67 Booglassen 65 ven. Dit is in figuur 1.44 weergegeven voor zowel vergroting (l + t:..l) als voor verkleining (1- t:..l) van de booglengte. Uit het bovenstaande volgt dat bij gebruik van een stroombron met verticale karakteristiek de stroomsterkte tijdens het lassen nagenoeg constant zal blijven, terwijl bij gebruik van een stroombron met horizontale karakteristiek de spanning tijdens het lassen constant zal blijven. Voor het lasse!l.p.lej:!?_~~lede elektr.()delhet1jcj:lassenen..het plasma-iass~dt in het algem~t::!!.j~.~p ~!!!tq.mbrqd.m.e~..!..ë.lali!(lateile.. karakteristjek aanbe.yoleu,_ Variaties in booglengte hebben dan wein1gl!!~~~~pa.~_stroqmsterkte ~~~~e op het lasresultaat V'OOr het MIG/MAG-Iassen is een stroombron met horizontale karakteristiek het m~t gescbikt.-variaüësrribooglë~gte-wordeii T~ditg~~~i 'd~:;~-h~tproc;~~~lf gecorrigeerd. Dit kan als volgt worden verduidelijkt Een optredende vergroting van de booglengte zal leiden tot een verlaging van de stroomsterkte. Hierdoor zal per tijdseenheid minder warmte aan de elektrode worden afgegeven en zal de neersmeltsnelheid worden verlaagd. Als gevolg hiervan zal de booglengte afnemen totdat de oorspronkelijke waarde weer is bereikt. Een optredende verkleining van de booglengte zal op overeenkomstige wijze worden tegengegaan. Bij het onder poeder lassen verloopt deze automatische correctie bij gebruik van een stroombron met horizontale karakteristiek te langzaam in verband met de relatief grote dikte van de elektrode. Om die reden wordt bij het onder poeder lassen vrijwel altijd een stroombron met dalende karakteristiek gebruikt, in combinatie met een terugkoppelsysteem. Met dit systeem kan de booglengte, via terugkoppeling van de boogspanning, binnen nauwe grenzen worden gehouden Robotisering van het booglasproces Robotisering van het booglasproces is van groot belang in verband met - productiviteitsverhoging; - kwaliteitsverbetering. Productiviteitsverhoging wordt door robotisering bereikt via vermindering van arbeidskosten en via verhoging van de bezettingsgraad van de productie-apparatuur, kwaliteitsverbetering komt tot stand omdat v~ties in de lasparameters, die bij handlassen onvermijdelijk zijn, bij robotisering binnen nauwere grenzen kunnen worden gehouden. Een robotinstallatie voor booglassen (MIG/MAG) bestaat in het algemeen uit een robot voor positionering van de lastoorts, een besturingssysteem voor de robot, een werkstukmanipulator en lasapparatuur. De robot(arm) heeft bij voor~eur zes vrijheidsgraden: drie voor het positioneren en drie voor het oriënteren van de

68 66 Lastechnologie lastoorts. De situatie is in vereenvoudigde vorm weergegeven in figuur De mogelijkheden van een dergelijk robotsysteem zijn beperkt tot het volgen van een voorgeprogrammeerde baan Figuur Schematische voorstelling van een robotsysteem voor booglassen (MIG/MAG). 1 - werkstuk,. 2 - robot; 3 - besturing; 4 - stroombron met draadaanvoereenheid. Voor meer geavanceerde robotsystemen is een sensor vereist, waarmee de terugkoppeling wordt verzorgd tussen de zich vormende lasverbinding en de robotbesturing. Sensoren voor lasrobots kunnen ruwweg worden ingedeeld in sensoren voor positionering en sensoren voor procesbeheersing. Bij sensoren voor positionering is naadzoeken en naadvolgen het belangrijkste doel. Daarnaast zijn ook van belang de controle van de afstand tussen werkstuk en elektrode en het herkennen van hechtlassen en van het einde van de lasnaad. Bij sensoren voor procesbeheersing gaat het in principe om de karakterisering en terugkoppeling van de lasbadgeometrie. Deze kan dan door continue aanpassing van de lasparameters binnen van te voren vastgestelde grenzen worden gehouden. In het volgende zullen de belangrijkste sensoren die op dit moment in de praktijk worden toegepast of in ontwikkeling zijn kort worden besproken. Mechanische sensoren Mechanische tasters behoren tot de eerste groep sensoren die voor lasrobots ter beschikking kwamen. De mechanische sensor bestaat uit een naald, dan wel een ander tastlichaam, die via de lasnaad wordt voortbewogen. Bij afwijkingen van de lasnaad ten opzichte van het voorgeprogrammeerde pad komt de naald in een andere stand te staan. De naaldbeweging wordt vervolgens in een elektrisch

69 ,= lil Booglassen 67 signaal omgezet en dit signaal wordt teruggekoppeld naar de robotbesturing. Het zal duidelijk zijn dat mechanische sensoren uitsluitend geschikt zijn voor naadzoeken enjof naadvolgen. Pneumatische sensoren Bij pneumatische sensoren bestaat het uitgangssignaal uit een statische gasdruk, die een maat is voor de afstand tussen sensor en werkstuk. Omdat alleen de afstand wordt gemeten is voor het volgen van lasnaden een combinatie van twee of meer sensoren vereist. In de praktijk dient er bij deze sensoren op gelet te worden dat de gasbescherming boven het lasbad niet wordt aangetast. Ultrasoon-sensoren Voor de meting van de afstand tot het werkstuk kunnen ook ultrasoon-sensoren met gecombineerde zend- en ontvangkop worden toegepast. De tijd tussen uitzending en ontvangst van een geluidspuls is een maat voor de afstand. Een andere benadering is een ultrasoon-sensor op het werkstuk te plaatsen en via uitzending en ontvangst van geluidsgolven in het materiaal de positie van het smeltbad te bepalen. Een belangrijk voordeel van deze benadering is, dat in principe ook informatie over de geometrie van het smeltbad kan worden verkregen. Inductieve sensoren Bij inductieve sensoren wordt door een wisselend magneetveld in het werkstuk een magnetische inductie opgewekt, die met behulp van een meetspoel kan worden gedetecteerd. Het gemeten signaal is dan een maat voor de afstand tot het werkstuk. Onderscheid kan worden gemaakt tussen sensorsystemen met lage en met hoge frequentie, waarbij de grens ligt bij enkele khz. Sensorsystemen met lage frequentie zijn uitsluitend geschikt voor ferromagnetische werkstukken. Bij sensorsystemen met hoge frequentie wordt gebruik gemaakt van het effect van wervelstromen. Deze systemen zijn derhalve in principe geschikt voor alle metalen. Boogsensoren Bij het booglassen kan de boog zelf ook als sensor worden gebruikt. Het principe van de boogsensor berust op het gegeven dat er een eenvoudig (nagenoeg lineair) verband bestaat tussen de booglengte en de stroomsterkte in het geval van een horizontale stroombronkarakteristiek en tussen de booglengte en de boogspanning in het geval van een verticale stroombronkarakteristiek. Meting van de stroom-

70 68 Lastechnologie sterkte respectievelijk boogspanning geeft dus informatie over de booglengte en daarmee over de positie van de lastoorts ten opzichte van het werkstuk. In de praktijk wordt de boog meestal op mechanische of magnetische wijze over de lasnaad heen en weer bewogen en wordt de positie van de lastoorts via meting van de stroomsterkte respectievelijk boogspanning continu gevolgd en zonodig gecorrigeerd. Een voorbeeld van een dergelijke werkwijze wordt in figuur 1.46 gegeven. Bij een ander type boog sensor wordt gebruik gemaakt van het verband dat bestaat tussen de geometrie en het oscillatiegedrag van het smeltbad. Door het smeltbad in trilling te brengen en de oscillatiefrequentie te meten kan dus informatie worden verkregen over de vorm en grootte van het smeltbad en deze informatie kan vervolgens worden teruggekoppeld naar het besturingssysteem. De frequentie kan op eenvoudige manier via stroom of spanning worden gemeten omdat de golfbeweging van het smeltbad aanleiding geeft tot periodieke verandering van de booglengte en dus van stroomsterkte of boogspanning. I t -x Figuur Schematische voorstelling van de werkwijze van een boogsensor a) correcte positie; b) horizontale afwijking; c) verticale afwijking. Optische sensoren Bij optische sensoren wordt een beeld gevormd van de lasnaad enlof van het lasbad. In de meeste gevallen wordt een externe lichtbron gebruikt, waarmee de te detecteren plaats egaal wordt veriicht of waarmee een gestructureerd lichtpatroon op de te detecteren plaats wordt geprojecteerd. Soms wordt in plaats van de externe lichtbron gebruik gemaakt van de straling van de boog of van het lasbad. De detectie kan variëren van het meten van de reflectie van enkele punten tot het registreren van een totaalbeeld. Van de verschillende sensoren staan de optische sensoren het sterkst in de belangstelling. Diverse typen worden al in de praktijk toegepast.

71 I L,.., Booglassen 69 Temperatuursensoren Door middel van meting van de temperatuurverdeling in het werkstuk is het in principe mogelijk informatie te verkrijgen over de positie en de geometrie van het lasbad. Hiervan wordt bij temperatuursensoren (meestal via infrarood-detectie) gebruik gemaakt. Door vlak voor het lasbad een temperatuurscan te maken worden gegevens verkregen, waaruit het midden van de lasnaad kan worden bepaald. In de praktijk kan worden volstaan met het meten van de temperatuur op twee plaatsen aan weerszijden van de lasnaad. Een systeem volgens dit model is uitsluitend geschikt voor naadvolgen. Door het aftasten van de temperatuur over het lasbad kan de geometrie van het lasbad worden gekarakteriseerd, hetgeen online procescontrole mogelijk maakt. Opgaven 1.1. Geef een korte beschrijving van de belangrijkste kenmerken van: - het kathodevalgebied; - het anodevalgebied; - de boogzuil a) In de boogzuil heerst elektrische neutraliteit. Wat wordt daar onder verstaan en wat betekent dit voor de elektrische veldsterkte in de boogzuil? b) In de boog zuil heerst eveneens thermisch evenwicht. Wat wordt daar onder verstaan? c) Gelden genoemde eigenschappen (elektrische neutraliteit en thermisch evenwicht) ook voor het kathodevalgebied en voor het anodevalgebied? Licht uw antwoorden toe Gegeven: een lasboog met een boogspanning van 30 Ven een lasstroom van 100 A. Gevraagd: onderstaande tabel in te vullen. I

72 70 Las technologie kathode- anode- boogzuil valgebied valgebied thermisch evenwicht (ja of nee) " elektronentemperatuur (schatting) Ti' ':» T~, I gastemperatuur (schatting) ruimtelading (+ of - of 0) -t -( - ";» I. e () spanningsval (schatting) )IJ- /(J'J I-lvv 0 7 I '> /1 \~/,, /) -X Jj I I v rj <J f..11 elektrische veldsterkte (schatting) /0 Y'" elektronenstroom (schatting) >0 ~ ::7',." f )' -ij"1 } V ' ) i ionenstroom (schatting) ":. ~ <~ / ~".~~! ~ )J Á 1 vo/), 1.4. a) Wat wordt verstaan onder de ionisatiegraad <Xi van een gas? b) Welke relatie bestaat er tussen ai en de temperatuur? (wiskundig verband + schets). c) Op welke wijze beïnvloedt ionisatie de warmtegeleiding van gassen? 1.5. a) Wat wordt verstaan onder de dissociatiegraad <ld van een di-atomair gas? b) Welke relatie bestaat er tussen ad en de temperatuur? (wiskundig verband + schets) c) Op welke wijze beïnvloedt dissociatie de warmtegeleiding van di-atomaire gassen? 1.6. Schets het verloop van de boogtemperatuur als functie van de afstand tot de as van de boog voor een boog in argon, voor een boog in helium en voor een boog in stikstof. Verklaar het geschetste verloop in termen van de warmtegeleiding van het gas a) Geef een definitie van: - de warmtegeleidingscoëfficiënt, - het elektrisch geleidingsvennogen, - de ionisatiegraad en - de dissociatiegraad van een gas. b) Geef met behulp van een schets aan hoe deze grootheden afhangen van de temperatuur Op welke verschillende manieren kan een lasboog worden ontstoken?

73 Booglassen Geef aan de hand van een schets een korte beschrijving va!l_bet booglasproces Geef een korte beschrijving van de vijf belangrijkste varianten van het booglasproces Wat wordt bij het lassen verstaan onder de sleutelgattechniek? Bij welke lasprocessen is deze techniek toe te passen en waarom? 1.12::) a) Schets het verloop van de stroom en de spanning ais functie van de tijd < voor het open-booglassen en voor het kortsluitbooglassen. b) Wat zijn de specifieke voor- en nadelen van het kortsluitbooglassen ten opzichte van het open-booglassen? Waarop berust het principe van het pulserend MIGIMAG-lassen en wat zijn de voordelen van het proces? Geef met behulp van de energiebalans aan, welke hoeveelheid warmte bij het booglassen aan de kathode, en welke hoeveelheid aan de anode wordt afgegeven Bereken met behulp van onderstaande gegevens de hoeveelheid warmte, die bij het TIG-lassen en bij het MIG-lassen per seconde wordt afgegeven aan de e~, aan het werkstuk en aan de omgeving. - las stroom = 100 A - boogspanning = 30 V - spanning over kathodeval = 15 V - spanning over anode val = 5 V -lading van elektron = 1,6 x JN - constante van Boltzmann = 1,4 x J/K (schat de ontbrekende gegevens) a) Wat wordt verstaan onder het proces rendement van het booglasproces? b) Maak een schatting van het procesrendement voor het TIG-lassen, het MIG-lassen en het OP-lassen. c) Wat wordt verstaan onder het smeltrendement van het booglasproces? d) Hoe kan het smeltrendement worden bepaald? a) Hoe worden boog en las bad beïnvloed door een extern transversaal magneetveld (loodrecht op de as van de boog) en door een axiaal magneetveld (evenwijdig aan de as van de boog? Licht uw antwoord toe.

74 72 Lastechnologie b) Op welke manieren kan van deze beïnvloeding in de praktijk gebruik worden gemaakt? Wat wordt verstaan onder magnetische blaaswerking bij het booglassen? In welke twee situaties kan dit verschijnsel optreden? Hoe kan het verschijnsel worden tegengegaan? Welke stroombronkarakteristiek wordt gebruikt bij het lassen met beklede elektrode en welke bij het MIGIMAG-lassen? Licht Uw antwoord toe. Literatuur Boumans, P.W.J.M., Theory of Spectrochemical Excitation, Hilger & Watts Ltd, London, Cambel, A.B., Plasma physics and magnetojluidmechanics, McGraw-HiII, New York, Davies, A.C., The science and practice ofwelding, 8th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, Finkelnburg, W. en Maecker, H., Elektrische Bogen und thermische Plasma, Handbuch der Physik, Springer-Verlag, BerlinlGöttingenIHeidelberg, Gourd, L.M., Principles ofwelding technology, Edward Arnold Publishers Ltd., London, Gross, B., Grycz, B. en Mikl6ssy, K., Plasma Technology, I1iffe Books, London, Houldcroft, P.T., Welding Process Technology, Cambridge University Press, Cambridge, Hoyaux, M.F., Arc Physics, Springer-Verlag. BerlinlHeidelberg/New York, Lancaster, l.f. (Ed.), The physics ofwelding, 2nd Edition, Pergamon Press, Oxford, Norrish, 1., Advanced welding processes, IOP Publishing Ltd., London, Schellhase, M., Der Schweisslichtbogen - ein technologisches Werkzeug, Deutscher Verlag für Schweisstechnik GmbH, Düsseldorf, Welding Handbook, 8th Edition, Vol. 1 Welding Technology. American Welding Society, Miami, Welding Handbook, 8th Edition, Vol. 2 Welding processes, American Welding Society, Miami, 1991.

75 2 Andere lasprocessen Inleiding Naast het booglassen, waaraan in het vorige hoofdstuk uitvoerig aandacht is besteed, worden in de metaalverwerkende industrie een groot aantal andere lasprocessen toegepast. Enkele van deze lasprocessen zullen in dit hoofdstuk beknopt worden besproken, waarbij de volgorde van de tabel uit de algemene inleiding zal worden aangehouden Weerstandlassen ( Bij het weerstandlassen worden de te verbinden delen stevig tegen elkaar gedrukt en wordt door het scheidingsvlak een elektrische stroom gestuurd. Ten gevolge van de ontwikkelde Joule-warmte (1 2 Rt) zal het metaal in de directe omgeving van het scheidingsvlak worden verhit en gedeeltelijk tot smelten worden gebracht. Door stollen van het gesmolten metaal ontstaat de gewenste verbinding) De situatie is schematisch weergegeven in figuur 2.1. In deze figuur is tevens aangegeven het temperatuurverloop tussen de elektroden tijdens het lasproces. In de praktijk van het weerstandlassen wordt in de meeste gevallen wisselstroom gebruikt. De stroomsterkte kan variëren van enkele honderden ampères tot meer ~'-_.,..c \----I:9lE?J:~-~- - T - --E:::::::E~--i '- """7"--...,... --'_ t T s Figuur Principe van het weerstandlassen. Rechts het temperatuurverloop tussen de elektroden tijdens het lasproces (T s is de smelttemperatuur).

76 ~~--~--~------~~--~~~--~~~~=~"~ 74 Lastechnologie dan 10 4 A bij een spanning die in de regel niet hoger is dan 30 V. De tijd van stroomdoorgang varieert van één wisselstroomperiode (1150 s) tot enkele seconden. Men kan één stroompuls geven of meerdere na elkaar, waardoor het bijvoorbeeld mogelijk is vóór te verwarmen of na het lassen een warmtebehandeling tegeven. Medebepalend voor de geproduceerde warmte is de overgangsweerstand R. Deze hangt sterk af van de oppervlaktegesteldheid en de druk die wordt aangebracht, zoals blijkt uit figuur 2.2. a.3 " c: I a ~ \ ~ , ~ \ ~ \ Cl ~ 800,\ C> \ ~ b\ \ o 600 '. \ t \'.\ 400 f- \, \.',. "- 200 r- '......::::._ c ---=-..:::-. ::.:-:...-=-... ol--=~====~====~ _ elektrode druk (N/mm 2 ) Figuur 2.2. De overgangsweerstand tussen twee metalen platen als functie van de elektrodedruk bij verschillende oppervlaktebehandeling: a) onbehandeld b) chemisch gereinigd, c) gezandstraald. Een probleem dat zich bij het weerstandlassen kan voordoen is de niet-symmetrische ligging van de laslens ten opzichte van het scheidingsvlak. Dit verschijnsel treedt vooral op bij het lassen van platen van hetzelfde materiaal van ongelijke dikte (zie figuur 2.3a en b) en bij het lassen van platen van verschillend materiaal van gelijke dikte (zie figuur 2.3c). Het probleem kan in principe worden opgelost door beïnvloeding van het stroomdichtheidsverloop en van de warmte-afvoer. In de praktijk wordt dit meestal gerealiseerd door: - het vergroten van het contactvlak van één van de elektroden enlof - het kiezen van thermisch slecht geleidend materiaal voor de andere elektrode. De meest voorkomende vorm van weerstandlassen is puntlassen. Het principe

77 Andere lasprocessen 75 hiervan is weergegeven in figuur 2.4a. Puntlassen wordt vooral veel toegepast in de auto-industrie voor carroseriebouw. Mechanisering is goed mogelijk. Ook komen er steeds meer puntlasrobots op de markt. a b Figuur 2.3. Niet-symmetrische ligging van de las lens voor drie verschillende situaties: a) Dunne en dikke plaat van hetzelfde materiaal; materiaal heeft grote elektrische/thermische geleidbaarheid. b) Dunne en dikke plaat van hetzelfde materiaal; materiaal heeft kleine elektrische/thermische geleidbaarheid. c) Twee dunne platen van verschillend materiaal; bovenste plaat heeft grote, onderste plaat kleine elektrische/thermische geleidbaarheid. Een andere vorm van weerstandlassen is rollassen (zie figuur 2.4b). Hierbij wordt een continue lasnaad vervaardigd door een aaneenschakeling van overlappende puntlassen. Aan roterende, boven elkaar geplaatste wielvormige elektroden wordt de stroom intermitterend toegevoerd. Rollassen wordt gebruikt in de auto-industrie en bij de fabricage van vaten, panelen en radiatoren. Bij het doordruklassen of vormlassen (zie figuur 2.4c) wordt de plaats van de warmte-ontwikkeling nauwkeurig bepaald doordat uitstulpingen zijn aangebracht op één van de te lassen oppervlakken. Ó.}.Z. De te verbinden oppervlakken worden bij het drukstuiklassen door weerstandverhitting op temperatuur gebracht en vervolgens tegen elkaar gedrukt. e ~ft~ a b c Figuur 2.4. Drie verschillende varianten van het weerstandlassen: a) puntlassen, b) rol/assen, c) doordruklassen of vormlassen.

78 76 Lastechnologie Een speciale v-orm van het weerstandlassen is het afbrandstuiklassen. Hierbij worden de te verbinden delen afwisselend tegen elkaar gedrukt en van elkaar getrokken. Tijdens het contact zullen vloeistofbruggen ontstaan, die bij verbreken aanleiding geven tot boogvorming. Deze boogvorming zal veelal gepaard gaan met spatverschijnselen (flashing). Als na een aantal wisselingen beide oppervlakken voldoende zijn geëgaliseerd en gesmolten, worden ze tenslotte stevig tegen elkaar gedrukt waardoor een permanente verbinding ontstaat. Afbrandstuiklassen wordt toegepast voor het verbinden van stafmateriaal, pijpen, rails en profielen. Van het weerstandlassen zijn nog vele andere varianten bekend. Deze zullen hier echter niet worden besproken Hoog-frequent lassen ( Bij hoog-frequent lassen wordt een verbinding tussen metalen delen tot stand gebracht door middel van warmte die geproduceerd wordt door een hoog-frequent stroom) Er zijn twee varianten van het proces die zich van elkaar onderscheiden in de wijze waarop de hoog-frequent stroom aan het te lassen werkstuk wordt toe- en afgevoerd, namelijk via elektrische contact~!! of via een jndnctjesqqel. De twee varianten zijn schematisch weergegeven in figuur 2.5. In beide gevallen loopt de elektrische stroom via de kortste weg en dicht onder het oppervlak (skin-effect). a aandrukrol elektrisch contact lasverbinding b Figuur 2.5. Twee varianten van het hoog-frequent lasproces: a) toe- en afvoer van de stroom via contacten; b) toe- en afvoer van de stroom via een inductiespoel.

79 Andere lasprocessen 77 I é '} ï< ~ 1 De~epte van de. groompen.etratie hangt fj.f van de fre91l~ntj(!_.y~~~~_.troom~n daamjl.~btiteraaalooky..an _deeigen~ch~ppen van li~tt~ lassen materi31al.~oor een juiste keuze van stroom en frequentie kan een dunne oppervlaktelaag van het werkstuk tot smelten worden gebracht waarna door aandrukken en afkoelen een verbinding kan worden gevormd. )In c!~~ meeste gevallen, kal1:z~onder g~sbescherrning worden gelast; een inert gas is alleen vereist bij het lassen van metalen ~_. --,--. die snel met zuurstof reageren (bijvoorbeeld titaan). ~~I)J!le.ru!!~_y'g9Iboogfr.~: quent lassen is de grote produktiesnelheid die kan worden bereikt en de relatief kl~.ridi.ig_qoein smeltbad) Hoog-frequent lassen is mogelijk voor een groot aantal metalen en legeringen, waaronder de meeste staalsoorten. Het proces is bij uitstek geschikt voor het lassen van langsnaden in lange constructie-elementen zoals pijpen en profielen Elektroslak lassen Dit proces werd ontwikkeld voor het lassen van staal van grote dikte (> 40 mm). Het principe is weergegeven in figuur 2.6. De te lassen platen worden verticaal, op enige afstand van elkaar opgesteld. Om het proces te starten wordt onder in de ruimte tussen de platen laspoeder aangebracht en wordt er een boog ontstoken tussen een elektrode en de onderafsluiting van de ruimte tussen de platen. Het poeder wordt door de boog verhit en tot smelten gebracht. Vervolgens dooft de boog en gaat de stroom lopen via direct contact tussen elektrode en slak. Ten gevolge hiervan wordt in de vloeibare slak Joule-warmte geproduceerd, die de elektrode en de plaatkanten tot smelten brengt. Het gevormde las bad wordt aan twee zijden door watergekoelde koperen schoenen ingesloten en zal zich, tezamen met de vloeibare slak, in de loop van de tijd naar boven bewegen, aldus de gewenste verbinding vormend. afsmeltende elektrode verticale platen lasrichting...,e7y?t--- vloeibare slak ~::=::-::=5I:~L- watergekoelde koperen schoen smeltbad Figuur 2.6. Principe van het elektroslak lassen. \.. "'~ gestold lasmetaal

80 78 Lastechnologie }:: j<. q; 2.5. Autogtéen'iassen Bij het autogeen lassen wordt de benodigde warmte verkregen door de verbranding van een geschikt gas. Meestal wordt acetyleen gebruikt, soms ook propaan of waterstof. In het geval van acetyleen verloopt de verbranding in twee trappen. De situatie is schematisch weergegeven in figuur 2.7. Uit de brander stroomt een mengsel van acetyleen en zuurstof (verhouding I: 1). De primaire verbranding vindt plaats in een symmetrische zone rondom de brander volgens de vergelijking primaire verbranding secundaire verbranding (2.1) T (Oc) t Figuur 2.7. De autogene vlam. OL Door de geproduceerde reactiewarmte W 1 wordt het gasmengsel sterk verhit en wordt aan de voorkant van de primaire verbrandingszone een maximale temperatuur van 3160 C bereikt. De reactieprodukten van de primaire verbranding (CO en H 2 ) worden nu in het overige gedeelte van de vlam verder verbrand door binnendringen van lucht uit de omgeving. Deze secundaire verbranding verloopt volgens de vergelijkingen en (2.2)

81 Andere lasprocessen 79 De hoeveelheid warmte (W2 + W3) die bij deze reacties wordt geproduceerd bepaalt het temperatuurverloop van de vlam rechts van het maximum. Bij het autogeen lassen zorgt men ervoor dat het te lassen materiaal zich in de zone rondom de maximale temperatuur bevindt. De onvolledig verbrande reactieprodukten van de primaire verbrandingsreactie dienen dan als beschermgas.,men spreekt van een neutrale vlam als de verhouding van acetyleen en zuurstof 1: 1 is, van eeîi-oiyd~~~nde vlam bij overmaat zuurstof en van een reducerende vlam bij ;--._--..._--- "-- - _ ov~r.maat acetyleen De voor het lassen benodigde acetyleen wordt bereid door calciumcarbide te laten reageren met water in zogenaamde acetyleenontwikkelaars. Verder kan acetyleen via petrochemische weg worden verkregen. Acetyleen kan niet in normale gascilinders onder druk worden opgeslagen, omdat het bij een druk hoger dan 200 kn/m 2 instabiel wordt (het valt onder warmteontwikkeling uiteen in koolstof en waterstof). Om die reden wordt acetyleen meestal opgelost in een oplosmiddel (acetyleen-dissous). Veelal wordt aceton als oplosmiddel gebruikt, soms D.M.F. (dimethylformide). Bij kamertemperatuur kan aceton 25 maal zijn eigen volume per atmosfeer aan acetyleen opnemen, terwijl opgeloste acetyleen tot een druk van 1600 kn/m 2 stabiel blijft. Dit betekent dat een volumedeel aceton 25 x 16 = 400 volumedelen acetyleen kan bevatten. Het in aceton opgeloste acetyleen wordt in stalen cilinders opgeslagen, waarin zich ook een poreuze massa (gesinterde calcium-silicaten) bevindt. De poreuze massa verdeelt de totale ruimte in een groot aantal kleine cellen, waardoor een eventuele 'kettingexplosie' wordt voorkomen. Bij het autogeen lassen wordt meestal gebruik gemaakt van toevoegmateriaal in de vorm van een lasstaaf. Onderscheid wordt gemaakt tussen twee verschillende lasmethoden: het links Iassen en het rechts-lassen (zie figuur 2.8). Bij het links-lassen wordt van rechts naar links gelast (lasstaaf in linkerhand, brander in rechterhand). Deze werkwijze kan slechts worden toegepast tot een materiaaldikte van 3 mmo Dit houdt verband met het feit dat bij grotere dikte het vloeibare metaal uit het smeltbad teveel naar voren (naar links) gaat lopen, waardoor onder in de lasnaad onvoldoende 'doorlassing' optreedt (anders gezegd: het onderste gedeelte van de plaatkanten wordt door de lasvlam onvoldoende gesmolten).

82 80 Lastechnologie lasmethode links-lassen rechts-lassen rech ts-iassen lasnaad ~ ~ t/m 3mm 60 U ~ ~ t/m 5mm boven 5mm stand brander en lasstaaf beweging brander beweging lasstaaf Figuur 2.8. Links-lassen en rechts-lassen. Deze beperking geldt in veel mindere mate voor het rechts-lassen, waarbij van links naar rechts wordt bewogen (lasstaaf weer in linkerhand, brander in rechterhand). Rechts-lassen wordt toegepast bij een plaatdikte van 3 mm en meer: tot 5 mm zonder afschuining van de plaatkanten, boven 5 mm met afschuining. Autogeen lassen kan bij de meeste metalen worden toegepast. Hoewel nog steeds een belangrijk lasproces, wordt het meer en meer verdrongen door andere lasprocessen, met name door TIG-lassen. De oorzaak hiervan is vooral gelegen in de relatief lage energiedichtheid van de autogene vlam in vergelijking met die van bijvoorbeeld de elektrische boog Thermiet lassen Dit proces is gebaseerd op de reductie van een metaaloxyde door aluminiumpoeder. Bij deze reductie kan zoveel warmte vrijkomen dat de reactieprodukten

83 + I lidi 14'ef!ë#W 'ï IÜII... HIMII.!... " +i_w'n','w,+me.,,* Andere lasprocessen 81 vloeibaar worden. Het vloeibare metaal laat men tussen de voorgewarmde, te verbinden delen lopen, zodat na stolling een hechte verbinding ontstaat; het vloeibare Ah03 dient als slak. Het meest bekende voorbeeld is de reductie van ijzeroxyde. Deze verloopt voor de verschillende oxydetypen volgens de onderstaande vergelijkingen: 3FeO + 2Al ~ Al Fe kj (2.4) (2.5) (2.6) De reactie wordt ingeleid met behulp van een gemakkelijk te ontsteken mengsel, bijvoorbeeld bariumperoxyde en aluminium of magnesium. Soms worden legeringselementen toegevoegd om de mechanische eigenschappen van de las te verbeteren. Ook kunnen stoffen worden toegevoegd om de vloeibaarheid van de slak te verhogen of het stoltraject te verlagen. De te verbinden delen worden meestal voorverwarmd om het optreden van bindingsfouten (zie paragraaf 5.7) tegen te gaan. Thermiet lassen wordt vooral toegepast voor zware metalen delen, zoals bijvoorbeeld rails en kabels. De werkwijze voor het lassen van rails is schematisch weergegeven in figuur 2.9. \U~':Jd.+--- slak stop---=~~ gesmolten staal profiel gietvorm a b c Figuur 2.9. Drie stadia bij het thermiet lassen van rails Wrijvingslassen Bij het wrijvingslassen wordt één van de twee te verbinden delen snel om zijn as geroteerd en vervolgens tegen het andere aangedrukt. Door de wrijving loopt de temperatuur zodanig op, dat de te verbinden oppervlakken onder druk plastisch

84 lil... ow....,-... '....-!I Lastechnologie gaan vervormen; de oxydehuid wordt hierdoor verwijderd en de atomen van de metaaloppervlakken komen zo dicht bij elkaar dat direct nadat de rotatie is gestopt een lasverbinding wordt gevormd zonder dat smelten plaatsvindt. De verschillende stadia van het proces zijn schematisch weergegeven in figuur Met het wrijvingslassen is het mogelijk om ongelijksoortige metalen met elkaar te verbinden. Een toepassing is bijvoorbeeld het lassen van klepstelen aan klepschotels. a COD b C d I-I c I C I I Figuur Opeenvolgende stadia bij het wrijvingslassen. Een recente ontwikkeling op het gebied van wrijvingslassen in het lineair wrijvingslassen (Engels: linear friction welding of consumable-rod friction welding). Hierbij wordt een roterende elektrode onder druk over het oppervlak van het werkstuk voortbewogen. Door de wrijvingswarmte wordt het elektrodemateriaal in de directe omgeving van het grensvlak tussen elektrode en werkstuk sterk (tot even beneden het smeltpunt) verhit, waardoor het plastisch wordt en op het oppervlak v.an het werkstuk wordt afgezet. Het principe van het lineair wrijvingslassen is schematisch weergegeven in figuur Het proces kan worden toegepast voor het verbindingslassen van gelijksoortige en ongelijksoortige materialen en voor het opbrengen van oppervlaktelagen (oplassen). 1 Figuur Lineair wrijvingslassen.

85 Andere lasprocessen Ultrasoon lassen Bij het ultrasoon lassen wordt een verbinding tussen twee delen tot stand gebracht, door deze delen in te klemmen tussen een aambeeld en een ultrasoon trillende elektrode (sonotrode), zie figuur Door de cyclische wrijving over het contactvlak zullen eventueel aanwezige oppervlaktelagen worden afgebroken en zal er ten gevolge van warmte-ontwikkeling tenslotte een verbinding ontstaan. Bij de vorming van de verbinding vindt geen smelten plaats; wel zullen diffusie, rekristallisatie en eventueel fasetransformaties kunnen optreden. transducer Figuur Ultrasoon lassen. c::====~~~~~~~>=>= te lassen materiaal C9= ::~b"ld Ultras?()111~sg~~.~~~?r.~I. ~e._schi~t..'i90r. hetverb.iq.g~n~y~i!.. ~~!Ullateriaal (folie, blik, draad) aan dilu:nateriaal. De toepassing van het proces is niet beperkt tot ,.. ~-_._ --._- metaal-metaal combinaties, ook combinaties van andere materialen (bijvoorbeeld metaal-glas, metaal-keramiek, kunststof-kunststof, kunststof-textiel combinaties, etcetera) kunnen ultrasoon worden gelast Explosielassen Bij dit proces wordt de gewenste verbinding tot stand gebracht door gebruik te maken van een zich snel voortplantende schokgolf. Ter illustratie zijn in figuur 2.13 twee manieren aangegeven waarop het proces kan worden toegepast wanneer bijvoorbeeld twee platen met elkaar moeten worden verbonden. De platen worden parallel of onder een kleine hoek ten opzichte van elkaar opgesteld. Door de zich voortplantende schokgolf worden van de metaaloppervlakken ten gevolge van 'jetwerking' dunne laagjes afgestroopt en deze oppervlakken worden vervolgens

86 84 Lastechnologie met een snelheid gelijk aan de snelheid van de zich voortplantende detonatie tegen elkaar gedrukt. Evenals bij de twee voorgaande lasprocessen treedt bij explosie lassen geen smelten op, maar wordt een vaste stof verbinding gevormd door direct atomair contact als gevolg van plastische deformatie. a ontsteking springstof II~::::::~ springstof b ~metaal2 metaal 1 Figuur Explosielassen van twee platen a) parallel; b) platen onder kleine hoek. Kenmerkend voor explosielassen is de gegolfde structuur van het grensvlak (zie figuur 2.14). Explosielassen wordt onder meer toegepast voor het plateren van metl:llen delen, v,oor het aan elkaar lassen van pijpen en voor het maken van pijp-plaat verbindingen. Figuur Gegolfde structuur van het grensvlak bij explosielassen Laser lassen Eigenschappen van de laser.. _.,.. - l!!-j het laser lassei!. wordt gebruik gemaakt van c!e.!as~r als warmtebron. ~-----_... ~. ~~r (afkorting van: 'light amplification by stimulated ernission of radiation') is een monochromatische, coherente lichtbundel van grote intensiteit, die in. een vaste stj?f~'!_ ~~l!..k.as (het lasermedium) k~n worden gegenereerd door ve~hi!yj!!lqf bestraling. De hoge intensiteit ontst"ää't,--doordat de bundel door middel van

87 ... ~ _ ~H..,- - Andere lasprocessen 85 spiegels gedwongen wordt heen en weer te lopen door het lasermedium. De bihrdejvef1aär1ïëf medium via een gedeeltelijk doorlatende spiegel. Door de laser~_<i_~g: ~c:us~_~~!lkan.een p~er hoge vermogensdic.htheid worden verkregen (> 10 kw/mm 2 ), hetgeen plaatselijk smelten van materialen (en dus la~mog~li.i!_maakt r " H((t principe van de laser is gebaseerd op het verschijnsel van de populatie-inversie ~ _._--.-.._ _..... _.... va~ energieniveaus in atomen/moleculen en zal hier verder onbesproken blijven. V èf;-ezen wordt ;;;;;h,ïfidbóeken op het gebied van de fysische optica.. Lasers kunnen, afhankelijk van het lasermedium, worden ingedeeld in twee groepen: de vaste-stof lasers en de gas lasers. Bij de vaste-stof laser bestaat het lasermedium uit een vaste-stof matrix (meestal glas, A1203 of Y AG), waarin een actief element (bijvoorbeeld Cr of een element uit de groep der zeldzame aarden) is ingebed. Het meest toegepast is de Nd-Y AG laser. De vaste-stof laser heeft meestal de vorm van een cylindrische staaf en activering vindt plaats door intensieve bestraling met licht. Aan beide zijden van de staaf bevindt zich een spiegel, waarvan er één gedeeltelijk doorlaatbaar is. De situatie is schematisch weergegeven in figuur 2.15a. De golflengte van de vaste-stof laser wordt bepaald door het actieve element. De Nd-Y AG laser heeft bijvoorbeeld een golflengte van 1,06 /lm. Verder is het elektrische rendement van de orde van lichtbron a matrix + actief element spiegel (100% refl.) spiegel (95% refl.) b Û J -'- - I I gas I -'- - L Figuur Schematische voorstelling van (a) de vaste stof laser en (b) de gas laser.

88 ~:.. 86 Lastechnologie enkele procenten (hetgeen koeling noodzakelijk maakt), terwijl het vermogen enkele honderden watts bedraagt (maximaal 400 W).In het geval van de gas laser bestaat het lasermedium uit een actief gas. Activering vindt plaats door middel van een glim-ontlading. In figuur 2.15b is de gas laser schematisch weergegeven. De meest toegepaste gas laser is de C02 laser. Het lasermedium bestaat in dit geval uit C02, waaraan ter verbetering van de energie-overdracht N 2 en He zijn toegevoegd. De golflengte van de C02 laser is 10,6 /lm en het elektrisch rendement ligt tussen 10 en 15%. De noodzakelijke koeling wordt gerealiseerd door convectie, dat wil zeggen door circulatie van het lasergas via een koelsysteem. Het gas stroomt daarbij óf evenwijdig aan de laserbundel óf dwars daarop. Het vermogen van de C02 laser kan worden vergroot door het effectief verlengen van de interne laserbundel. Dit gebeurt in de praktijk meestal door het opvouwen van de bundel met behulp van spiegels. Aldus kan een vermogen tot ongeveer 20 kw worden verkregen. Voor- en nadelen van het laser lassen Ee,? belangrijk voo:?~:!-~an _~~.!!a~~r:. _!~~ _2~._m~geliikheid door mic!~~.!.~an optische hulpmiddelei!jlerg~~piegels, fibers) ~~nd~ te manipule~~~ (f~usseren, richten, s~n). Hierdoor is een snel~en nauwkeuri~~lçillj~_l!.~~e van de w~ebron mogelijk ~t la~~.~~!!1~~~:~~j~_~~i:ljq.lti~t.is~r~n_.~~ te robotiseren.._ _ In ~met ~e h<2.s.e. ~.Qg~!.l~~~d V~I! _Q.tU~È~.1!~e.!_ ~~. g_e_ warmteinbreng bij het laser l~~~n _,_-_... in het algemeen relatief klein. Dit maakt het laser lassen ~--..._....~ een snel en efficiënt proces. &nbi}kotru;nd r---= voordeel 'van de geringe warmte-inbreng is een smalle war_r:!1.!~- ~---_..._ """"" ~ , _..-. beïnvloede zone ~l!j~!ilûdw.ei.nig ~~!P..P~ Ten opzichte van het elektronenbundellassen heeft het laser lassen als voordeel, dat geen vacuüm vereist is en dat tijdens het lassen geen röntgenstraling wordt geproduceerd. Tegenover de genoemde voordelen van het laser lassen staan als belangrijkste nadelen de hoge investeringskosten en de persoonlijke risico's, die werken met een laser met zich meebrengt. Specifieke problemen ( Eén van de problemen die bij het laser lassen kunnen optreden, is de reflectie van het laserlicht door het metaaloppervlak. Deze reflectie is bij de meestal toegepaste golflengten aanzienlijk en resulteert in vermindering van de door het werkstuk geabsorbeerde energie) In het geval van een (laag vermogen) CO 2 laser wordt bij

89 Andere lasprocessen 87 het lassen van roestvast staal bijvoorbeeld ongeveer 40% van de laserenergie geabsorbeerd, bij het lassen van koper en aluminium ongeveer 1 %. De absorptie is in het geval van de Nd-Y AG laser in het algemeen groter, maar de reflectie kan toch nog aanzienlijk zijn. In ~et algemeen..gcldt.-jiat~.eab.s.om~i.~q~~~~!llt m~t tqenemend_bljnq.f;lyef!!!.()gen. Er treedt een abrupte toeneming van de absorptie op bij een bepaalde kritische waarde van het bundel vermogen. Wanneer de sleutelgat-methode (zie paragraaf 1.7, plasma lassen) wordt toegepast, is de absorptie relatief groot als gevolg van meervoudige reflectie in het sleutelgat (cumulatief effect). Naast reflectie kan bij het laser lassen nog een ander negatief verschijnsel een rol spelen:~ij groot bundel vermogen kan ionisatie van de metaaldamp optreden. Dit leidt tot een zogenaamde plasma-wolk boven het werkstuk, die het vermogen van de laserbundel sterk verlaagt. Het verschijnsel kan worden tegengegaan door het veiwijderen van de plasma-wolk door middel van een gasstroom. Veelal wordt voor dat doel argon of helium gebruikt, dat dan tevens als gasbescherming dienst kan doen) Toepassingen Bij het laser lassen wordt gebruik gemaakt van een systeem, zoals schematisch is weergegeven in figuur Het proces wordt met succes toegepast bij onder andere ongelegeerd staal, roestvast staal en titaan. Het laser lassen van aluminium is onder bepaalde omstandigheden ook mogelijk, maar kan soms problematisch laserbron laserbundel lens werkstuk Figuur Schematische weergave van een laser lass vs teem.

90 88 Lastechnologie zijn in verband met de sterke reflectie van de laserbundel. Het laser lassen van koper is in verband met het laatste in het geheel niet mogelijk.bij het toepassen van laser lassen moet onderscheid worden gemaakt tussen lage energie toepassingen en hoge energie toepassingen. Voor lage energie toepassingen wordt vrijwel uitsluitend gebruik gemaakt van de vaste-stof laser (meestal de Nd-Y AG laser). Het lassen kan pulserend en continu worden uitgevoerd. Het voordeel van het pulserend lassen ten opzichte van het continu lassen is, dat een hoger smeltrendement wordt bereikt. Met pulserend lassen kunnen puntlassen worden verkregen. Door het laten overlappen van puntlassen kunnen echter ook lasnaden worden geproduceerd. De meest voorkomende lage energie toepassingen zijn: - puntlassen van dun materiaal; - lassen van dunne plaat (pulserend of continu); - verbinden van micro-elektronische componenten. Voor hoge energie toepassingen wordt de gas laser (meestal de CO 2 laser) gebruikt, die tot een vermogen van 20 kw beschikbaar is. In de meeste gevallen wordt de sleutelgat-methode toegepast, waarbij een las met een grote dieptelbreedte verhouding wordt verkregen. De penetratiediepte van de las hangt af van het vermogen van de laser en van de voortloopsnelheid. Het verband tussen deze drie grootheden is weergegeven in figuur De figuur geldt voor staal, nikkel (legeringen) en titaan(legeringen). Uit de figuur blijkt dat eenzijdig laser lassen van deze materialen mogelijk is tot een dikte van ongeveer 20 mmo Bij grotere dikte is tweezijdig lassen noodzakelijk Elektronenbundel lassen Het principe van elektronenbundel lassen is weergegeven in figuur De warmtebron bij dit proces is de elektronenstroom, die door een elektronenkanon wordt geproduceerd en door een stelsel van elektro-magnetische lenzen tot een elektronenbundel van hoge energiedichtheid wordt gefocusseerd. De lasverbinding wordt bij dit proces gerealiseerd door de elektronenbundel langs de lasnaad te bewegen (of andersom). Een groot voordeel van elektronen bundel lassen is de grote indringdiepte van de bundel waardoor nauwe en diepe lassen kunnen worden verkregen. Ook kan de sleutelgat-methode worden toegepast (zie paragraaf 1.7, plasma-lassen). Een ander aantrekkelijk aspect van elektronenbundel lassen is de relatief kleine warmte-inbreng die vereist is, resulterend in een smalle warmte-beïnvloede zone en weinig krimp en vervorming.

91 Andere lasprocessen <f) ---E E 100 ~ Cl).t: ~ c: <f) 40 a. 0 t 0 0 > penetratiediepte (mm) Figuur Het verband tussen penetratiediepte en voortloopsnelheid voor verschillende waarden van het laservermogen. -r=-t, f ~"hod' ~y~ wehneltcilinder anode elektronenstraal elektromagnetisch lenzensysteem -,_I... w_e_r_k_st_u_k_---ii- 1:0... Figuur Het principe van elektronenbundellassen. Een nadeel is, dat in (partieel) vacuüm moet worden gelast. De laatste jaren zijn echter machines ontwikkeld, waarmee ook bij atmosferische druk lassen mogelijk is. In het laatste geval zijn echter zeer hoge versnellende spanningen vereist (groter

92 90 Lastechnologie dan 275 kv) en is de afstand tussen het elektronenkanon en het werkstuk beperkt tot enkele centimeters. Verbetering van het laatste is mogelijk door in plaats van lucht, helium te gebruiken als beschermgas (veel minder absorptie). Elektronenbundel lassen kan worden gebruikt bij vrijwel alle metalen. Ook het lassen van ongelijksoortige metalen is mogelijk Diffusielassen Diffusielassen is een las proces waarbij geen smelten plaatsvindt, maar waarbij de verbinding tot stand komt door middel van vaste stof diffusie. Essentieel daarbij zijn een relatief hoge temperatuur en het aanbrengen van druk op de te verbinden delen. Bij het verbinden van gelijksoortige materialen is een temperatuur van ongeveer 0,7 T s (smelttemperatuur in graden Kelvin) vereist. In het geval van ongelijksoortige materialen wordt het laagst smeltende materiaal als uitgangspunt genomen. De maximale druk wordt bepaald door de eis, dat de plastische vervorming beperkt moet blijven tot enkele procenten. Het lasproces kan, afhankelijk van de aard van de te verbinden materialen, plaatsvinden in vacuüm of in een inerte gasatmosfeer. Diffusie is een fysisch verschijnsel waarbij atomen van een stof zich, in hun streven naar verlaging van de vrije energie, verplaatsen van een gebied waar ze zich in een hoge concentratie bevinden naar een gebied met een lagere concentratie. In het geval van diffusielassen vindt diffusie plaats van het ene materiaal over het grensvlak heen naar het andere materiaal en omgekeerd. De diffusie kan worden beschreven met de tweede wet van Fick (2.7) waarin c de concentratie van diffunderende atomen voorstelt, t de tijd en x de afstand waarover diffusie plaatsvindt en D de diffusiecoëfficiënt. De diffusiecoëfficiënt is temperatuurafhankelijk en kan worden geschreven als D = Do exp (- ~) (2.8) met Do een constante, Q de activeringsenergie voor diffusie en k de Boltzmann constante. Voor de indring diepte d, de gemiddelde afstand waarover de atomen diffunderen, geldt

93 Andere lasprocessen 91 d -..Jfi (2.9) Tijdens het lassen kunnen verschillende stadia worden onderscheiden, die elkaar uiteraard gedeeltelijk overlappen (zie figuur 2.19). In het eerste stadium ontstaat door middel van plastische deformatie en kruip over een groot deel van het oppervlak een hecht contact tussen beide materialen. De situatie is schematisch weergegeven in figuur 2.19b: de verbinding bestaat uit min of meer rechte korrelgrenzen, afgewisseld door holtes. a c Figuur Verschillende stadia bij het diffusie/assen. d In het tweede stadium speelt korrelgrensdiffusie de belangrijkste rol. Hierdoor zal het volume van de holtes worden verkleind, terwijl een deel van de holtes zelfs zal verdwijnen. Daarnaast zullen de korrelgrenzen naar hun evenwichtsposities verschuiven, waardoor de overgebleven holtes grotendeels binnen de korrels komen te liggen (zie figuur 2.l9c). In het derde stadium zullen de overgebleven holtes door volumediffusie worden geëlimineerd en zal een situatie ontstaan, waarin het oorspronkelijke grensvlak niet of nauwelijks meer te herkennen is (zie figuur 2.19d). Uiteraard speelt tijdens het lasproces ook de oppervlaktegesteldheid van de te verbinden materialen een rol. In de meeste gevallen zal, ook na zorgvuldig reinigen, een contaminerende laag (vaak een oxydelaag) op het oppervlak achterblijven. Tijdens het lassen zal deze laag worden verbroken, waarna een gedeelte ervan het materiaal in zal diffunderen, terwijl de rest in de vorm van deeltjes (in het gunstigste geval bolvormige deeltjes) op het grensvlak zal achterblijven. Bij diffusielassen wordt soms gebruik gemaakt van een tussenlaag. Een dergelijke laag kan dienen om de diffusie van bepaalde elementen te verhinderen, of om een betere (micro) deformatie te bereiken. Ook kan een tussenlaag gewenst zijn om verschillen in uitzettingscoëfficiënt tussen de te verbinden materialen op te vangen. Diffusielassen kan worden toegepast bij een groot aantal metaal-metaal combinaties

94 92 Lastechnologie (zowel gelijksoortige als ongelijksoortige). Ook het diffusielassen van keramiek aan metaal is in principe mogelijk. Opgaven '1! Welk probleem kan optreden bij het puntlassen van twee metalen platen van I gelijke samenstelling en ongelijke dikte en hoe kan dit probleem worden voorkomen? 2.2. Welk probleem kan optreden bij het puntlassen van twee metalen platen van gelijke dikte en ongelijke samenstelling en hoe kan dit probleem worden voorkomen? 2.3. Schets het temperatuurverloop langs de as van de autogene (acetyleen) vlam en geef aan welke chemische reacties in deze vlam een rol spelen a) Geef aan de hand van een schets een korte beschrijving van het laserlassen. ( ; ). (; b) Welke voordelen heeft laserlassen t.o.v. booglassen? c) Welke problemen kunnen zich bij het laserlassen voordoen en hoe kunnen deze problemen worden opgelost? d) Geef d.m.v. een schets het verband aan tussen voortloopsnelheid, penetratiediepte en laservermogen Geef de belangrijkste kenmerken van elk van de in dit hoofdstuk beschreven lasprocessen. Literatuur Andrews, D.R. (Ed.), Soldering, brazing, welding and adhesives, The Institution of Production Engineers, London, Davies, A.C., The science and practice of welding, 8th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, Gourd, L.M., Principles ofwelding Technology, Edward Arnold Publishers Ltd., London, Houldcroft, P.T., Welding Process Technology, Cambridge University Press, Cambridge, Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 6: Welding brazing and soldering, American Society for Metals, Cleveland, Welding Handbook, 8th Edition, Vol. 2: Welding processes, American Welding Society, Miami, 1991.

95 3 Solderen Inleiding Bij het solderen wordt toevoegmateriaal (soldeer) gesmolten dat vervolgens onder invloed van capillaire werking in de soldeernaad vloeit. De opeenvolgende stadia zijn schematisch weergegeven in figuur 3.1. a b c Figuur 3.1. Opeenvolgende stadia bij het solderen. "------_.-- - In tegenstelling tot lassen worc!!.qil~olderen het ba~illmateri,aalniet gesmolten. De -._~_._...,-,._,.., _.,. - ver~nding wordt in de re~-ë:~:~~se.~ ~d doorc!~t,het s9id~e.r Illet het basismateriaal een legering vormt, mt<.t.ander\!_yloor.d.en.er _yiq<:i1.d.iff!.t~it!_ p1.~~ xan het soldeer in het basis.!dateriaal _enl.qiq..l!l.g~k~~rd. _-- Enkele voorbeelden van soldeerverbindingen worden gegeven in figuur 3.2. a b /' I ( tj ~ L l :J I ) ( d Figuur 3.2. Enkele voorbeelden van een soldeerverbinding. De voor het solderen benodigde warmte kan op verschillende manieren worden verkregen. In de meeste gevallen wordt gebruik gemaakt van de soldeerbout of de verwarmingsvlam; voor serie- en massaproduktie is ovenverhitting geschikt of kan de dompelmethode worden toegepast, waarbij het te solderen werkstuk in een bad met vloeibare soldeer wordt gedompeld.

96 94 Lastechnologie Bij het solderen speelt een aantal factoren een belangrijke rol, waaronder de oppervlaktegesteldheid van het te solderen materiaal, de bevochtigingseigenschappen van het soldeer en de vloeibaarheid van het soldeer. Deze factoren zullen allereerst kort worden besproken. Vervolgens komen aan de orde de twee varianten van het soldeerproces (zachtsolderen en hardsolderen). Tenslotte zal enige aandacht worden besteed aan de sterkte van de soldeerverbinding Oppervlaktegesteldheid Voor het maken van een goede soldeerverbinding is het noodzakelijk dat de te verbinden oppervlakken goed worden schoongemaakt. Voor het schoonmaken en schoonhouden kan gebruik worden gemaakt van een vloeimiddel (flux), van een reducerende gasatmosfeer of van vacuüm. Sommige soldeertypen hebben een min of meer zelfreinigende werking door de aanwezigheid van elementen die een grotere affiniteit tot zuurstof hebben dan het basismateriaal. Voor een goede werking is het noodzakelijk dat de gevormde oxyden een smeltpunt hebben dat lager ligt dan de soldeertemperatuur. Voorbeelden van toevoegingen aan soldeer om zelfreinigende werking te bewerkstelligen zijn: lithium in zilversoldeer, fosfor in kopersoldeer en borium in nikkelsoldeer Bevochtigingseigenschappen van soldeer Bij het solderen is het van groot belang dat het soldeer goed en gelijkmatig uitvloeit over de te solderen oppervlakken. In hoeverre uitvloeiing (bevochtiging) en daarmee direct samenhangende capillaire werking optreedt, hangt af van de oppervlaktespanningen van de diverse grensvlakken. Wanneer een druppel soldeer op een schoon materiaaloppervlak wordt gebracht bij een bepaalde temperatuur, zal de rand van de druppel een bepaalde hoek e vormen met het oppervlak (zie figuur 3.3). Deze contacthoek is karakteristiek voor de gekozen materiaausoldeer combinatie. Bij verwaarlozing van de zwaartekracht geldt het volgende evenwicht: 'Ys = 'YLS + 'YL cos e (3.1) Figuur 3.3. De contacthoek 9.

97 Solderen 95 waarbij Ys de oppervlaktespanning voorstelt aan het grensvlak materiaal-omgevingsatmosfeer, YLS de oppervlaktespanning aan het grensvlak materiaal-soldeer en 'YL de oppervlaktespanning aan het grensvlak soldeer-omgevingsatmosfeer. Bij e = 00 wordt het oppervlak volledig bevochtigd (de druppel vloeit geheel uit), bij e = zal in het geheel geen bevochtiging optreden, terwijl bij tussenliggende waarden gedeeltelijke bevochtiging optreedt (zie figuur 3.4). --= o Figuur 3.4. Bevochtiging bij verschillende waarden van e. e tussen 0 en Een kleine waarde van de hoek 8 wordt verkregen door een combinatie van kleine 'YL en 'YLs en grote 'Ys. Dit is meestal het geval, zodat bevochtiging eerder regel dan uitzondering is. Als criterium voor goede bevochtiging wordt rp..,.ç~.t~""'&~llqmen: ~ _._ ~, 0i~ 'Y,:~"~i;'J.. (3.2) Er blijkt een indirect verband te bestaan tussen de waarde van rls en het wel of niet oplossen van het soldeermetaal in het moedermateriaal enlof het wel of niet vormen van intermetallische verbindingen tussen soldeer en moedermateriaal. Naarmate de neiging om op te lossen groter is, blijkt de waarde van rls (en dus ook van 8) geringer te zijn. Goed uitvloeien zal dus steeds gepaard gaan met onderling oplossen. Ook de vorming van intermetallische verbindingen werkt in dezelfde zin De vloeibaarheid van soldeer De soldeereigenschappen worden mede bepaald door de vloeibaarheid van het soldeer. Onder vloeibaarheid wordt verstaan het omgekeerde van de viscositeit. Bepalend voor de vloeibaarheid is of het soldeer een smeltpunt of een smelttraject heeft. Soldeersoorten met een smeltpunt (zuivere metalen en eutectische legeringen) vloeien vrij gemakkelijk uit. In het algemeen zijn deze soldeertypen wegens hun dunvloeibaarheid in het bijzonder geschikt voor zeer nauwe soldeervoegen (0,05 mm). Soldeermetalen met een groot smelttraject zijn dikvloeibaar (breiachtig) bij een soldeertemperatuur die tussen de solidus- en liquidustemperatuur ligt. Deze soldeersoorten kunnen tamelijk grote soldeervoegen (0,3 mm) overbruggen. Ten gevolge van de aanwezigheid van een vloeibare fase over een groot temperatuur-

98 I 96 Lastechnologie gebied is tijdens de afkoeling de kans op scheuren in de soldeerverbinding bij soldeersoorten met een smelttraject groter dan bij die met een smeltpunt Zachtsolderen en hardsolderen Tot voor kort waren slechts de soldeermetalen op Sn-Pb-basis, op Ag-basis en op Cu-Zn-basis algemeen bekend. De ontwikkeling van nieuwe constructiemetalen, zoals titaan, zirkoon en molybdeen, voor onder andere het gebruik in straal- en raketmotoren en in de kernreactorbouw, heeft geleid tot de toepassing van een aantal nieuwe soldeersoorten. Men onderscheidt zachtsolderen en hardsolderen (brazing); deze indeling is vrij willekeurig en wordt bepaald door de verwerkingstemperatuur: zachtsolderen: verwerkingstemperatuur < 450 C; hardsolderen: verwerkingstemperatuur > 450 oe. Bij het zachtsolderen wordt altijd gebruik gemaakt van een flux, terwijl bij het hardsolderen ook gebruik kan worden gemaakt van een reducerende gasatmosfeer of vacuüm. Zachtsolderen De meest toegepaste typen zachtsoldeer zijn de typen op Sn-Pb-basis. Hiermee kunnen de meeste metalen worden verbonden. Het gedrag van de verschillende Sn-Pb-soldeertypen kan met behulp van het tin-iood-toestandsdiagram (figuur 3.5) T (OCI 350 t 300 ~ \... ~ L... ~ V \ a / L+a t-... \ / a+p L+,d o o Pb -%Sn Sn Figuur 3.5. Het tin-iood-toestandsdiagram.

99 Solderen 97 worden begrepen. Soldeer met de eutectische samenstelling (37% Pb + 63% Sn) heeft een smeltpunt van 183 C, is dun vloeibaar en heeft de beste soldeereigenschappen. Door een deel van het tin door lood te vervangen ontstaan goedkopere soldeersoorten, zoals de typen met 60% Pb + 40% Sn en 70% Pb + 30% Sn. Het eutectische soldeer wordt toegepast in de elektrotechniek en in de levensmiddelenen auto-industrie. Voor loodgieterswerk is een dik vloeibaar soldeer beter geschikt, bijvoorbeeld het type met 70% Pb + 30% Sn dat een smelttraject heeft van 183 C tot 260 0c. Naast soldeer op Sn-Pb-basis worden bij het zachtsolderen nog vele andere typen toegepast. Een aantal daarvan is vermeld in tabel 3.1. Tabel Overzicht van enkele zachtsoldeersoorten. Indien een smeltpunt is aangegeven, is de legering eutectisch. Hardsolderen Basis Voorbeeld Smeltpunt/-traject (OC) Sn-Sb 95 Sn-5 Sb Sn-Pb-Sb 20 Sn-79 Pb-1 Sb Sn-58 Pb-2 Sb Sn-Ag 96,5 Sn-3,5 Ag 220 Sn -Zn 91 Sn-9 Zn Sn-20 Zn Pb-Ag(-Sn) 97,5 Pb-2,5 Ag ,5 Pb-1,5 Ag-1 Sn 310 Cd-Ag 95 Cd-5 Ag Cd-Zn 82,5 Cd-17,5 Zn 265 Zn-AI 95 Sn-5 AI 380 In-Sn 50 In-50 Sn De belangrijkste typen hardsoldeer zijn de typen op Ag-Cu-basis. Deze kunnen worden toegepast voor de meeste ijzerlegeringen en niet-ijzer metalen, met uitzondering van aluminium en magnesium. In gesmolten toestand zijn deze typen dun vloeibaar; de aanbevolen soldeervoeg bij gebruik van een flux is 0,05-0,15 mmo In het algemeen wordt bij soldeer op Agbasis een flux gebruikt; de soorten zonder zink of cadmium kunnen zonder flux worden verwerkt in vacuüm of in een inerte of reducerende gasatmosfeer. Zonder flux kan de soldeervoeg nauwer zijn dan 0,05 mmo Het zilver-kopersoldeer met de eutectische samenstelling (72% Ag + 28% Cu) heeft een smeltpunt van 780 C; het wordt vaak gebruikt voor verbindingen die vacuümdicht moeten zijn. Hoewel dit

100 98 Lastechnologie soldeer dun vloeibaar is, bevochtigt het de ijzerlegeringen onder normale omstandigheden niet goed, maar in droge waterstofatmosfeer of in vacuüm is de bevochtiging voldoende. Voorbeelden van enkele soldeersoorten op Ag-Cu-basis zijn vermeld in tabel 3.2. Naast hardsoldeertypen op Ag-Cu-basis komen nog zeer veel andere typen voor; de bekendste hiervan zijn de typen op Au-basis, op Nibasis en op Al-Si-basis. Voor een gedetailleerde beschrijving wordt verwezen naar de literatuur. Tabel 3.2. Voorbeelden van enkele soldeersoorten op Ag-Cu-basis. Werktemperatuur (OC) Chemische samenstelling (gewichtsprocenten) Ag Cu Cd Zn De sterkte van de soldeerverbinding De sterkte van de soldeerverbinding hangt niet alleen af van de eigenschappen van het basismateriaal en het soldeer, maar ook van de dikte van de soldeerlaag. Dit is geïllustreerd in figuur 3.6, waarin de treksterkte Rm van de soldeerverbinding is gegeven als functie van de relatieve dikte d/d van de soldeerlaag. ~rqte dikte z~lde..s.terkt~ van de verbinding worden bepaald door de ster~t~l"an het soldt?er in ) een éénas!is.;~~qp1~gst~èstaillr.birverkfëinfng vä.nëïê dikte zatde s~i~gst~nd geleidelijk m~~~~~'~!~'"worden (de dwarscolîtiièiië-krijgnteeds minder -,'_..., # - ~ -~~_ _--.. ~. _. _k. '~, ~.. ---"~.-.. ~. -~ ~ - -'. -..K_. t o t ~-= d/o Figuur 3.6. De sterkte van de soldeerverbinding als functie van. de relatieve dikte.

101 - ~~ Solderen 99 kans), waardoor de sterkte zal toenemen. Bij zeer kleine dikte neemt de sterkte weer af~cii~li:iïäatsen kunnen voorkomen --die-niet g()ed zijn verbonden (soldeêrd~i~cten). Opgaven 3.1. Noem enkele voordelen en enkele nadelen van solderen ten opzichte van het lassen Van een metaal/soldeer combinatie is gegeven: ALS (opp.sp. metaal/soldeer) = 1,2 N/m AL (opp.sp. soldeer/lucht) = 0,6 N/m AS (opp. sp. metaal/lucht) = 0,8 Nim Is hier sprake van een geschikt soldeer? Licht uw antwoord toe Schets en verklaar het verband tussen treksterkte en dikte van een soldeerverbinding. Literatuur Andrews, D.R. (Ed.), Soldering, brazing, we/ding and adhesives, The Institution of Production Engineers, London, Klein Wassink, R.J., Soldering in e/ectronics, Electrochemical Publications Ltd, Ayr, Meta/s Handbook, 9th Edition, Vol. 6: We/ding, brazing and soldering, American Society for Metals, Cleveland, Welding Handbook, 8th Edition, Vol. 2: We/ding processes, American Welding Society, 1991.

102 100 4 Thermisch snijden van metalen 4.1. Inleiding Het thermisch snijden van metalen neemt in de metaalverwerkende industrie een zeer belangrijke plaats in. Het wordt onder andere op grote schaal toegepast bij de voorbewerking van metalen werkstukken die moeten worden gelast. De meest toegepaste thermische snijtechnieken zijn: - autogeen snijden, - boogsnijden, en - laser snijden Autogeen snijden Het principe van autogeen snijden berust op het oxyderen van het te snijden metaal in een krachtige zuurstofstroom, gevolgd door het wegblazen van het gevormde (vloeibare) oxyde. Om de oxydatie op gang te brengen moet het metaal eerst boven de zogenaamde ontstekingstemperatuur gebracht worden met behulp van een voorwarmvlam. Eenmaal op gang gebracht, zal de oxydatiereactie vanzelf blijven verlopen, aangezien bij de reactie een relatief grote hoeveelheid warmte vrijkomt. Toch wordt meestal de voorwarmvlam gehandhaafd om ongewenste afkoeling van het oppervlak te compenseren en roest en vuil te smelten of te verwijderen. Tot voor kort werd algemeen aangenomen dat bij het autogeen snijden geen smelten van het metaal plaatsvindt. Deze zienswijze is echter niet geheel juist: het blijkt dat grenzend aan het oxyde een dunne laag metaal tot smelten wordt gebracht (zie figuur 4.1). Vanuit deze laag diffunderen metaal atomen via de oxydelaag naar het vrije oppervlak van het oxyde, om daar te worden geoxydeerd. Het is dan ook niet verwonderlijk dat zich in het weggeblazen oxyde een relatief grote hoeveelheid niet geoxydeerd metaal bevindt. Voor het autogeen snijden wordt een snijbrander gebruikt die schematisch is afgebeeld in figuur 4.2. De snijbrander is voorzien van een gaskanaal en een zuurstofkanaal voor het voorverhitten van het metaal en van een afzonderlijk kanaal voor de snijzuurstof. Als gas wordt meestal acetyleen, soms ook propaan, waterstof of aardgas gebruikt.

103 Thermisch snijden van metalen 101 gestold metaal gesmolten metaal oxydelaag i snijrichting r=.=====:::~:::~~~~~~snijzuurstof moedermateriaal Figuur 4: 1. Het autogene snijproces (bovenaanzicht). Er zijn half- en volautomatische snijmachines ontwikkeld, soms voorzien van meer dan één brander. Met deze machines is het mogelijk de onderdelen van een te lassen constructie direct op maat te snijden volgens een mal of een tekening. Naast de met foto-elektrische cel bestuurde machines worden tegenwoordig vooral numeriek bestuurde machines toegepast. dicht snijzuurstofafsluiter Figuur 4.2. Snijbrander gebruikt bij het autogeen snijden. zuurstof o acetyleen Kenmerkend voor het autogeen snijden is de scheve snede (figuur 4.3). Dit verschijnsel houdt verband met het feit dat naar beneden toe steeds minder zuurstof voor oxydatie beschikbaar is, terwijl bovendien onder invloed van de gasstroming en de zwaartekracht de dikte van de oxydelaag naar beneden toe zal toenemen. Autogeen snijden wordt hoofdzakelijk gebruikt voor het bewerken van ongele-

104 102 Lastechnologie... ~ snijrichting mondstuk snijbrander moedermateriaal sn ijzuurstof oxydelaag Figuur 4.3. Het autogene snijproces (zij-aanzicht). Let op de scheve snede. geerd en laaggelegeerd staal. Deze staalsoorten hebben een ontstekingstemperatuur in de buurt van c. De oxydatiereacties zijn: Fe +toz ~ FeO kj (4.1) (4.2) 2Fe + t Oz ~ Fez kj (4.3) Toevoegen van legeringselementen zal in het algemeen de oxydatie van ijzer bemoeilijken. Dit is met name het geval voor legeringselementen als chroom, nikkel en aluminium waarvan de oxyden een relatief hoog smeltpunt hebben (hoger dan het smeltpunt van ijzer). Deze oxyden kunnen (vooral in vaste vorm) een afsluitende laag vormen die verdere oxydatie van ijzer onmogelijk maakt. Gelegeerd staal (inclusief roestvast staal) is dan ook moeilijk of in het geheel niet autogeen te snijden. Om soortgelijke redenen komen ook de meeste andere metalen (uitgezonderd titaan en molybdeen) niet voor autogeen snijden in aanmerking. Om autogeen snijden van bovengenoemde moeilijk snijdbare metalen en legeringen toch mogelijk te maken kan tijdens het snijden metaalpoeder, flux of kwartszand aan de zuurstofstraal worden toegevoegd. Doel van deze toevoegingen is de afsluitende oxydehuid thermisch, chemisch of mechanisch te breken. Ook onder water kan autogeen snijden worden toegepast. Rondom de tip van de snijbrander

105 Thermisch snijden van metalen 103 wordt lucht geblazen, zodat het snijden in een luchtbel plaatsvindt. Acetyleen kan slechts gebruikt worden tot een diepte van ongeveer 10 m, omdat bij een druk groter dan 200 kn/m 2 gevaar bestaat voor dissociatie. In plaats van acetyleen kan voor grotere diepte waterstof worden gebruikt. Naast autogeen snijden is ook autogeen gutsen mogelijk. Met deze werkwijze kan bijvoorbeeld een groef worden gemaakt voor een tegenlas of kunnen lasdefecten worden verwijderd Boogsnijden Bij het boogsnijden wordt het te snijden metaal door een elektrische boog gesmolten en wordt het gesmolten metaal door middel van een gasstroom weggeblazen. De meest toegepaste varianten zijn: - plasma snijden, - 'oxy-arc' snijden, en - 'air-arc' snijden. Plasma snijden Bij het plasma snijden wordt evenals bij het plasma-lassen (zie paragraaf 1.7) gebruik gemaakt van een hete, energiedichte plasmastraal. Soms wordt de plasmastraal nog extra vernauwd door middel van zijdelingse waterinjectie. Als plasmagas (snijgas) wordt, afhankelijk van het te snijden metaal, stikstof, waterstof, argon, mengsels daarvan of lucht gebruikt. Evenals bij het plasma-lassen kan gebruik worden gemaakt van een overdragende boog en een niet-overdragende boog. Bij het plasma snijden kunnen hoge snelheden worden bereikt. In het geval van austenitisch roestvast staal met een dikte van 6 mm en 18 mm bedraagt de snij snelheid respectievelijk 13 m/rnin en 2,5 m/rnin. Een nadeel van plasma snijden is dat onder bepaalde omstandigheden giftige dampen worden ontwikkeld, bijvoorbeeld nitreuze dampen wanneer stikstof als snijgas wordt gebruikt. Voorts wordt bij het plasma snijden zeer veel geluid geproduceerd. Om aan deze bezwaren tegemoet te komen wordt het proces tegenwoordig vaak onder water uitgevoerd. 'Oxy-arc' snijden Bij 'oxy-arc' snijden wordt gebruik gemaakt van een holle metalen elektrode. Tussen deze elektrode en het te snijden metaal wordt een boog ontstoken en het gesmolten metaal wordt door zuurstof, die via de holle elektrode wordt aangevoerd, weggeblazen. Naast de warmte van de boog wordt ook warmte geproduceerd door de exotherme zuurstof-metaal reacties. Dit is met name het geval bij het

106 1 04 Lastechnologie snijden van ongelegeerd en laaggelegeerd staal. 'Air-arc' Snijden Bij dit proces wordt een boog ontstoken tussen een verkoperde grafiet elektrode en het te snijden metaal. Het gesmolten metaal wordt met behulp van een geconcentreerde luchtstroom weggeblazen. Het 'air-arc' proces is ook zeer geschikt voor het gutsen van metalen, bijvoorbeeld voor het verwijderen van metaal ten behoeve van een tegenlas of voor het verwijderen van lasdefecten Laser snijden De laatste jaren wordt in toenemende mate gebruik gemaakt van laser snijden. Hierbij wordt het metaal gesmolten met de laserbundel (sleutelgat-methode, zie paragraaf 1.7, plasma-lassen) en wordt het gesmolten metaal vervolgens met behulp van een gasstroom weggeblazen. Ook niet-metalen (hout, keramiek, kunststoffen, textiel, etcetera) kunnen gemakkelijk met de laser worden gesneden. Opgave 4.1. Geef de belangrijkste kenmerken van elk van de in dit hoofdstuk beschreven snij processen. Literatuur Andrews, D.R. (Ed.), Soldering, brazing, welding and adhesives, The Institution of Production Engineers, London, Davies, A.C., The seienee ans praetiee of we/ding, 8th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, Gourd, L.M., Principles ofwelding Teehnology, Edward Amold Publishers Ltd, London, Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 6: Welding, brazing and soldering, American Society for Metals, Cleveland Welding Handbook, 8th Edition, Vol. 2: Welding proeesses, American Welding Society, Miami, 1991.

107 ... irü ;W...,! t r! 'WU.h"_'M' IM WH ' "'lih' M' H-::'N! "Ii'M ' ij ' Metaalkundige aspecten

108

109 5 Metaalkundige aspecten van het booglassen De temperatuurcyclus Bij het lassen doorloopt het metaal een temperatuurcyclus, waarbij het zeer snel wordt opgewarmd om daarna weer (wat langzamer) af te koelen. Tijdens deze temperatuurcyclus wordt een deel van het metaal (het lasmetaal) gesmolten, terwijl het ongesmolten metaal een maximale temperatuur bereikt die afhankelijk is van de plaats. De temperatuurcyclus die tijdens het lassen wordt doorlopen is van belang omdat de eigenschappen van het metaal er sterk door worden beïnvloed. Vooral de piektemperatuur (de maximale temperatuur die wordt bereikt) en de afkoel snelheid spelen een belangrijke rol. Als uitgangspunt voor een nadere beschouwing van de temperatuurcyclus tijdens het lassen wordt het eenvoudige geval van een stalen plaat genomen, waarop met behulp van het booglasproces een lasrups wordt aangebracht. De situatie is schematisch weergegeven in figuur 5.1. De temperatuur in de plaat is een functie van tijd en plaats en de temperatuurverdeling kan derhalve op verschillende manieren worden weergegeven. Ter illustratie wordt in figuur 5.2 de temperatuur gegeven als functie van tijd voor enkele plaatsen in de plaat, terwijl in figuur 5.3 de temperatuur wordt gegeven als functie van de x- en y-coördinaten op een Figuur Schematische voorstelling van het aanbrengen van een lasrups op een stalen plaat.

110 108 Lastechnologie 1800 Û L ~ 1600 ~ Q) a. E ~ 1400 <:D ( I tijd (5) Figuur 5.2. De temperatuur als functie van de tijd voor enkele plaatsen in de plaat (Ts is de smelttemperatuur). T 1 T x- o -y Figuur 5.3. De temperatuur als functie van de x- en v-coördinaten op een bepaald tijdstip.

111 Metaalkundige aspecten van het booglassen 109 bepaald tijdstip. Voorts zijn in figuur 5.4 isothermen in het oppervlak van de plaat en in een dwarsdoorsnede geschetst. De temperatuurverdeling in de plaat tijdens het lassen kan worden berekend met behulp van de wet van behoud van energie. Deze luidt voor het onderhavige geval: at pc at = V (k VT) - pcv VT + q (5.1) Voor de betekenis van de symbolen in deze en volgende vergelijkingen wordt verwezen naar tabel 5.1. Tabel Betekenis van de gebruikte symbolen. Symbool x, y, z R =...;'x-= ,y2=--+-z-=-2 r = -V y2 + Z2 t T(t,r) Ta T p k c p a = klep q Ka V I TIp v W = TlpVl/v d Betekenis coördinaten van de plaats afstand tot boog afstand tot hart van de las tijd temperatuur als functie van tijd en plaats begintemperatuur van de plaat piektemperatuur warmtegeleidingscoëfficiënt soortelijke warmte dichtheid temperatuurvereffeningscoëfficiënt geproduceerde warmte per volume-eenheid Bessel functie van de 2 e soort en de Oe orde boogspanning lasstroom procesrendement voortloopsnelheid warmte-inbreng plaatdikte In het geval van een meebewegend coördinatensysteem (de oorsprong beweegt mee met de boog) geldt dat at/at = 0 (stationaire toestand) en krijgt vergelijking (5.1) de vorm: at V (k VT) - pcv ax + q = 0 (5.2)

112 110 Lastechnologie oe Y X LOO I e z y Figuur 5.4. Isothermen in het oppervlak van de plaat en in een dwarsdoorsnede. Om het oplossen van deze vergelijking mogelijk te maken, worden de volgende vereenvoudigingen ingevoerd: - de warmtebron is puntvormig en heeft een oneindig hoge temperatuur; - de fysische eigenschappen van het metaal zijn onafhankelijk van de temperatuur; - er vindt geen warmte-uitwisseling plaats tussen plaat en omgeving; - de plaat is vlak en heeft zeer grote afmetingen; - er vindt geen smelten en stollen plaats. Met inachtneming van deze vereenvoudigingen kan vergelijking (5.2) nu voor het gebied buiten de warmtebron (q = 0) worden geschreven als: k a 2 T a 2 T a 2 T at pc (dx2 + ay2 + az2) - v ax = 0 (5.3) Vergelijking (5.3) kan nu opgelost worden voor het geval van twee-dimensionale warmtestroming (2-D) en voor het geval van drie-dimensionale warmtestroming (3-D). Deze twee gevallen zijn schematisch weergegeven in figuur 5.5. De oplossingen kunnen geschreven worden als: Wv (VR) (VX) 2-D: T-To=--Ko - exp - 21tkd 2a 2a 3-D: (V(R - X)) (5.4a) Wv T - T 0 = 21tkR exp - 2a (5.4b) Uit de twee voorgaande vergelijkingen kan nu de temperatuurcyclus, die een bepaald volume-element van het materiaal ondergaat, berekend worden. Bij benadering geldt:

113 Metaalkundige aspecten van het booglassen I = \,_/_'_~_--' Figuur 5.5. Schematische voorstelling van twee-dimensionale (2-0) en driedimensionale (3-0) warm tes trom ing. 2-D: w",/a (r 2 ) T(t, r) - To = 2dk 'I m exp - 4a.t 3-D: w (r 2 T(t, r) - To = 27tkt exp - 4a.t ) (5.5a) (5.5b) Een uitdrukking voor de piektemperatuur Tp(r) kan verkregen worden door de vergelijkingen (5.5a) en (5.5b) te differentiëren naar t en het differentiaalquotiënt gelijk te stellen aan nul. Er volgt dan: 2-D: 3-D: 2a.W Tp(r)-To=--2 7tekr (5.6a) (5.6b) Uit de vergelijkingen (5.6a) en (5.6b) blijkt, dat de piektempe~~ur met~roter wordende afstand tot de 1~.D!!~I~r.~I~)L!?}i~!:Ïe~~ime!!.~!?E_~~e war~.~~~!!!ieg (evenredig met 1/r 2 ), dan bij twee-!iensionale warmtestromi~g- '(ë;enredig met 1/r). Als gevolg hierva;i zal de warmte-~i~-;d~ < ~onë~l~;!:g~y~ly.~i1 <~!!Jlj.~e pl~~maiiêr'iijn ~ in het gev~~_~~3~'!! _ Q_I!!lE~ ii!~~ - --_. VoortS6IijktdätTn beide gevallen de piektemperatuur (en daarmee de breedte van de warmte-beïnvloede zone) evenredig toeneemt met de warmte-inbreng. Voor het verloop van de afkoelsnelheid dt/dt bestaan slechts voor het hart van de las (r = 0) eenvoudige formules; deze formules zijn echter bij benadering ook geldig voor de warmte-beïnvloede zone:

114 112 Lastechnologie 2-D: at dt = 2nk 2 d 2 (T - To)3 aw2 (5.7a) 3-D: d'r 2nk(T - T 0)2 W dt = (5.7b) Uit de vergelijkingen (5.7a) en (5.7b) blijkt dat de invloed van voorwarmen (To) op de afkoel snelheid aanzienlijk is, vooral in het geval van twee-dimensionale warmtestroming. Een belangrijke grootheid bij de beschrijving van de structuurveranderingen die bij het lassen van ongelegeerde en laaggelegeerde staalsoorten optreden, is de afkoeltijd LltS/5 tussen 800 C en 500 oe. Gebleken is dat deze tijd nagenoeg constant is voor die plaatsen van de warmte-beïnvloede zone die verhit geweest zijn boven 900 C. De waarden van LltS/5 zijn te berekenen uit de vergelijkingen (5.7a) en (5.7b) en kunnen worden geschreven als: 2-D: aw2 {( 1 )2 ( 1 )2} LltS/5 = 4nk2d To To 3-D: W {I I} LltS/5 = 2nk To To (5.8a) (5.8a) Onderscheid tussen situaties waarin sprake is van twee-dimensionale warmtestroming en situaties waarin sprake is van drie-dimensionale warmtestroming kan worden gemaakt door het invoeren van de zogenaamde kritische plaatdikte dkr. Deze kan worden verkregen door LltS/5 voor beide gevallen aan elkaar gelijk te stellen. Dit leidt dan tot: (5.9) Opgemerkt moet worden dat de hierboven gegeven formules in verband met de onderstellingen die zijn gedaan, slechts een benaderend karakter hebben. Voor praktijksituaties zijn ze echter in het algemeen goed bruikbaar. Wanneer een nauwkeuriger beschrijving van de temperatuurcyclus vereist is kan gebruik gemaakt worden van numerieke berekeningsmethoden (bijvoorbeeld de Eindige Elementen Methode).

115 Metaalkundige aspecten van het booglassen Het lasbad Tijdens het booglassen wordt onder invloed van de warmte van de boog een smeltbad (lasbad) gevormd. Het lasbad bestaat bij gebruik van een niet-afsmeltende elektrode uit gesmolten moedermateriaal (werkstukmateriaal) en bij gebruik van een afsmeltende elektrode uit een mengsel van gesmolten moedermateriaal en gesmolten elektrodemateriaal. De opmenging 0 is gedefinieerd als: o = gewicht ge~molten moedermate~aal x 100% totaal gewicht gesmolten maten aal (5.10) De waarde van 0 is verschillend voor de verschillende varianten van het booglasproces en hangt voorts af van de lasparameters. In het lasbad vinden verschillende fysische en chemische processen plaats. Vanwege de relatief korte 'levensduur' van het lasbad worden evenwichtssituaties echter meestal niet bereikt. De vorm en de afmetingen van het lasbad bepalen voor een belangrijk deel de structuur die bij het stollen ontstaat (zie paragraaf 5.5) en hangen in sterke mate af van de lasparameters. Vooral ~ la~j!:qq.~ L <!~QQQg p~ _~~ - snelheid spelen in dit opzicht een belangrijke rol. Algemeen geldt voor de invloed van de lasstroom, de boogspanning en de"yoortloopsnelheid het volgende. - Bij~en~~ende ~~~trooql _(intensiteit van de warmtebron) neemtge penetrati~diepte toe, ter~i.jl de lengte en breedte van het lasbad nauwelij~s veranderen (zie figuur 5.6a). - Bij ~.nemende l:>o~spanning (booglengte) nemen de lengte en breedte (oppervlak) van het lasbad toe, terwijl de penetratiediepte nauwelijks verandert (zie figuur 5.6b)~ - Bij toenemende voortloopsnelheid wordt het lasbad langgerekter (langer, smaller en ondieper): in bovenaanzicht gaat de vorm van het lasbad geleidelijk over van een cirkel (voortloopsnelheid 0) via een ellips naar een druppelvorm (zie figuur 5.6c). Ook stromingen kunnen de vorm en de afmetingen van het lasbad beïnvloeden. Het blijkt dat er globaal gesproken twee t~pen stro_ming~!l.ü:th~l!a_s_b.~d. _ k-u-rmen voorkomen (figuur 5.7): - eeiïll!.q!.~:!l_~~~u..~!~~_~e!:!~~~~_ ~~r.?_~e[~~~ A); - een naar beneden gerichte stroming (type B) H~t eerste type leidt tot een relatief breed en ~diep lasba9, het twee?e type tot een relatief nauw en.q!~q.1~~bad

116 , 114 Lastechnologie --- I a --- v b : j v c Figuur 5.6. Vormverandering van het lasbad bij a) toenemende lasstroom (dwarsdoorsnede), b) toenemende boogspanning (dwarsdoorsnede) en c) toenemende voortloopsnelheid (bovenaanzicht). A B bovenaanzicht DO vooraanzicht Figuur 5.7. Mogelijke stromingen in het lasbad: type A, radiaal naar buiten gericht; type B, naar beneden gericht. De optredende stromingen worden veroorzaakt door een combinatie van de volgende verschijnselen.

117 Uu... 'i'... ;", d, Metaalkundige aspecten van het booglassen (Elektromagnetische krachten. Elektromagnetische krachten kunnen in het lasbad optreden als gevolg van de divergentie van de elektrische stroom. Hierdoor ontstaan drukverschillen en deze resulteren in stroming (Lorentz stroming) van het type B. ) - ( Variatie in oppervlaktespanning. De oppervlaktetemperatuur van het lasbad zal in het algemeen maximaal zijn in het mtqçlen vanj!et lasbad (daar waar de boog aangrijpt) en _li.fnernen met toeneme!1~e afstand tot het midden. VQO!-.ZUivere metalen geldt als regel dat de ~,,-_._,._--...,_.~.. -~ _.. _,._- _.. -_._ oppervlaktespanning afneemt met toenemende tempèratuiïr:-mt [s-ääïïgegeven door fijri-ä-li-algu-urs]cals gevoighiervänzaferiilïlët lasbad een stroming (Marangoni stroming) ontstaan van het type A. ;.i t 1500 Figuur 5.8. De oppervlaktespanning als functie van de temperatuur voor een Ijzerlegering a) zonder en b) met oppervlakte-actieve elementen. ( Het blijkt dat in bepaalde gevallen (bijvoorbeeld in het geval van ijzerlegeringen waaraan oppervlakte-actieve elementen zoals zwavel, selenium en zuurstof zijn toegevoegd) de oppervlaktespanning toeneemt (in plaats van afneemt) met toenemende temperatuur (zie lijn b in figuur 5.8). In deze gevallen ontstaat Marangoni stroming van het type B. ) - Variatie in dichtheid. Het vloeibare metaal a!!d.a~d van het lasbad heeft in het algemeen de laagste temperatuur en als gevolg daarvan de grootste dichtheid. Hierdoor zal het vloeibare metaal de neiging hebben langs het stolfront naar beneden te zakken, hetgeen leidt tot stroming van het type A. - Plasmastroming. In de boog stroomt plasma van de elektrode in de richting van het lasbad (zie

118 116 Lastechnologie paragraaf 1.3). Dit plasma stroomt vervolgens in radiale richting langs h~t oppervlak van het lasbad en veroorzaakt in het lasbad stroming van het type A. - Impuls van druppels. Bij het booglassen met afsmeltende elektrode zal materiaaltransport plaatsvinden van de elektrode naar het lasbad in de vorm van druppels. De impuls die de druppels aan het lasbad overdragen zal in het algemeen resulteren in turbulente stroming. Van de bovengenoemde verschijnselen spelen bij het lassen met niet-afsmeltende elektrode de eerste twee verreweg de belangrijkste rol: bij lage stroomsterkte bepaalt Marangoni stroming het stromingsbeeld, boven een bepaalde stroomsterkte gaat Lorentz stroming overheersen. Aangenomen wordt dat bij het lassen met afsmeltende elektrode de impuls van de druppels het stromingsbeeld bepaalt. Wanneer Marangoni stroming overheerst moet rekening worden gehouden met omkering(en) van de stromingsrichting, veroorzaakt door variatie in de concentratie van oppervlakte-actieve elementen (zie boven). Als gevolg hiervan zullen ongewenste variaties in penetratiediepte (cast-to-cast variations) kunnen ontstaan, zoals schematisch is weergegeven in figuur 5.9. Deze variaties in penetratiediepte vormen een lastig probleem, vooral bij automatisch lassen waar de lasser niet kan corrigeren Slak-bad reacties Wanneer bij het lassen slak een rol speelt zullen in het algemeen slak-bad reacties optreden. Dit is het geval bij lassen met beklede elektroden, bij het MIG/MAGlassen met gevulde draad en bij het onder poeder lassen. De reacties treden op aan het grensvlak tussen vloeibare slak en vloeibaar metaal (druppel en lasbad) en zijn te vergelijken met de reacties die plaatsvinden bij de staalbereiding, zij het dat bij het lassen alles veel sneller en bij hogere temperatuur verloopt. Ter illustratie worden hieronder de slak-bad reacties gegeven die optreden bij het lassen van ongelegeerd staal in aanwezigheid van slak, bestaande uit FeO, MnO en Si0 2 In de reactievergelijkingen geven de haken om de reagerende stoffen aan of deze stoffen zich in het [bad] in de (slak) of in de {gasvormige toestand} bevinden. (FeO) ~ [Fe] + [0] (5.11) (MnO) ~ [Mn] + [0] (5.12)

119 Metaalkundige aspecten van het booglassen 117 o b Figuur 5.9. Invloed van de stromingsrichting van het vloeibare lasmetaal op de geometrie van het lasbad a) naar buiten gerichte stroming (lage zwavel/zuurstof concentratie, dy/dt < 0); b) naar binnen gerichte stroming (hoge zwavel/zuurstof concentratie, dy/dt > 0). (Si02) ~ [Si] + 2[0] (5.13) In het vloeibare staal bevindt zich echter ook koolstof dat met de zuurstof reageert volgens [C] + [0] ~ {COlt (5.14) De laatste reactie leidt tot ontkoling, terwijl er tevens CO-poreusheid kan ontstaan. Omdat [0] voor alle vier evenwichten dezelfde waarde moet hebben, volgt dat [Mn], [Si], [Cl, [0] en {CO} eenduidig bepaald worden door (FeO), (MnO) en (Si02). I I I I I 5.4. De opname van di-atomaire gassen Ondanks strenge voorzorgsmaatregelen (beschermgas, slak) kunnen tijdens het lassen di-atomaire gassen (zoals waterstof, stikstof en zuurstof) uit de omgeving in het lasmetaal worden opgenomen. Deze opname is ongewenst omdat de opgenomen gassen de mechanische eigenschappen van het metaal in het algemeen sterk beïnvloeden, meestal in ongunstige zin. Wanneer zich boven een metaaloppervlak een di-atomair gas G2 bevindt, zal aan,.,,., IJ I I I

120 Lastechnologie dat oppervlak de dissociatiereactie G2 ~ 2G (5.15) plaatsvinden. Een gedeelte van de atomen G zal in het metaal worden opgenomen. De concentratie van het atomaire gas dat onder evenwichtsomstandigheden in het metaal aanwezig blijft (de oplosbaarheid [GD wordt bepaald door de temperatuur en door de partiële druk POz van het moleculaire gas G2 in contact met het metaal. In figuur 5.10 is het verloop van [Gl bij een bepaalde waarde van PG2 schematisch weergegeven als functie van de temperatuur. [GJ t,---,,;, met boog ( \ I \ I I I,,; " vast vloeibaar T Figuur De oplosbaarheid van een di-atomair gas G 2 in een metaal als functie van de temperatuur. Ts = smeltpunt, Tk = kookpunt. Uit de figuur blijkt dat de oplosbaarheid - in het vaste metaal toeneemt met de temperatuur; - bij het smeltpunt sprongsgewijs verloopt; - in het vloeibare metaal eerst toeneemt met de temperatuur en bij het naderen van het kookpunt weer afneemt. Dit laatste houdt verband met het feit dat bij het naderen van het kookpunt de dampspanning van het metaal snel toeneemt, waardoor de waarde van POz effectief wordt verkleind. Het ~rband tussen PG2_eE-[G] wordt gegeven door de wet van Si~~~.!!.s..:'p.!ze luidt :. [G] = k"./poz (5.16) " tl : ).. ~_. waarin k een evenredigheidsconstante voorstelt, die van de temperatuur afhangt.

121 Metaalkundige aspecten van het booglassen 119 Bij hoge temperatuur gaat de dampdruk PM van het metaal een rol spelen en moet vergelijking (5.16) vervangen worden door In figuur 5.11 is het verband tussen [G] en P G 2 schematisch weergegeven. (5.17) [G)! ---1,,- vi PG 2 Figuur De oplosbaarheid van een di-atomair gas G 2 in een metaal als functie van de wortel uit de partiële druk PG 2' a) zonder en b) met correctie voor de dampdruk van het metaal. Uit experimenten blijkt dat onder condities van het booglassen (dat_~ilzeg&-ejlj]ij a~;;igh~~ad_ eei1j~ Q9g) a~~ri~~ïij k ';~~~-g~~ 'T~ ' h~~ y I~~~ ~re m_e~a~l. kan oplossen dan overeenkomt met d~ -;~t ~än Sie~eri: ~ (zie 'stippellijn-illfiguur 5.10). ( Dit -;ffect wordt waarschijnlijk ver~êiöo; de relatief hoge dissociatiegraad vanhet gas -äls gevolg van de hoge boogtemperatuur, waardoor de gasopname aan het metaaloppervlak: wordt vergemakkelijkt. '\ Het verloop van de gasconcentratie in het lasmetaal tijdens het lassen is schematisch weergegeven in figuur Uit deze figuur blijkt dat de gasopname uitsluitend plaatsvindt tijdens het verhitten van het vloeibare lasmetaal door de boog en dat een deel van het opgenomen gas weer verdwijnt bij afkoeling van het vloeibare lasmetaal (nadat de boog is gepasseerd) en bij het stollen. Ten gevolge van het feit dat bij het afkoelen en stollen geen evenwicht wordt bereikt, zal niet al het opgenomen gas kunnen ontwijken en zal een deel ervan in het gestolde lasmetaal achterblijven in de vorm van een oververzadigde oplossing. Daarnaast kunnen ook gasbellen worden ingevroren, waardoor poriën in de vaste fase ontstaan.

122 120 Lastechnologie IGJ I 4 smelten stollen.. t Figuur Schematische weergave van het verloop van de gasconcentratie in het lasmetaal tijdens het lassen. 1) Verhitting van het vaste metaal door de boog; 2) verhitting van het vloeibare metaal door de boog; 3) afkoeling van het vloeibare metaal in afwezigheid van de boog 4) verdere afkoeling van het gestolde metaal De structuur van de lasverbinding Wanneer de doorsnede van een lasverbinding nauwkeurig wordt bekeken blijkt dat er onderscheid gemaakt kan worden tussen verschillende gebieden, elk gekenmerkt door een eigen macro- en microstructuur. Deze gebieden kunnen met behulp van structuurgevoelige etsmiddelen zichtbaar worden gemaakt. In figuur 5.13 worden de verschillende gebieden schematisch weergegeven voor het geval van een enkelvoudige lasverbinding. warmte beïnvloede zone lasmetaal moedermateriaal ongemengde zone Figuur Schematische weergave van de structuur van een enkelvoudige lasverbinding.

123 Metaalkundige aspecten van het booglassen 121 Lasmetaa/ Onder lasmetaal wordt verstaan het metaal dat tijdens het lassen is gesmolten en vervolgens weer is gestold. Lasmetaal heeft dus de samenstelling van het moedermateriaal in het geval dat bij het lassen geen toevoegmateriaal is gebruikt en heeft een gemengde samenstelling in het geval dat wel toevoegmateriaal is gebruikt (zie vergelijking (5.7». Bij lasmetaal moet onderscheid worden gemaakt tussen de primaire, secundaire en tertiaire structuur. _ De primaire structuur is de structuur,.die dir~f!!1~het stolle.n ontstaat. Bij het.... stollen spelen in het algemeen kiemvorming en kiemgroei beide een rol. In het geval van lassen is kiemvorming echter van ondergeschikt belang aangezien er altijd sprake is van een ideaal bevochtigde vaste fase. DejJ.rip:1aire structuur is een gietstructuur, bestaande uit stengelvormige kristallen, die wordt gekenmerktdoor: - ~engröeirichting evenwijdig aan de richting van de maximale temperatuurgradiënt (maximale warmte-afvoer); - epitaxiale groei, dat wil zeggen de stengelvormige kristallen hebben dezelfde kristallografische oriëntatie als de kristallen waarop ze zijn geënt; - een voorkeur voor groei in de <100> richting, resulterend in textuur (competitieve groei). zijaanzicht vooraanzicht bovenaanzicht Figuur De primaire structuur in drie verschillende aanzichten.

124 122 Lastechnologie In figuur 5.14 wordt de primaire structuur schematisch weergegeven in drie verschillende aanzichten (zijaanzicht, vooraanzicht, bovenaanzicht). De invloed van de vorm van het lasbad (en dus van de voortloopsnelheid, zie paragraaf 5.2) op de primaire structuur wordt gei1lustreerd in figuur In deze figuur is~nmaire ~ructuur in bovenaanzicht weergegeven voor twee verschillencie;ituaties, namelijk -~~~~-~~~ -ëïtfpsvö~~ii - lasbä(r(r~lati~f -I;-g;-v~ortl~p snelheid) en voor een druppel vormig lasbad (relatief hoge voortloopsnelheid). Duidelijk blijkt, dat in het geval van' een' ellipsvormig lasbad een fijnere structuur en minder textuur ontstaat dan in het geval van een druppelvormig lasbaa~--- Figuur 5, 15, Bovenaanzicht van de structuur (a) bij een ellipsvormig lasbad en (b) een druppelvormig lasbad. Bij het lassen van legeringen zal er in het algemeen sprake zijn van een smelttrajectlstoltraject in plaats van een smeltpuntlstolpunt. Dit brengt met zich mee dat constitutionele onderkoeling kan optreden, met mogelijke gevolgen voor de primaire stol structuur. Dit zal aan de hand van figuur 5.16 worden verduidelijkt voor een legering, waarin een bepaald legeringselement met nominale concentratie Co is opgelost. Tijdens het lassen van deze legering zal het stolfront zich met een bepaalde (eenparige) snelheid verplaatsen, zoals in figuur 5.16a is aangegeven. Omdat de oplosbaarheid van het legeringselement in het vloeibare metaal groter is dan in het vaste metaal, zal er vlak vóór het stolfront een verrijking van het legeringselement optreden. Deze verrijking zal worden tegengegaan door diffusie van het legeringselement in het vloeibare metaal (aangenomen is dat vloeistofstroming langs het stol front te verwaarlozen is). Aldus ontstaat een stationaire toestand, waarbij de hoeveelheid legeringselement die per tijdseenheid bij de stolling door het vaste

125 Metaalkundige aspecten van het booglassen 123 a~~ --- ;%5 L % C b t , , I I I I I X T I I d T t T w t 1 I c -X Co _C Figuur Constitutionele onderkoeling. metaal aan het vloeibare metaal wordt afgegeven, gelijk is aan de hoeveelheid die per tijdseenheid door diffusie wordt afgevoerd. Het verloop van de concentratie van het legeringselement in stationaire toestand is schematisch weergegeven in figuur 5.16b. Het is duidelijk dat de verhoging van de concentratie van het legeringselement in het vloeibare metaal vlak vóór het stolfront gepaard moet gaan met een verlaging

126 124 Lastechn%gie van de liquidustemperatuur TL (vriespuntsverlaging). Het verloop van TL vóór het stolfront kan worden verkregen door het combineren van de concentratiegradiënt (figuur 5.16b) en het toestandsdiagram (figuur 5.16c). Het resultaat is weergegeven in figuur 5.16d. Zoals in figuur 5.16d te zien is, treedt constitutionele onderkoeling op wanneer de ware temperatuur T w lager is dan de liquidustemperatuur TL. Uit figuur 5.16d blijkt voorts, dat constitutionele onderkoeling wordt bevorderd door: - verhoging van de concentratiegradiënt in het vloeibare metaal vóór het stolfront, dat wil zeggen door verhoging van de stolsnelheid; - verlaging van de temperatuurgradiënt in het vloeibare metaal. Als gevolg van constitutionele onderkoeling kunnen binnen de primaire kristallen verschillende substructuren optreden. Een duidelijk onderscheid kan gemaakt worden tussen de vlakke, de cellulaire, de cellulair-dendritische en de dendritische substructuur. Deze substructuren zijn schematisch weergegeven in figuur Welke substructuur in een bepaalde situatie ontstaat hangt in het bijzonder af van de chemische samenstelling en van de stolsnelheid. De stolsnelheid wordt meestal uitgedrukt in de vorm van de stollingsparameter GIR, waarin G de temperatuurgra d.i~ntjelplaatse.. ~a.!1}l~l.s.~qlf[q1!l~_~~~yerp~atsingssnelhei<:l\la~~ voorstelt. De invloed van de chemische samenstelling en de stollingsparameter op de substructuur is schematisch weergegeven in figuur Opgemerkt moet worden dat G en R beide plaatsafhankelijk zijn. In het algemeen is G minimaal in het I a b c d Figuur De verschillende substructuren van /asmetaa/: aj vlak; bj cellulair; cj cellu/air-dendritisch; dj dendritisch. if Z I

127 Metaalkundige aspecten van het booglassen 125 Q; Cl> -0-0 c: ~ Cl>.c '" Ol '" C... Cl> Ol ~ dendritisch t vlak - stollingsparameter G/R Figuur Schematische voorstelling van de invloed van de chemische samenstelling en de stollingsparameter op de substructuur van lasmetaal. midden van de las terwijl R daar maximaal is. Meer specifiek geldt voor R (zie figuur 5.19): R = v cos e (5.18) waarin v de voortloopsnelheid voorstelt en e de hoek tussen de voortlooprichting en de stollingsrichting. I----v Figuur De verplaatsingssnelheid R van het stolfront als functie van de plaats op het stolfront. De secundaire structuur treedt op in metalen en legeringen die gekenmerkt worden door een fase-overgang. De secundaire structuur bestaat dus uit transformatieprodukten. Door markering van de grenzen van de oorspronkelijke primaire kristallen blijft de primaire structuur vaak wel herkenbaar. Ferritisch lasmetaal is

128 126 Lastechnologie een goed voorbeeld (zie figuur 6.3). De tertiaire structuur treedt op bij een meerlagenlas, waarbij de las uit een aantal lagen is opgebouwd. Tengevolge van het aanbrengen van elke laag zal de voorgaande een warmtebehandeling ondergaan, hetgeen tot rekristallisatie en korrelgroei leidt. De tertiaire structuur bestaat derhalve uit afgeronde korrels die grover zijn naarmate de temperatuur hoger is geweest. De ongemengde zone Deze zone is te beschouwen als de buitenste laag van het lasmetaal grenzend aan het ongesmolten moedermateriaal. De laag heeft een kenmerkende dikte van enkele millimeters. Het metaal is hier wel gesmolten geweest maar heeft zich niet gemengd met de rest van het lasbad. De ongemengde zone heeft dus de structuur van lasmetaal maar de chemische samenstelling van het moedermateriaal. Hoewel altijd aanwezig, is deze zone vooral goed detecteerbaar in die gevallen waarbij toevoegmateriaal en moedermateriaal significant van elkaar verschillen in chemische samenstelling. De gedeeltelijk gesmolten zone Zoals hiervoor reeds is opgemerkt, vertonen legeringen die gelast worden in het algemeen een smelttraject. Hierdoor vormt zich aan de rand van het lasbad een zone van gedeeltelijk gesmolten metaal, Dit is schematisch in bovenanzicht weergegeven in figuur De fractie vloeistof in deze zone varieert van 0% bij de stippellijn tot 100% aan de rand van het lasbad. Figuur Schematische weergave van de gedeeltelijk gesmolten zone. ri

129 Metaalkundige aspecten van het booglassen 127 De warmte-beïnvloede zone De warmte-beïnvloede zone van een las is gedefinieerd als het gedeelte van het moedermateriaal grenzend aan het lasrnetaal, dat niet gesmolten maar wel boven een bepaalde temperatuur verwarmd is geweest. Tengevolge van die verwarming zullen in de warmte-beïnvloede zone in het algemeen structuurveranderingen optreden. Welke structuurveranderingen plaatsvinden hangt af van het beschouwde metaal en de doorlopen temperatuurcyclus. Vooral de piektemperatuur en de afkoelsnelheid spelen een belangrijke rol. Voorbeelden van structuurveranderingen die in de warmte-beïnvloede zone kunnen optreden zijn: - Korrelgroei Dit verschijnsel treedt op bij alle metalen en legeringen en speelt een belangrijker rol naarmate de temperatuur hoger wordt. Grove korrels worden dus vooral langs de smeltlijn aangetroffen. - Vorming van een nieuwe fase Bij metalen en legeringen met een fase-overgang in de vaste toestand kunnen als gevolg van (te) snel afkoelen nieuwe fasen worden ingevroren. Het meest bekende voorbeeld is de vorming van martensiet bij het lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal. - Precipitatie Tijdens de temperatuurcyclus kunnen er in de warmte-beïnvloede zone precipitatieverschijnselen optreden. Een bekend voorbeeld is veroudering bij het lassen van ongelegeerd staal. - Oververoudering (over-ageing) In sommige metalen en legeringen zijn precipitaten aanwezig om de sterkte te verhogen (precipitatieharding). Bij het lassen van deze materialen kan oververoudering in de warmte-beïnvloede zone optreden, dat wil zeggen de grootte van de precipitaten neemt toe ten koste van het aantal. - Verdwijnen van de deformatiestructuur Bij non-ferro metalen wordt de sterkte soms opgevoerd door het metaal koud te vervormen. De geproduceerde deformatiestructuur zal echter boven een bepaalde temperatuur weer verdwijnen. - Lasbederf(weld decay) Dit verschijnsel kan optreden bij het lassen van bepaalde roestvaste staalsoorten en hangt samen met het ontstaan van chroom-arme zones langs de korrelgrenzen. Bovengenoemde voorbeelden zullen in volgende hoofdstukken uitvoeriger aan de orde komen.

130 128 Lastechnologie ( 5.6. Restspanningen Bij het lassen kunnen in en rondom de lasverbinding restspanningen ontstaan. De belangrijkste oorzaak van deze restspanningen is krimp van het lasmetaal na het stollen. Dezekrimp wordt door het omringende (koudere) metaal verhinderd en aldus ontstaat een spanningsverdeling, zoals schematisch is weergegeven in figuur 5.21 voor een enkelvoudige las. Uit de figuur blijkt, dat de longitudinale spanning O'L (de spanning evenwijdig aan de las) in de las zelf en op korte afstand daarvan een trekspanning is en op grotere afstand een drukspanning (voor evenwicht is vereist dat fo'l dy = 0). In de lengterichting (x-richting) neemt O'L naar de plaatranden aftot nul. a J \ ~ I I, x y - --~,--... y=o x - y L... Figuur De spanning evenwijdig aan de las (OL) en de spanning loodrecht op de las (0 D) als functie van de coördinaten x en v. De dwarsspanning O'D (de spanning loodrecht op de las) is een trekspanning, die afneemt bij toenemende afstand van de las en nul wordt aan de randen van de plaat. In de lengterichting (x-richting) gaat de dwarsspanning bij nadering van de plaatranden over van een ~ekspanning naar een drukspanning (voor evenwicht is vereist dat fo'd dx = 0). ) Het in figuur 5.21 geschetste spanningsverloop is slechts in eerste benadering juist. Een meer realistisch beeld wordt verkregen wa~neer ook rekening wordt a

131 Metaalkundige aspecten van het booglassen 129 gehouden met plastische deformatie, die zowel bij het opwarmen als bij het afkoelen optreedt. Voorts kunnen fase-overgangen en daarmee gepaard gaande volumeveranderingen een rol spelen bij de totstandkoming van restspanningen. Dit is bijvoorbeeld het geval bij staal. Restspanningen zijn in het algemeen zeer ongewenst. Zij kunnen aanleiding geven tot twee effecten: - achteruitgang van mechanische eigenschappen, bijvoorbeeld door het optreden van spanningscorrosie of vermoeiingsscheuren; - vormveranderingen. Beschouw, als voorbeeld van het laatste, twee platen die door middel van een V las met elkaar worden verbonden. Tengevolge van de aanwezige restspanningen zullen bij vrije oplegging van de platen de volgende vormveranderingen optreden (zie figuur 5.22): - plaatselijke verkorting in de lengterichting (a); - naar elkaar toetrekken van de platen in de dwarsrichting (a); - hol trekken in de lengterichting (b); - hol trekken in de dwarsrichting (b); - scharen, dat wil zeggen dichttrekken van de naad (bij kleine warmte-inbreng) en openen van de naad (bij grote warmte-inbreng) (c,d) a c.j baj --===~:._- Figuur Vormverandering veroorzaakt door restspanningen bij het lassen van twee platen (V-naad, vrije oplegging). d

132 130 Lastechnologie Factoren die de restspanningen (en de als gevolg daarvan optredende vormveranderingen) beïnvloeden, zijn onder andere: - De wijze van hechten De onjuiste en juiste procedure voor het hechten van twee platen voorafgaande aan het lassen is schematisch aangegeven in figuur a X X X t. 5 X X IonjU;" I 3 1 t. 1 5 C«ltltICC(qtll{~"''''''ntI4_mn<J'IV«It<UUI a onju ist b X ~E ~E 5 3 ~E ~E juist b 412, mt1lmil» pdl!1l1)li»)j('it<ir«(u4 ({rt",ccccq.,«,(uccc/ ~I--I---I~I j U is t Figuur Volgorde van hechten. Figuur Volgorde van lassen. - De lasvolgorde De onjuiste en juiste volgorde voor het lassen van twee platen (van grote lengte) is schematisch aangegeven in figuur De warmte-inbreng Algemeen geldt dat vergroting van de warmte-inbreng een vergroting van de restspanning teweegbrengt. - De lasopbouw Vergroten van het aantal lasrupsen per las doet de restspanning toenemen. Afkoeling van het materiaal na elke rups heeft een grotere restspanning tengevolge, dan wanneer achter elkaar wordt afgelast. N.B. Hoewel het lassen in meer lagen meestal gunstig is in verband met de structuur van het lasmetaal, is deze werkwijze met het oog op restspanningen dus ongunstig. - Voorwarmen Door voorwarmen wordt de temperatuurcyclus, die gepaard gaat met het lassen, enigszins afgevlakt. Dit leidt tot verlaging van het niveau van de restspanning. Ondanks alle genomen voorzorgsmaatregelen zullen er in het materiaal na het lassen altijd restspanningen aanwezig blijven. Deze kunnen in sommige gevallen een gevaar opleveren voor de constructie..!iet is van belang deze restspannin~_.~_~!i_n~i!j!!~l~n., _Voor dit doel..kan. gebruik ( wor~9-em~t Vllf.lY~rr>.ÇJ1!I~ende methodl'!~' \\iaarvan de belangrijkste. zijn: r - röntgendiffractie-technieken, waarbij lijn verbreding en lijnverschuiving worden ~ gemeten; --

133 Metaalkundige aspecten van het booglassen spanningsrelaxatie~_technieken.l~~.arbiia~ e!~~~i~çlle vervqrmingen worden gej.!leten na het wegnemen van een klein gedeelte van het materiaal "-"- " - H~t niveau van d~estspanning.j@l!l.l!_~~tj~~s~?:-y.2tqel!.ye.r!.~~~i:l~()r: - een warmtebehanqeling;. - een mechanische behandeling (hamer.en... triuen) ~~~ Lasdefecten --- Bij het booglassen kunnen in de lasverbinding verschillende lasdefecten ontstaan. De meest voorkomende zijn schematisch in figuur 5.25 afgebeeld. r:l a Q V 2 c d 0 'CL e b Figuur Lasdefecten: a) scheuren; b) poriën; c) insluitsels; d) bindingsfout; e) onvolkomen doorlassing en f) randinkarteling. - Scheuren Verreweg de meest gevreesde lasdefecten zijn scheuren. De vier belangrijkste scheurtypen (warmscheuren, koudscheuren, 'reheat cracks' en lamellaire scheuren) worden samen met de omstandigheden waaronder ze ontstaan, in het volgende hoofdstuk uitvoerig besproken. - Poriën Poriën zijn gasholten, die in het lasmetaal gevormd worden tijdens de stolling. De oorzaak van porievorming houdt direct verband met het verschil in oplosbaarheid van gassen in vloeibaar metaal en in vast metaal. Gassen lossen in het algemeen veel beter op in vloeibaar metaal, dan in vast metaal. Bij snelle stolling, zoals bij het lassen, kan daardoor een oververzadiging van het gas in het vaste metaal ontstaan, hetgeen tot porievorrning leidt. De poriën zijn meestal bolvormig, maar kunnen onder bepaalde omstandigheden ook langwerpig zijn

134 132 Lastechnologie ('worm holes'). - /nsluitsels Wanneer tijdens het lassen slakvorming een rol speelt (handlassen met beklede elektrode, MIGIMAG-Iassen met gevulde draad, onder poeder lassen) kunnen slakinsluitsels in het lasrnetaal gevormd worden. Slakbestanddelen zullen zich in verband met hun kleinere dichtheid meestal bovenop het metaal bevinden. Door de stromingen die bij het lassen in het vloeibare lasrnetaal optreden, zal echter een gedeelte van de slak in het inwendige van het smeltbad terecht kunnen komen. Deze slak kan. dan bij het stollen in de vorm van slakinsluitsels worden ingevroren. Bij het TIG-lassen kan door smelten of afbrokkelen van de elektrode wolfraam in het smeltbad terechtkomen. Bij het stollen blijft deze wolfraam in de vorm van wolfraaminsluitsels in het lasrnetaal achter. - Bindingsfouten Een bindingsfout ontstaat als gesmolten metaal in contact komt met metaal, dat ongesmolten is en door dat contact ook ongesmolten blijft. Een dergelijke situatie kan zich voordoen in het geval van een enkelvoudige las, maar ook in het geval van een meervoudige las (meerlagenlas). Het ontstaan van bindingsfouten wordt bevorderd door de aanwezigheid van oxydes of andere oppervlaktelagen. - Onvolkomen doorlassing Van een onvolkomen doorlassing is sprake als de penetratiediepte (de diepte van het smeltbad) kleiner is dan de diepte van de lasnaad. - Randinkarteling Een randinkarteling is een oneffenheid of discontinuïteit, die optreedt langs de grens tussen het lasrnetaal en de warmte-beïnvloede zone. De randinkarteling kan een vloeiend verloop hebben, maar in bepaalde gevallen ook kerfvormig en scherp zijn. Van de bovengenoemde lasdefecten kunnen de laatste vijf in 2rincipe worden voorkomer-dqq.r".eenj.ui~.~~,ke.~e van lasproces, laspr~~~~ lasna~yoorbewerking. Dit geldt niet of in minciere-itiàte'vûor Sëh;~ren, omdat het ont~taan hiervan voor een belangrijk deel wordt bepaald door de chemische samenstelling van het (te lassen) moedermateriaal en van het toevoegmateriaal. Lasdefecten hebben in het algemeen een ongunstige invloed op de mechanische eigenschappen van de lasverbinding. Het meest gevaarlijk zijn de vlakke lasdefecten en de ruimtelijke lasdefecten, die gekenmerkt worden door scherpe overgangen. Deze kunnen de breuksterkte en de vermoeiingssterkte drastisch verlagen.

135 Metaalkundige aspecten van het booglassen 133 De negatieve invloed van de afgeronde ruimtelijke lasdefecten beperkt zich in de meeste gevallen tot een verlaging van de statische mechanische eigenschappen, die evenredig is met de vermindering van het (effectieve) oppervlak van de doorsnede lasbaarheid De beïnvloeding van het materiaal door het lasproces wordt samengevat door het begrip lasbaarheid. Hiermee karakteriseert men de mogelijkheid om in het materiaal met een bepaald lasproces een voor een bepaald doel geschikte lasverbinding te maken. De mate van lasbaarheid hangt dus samen met de mate waarin voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen. Onderscheid wordt gemaakt tussen executieve, metallurgische en constructieve lasbaarheid. De executieve lasbaarheid heeft betrekking op de mogelijkheid een homogene metallische lasverbinding tot stand te brengen, waarin - macroscopisch gesproken - geen fouten of tekortkomingen aanwezig zijn. Onderzoek hiernaar zal gewenst zijn, als een nieuw materiaal moet worden gebruikt of als een nieuwe lasmethode wordt overwogen. Ook bij de keuring van constructiemateriaal of toevoegmateriaal kunnen proeven ten aanzien van de executieve lasbaarheid gewenst zijn. De metallurgische lasbaarheid heeft betrekking op de mate waarin de eigenschappen van de las en de warmte-beïnvloede zone overeenkomen met de eisen die worden gesteld in verband met de toepassing van de constructie (bijvoorbeeld mechanische eigenschappen, corrosievastheid). Bij het lassen van laaggelegeerd staal bijvoorbeeld zal de warmte-beïnvloede zone veelal een geringere taaiheid hebben dan het moedermateriaal. Bij het lassen van roestvast staal moet men bedacht zijn op een mogelijke teruggang van de bestendigheid tegen bepaalde corrosieve milieus in de omgeving van de las. Bij het lassen van sommige aluminiumlegeringen zal een zekere mate van sterkteverlaging in de warmte-beïnvloede zone onvennijdelijk zijn. In al deze gevallen zullen de procesomstandigheden en de materiaalsamenstelling binnen bepaalde grenzen moeten worden gekozen om ervan verzekerd te zijn, dat de eigenschappen van de lasverbinding aan de gestelde eisen voldoen. Het hangt van de bedrijfsomstandigheden van de constructie af welke eisen ten aanzien van eigenschappen als sterkte, taaiheid en corrosievastheid moeten worden gesteld. Naarmate deze eisen hoger zijn, zullen in het algemeen meer beperkingen aan materiaal en lasuitvoering moeten worden opgelegd. De constructieve lasbaarheid heeft betrekking op het vermogen van de constructie de spanningen die door het lassen en door de bedrijfsomstandigheden optreden, te doorstaan. Een onvoldoende constructieve lasbaarheid kan leiden tot het ontstaan

136 134 Lastechnologie van scheuren (bijvoorbeeld warmscheuren of koudscheuren), of tot het uitbreiden van reeds bestaande scheuren. In algemene termen kan de lasbaarheid worden gekarakteriseerd door de chemische samenstelling van het te lassen materiaal en het toevoegmateriaal. Dit heeft ertoe geleid dat aan het te lassen materiaal en het toevoegmateriaal met betrekking tot de chemische samenstelling zodanige eisen wordt gesteld, dat binnen zekere grenzen goede lasbaarheid kan worden verwacht. Helaas is het niet mogelijk, zelfs bij de meest gedetailleerde materiaalspecificaties, het resultaat van het lasproces voldoende nauwkeurig te voorspellen, zodat een zekere mate van spreiding onvermijdelijk is als op deze indirecte manier de lasbaarheid wordt omschreven. In bepaalde gevallen is het daarom wenselijk of zelfs noodzakelijk lasbaarheidsproeven te doen ook als het materiaal voor het overige aan de eisen voldoet. Een zeer algemene lasbaarheidsproef die vaak bij belangrijke constructies of constructiedelen wordt toegepast, is de zogenaamde procedure-proef (procedure test). Hierbij voert de fabrikant, onder toezicht van de afnemer, lasproeven uit, waarbij het personeel, de lasapparatuur en de materialen worden betrokken die voor de definitieve constructie zijn bestemd, uiteraard onder toepassing van de voorgenomen lasomstandigheden. Vervolgens wordt onderzocht of aan de gestelde eisen wordt voldaan. Naast de procedure-proef bestaan vele andere lasbaarheidsproeven. Deze hebben in de meeste gevallen betrekking op één van de specifieke aspecten van de lasbaarheid. Tot de lasbaarheidsproeven worden gerekend: de hardheidsmeting, de trekproef, de buigproef, de kerfslagproef, de CTOD (Crack Tip Opening Displacement) meting, vermoeiingsproeven, corrosieweerstandsproeven en een aantal scheurgevoeligheidsproeven, waarvan de varestraint-proef (warmscheuren) en de implant test (koudscheuren) de bekendste zijn. De verschillende lasbaarheidsproeven zullen hier niet worden besproken. Verwezen wordt naar de literatuur. Opgaven 5.1. a) Wat wordt verstaan onder de warmte-inbreng bij het booglassen? b) Op welke wijze hangt de afkoel snelheid in de warmte-beïnvloede zone af van de warmte-inbreng? Maak onderscheid tussen het twee-dimensionale geval (dunne plaat) en het drie-dimensionale geval (dikke plaat).

137 Metaalkundige aspecten van het booglassen Op welke wijze hangt de afkoel snelheid in de warmte-beïnvloede zone van, een las af: r a) de lasstroom; i b) de voortloopsnelheid; c) de voorwarmtemperatuur? Maak onderscheid tussen het twee-dimensionale geval (dunne plaat) en het drie-dimensionale geval (dikke plaat). C) 5.3. Onder welke omstandigheden (las- en materiaalparameters ) is er bij het booglassen sprake van twee-dimensionale warmtestroming en onder welke omstandigheden van drie-dimensionale warmtestroming? 5A, Hoe worden de vorm en de afmetingen van het lasbad beïnvloed door - de lasstroom; - de boogspanning; - de voortloopsnelheid? 5.5. a) Welke stromingen kunnen bij het booglassen in het las bad optreden? b) Wat is de oorzaak van deze stromingen? c) Hoe beïnvloeden deze stromingen de vorm van het lasbad? 5.6. Op welke wijze beïnvloeden oppervlakte-aktieve elementen, zoals zuurstof en zwavel, de vorm van de las bij het lassen van staal? Geef een verklaring voor deze beïnvloeding a) Schets de oplosbaarheid van stikstof in ijzer als functie van de temperatuur. fl! Y b) Hoe luidt de wet van Sieverts? c) Geldt de wet van Sieverts ook voor het booglassen? Licht Uw antwoord toe a) Wat wordt verstaan onder de primaire structuur van lasmetaal? b) Wat zijn de belangrijkste kenmerken van deze structuur? c) Hoe wordt de primaire structuur beïnvloed door de voortloopsnelheid? 5.9. Wat wordt verstaan onder de stollingsparameter en op welke wijze beïnvloedt deze parameter de (sub)structuur van het lasmetaal? Gegeven een rechte enkelvoudige las in een stalen plaat. a) Schets de spanning <JL evenwijdig aan de las en de spanning <JD loodrecht op de las als functie van de afstand tot de las.

138 136 Lastechnologie b) Verklaar het geschetste verloop. c) Op welke manieren kan de spanning worden gemeten? d) Op welke manieren kan het spanningsniveau in de plaat worden verlaagd? Gegeven een puntlas in het middelpunt van een ronde plaat. a) Schets de radiële spanning ar en de tangentiële spanning at als functie van de afstand r tot het midden van de las (middelpunt van de plaat). b) Verklaar het geschetste verloop Twee vlakke platen worden door middel van een V-las met elkaar verbonden. Geef aan de hand van een schets aan welke vormveranderingen er kunnen optreden bij vrije oplegging van de platen Noem en schets de belangrijkste lasdefecten die bij het booglassen kunnen optreden en geef aan hoe deze defecten zijn te voorkomen. Literatuur Davies, A.C., The scienee and praetiee of welding, 8th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, Easterling, K.E., Introduetion to the Physical Metallurgy of Welding, Butterworths & Co., London, Granjon, H., Fundamentals ofwelding Metallurgy, Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, Kou, S., Welding Metallurgy, John Wiley & Sons, New York, Lancaster, J.F., Metallurgy ofwelding, 4th Edition, George Allen & Unwin, London Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 6: Welding, brazing and soldering, American Society for Metals, Cleveland, Welding Handbook, 8th Edition, Vol. 1: Welding Teehnology, American Welding Society, Miami, 1987.

139 Toepassingen

140

141 6 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal On gelegeerd en laaggelegeerd staal - soorten en kenmerken In Euronorm wordt staal gedefinieerd als een ijzerlegering die geschikt is warm vervormd te worden. Met uitzondering van bepaalde staalsoorten met hoog chroomgehalte bedraagt het koolstofgehalte 2% of minder. Dit gehalte markeert de grens tussen staal enerzijds, ruwijzer en gietijzer anderzijds. Onderscheid kan worden gemaakt tussen ongelegeerd en gelegeerd staal. Onder ongelegeerd staal wordt verstaan elke staalsoort waarvan de gehalten van de aanwezige legeringselementen de in tabel 6.1 aangegeven grenswaarden niet overschrijden. Is dat voor één of meer van deze elementen wel het geval dan is er sprake van gelegeerd staal. Vaak wordt binnen de groep gelegeerde staalsoorten nog onderscheid gemaakt tussen laaggelegeerd staal (tot 5% legeringselementen), middelmatig gelegeerd staal (5-13% legeringselementen) en hooggelegeerd staal (meer dan 13% legeringselementen). De aanduiding van de verschillende staalsoorten is geregeld in Euronorm 27. In dit hoofdstuk zal het lassen van ongelegeerde en laaggelegeerde staalsoorten worden behandeld. Deze staalsoorten spelen als constructiemateriaal een dominerende rol. In de groep van ongelegeerde staalsoorten vindt men de bekende constructiestaalsoorten als Fe 360, Fe 410 en Fe 510. Tot de laaggelegeerde staalsoorten behoren onder meer: - de HSLA (High Strength Low AHoy) staalsoorten; - de geharde en ontlaten staalsoorten; - de staalsoorten voor lage temperatuur (Ni-staalsoorten); - de kruipvaste staalsoorten (Cr-Mo staalsoorten). Ongelegeerde en laaggelegeerde staalsoorten hebben een aantal gemeenschap- ' pelijke kenmerken. De belangrijkste hiervan zijn:

142 140 Lastechnologie - ferritische structuur (kubisch ruimtelijk gecentreerd kristalrooster) bij kamertemperatuur; - een ferriet-austeniet fase-overgang in het temperatuurgebied tussen 700 en 900 C; - sprongsgewijs verloop van de taaiheid als functie van de temperatuur (zie figuur 6.1); - ferromagnetisch gedrag beneden de Curietemperatuur ( C). Tabel Begrenzing van de legeringselementen in ongelegeerd staal (Euronorm 20-74). Legeringselement Aluminium 0,10 Grensgehalte in% Borium 0,0008 Chroom (1 ) 0,30 Kobalt 0,10 Koper (1 ) 0,40 Lood 0,40 Lanthaniden 0,05 Mangaan 1,60 Molybdeen (1 ) 0,08 Nikkel (1 ) 0,30 Niobium (2) 0,05 Seleen 0,10 Silicium 0,50 Titaan (2) 0,05 Vanadium (2) 0,10 Wolfraam 0,10 Zirkoon (2) 0,05 Overige (uitgezonderd C, P, S, N, 0) 0,05 (1) Wanneer twee of meer van deze elementen gezamenlijk voorkomen moet bovendien de som van de gehalten kleiner zijn dan 0,7 x de som van de grensgehalten voor de elementen afzonderlijk. (2) De onder (1) gegeven regel geldt ook voor deze elementen Lasprocessen en lasprocedures Ongelegeerde en laaggelegeerde staalsoorten kunnen in principe gelast worden met alle varianten van het booglasproces. Vooral lassen met beklede elektrode wordt op grote schaal toegepast. Voor het lassen van ongelegeerde en laaggelegeerde

143 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 141 staalsoorten is een groot scala aan elektroden wat betreft diameter en chemische samenstelling beschikbaar. De samenstelling en codering van beklede laselektroden zullen in de volgende paragraaf afzonderlijk worden besproken. Naast lassen met bekede elektrode wordt de laatste jaren het MIG/MAG-proces in toenemende mate toegepast voor het lassen van ongelegeerde en laaggelegeerde staalsoorten. Welk beschermgas in een bepaalde situatie moet worden gebruikt hangt af van de chemische samenstelling van het moedermateriaal en het toevoegmateriaal en daarnaast ook van de druppelovergang die bij het lassen wordt gewenst (globulaire overgang, sproei-overgang of kortsluitovergang; zie paragraaf 1.9). Voor on gelegeerd staal wordt meestal CO 2 gebruikt als beschermgas, voor laaggelegeerd staal meestal een mengsel van Ar en O 2 of van Ar en C austenitisch staal bros taai ferritisch staal temperatuur Figuur Kerfslagtaaiheid als functie van temperatuur voor ferritisch staal en austenitisch staal. Onder poeder lassen voor ongelegeerd en laaggelegeerd staal wordt vooral toegepast voor zwaardere constructies. De toepassing van het proces wordt echter beperkt door de omstandigheid dat alleen in het horizontale vlak kan worden gelast. Bij het lassen van ongelegeerde en laaggelegeerde staalsoorten moet rekening worden gehouden met de vorming van harde structuurbestanddelen in het lasmetaal en in de warmte-beïnvloede zone. Deze structuurbestanddelen kunnen in combinatie met andere factoren leiden tot het optreden van koudscheuren (zie paragraaf 6.5). De ~~~an~de stt:.!l_c!ul!rh.~~_t.~~dçl!!l~!lwo.rd.t..b.ü. ~~Jl - geg<:<ven,chemische samenstelling en geome!~ju~'yq[d.e_nt QQQL~(lli_ gjqte.-afkoelsnelhtä4:!?v-- vollning -van harde structuurbestanddelen kan dus worden_tegen- ~----..::::....._... ".~_u. _ _~._,~_._., _.."_' gegaan door het verkleiiïëiïvan-deafkoelsnelheid. Dit kan worden gerealiseerd -----_.. _ , ,. -"---~._._'- ----

144 142 Lastechnologie door het la~en met relatief grote warmte-inbreng, door voorwarmen en door het lassen in meèrdere!ag-en~jn-hetïä;rt;t~-g~v~- moët-de' zogenaamde interpass- ~ ~- temperatuur boven een bepaald minimum worden gehouden. Naast of in plaats van bovengenoemde maatregelen is het in sommige gevallen noodzakelijk om. ~~ _ lasverbinding achteraf een warmtebehandeling te geven. _, _w, ~'-- ' " '" '., ""_" " _ ~ "~.~'- ~.,. -. _-~..._._.....-'.. '" _~_. ' O" Beklede elektroden voor het lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal Samenstelling De samenstelling van kerndraad en bekleding van beklede elektrode wordt in hoofdzaak gekozen op grond van drie geheel verschillende aspecten, namelijk: a. de fabricagemogelijkheid en economische overwegingen; b. de gewenste samenst~lling van het lasmetaaj; c. de lasbaarheid, dat wil zeggen de executieve toepassingsmogelijkheden. ad a. Om de bekledingspasta rondom de kerndraad aan te brengen wordt vrijwel uitsluitend extruderen (persen) toegepast. Het 'dopen' is een verouderde methode. Om de pasta plastisch te maken worden gewoonlijk persmiddelen gebruikt. Bovendien wordt altijd waterglas toegevoegd, een?plossing van kalium- enlof natriumsilicaat in water, die ervoor zorgt dat na het drogen de bekleding voldoende sterkte heeft. Natronwaterglas is goedkoper dan kaliwaterglas. Het gebruik van kaliwaterglas is echter meestal noodzakelijk indien de elektrode met wisselstroom lasbaar moet zijn omdat anders doven van de boog optreedt. Het gunstige effect van kaliumverbindingen op de boogstabiliteit wordt toegeschreven aan de gemakkelijker ioniseerbaarheid van kalium in vergelijking met natrium. ad b. De samenstelling van de kemdraad wordt bij voorkeur zodanig gekozen, dat de draad geschikt is voor een groot aantal elektrodetypen en lasmetaajsamenstellingen. In de praktijk betekent dit dat in hoofdzaak ongelegeerd staal wordt gebruikt met circa 0,1 % C en 0,5% Mn. Ook laaggelegeerd lasmetaal kan uit deze draadsamenstelling worden verkregen door legeriogsbestanddelen aan de bekleding toe te voegen (bijvoorbeeld Mn, Cr, Mo, Ni, V). Deze methode van legeren is in hoofdzaak beperkt tot lasmetaal voor laaggelegeerd staal. Voor legeringen zoals bijvoorbeeld roestvast ~taal acht men het risico van een onjuiste lasmetaalsamenstelling bij bekledingsbeschadiging gewoonlijk te groot. Men gebruikt dan een kerndraad die nagenoeg de samenstelling van het neer te smelten lasmetaal heeft.

145 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 143 ad c. Ten aanzien van de samenstelling van het lasrnetaal streeft men in vele gevallen naar een zo goed mogelijke overeenkomst met het moedermateriaal, althans wat de hoofdbestanddelen betreft. Dit geldt in het bijzonder als de specifieke eigenschappen van het moedermateriaal door de toevoeging van bepaalde legeringselementen zijn verkregen. Dit is onder andere het geval bij Cr-Mo staalsoorten voor toepassing bij hoge temperatuur. Het percentage legeringsbestanddelen in het lasrnetaal is voor bepaalde elementen aan nauwere grenzen gebonden dan in het moedermateriaal. Zo moet bij ferritisch lasrnetaal (afkomstig van beklede elektroden) het koolstofgehalte tot maximaal ongeveer 0,12% worden beperkt om het optreden van warmscheuren te voorkomen. Elementen met een veel grotere affiniteit tot zuurstof dan ijzer kunnen slechts in beperkte mate aan het lasrnetaal worden toegevoegd, omdat de slak altijd een percentage FeO bevat waardoor deze elementen gedeeltelijk worden geoxydeerd. Het zuurstofgehalte van het las metaal is, zoals verderop wordt besproken, van belang voor de executieve toepassingsmogelijkheden. Daarom kan dit gehalte voor een bepaald elektrodetype niet ingrijpend worden gewijzigd. Dit zuurstofgehalte hangt direct samen met het FeO-gehalte van de slak. Doordat de. slak ook altijd vrij veel Si02 bevat, is ook het siliciumgehalte van het lasmetaal, via de evenwichtsreactie Si02 f:! Si + 20 binnen zekere grenzen door het elektrodetype bepaald. TC?~ ".y.~!?ij~in~. o'l.~!1, Q.q!.~~~?"~i"~. ~I1. ". 'Yarmsc:~~u~E~_~11 ~"ene"ens "" YOOr het ver~i~n vae optim~le rn~ç!:hlqischeeig~,!!sçl).appen,.is een laag gebalt~ aan ve~~~~i.l!!gii!g~t:l i.i}jletia.~metaal vereist. Tijdens het lassen vinden er, door de hoge temperatuur en het intensieve contact, reacties plaats tussen slak en,metaal. Dit betekent dat verontreinigingen en ontledingsprodukten van slakvormende stoffen gedeeltelijk in het lasrnetaal terecht kunnen komen, waardoor de keuze van bekledingsbestanddelen wordt beperkt. Zo komen sulfaten, fosfaten en vele andere verbindingen niet in aanmerking. De zogenaamde laseigenschappen van een elektrode worden voornamelijk bepaald door de invloed van één of enkele hoofdbestanddelen van de bekleding. De elektroden voor ongelegeerd en laaggelegeerd staal kunnen op grond van deze hoofdbestanddelen en de daarmee samenhangende eigenschappen in een aantal hoofdtypen worden ingedeeld. De in het volgende gebruikte indeling en symbolen zijn ontleend aan norm 2560 van de ISO (International Organization for Standardization).

146 144 Lastechnologie Het ijzeroxyde type, ISO aanduiding O. Het hoofdbestanddeel van de bekleding is ijzeroxyde (Fe304-magnetiet of Fe203- hematiet, beide ijzerertsen). De slak bevat eveneens veel ijzeroxyde (FeO); dit heeft een hoog zuurstofgehalte in de las ten gevolge (circa 0,2%). Zowel het mangaan als de koolstof verdwijnen daardoor grotendeels door oxydatie uit het las metaal waardoor dit zeer zacht is ('dead soft'). Tijdens de stolling komen de gassen waterstof en stikstof vrij, daarnaast echter bij dit type ook veel CO, tengevolge van de koolstofoxydatie: C + 0 ~ CO. Een zekere mate van gasontwikkeling behoeft niet tot poreusheid te leiden. Bij het oxyderende type is echter poreusheid moeilijk te vermijden door de sterke CO-ontwikkeling. Door het hoge zuurstofgehalte van de las zijn de kerfslageigenschappen zeer matig. Het enige voordeel van dit type is dat horizontale hoeklassen en overlaplassen een fijn getekend en goed aangevloeid (hol) uiterlijk hebben, hetgeen in het bijzonder bij het lassen van dun plaatwerk van voordeel is. Het goed aangevloeide lasuiterlijk wordt toegeschreven aan de lage oppervlaktespanning van het lasrnetaal, tengevolge van het hoge zuurstofgehalte, in combinatie met de lage viscositeit. Bij het lassen maakt het lasrnetaal de indruk bijzonder dunvloeibaar te zijn. Het is geheel ongeschikt om bijvoorbeeld een vooropening in een V-naad te overbruggen. Ook voor niethorizontale lassen is het type niet bruikbaar door deze eigenschap. Het ijzeroxyde type wordt door de grote gevoeligheid voor poreusheid weinig meer toegepast. Een O-type bekleding kan bijvoorbeeld als volgt zijn samengesteld: 68% hematiet, 9% kaolien, 11 % veldspaat, 5% dolomiet (Ca-Mg carbonaat), 7% kaliumsilicaat. Vochtgehalte circa 1%. Het zure type, ISO aanduiding A. Dit type, dat in Nederland ook wel 'ferrimantel-type' wordt genoemd, kan uit het O-type worden afgeleid door toevoeging van metallisch mangaan (meestal als ferromangaan) en Si02. Omdat mangaan een grotere affiniteit tot zuurstof heeft dan ijzer, wordt het door het aanwezige ijzeroxyde grotendeels geoxydeerd. In vergelijking met het ijzeroxydetype is het FeO-gehalte van de slak lager en daardoor ook het zuurstofgehalte van het lasrnetaal (circa 0,12%). Doordat in de slak veel MnO terechtkomt, blijft het mangaangehalte van het lasrnetaal circa 0,5%. Tengevolge van het lagere zuurstof- en het hogere mangaangehalte heeft het zure type betere kerfslageigenschappen dan het ijzeroxyde type. Ondanks het hoge Si02-gehalte van de slak is het siliciumgehalte van de las niet hoger dan 0,1 à 0,2% door het vrij hoge zuurstofgehalte van het lasrnetaal. De slak bestaat in hoofdzaak uit ijzer-mangaan silicaat en is door het hoge Si02-gehalte glasachtig. Tijdens de stolling van de las ontwikkelt deze, evenals het O-type, gassen.

147 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 145 Aangezien de glasachtige slak bij afkoeling een dikvloeibaar stadium doorloopt, blijven de zich ontwikkelende gassen hierin opgesloten. Het type is dan ook herkenbaar aan de slak, die na de stolling poreus en opgeblazen is. Daar het lasmetaal door het toch nog tamelijk hoge zuurstofgehalte vrij dunvloeibaar is, is het type niet bijzonder geschikt voor verticaal lassen of voor het overbruggen van openingen. Het wordt dan ook in hoofdzaak voor het vullen van horizontale lassen toegepast en voor hoeklassen. De naam 'zure type' vindt zijn oorsprong in de overeenkomst van de slaksamenstelling met die van de slak die gevormd wordt bij het zure Martin staalbereidingsproces. Voorbeeld van een bekledingssamenstelling: 20% magnetiet, 17% veldspaat, 13% kwarts, 6% kalkspaat (CaC0 3 ), 11 % asbest, 5% bentoniet (een kleisoort), 1 % mica, 13% ferromangaan (80%Mn, 7%C), 14% natriumsilicaat. Vochtgehalte circa 1%. Het middelmatig dik beklede rutieltype, ISO aanduiding R en het dik beklede rutieltype, ISO aanduiding RR. Een essentieel verschil van deze typen met de typen en A is, dat geen ijzeroxyde aan de bekleding is toegevoegd. Hoofdbestanddeel (25-50%) is het mineraal rutiel (Ti02) dat de bijzondere eigenschap heeft evenals FeO, een goed bevochtigende en het metaal daardoor afdekken de slak te vormen. Dit in tegenstelling tot de meeste andere oxyden zoals bijvoorbeeld CaO en A De slak bevat ongeveer 10% FeO (door verbranding van enig ijzer). Dit is veel lager dan bij de eerder besproken typen en het lasmetaal bevat daardoor ook minder zuurstof, gemiddeld ongeveer 0,06%. Hierdoor is het siliciumgehalte van het lasmetaal hoger dan bij het A-type, circa 0,5%. De ervaring heeft geleerd dat bekledingen waarvan rutiel een hoofdbestanddeel vormt een veel grotere variatie mogelijk maken in laseigenschappen dan bij de hiervóór besproken typen het geval is. Terwijl de 0- en de A-typen altijd door een dunvloeibaar of wel traagstollend lasmetaal gekenmerkt zijn, komen bij rutieltypen allerlei gradaties voor. De elektroden van het R-type zijn in het bijzonder gekenmerkt door een meer of minder traagstollend lasmetaal. Daardoor is de elektrode geschikt voor vertikaal opgaand en neergaand en boven het hoofd lassen. Het dikker beklede RR-type is hiervoor door de grotere hoeveelheid slak minder geschikt. Daarentegen geeft dit laatste het RR-type een beter uiterlijk (gladder en minder bol) in horizontale lassen. Veelal bevat de bekleding van de rutieltypen koolhydraten (bijvoorbeeld cellulose of houtmeel), het R-type tot 15%, het RR-type tot 5%. Deze koolhydraten ontleden tot CO + H2 in de boog en vormen gasbescherming. Ook draagt de

148 146 Lastechnologie gasstroom bij aan de inbranding. Met de rutieltypen zijn betere mechanische eigenschappen bereikbaar dan met het A-type. Dit geldt in het bijzonder voor het RR-type. Een R-type bekleding kan bijvoorbeeld als volgt zijn samengesteld: 45% rutiel, 5% dolomiet, 5% kalkspaat, 10% kwarts, 10% kaolien, 7% ferromangaan (80% Mn, 1 % C), 10% houtmeel, 5% kaliumsilicaat, 3% natriumsilicaat. Vochtgehalte circa 1 %. Voorbeeld van een RR-type bekleding: 50% rutiel, 12% krijt, 13% veldspaat, 5% kaolien, 10% ferromangaan (80% Mn, 1 % C), 2% houtmeel, 8% kaliumsilicaat. Vochtgehalte circa 1 %. Het rutiel-zure type, ISO-aanduiding AR. Dit type komt in zijn toepassingsmogelijkheden vrijwel met het A-type overeen. Kenmerkend is de aanwezigheid van ijzeroxyden en daarnaast tenminste een zelfde hoeveelheid Ti02. Behalve rutiel wordt ook ilmeniet (FeTi03) toegepast. De taaiheidseigenschappen van het lasrnetaal zijn in het algemeen wat beter dan van het A-type. Het basische type, ISO aanduiding B. Terwijl de tot nu besproken typen hun verdiensten in hoofdzaak ontlenen aan hun executieve toepassingsmogelijkheden, valt bij het basische type de nadruk op de kwaliteit van het lasrnetaal. De hoofdbestanddelen van de slak zijn vloeispaat, CaF2 (circa 25%) en CaO (circa 25%, gevormd uit CaC03 dat meestal wordt toegevoegd als kalkspaat of krijt). Het CaF2 is vooral van belang omdat het, naar experimenteel is gebleken, de toetreding van de gassen zuurstof, stikstof en waterstof tot het vloeibare lasrnetaal beperkt. Hierdoor wordt onder andere bereikt dat het stikstofgehalte van het lasmetaallager is dan bij de andere typen zoals uit tabel 6.2 blijkt. Een verschil met de andere typen is ook dat het lasrnetaal stolt zonder dat gelijktijdig gasontwikkeling optreedt. Tabel 6.2. Stikstofgehalte van het lasmetaal bij gebruik van verschillende typen beklede elektrode. Elektrodetype O-type A-type R-type B-type Stikstofgehalte lasmetaal ca. 0,06% ca. 0,035% ca. 0,025% ca. 0,01 %

149 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 147 De stolling van lasmetaal kan worden vergeleken met de stolling van staal in een gietblok: basisch lasmetaal gedraagt zich als gekalmeerd staal terwijl andere typen als ongekalmeerd staal stollen, dat wil zeggen onder voortdurende gasontwikkeling. Dat deze gasontwikkeling niet altijd poreusheid tot gevolg heeft wordt veroorzaakt door de omstandigheid dat de gevormde gasbellen kunnen ontsnappen vóórdat ze door het stollingsfront worden ingesloten. Doordat basische bekledingen slechts weinig gasvormend materiaal bevatten (in hoofdzaak CaC03 waaruit C02 ontstaat) moeten basische elektroden met een korte boog worden gelast omdat anders te veel stikstof via de boog in het lasmetaal terecht komt. Zelfs een geringe gasontwikkeling uit het stollende lasrnetaal die hiervan het gevolg kan zijn, kan poreusheid geven. De gasontwikkeling is dan namelijk zo traag dat de zich aan het stollingsfront vormende gas be liet jes worden ingesloten voordat ze voldoende groot zijn om zich los te kunnen maken. Dit wordt ook in de hand gewerkt doordat het basische lasrnetaal bijzonder dikvloeibaar is. Een teveel aan waterstof in het lasrnetaal van basische elektroden leidt op dezelfde wijze eveneens tot poreusheid. Daarom is het noodzakelijk basisch beklede elektroden tijdens het fabricageproces bij hogere temperatuur te drogen (te 'bakken' bij ongeveer 400 0c) dan voor andere typen noodzakelijk is (ongeveer 150 0c). Omdat elektrodebekledingen hygroscopisch zijn moeten, vooral bij basische elektroden, bijzondere voorzieningen worden getroffen om vochtopname tijdens opslag en gebruik te voorkomen. Overigens is bij veel toepassingen van basische elektroden een nog lager vochtgehalte in de bekleding noodzakelijk dan ter voorkoming van poreusheid nodig is. Dit is het geval bij het lassen van staalsoorten die in en naast de las hardingsstructuren vertonen waardoor in combinatie met waterstof koudscheuren kunnen optreden (zie paragraaf 6.5). Doordat alleen met basische elektroden een voldoende laag waterstofgehalte in het lasmetaal kan worden bereikt, komt uitsluitend dit type in aanmerking indien het gevaar van koudscheuren aanwezig is. Basische elektroden worden in verband met het voorgaande soms wel 'laag waterstof elektroden' genoemd. Een tweede voordeel van de basische elektrode bij het lassen van laaggelegeerde staalsoorten is dat door het lage FeO-gehalte van de slak het type zich het best leent voor het legeren van het lasrnetaal. Dit geldt in het bijzonder voor legeringselementen met een grotere affiniteit tot zuurstof dan ijzer, zoals mangaan en chroom. I ~ t 1_ "... -=_ijtjw I ii,i i.

150 =-== _~, ww: wa:::s± 148 Lastechnologie Een derde gunstige omstandigheid is dat het basische lasrnetaal door het lage zuurstof- en stikstofgehalte in het algemeen betere kerfslageigenschappen heeft dan dat van andere typen. Met het oog op gunstige kerfslageigenschappen dient het siliciumgehalte niet hoger te zijn dan circa 0,6%. Ondanks het lage zuurstofgehalte is dit bereikbaar doordat de Si02-activiteit van de slak relatief laag is door het hoge CaO gehalte (vorming van Ca-silicaat). De laseigenschappen van de basische elektroden worden in hoofdzaak bepaald door het dikvloeibare, snel stollende lasrnetaal en de dunvloeibare slak. Het lasmetaal smelt af in grove druppels, hetgeen aan de hoge oppervlaktespanning, tengevolge van het lage zuurstofgehalte, wordt toegeschreven. Dit veroorzaakt tevens een enigszins bolle las, die tamelijk grof van uiterlijk is. Voor een acceptabellasuiterlijk behoeft de gestolde slak het I as metaal niet geheel af te dekken zoals dat bij andere types vaak wel het geval is. Ook dit wordt toegeschreven aan de hoge oppervlaktespanning van het lasrnetaal. Het basische type is bijzonder geschikt voor niet-horizontale posities. De dunvloeibare slak maakt het echter in het algemeen minder goed mogelijk vertikaal neergaand te lassen. Het lassen met een basische elektrode vereist een grotere handvaardigheid van de lasser dan de overige typen door de grove druppel en de noodzaak een korte boog te handhaven. Bovendien dooft de basische elektrode gemakkelijker. Dit wordt toegeschreven aan de aanwezigheid van fluorionen in de boog. Daarom is ook het lassen met wisselstroom bij normale open spanningen van de lastransformator niet goed mogelijk. Om hierin verbetering te brengen wordt onder andere de toevoeging van bijzondere boogstabiliserende middelen aan de bekleding, zoals magnesiummetaal, toegepast. Een andere oplossing die soms wordt toegepast is de bekleding aan te brengen in twee lagen, waarvan de buitenste het CaF2 bevat. Hierdoor zouden minder fluorionen in de boog terecht komen. Een basische bekleding kan bijvoorbeeld de volgende samenstelling hebben: 35% CaC03, 25% CaF2, 4,5% Ti02, 4% talk, 4,5% bentoniet, 3% ferrosilicium (50% Si), 10% ferromangaan (80% Mn, 1 % C), 14% kaliumsilicaat. Vochtgehalte circa 0,4%. Het cellulose-type, ISO aanduiding C. De bekleding is dun en bevat gewoonlijk meer dan 25% cellulose en andere gasvormende organische stoffen. Door de krachtige gasstroom ontstaat een fel spuitende boog die een diepe inbranding ten gevolge heeft. Het lassen is gekenmerkt door een sproeiregen van fijne spatten. Eén van de klassieke toepassingen is het rondgaand lassen van olie- en gasleidingen. Door te lassen in dunne lagen wordt lasrnetaal met zeer goede mechanische eigenschappen verkregen. Om goede lassen te kunnen maken met dit type dient de lasser over

151 isw W:I' Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 149 speciale handvaardigheid te beschikken. Een voorbeeld van een bekledingssamenstelling is: 26% cellulose, 13% rutiel, 10% ilmeniet, 10% asbest, 3% CaC0 3, 5% Si0 2, 3% talk, 2% bentoniet, 12% ferromangaan (80% mangaan, 8% C), 3% ferrosilicium (50% Si), 13% natriumsilicaat. Vochtgehalte 3-6%. Overige bekleding stypen, ISO aanduiding S. Het symbool S wordt gebruikt voor de aanduiding van elektrodetypen met bekledingen die niet overeenkomen met één van de genoemde typen 0, A, R, RR, AR, B ofc. Codering Beklede elektroden voor ongelegeerd en laaggelegeerd staal worden volgens ISO 2560 gecodeerd met een aanduiding voor de sterkte en taaiheidseigenschappen van het lasrnetaal bij een gestandaardiseerde methode van onderzoek. Deze methode houdt onder andere in het lassen met 4 mm elektroden in een wijde V -naad met onderlegstrip, waarbij de temperatuur van het proefstuk maximaal 250 C mag bedragen. Er worden twee treksterkteklassen onderscheiden, namelijk: - treksterkte N/mm 2 - symbool 43; - treksterkte N/mm 2 - symbool 51. Daarbinnen is er een indeling in zes groepen op grond van rek en Charpy V kerfslagwaarde. Deze indeling is in tabel 6.3 aangegeven. De aanduiding, beginnend met de letter E, wordt gevolgd door de letter voor het bekledingstype (zie samenstelling). Een voorbeeld van een codering van een elektrode is: E 432 R. Daarnaast is er de facultatieve mogelijkheid symbolen toe te voegen voor het elektroderendement, de lasposities waarvoor de elektrode geschikt is, de kenmerken van de toe te passen stroomsoort en tenslotte zo nodig een extra symbool voor het waterstofgehalte van het lasrnetaal. Onder het elektroderendement verstaat men de procentuele verhouding tussen het gewicht van het neergesmolten lasmetaal en dat van de verbruikte kemdraad. Door toevoeging van ijzerpoeder aan de bekleding (contactelektrode ) kan het rendement boven 100 % komen. De lasposities worden als volgt aangeduid: I: alle posities; 2: alle posities, behalve vertikaal neergaand; 3: horizontale stompe lassen en hoeklassen en horizontale lassen in het verticale vlak; 4: horizontale stompe lassen en hoeklassen;

152 150 Lastechnologie 5: als 3 en aanbevolen voor vertikaal neergaand. De kenmerken waaraan de stroombron moet voldoen worden in de codering tot uitdrukking gebracht door het cijfer aangegeven in tabel 6.4. Tabel 6.3. Indeling van beklede elektroden op grond van rek en Charpy V- kerfslagwaarde volgens ISO Elektrode Treksterkte Min. rek Temp. voor min. kerfaanduiding (N/mm 2 ) L = 5d (%) slagw. van 28 J (OC) E E E E E E E E E E E E Tabel 6.4. Aanduiding van de toe te passen stroombron voor het lassen met beklede elektroden volgens ISO Symbool Gelijkstroom Wisselstroom aanbevolen polariteit 0 + nominale open spanning 1 + of of of

153 IJ i li ill/ia, IIW_ bhl f 15_1111.,1 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 151 Tenslotte kan aan het eind van de codering het symbool (H) toegevoegd worden indien het maximale waterstofgehalte van het lasmetaal aan bepaalde voorwaarden voldoet. Een voorbeeld van een volledige codering van een beklede elektrode is: E 51 3 B (H), waarin de verschillende letters en cijfers betrekking hebben op: E: elektrode voor het booglassen; 51: treksterkte; 3: rek en kerfslagwaarde; B: bekledingstype; 160: elektroderendement; 2: lasposities; 0: te gebruiken stroombron; (H): waterstofgehalte in het lasmetaal. De ISO-methode voor elektrode-codering is in het voorgaande uitvoerig aan de orde gekomen omdat aangenomen mag worden dat deze methode steeds meer internationale toepassing zal vinden. Daarnaast zullen echter nog geruime tijd bestaande nationale normen (zoals NEN, DIN en AWS) in gebruik blijven, zeker zolang de ISO normen nog niet een zo volledig systeem van codering en keuring bevatten als sommige nationale normen. De nationale normen zullen hier echter onbesproken blijven De structuur van de lasverbinding Lasmetaal Bij het stollen van ongelegeerd en laaggelegeerd lasmetaal wordt e.~rst o-ferriet en bij. i?!s~~~~ê.ta.n.steruet ~y'ortllif.deäûstë'nttiscfïê-giets~~t~~~ -;ordt meestal als primaire structuur beschouwl-dezebesfa.at uit stengel vormige kristallen metèfgenschappên die reeds in het vorige hoofdstuk zijn besproken. De primaire structuur blijft bij verdere afkoeling gehandhaafd tot de '}'~ajaseoverg~[~~t. BH_"~~~_~!e~-~aij -d~ze f~~e~~~~rga~g ~~tstaat _~ secliï}gaire structuur die, a fhankelijk van afkoelsnéihêid encfiemiscne samenstelling, uit verschillende bestanddelen bestaat. De belangrijkste bestanddelen worden in het volgende kort beschreven. Zie ook de figuren 6.2, 6.3 en 6.4.

154 152 Lastechnologie Figuur 6.2. Dwarsdoorsnede van een lasverbinding, waarin de gietstructuur duidelijk zichtbaar is. Figuur 6.3. De secundaire microstructuur van ongelegeerd ferritisch lasmetaal. De oorspronkelijke austenietkorrels blijven herkenbaar door de aanwezigheid van korrelgrensferriet.

155 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 1 53 Figuur 6.4. De secundaire microstructuur van ongelegeerd ferritisch lasmetaal waarin de volgende bestanddelen zichtbaar zijn: 1) korrelgrensferriet 2) zijpiaatferriet, 3) naaldferriet en 4) polygonaal ferriet. Ko!,:e~g!.e!!:!f~rr..i!!Lif>. pro-eutectoïdisch ferriet, dat als eerste structuurbestanddeel wordt gevormd als een netwerk van polygonale kristallen op de korrelgrenzen van het voormalige austeniet. Hierdoor blijft de primaire gietstructuur goed herkenbaar (zie figuur 6.2). Korrelgrensferriet wordt beschouwd als ongunstig voor de taaiheid (grove korrels). Uit waarnemingen blijkt dat scheuren in ferritisch lasmetaal veelal het korrelgrensferriet volgen. Zijplaatferriet (soms ook wel aangeduid als hoog-bainiet of Widmanstätten-ferriet) m~steei1zich in doorsnede als een naaldstructuur met een lengte-breedteverhouding van minimaal 20: 1. Dit structuurbestanddeel groeit als pakketjes evenwijdige platen vanuit het korrelgrensferriet de oorspronkelijke austenietkorrel in. De zijplaten zijn van elkaar gescheiden door kleine-hoek korrelgrenzen. Op deze korrelgrenzen bevindt zich vaak een tweede fase (martensiet, austeniet, carbide). Zijplaatferriet is, evenals korrelgrensferriet, nadelig voor de taaiheid. Dit hangt samen met de grote effectieve korrel (veel platen vormen als het ware één grote korrel) en voorts met de aanwezigheid van de eerdergenoemde tweede fase.

156 154 Lastechnologie Naaldferriet wordt als laatste van de drie hoofdbestanddelen gevormd in het 'îtiidden v ;; de oorspronkelijke austenietkorrels. Vooral niet-metallische insluitsels treden daarbij op als kiemen. Naaldferriet wordt gekenmerkt door: - kleine naaldvormige korrels met een lengte-breedte verhouding van 3: 1 tot 10: 1; - grote-hoek korrelgrenzen tussen de afzonderlijke naalden; - een hoge dislocatiedichtheid (_10 14 dislocaties/m 2 ). Naaldferriet \\'.Qr.dLbeschouwd a1s-eenstructuurb_~sjanddeeldat gunstig i~y9_or de _ -- -~_._-- taaiheid (kleine korrels). Behalve de genoemde hoofdbestanddelen kunnen in ferritisch lasmetaal ook nog potygon~al.ierrieiö~ dê vor~ v~n gr~~e fe;:;'i~teü-;-d~~)~ /;~-;l~j, ;;uu.tensy;t en r;st~~st;,tietv~q!komen; zij het meest~ui1 _g~ting~ hoeve~lheden:atde~~ ~ tu\g6estanddelen hebben een ~~~~~tig~ invloe<i op ----_._--_.. d~ià:älhdd ,.,.---_...-._- In het geval van een meerlagenlas zal bij het aanbrengen van elke laag de voorgaande een warmtebehandeling ondergaan. Hierdoor wordt het lasmetaal plaatselijk weer tot in het y-gebied verhit, ten gevolge waarvan de tertiaire structuur ontstaat. Deze bestaat uit afgeronde kristallen, die grover zijn naarmate de temperatuur hoger is geweest. Per saldo is er echter sprake van korrel verfijning, gepaard gaande met verbetering van mechanische eigenschappen. Een voorbeeld van een meerlagenlas is gegeven in figuur 6.5. Zoals reeds in het voorgaande is opgemerkt, hangt de microstructuur van het lasmetaal af van de afkoelsnelheid en de chemische samenstelling. De afkoel snelheid wordt bepaald door de lascondities en met name door de warmte-inbreng (zie paragraaf 5.1). Kenmerkend voor de afkoelsnelheid zijn twee parameters: de austeniteerparameter en de transformatieparameter. De austeniteerparameter ~t12l8 is de afkoeltijd tussen 1200 C en 800 C en bepaalt de korrelgrootte van het austeniet. De transformatieparameter ~t8/5 is de afkoeltijd tussen 800 C en 500 C en bepaalt de aard en verdeling van de transformatieprodukten. Voor het berekenen van ~t8/5 wordt verwezen naar paragraaf 5.1 (vergelijkingen 5.8a en 5.8b). De relatie tussen afkoel snelheid en microstructuur kan zichtbaar worden gemaakt met behulp van een CCT (Continuous Cooling Transformation)-diagram. Als voorbeeld is in figuur 6.6 het CCT -diagram gegeven van een ongelegeerd ferritisch las metaal. Uit het diagram blijkt dat een verandering van de afkoelsnelheid belangrijke gevolgen heeft vaor de verdeling van de structuurbestanddelen. Het CCT -diagram is zeer gevoelig voor de chemische samenstelling. De

157 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 1 55 Figuur 6.5. Voorbeeld van een meerlagenlas in staal. invloed van legeringselementen komt tot uiting in een verschuiving (geheel of gedeeltelijk) naar kortere of langere tijden. De warmte-beïnvloede zone De warmte-beïnvloede zone werd in paragraaf 5.5 gedefinieerd als het gedeelte van het moedermateriaal grenzend aan het lasrnetaal, dat niet gesmolten maar wel boven een bepaalde temperatuur verwarmd is geweest. Tengevolge van die verwarming zullen er in het algemeen structuurveranderingen optreden. Welke structuurveranderingen in een bepaalde situatie optreden hangt af van de chemische samenstelling van het materiaal, de bereikte piektemperatuur en de afkoelsnelheid. De twee laatste grootheden worden geheel bepaald door de lascondities en met name door de warmte-inbreng (zie paragraaf 5.1). In het geval van on gelegeerd en laaggelegeerd staal kan de warmte-beïnvloede zone op grond van de transformatieprodukten die ontstaan, onderverdeeld worden in enkele subzones. In figuur 6.7 wordt als voorbeeld de indeling in subzones geïllustreerd voor koolstofstaal met 0,15% C en een ferriet/perliet uitgangsstructuur. Bij de indeling wordt gebruik gemaakt van het Fe-C fasediagram en het verloop van de piektemperatuur T p als functie van de afstand tot de smeltlijn.

158 1 56 Lastechnologie Û 'L I- t ; ~ t ,,, 'I, I, ' I, :1 " I: " ", ',, I, microstructuur tïd (s) ' ',, Figuur 6.6. CCT-diagram van ongelegeerd ferritisch lasmetaal. Het gearceerde gebied geeft de afkoelomstandigheden weer bij onder poeder lassen. 1 - korrelgrensferriet, 2 - zijplaatferriet, 3 - naaldferriet, 4 - polygonaal ferriet, 5 - perliet, 6 - martensiet. De volgende subzones kunnen worden onderscheiden: Grofkorrelige zone (1100 C< T p < T s) In dit gebied zal het metaal volledig worden omgezet in austeniet en zal vervolgens korrelgroei plaatsvinden. De (austeniet) korrelgrootte die tenslotte ontstaat, wordt geheel bepaald door de piektemperatuur en de afkoelsnelheid ter plaatse. Bij niet al te snelle afkoeling zal in eerste instantie korrelgrensferriet langs de austenietkorrel grenzen worden gevormd en zal binnen de austenietkorrel een ferriet-perliet structuur ontstaan. Bij snellere afkoeling zal steeds minder korrelgrensferriet ontstaan en zal het resterende gedeelte van de austenietkorrel overgaan in een naaldachtige structuur (bainiet of martensiet). De kans dat bij een bepaalde afkoelsnelheid bainiet of martensiet wordt gevormd, wordt groter naarmate de austeniet-korrelgrootte toeneemt.

159 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 157 subzone u o I I t 1 I _ I r }-...;;:~----'----- : I 11 I I 1 I I I I I I 400 o 1,0 2,0 3,0 - C (gew.%) Figuur 6.7. Indeling van de warmte-beïnvloede zone in subzones voor koolstofstaal met 0,15% C en een ferriet-perliet uitgangsstructuur. 1 - grofkorrelige zone, 2 - fijnkorrelige zone, 3 - gedeeltelijk getransformeerde zone, 4 - getemperde zone. Fijnkorrelige zone (AC3 < T p < c) Ook in dit temperatuurgebied zal het materiaal volledig worden omgezet in austeniet. Vanwege de relatief lage piektemperatuur zal echter nauwelijks korrelgroei plaatsvinden. De kleine austenietkorrels zullen bij afkoelen overgaan in een fijne ferriet/perliet structuur. Gedeeltelijk getransformeerde zone (Ac, < T p < AC3) In dit temperatuurgebied vindt gedeeltelijke transformatie plaats. Van de uitgangsstructuur (ferriet/perliet) zullen in verband met de relatief lage transformatietemperatuur voornamelijk de perlieteilanden in austeniet worden omgezet. Deze austeniet bevat relatief veel koolstof en zal bij afkoelen, afhankelijk van de afkoelsnelheid, transformeren tot perliet, bainiet of martensiet. Getemperde zone (T p < Ac,) In deze subzone vindt geen transformatie plaats. Wel kan in een smal temperatuurgebied ( C) globularisatie van carbiden worden waargenomen. Ook moet worden verwacht dat in deze subzone ontlaat- en verouderingsverschijnselen zullen optreden. In figuur 6.8 zijn ter illustratie de microstructuren weergegeven van de verschillende subzones in het geval van ongelegeerd staal.

160 158 Lastechnologie a b c d e Figuur 6.8. De microstructuur van de verschillende warmte-beïnvloede subzones van ongelegeerd staal. Bron: P. Sotkovszky, Chalmers University of Technology, Gothenburg. a - lasmetaal, b - grofkorrelige zone, c - fijnkorrelige zone, d - gedeeltelijk getransformeerde zone, e - getemperde zone.

161 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 1 59 Voor het voorspellen van de aard en de verdeling van de diverse structuurbestanddelen binnen de subzones kan weer gebruik gemaakt worden van CCT -diagrammen. Het spreekt vanzelf dat de structuurveranderingen die plaatsvinden in de warmtebeïnvloede zone, gepaard (kunnen) gaan met veranderingen in de mechanische eigenschappen. Ter illustratie hiervan is in figuur 6.9 de hardheid gegeven als functie van de afstand tot de smeltlijn voor een las in ongelegeerd staal. > :r: 300 WBZ LAS -0.0;.s:: IQ.s:: L--_-lL-_--' --L -'- -'- --I afstand tot midden las (mm) Figuur 6.9. De hardheid als functie van de afstand tot het midden van de las bij een lasverbinding in ongelegeerd staal Lasproblemen Zoals uit het voorgaande blijkt, wordt de lasbaarheid van ferritisch staal in belangrijke mate bepaald door de structuurbestanddelen die tijdens het lassen in het las metaal en de warmte-beïnvloede zone worden gevormd. In het bijzonder dient men bedacht te zijn op de vorming van harde structuurbestanddelen, zoals bainiet en martensiet. Ook bestaat bij het lassen het gevaar dat stikstof uit de omgeving in de las wordt opgenomen (zie paragraaf 5.4). Opname van stikstof kan leiden tot porievorming en tot verbrossing van de las. Naast deze beperkingen van de lasbaarheid kunnen er bij het lassen van ferritisch staal enkele specifieke problemen optreden, waarvan scheurvorming verreweg.de

162 160 Lastechnologie belangrijkste is. De verschillende scheurtypen die als gevolg van het lassen in het lasrnetaal enlof de warmte-beïnvloede zone kunnen ontstaan, worden in het volgende afzonderlijk besproken. Warmscheuren Warmscheuren worden gevormd bij hoge temperatuur, meestal bij een temperatuur enkele honderden C lager dan het smeltpunt of de ondergrens van het smelttraject. Zij treden niet alleen op tengevolge van lassen maar kunnen ook bij gieten en warmvervormen ontstaan. De scheuren verlopen interkristallijn. Twee typen warmscheuren kunnen worden onderscheiden: stol scheuren en smeltscheuren ( Stolscheuren kunnen ontstaan in lasrnetaal dat gekenmerkt wordt door een stoltraject. De scheurvorming vindt plaats in het eindstadium van het stollingsproces, bij een temperatuur in de buurt van de ondergrens van het stoltraject. In dit eindstadium komen de primaire dendrieten, die aangroeien ten koste van de smelt, met elkaar in contact. Daardoor wordt een samenhangend netwerk gevormd, dat bij verdere afkoeling zal gaan krimpen, hetgeen leidt tot krimpspanningen. Stolscheuren zullen ontstaan wanneer deze krimpspanningen een bepaalde kritische waarde overschrijden. Of in bepaalde gevallen stol scheuren zullen ontstaan, wordt voornamelijk bepaald door de chemische samenstelling van het lasrnetaal. ) Indien de scheur wordt gevormd in een stadium waarin een relatief grote hoeveelheid vloeistof aanwezig is, kan de scheur door vollopen nog worden hersteld. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer men te maken heeft met een legering die een hoog percentage eutecticum bevat (eutectic healing). Omdat de scheuren tijdens het stollen ontstaan en met de stolstructuur samenhangen, worden ze stolscheuren (solidification cracks) genoemd. Vaak komen stolscheuren voor in het midden van de las (centreline cracks). Dit is vooral het geval in situaties waar de stengelvormige kristallen elkaar in het midden van de las ontmoeten, bijvoorbeeld bij relatief grote voortloop snelheid (zie paragraaf 5.5) en bij een grote dieptelbreedte verhouding van de las. Een schematische voorstelling van een centreline crack wordt gegeven in figuur Stolscheuren kunnen in ongelegeerd en laaggelegeerd lasrnetaal vooral ontstaan bij een koolstofgehalte van meer dan 0,1% en bij aanwezigheid van zwavel. Dit kan worden toegelicht aan de hand van het linker bovengedeelte van het Fe-C toestandsdiagram (figuur 6.11). Uit deze figuur blijkt dat bij C < 0, I % het lasrnetaal stolt als o-ferriet. Bij C > 0,1 % wordt eerst o-ferriet gevormd, maar bij een temperatuur even beneden 1500 C vindt een peritectische reactie plaats, waarbij

163 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 161 \\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ///////////- a b Figuur Schematische voorstelling van een centreline crack in lasmetaal: a) dwarsdoorsnede, b) bovenaanzicht. het resterende deel van de vloeistof als austeniet stolt. Aangezien de oplosbaarheid van zwavel in austeniet klein is (in tegenstelling tot de oplosbaarheid in ferriet) zal bij C > 0,1% tijdens het stollen van het austeniet zwavel naar de korrelgrenzen worden gedreven, waardoor een laagsmeltende fase wordt gevormd en kans op stolscheuren ontstaat. De gevoeligheid voor stolscheuren kan worden verkleind door het toevoegen van mangaan (vorming van MnS). û ;: 1600 L o 0,1 0,17 0,2 0,3 0,4 -- C (gew.%) Figuur Linker bovengedeelte van het Fe-C toestandsdiagram. Opgemerkt moet worden, dat naast zwavel ook fosfor en borium stolscheuren kunnen veroorzaken. Voorts vertoont nikkel een soortgelijk gedrag als koolstof: boven circa 3% vindt een peritectische reactie plaats waarbij het metaal als austeniet stolt. Een voorbeeld van een stolscheur is gegeven in figuur (Smeltscheuren kunnen optreden in de warmte-beïnvloede zone wanneer zich op de korrelgrenzen of voormalige korrelgrenzen een laagsmeltende fase bevindt. Afhankelijk van de oppervlaktespanning kan deze fase zich tot een film uitspreiden. Op 5i 2_ &1118 i Ij 1"_' 1 i. i i t II r. lil i i 11'", j

164 162 Lastechnologie Figuur Sto/scheur in /asmetaa/. deze wijze wordt de structuur verzwakt en kunnen er door krimpspanningen scheuren ontstaan. Smeltscheuren (liquation cracks) kunnen voorkomen in de warmte-beïnvloede zone van het moedermateriaal. Daarnaast kunnen ze ook optreden bij een meerlagenlas, in de warmte-beïnvloede zones van de verschillende laslagen. In het geval van ongelegeerd en laaggelegeerd staal zijn het vooral zwavel en fosfor die met ijzer laagsmeltende fasen kunnen vormen) Een voorbeeld van een smeltscheur in de warmte-beïnvloede zone is gegeven in fi'guur Koudscheuren Een zeer gevreesd verschijnsel bij het lassen van ferritische staalsoorten is het optreden van koudscheuren. Deze scheuren ontstaai~.~.ijj~~..lemperatuur (dat wil zeggen nadat het metaal is afgekoeld) en kunnen nog geruime tijd na het lassen ---. ~- _..'-~-'-~-_.._'-._...

165 w:w Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 163 Figuur Smeltscheur in de warmte-beïnvloede zone van een las. worden gevormd (delayed cracking). De scheuren ver1~pen transkristallijn of interkristatiijn. ~ ~_.-.- Koudscheuren kunnen optreden zowel in het I as metaal als in de warmtebeïnvloede zone. De meest voorkomende scheurtypen zijn schematisch weergegeven in figuur In figuur 6.15 is ter illustratie een koudscheur in de warmtebeïnvloede zone afgebeeld. Het ontstaan van koudscheuren moet worden toeg!!schreven aan de gelijktijdige aanwêifgh~idin het materiaal van: - --waterstof; - DrOsse structuurbestanddelen; - spanningen; - ~ë.n~temperatuur lager dan 200 oe.

166 164 Lastechnologie Figuur De meest voorkomende koudscheurtypen in een hoeklas (boven) en een stompe las (onder). Figuur Koudscheur in de warmte-beïnvloede zone van een hoeklas. Bron: F.R. Coe, Welding Steels without Hydrogen Cracking, The Welding Ins titu te, Abington, Waterstof Waterstof ontstaat door dissociatie in de boog van water en andere waterstofhoudende verbindingen, zoals olie, vet en verf. Water is meestal afkomstig uit de vochtige lucht, uit vochthoudende roest, en, in geval van lassen met beklede elektrode, vooral uit de bekleding van de elektrode. Basische elektroden (mits droog gehouden) bevatten aanzienlijk minder water dan andere typen en worden om die reden dan ook vaak aangeduid als laag-waterstof elektroden.

167 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 165 Tijdens het lassen wordt waterstof uit de boog door het vloeibare lasmetaal opgenomen. De hoeveelheid die wordt opgenomen hangt af van de partiële waterstofdruk in de boog en de temperatuur van het vloeibare lasmetaal, maar zal bijna altijd groter zijn dan de hoeveelheid die wordt opgenomen onder 'nietboog omstandigheden'. Bij het stollen van het lasmetaal zal, in verband met de sprong in de oplosbaarheid bij het smeltpunt (figuur 6.16) oververzadiging ontstaan. Bij verder afkoelen zal de waterstof zich vanuit het lasmetaal via de warmte-beïnvloede zone in het werkstuk verspreiden. Een groot gedeelte van de waterstof zal via het oppervlak kunnen ontsnappen, een ander gedeelte zal tot moleculen recombineren (op korrelgrenzen, aan het grensvlak van nietmetallische insluitsels, in microscheurtjes en in de buurt van dislocatie 'pileups' ) en slechts een kleine hoeveelheid zal als zogenaamde diffundeerbare waterstof in het rooster aanwezig blijven. 0,0030 J: vloeistof *- 0, Cl> Ol 0,0020 0,0015 0,0010 0, _ T(oCI Figuur De oplosbaarheid van waterstof in ijzer in evenwicht met H 2 van atmosferische druk als functie van de temperatuur. Uit onderzoek blijkt dat het diffusiemechanisme van waterstof in ferritisch materiaal geen eenduidig proces is, maar sterk afhangt van de temperatuur en de zuiverheid van het materiaal. Dit wordt geïllustreerd door figuur 6.17, waarin een groot aantal gemeten waarden van de diffusiecoëfficiënt is uitgezet als functie van de temperatuur. Boven 200 oe is de diffusie normaal (roosterdiffusie), beneden die temperatuur treedt er een afwijking op die groter wordt naarmate de zuiverheid afneemt. Het afwijkende gedrag wordt in verband gebracht met een zekere mate van binding die bij temperaturen beneden 200 oe ontstaat tussen waterstofatomen en onregelmatigheden in het rooster (insluitsels, holtes, spanningsconcentraties) waardoor de diffusie wordt vertraagd.

168 166 Lastechnologie :I: 0 en T (oc) Figuur De diffusiecoëfficiënt van waterstof in ferritisch materiaal als functie van de temperatuur. Bron: F.R. Coe, Welding Steels without Hydrogen Cracking, The Welding Institute, Abington, Bij het koudscheuren speelt met name de diffundeerbare waterstof een belangrijke rol. In verband hiermee is het wenselijk de hoeveelheid diffundeerbare waterstof direct na het lassen te kunnen bepalen. Dit gebeurt meestal met behulp van een genormaliseerde methode, waarbij een hoeveelheid lasmetaal direct na het lassen onder kwik wordt gedompeld, waarna de ontwijkende waterstof in een buret wordt opgevangen. De hoeveelheid diffundeerbare waterstof wordt soms uitgedrukt in ml/loo g neergesmolten toevoegmateriaal. Het is echter zinvoller om de hoeveelheid diffundeerbare waterstof uit te drukken in mi/loog gesmolten lasmetaal (1 ml/loo g is ongeveer gelijk aan 0,9 gew. ppm). Structuur Noodzakelijke voorwaarde voor het optreden van koudscheuren is de aanwezigheid van hardingsstructuren, zoals bainiet en martensiet. Hierbij is niet alleen het percentage van deze structuren, maar ook hun samenstelling van belang. Vaak wordt de hardheid genomen als maat voor de koudscheurgevoeligheid. Een waarde van 350 H y wordt veelal als kritische waarde beschouwd. Of een hardingsstructuur optreedt hangt onder meer af van LltS/5,

169 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 167 de afkoel tijd tussen 800 C en 500 oe. Hoe deze grootheid samenhangt met de lasparameters werd besproken in paragraaf 5.1. De hoogst bereikbare hardheid is nagenoeg uitsluitend afhankelijk van het koolstofgehalte van het staal. De mate van harding bij lagere afkoelsnelheden hangt echter ook van de percentages overige legeringsbestanddelen af. Voor laaggelegeerd constructiestaal kan de invloed hiervan bij benadering tot uitdrukking worden gebracht door een getal dat wordt gevonden door bij het koolstofgehalte op te tellen de gewichtspercentages legeringsbestanddelen, elk vermenigvuldigd met een bepaalde gewichtsfactor. Deze som wordt het koolstofequivalent (CE) genoemd en kan worden geschreven als E C Mn Cr + Mo + V Ni + Cu C = (6.1) Als kritische waarde van het koolstofequivalent wordt vaak de waarde CE = 0,45 genomen. Spanningen Bij het booglassen treden er in het werkstuk tengevolge van krimpverschijnselen restspanningen op (zie paragraaf 5.6). Deze restspanningen zijn in de buurt van de las positief (trekspanning), de grootte ervan hangt onder andere af van de rekgrens van het materiaal en van de aard van de constructie (restraint conditions). Extra spanningen kunnen ontstaan tengevolge van fase-transformaties (bijvoorbeeld tengevolge van de vorming van martensiet), terwijl spanningsconcentraties voorkomen bij kerven en aan de tip van microscheurtjes. Temperatuur Dat de temperatuur een belangrijke rol speelt bij het koudscheuren ligt voor de hand. Tenslotte wordt de diffusie van waterstofatomen, en daarmee het waterstofgehalte en het verloop daarvan binnen de las en zijn omgeving, door de temperatuur beheerst. Bij hoge temperatuur zullen de waterstofatomen voldoende beweeglijkheid hebben om te verdwijnen, bij lage temperatuur is dat in veel mindere mate het geval. Dat juist bij temperaturen beneden 200 C gevaar voor koudscheuren bestaat, kan niet los worden gezien van het hierboven genoemde afwijkende diffusiegedrag van waterstof beneden die temperatuur (zie figuur 6.17). Blijkbaar blijven de waterstofatomen bij een temperatuur beneden 200 C plaatsen bezetten waar zij een gevaar voor koudscheuren opleveren.

170 168 Lastechnologie Mechanisme van de scheurvorming Voor het verschijnsel van koudscheuren zijn in de loop der tijd verschillende verklaringen gegeven. De oudste verklaring is gebaseerd op de hypothese dat een groot deel van de in het lasmetaal opgenomen waterstofatomen in holtes terechtkomt waar recombinatie tot moleculen plaatsvindt. Binnen deze holtes wordt op deze manier een hoge druk opgebouwd. Wanneer deze druk hoog genoeg is zullen de holtes openscheuren, waarna het proces van drukopbouw opnieuw kan plaatsvinden en verder scheuren mogelijk wordt. Volgens een andere verklaring wordt koudscheuren niet veroorzaakt door de hoge waterstofdruk in microholtes, maar door adsorptie van waterstof aan de wand van de microholtes. Hierdoor zou de oppervlakte-energie worden verkleind en zou de voor het scheuren benodigde energie zodanig worden verlaagd dat spontane scheurvorming kan optreden. De waargenomen verschijnselen blijken echter het beste verklaard te kunnen worden met behulp van het ~-Jnillkl. Volg~ns ~i_t I!!~.<:l!!L_z.!!Lde I, diffund~~~~~j'oorlçe~.!:l_nd~r:eeju.~lge_bi~~~h~l!'q.os1er w~c:le.~cbejek het grootstejs, bij~,_~~~~~ld_naaj' l!etgebi~d _~.~,!~m_d~ tip v~._c:~~~~~sc~eu~pe _~anwezigheig v.\'l~~_ l'f,<ijltj~fgrote hoeye~lhed.e~a~r~tof in _d~ql!-y!1vl:ll) de scheurtip zal de d&'üifesie.-energie van het rooster. ter plaatse v~~~[ee2-~~ngev~lge waarvan de scheur zich kan uitbreiden. Door_~_ ~~_~~uruitbr~!~.~g_~.ï!ljlet.~~i~!t~~~~_ ~~terstof_ zich.had op~~ho?pt Te,!~]Çati.~ Yanh~L_ r9os~qp.tr~~q,. Qç. yrijk~~~ilq.ç.w~t~rstgfzalnaar de nieuwe p!~~ts van de scheurtip d!ffund~~n en er kan opnieuw scheuruitbreiding plaatsvin~ejl,j)p grond _._..._-_..-._ _._ ,- hiervan moet worden verwacht dat de vorming van koudscheuren een stapsgewijze veriopend, discontinu proces is, hetgeen in overeenstemming is met de feiten. Reheat cracking Dit type scheurvorming kan optreden tengevolge van warmtebehandeling van lasverbindingen in het temperatuurgebied 500 oe oe en komt vooral voor bij laaggelegeerde staalsoorten, in het bijzonder bij kruipvast ferritisch staal. De oorzaak van reheat cracking houdt verband met het gecombineerde optreden van twee verschijnselen: precipitatie en spanningsrelaxatie. Bij verhitting van een lasverbinding kan precipitatie van carbiden plaatsvinden. Deze carbiden zullen vooral worden gevormd binnen in de korrels zelf en (vanwege een koolstofarme zone langs de korrelgrenzen) in mindere mate in de buurt van korrelgrenzen. Aangezien precipitatie tot verhoging van de sterkte leidt zullen de korrels sterker

171 .~.,. _._~~. " 0. _'._ _~ iw i i i In8 i til. i r I IJ I1 ii j Lil Lil ie, ; Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 169 worden en de korrelgrenzen relatief zwak blijven. De met de spanningsrelaxatie gepaard gaande plastische deformatie zal nu in de zones langs de korrelgrenzen worden geconcentreerd en deze geconcentreerde deformatie zal tenslotte kunnen leiden tot scheurvorming. De gevormde scheuren zijn interkristallijn en verlopen in het algemeen langs de voormalige austenietkorrelgrenzen. Reheat cracking treedt vooral op in de warmte-beïnvloede zone, maar soms ook in het lasmetaal. Een voorbeeld van reheat cracking wordt gegeven in figuur Figuur Reheat cracking in de warmte-beïnvloede zone van een las. Bron: Glover et al, Metals Technologv, Vol. 4, 1977 pag Lamel/aire scheuren (lamel/ar tea ring) On~er bepaalde omstandigheden kan -tijdens he..! lasse~_ van feu.iti ch staal latp.ellaire scheurvorming optreden. Dit verschijnsel komt voor bij het lassen van d~~e staalplaat, waarin zic~ pl~_tg~\\,~lj!lt~ ~,J~!~atv()~.mLg~ _ 'y,~r()!1!~~}l1ig!llgen (sulfiden, silicaten) bevinden, evenwijdig aan het oppervlak. Door krimpspan- ni,!g~n loodrecht op het oppervlak van de plaat kan ~~t_ materiaal langs deze plaatvormige verontreinigingen worden opengetrokken De scheuren blijven in de meeste-gevaiten on'der het oppervlak 'en verlopen-altijd t~~psgewijs, de grootste - -_... _

172 170 Lastechnologie stukken evenwijdig aan het plaatoppervlak, de kleinere stukjes lood.i.~cht daa!2p. Ee;VOoroeeld-van lameüaire-;~h;~~~~~~~gi-~ - g~g~~enln figuüt6~i Omdat vooral sulfiden bij lamellaire scheurvorming een rol spelen is het voor de staalfabrikant van belang het z,wavelgehalte zo laag mogelijk te houdei], bij voort;:eur lager dan 0,005 gew.% _ Figuur Lamel/aire scheuren in de warmte-beïnvloede zone van een lasverbinding. Bron: J.C.M. Farrar & R.E. Dolby, Lamel/ar Tearing in Welded Steel Fabrication, Welding Institute, Figuur Voorkomen van lamellaire scheurvorming door middel van een geschikte keuze van de lasnaadvorm. Ht{t gevaar voor het optreden van lamellaire scheuren kanin vele gevallen worden verkl~i~d -dooi gebruik lé maken'van een gesciiikt~nt~~q; -(~ie fig~~~-6~20).~k kan de kans op lamellaire scheurvorming wordel1 verminde~d~()9!h~t.a~!?!~i!~~n van een bufferla.!!$, ~a~r!!l. de dwarsspanningen voor een groot deel worden, ~ _ "".,,....,._. ' 0'0. '. _. _ opgevangen. Dit is gei1lustreerd in figuur 6.21.

173 Lassen van ongelegeerd en laaggelegeerd staal 171 Figuur Voorkomen van lamellaire scheurvorming door middel van het aanbrengen van een bufferlaag. Opgaven 6.1. Beschrijf de microstructuur van het lasmetaal van een las in on gelegeerd constructiestaal Beschrijf de microstructuur van de warmte-beïnvloede zone van een las in on gelegeerd constructiestaal Bij warmscheuren worden twee typen onderscheiden: stolscheuren en smeltscheuren. Geef een korte beschrijving van beide typen a) Geef een verklaring voor het optreden van smeltscheuren (liquation cracks). b) Geef een verklaring voor het optreden van stol scheuren (solidification cracks). c) Welke eisen moeten worden gesteld aan het zwavelgehalte en aan het koolstofgehalte om de kans op het optreden van stolscheuren bij het lassen van staal te verkleinen? Waarom? 6.5. a) Onder welke omstandigheden treedt koudscheuren op? b) Geef een verklaring voor het optreden van koudscheuren. 7 c) Welke maatregelen kunnen worden genomen om de kans op het optreden van koudscheuren te verminderen? 'I d) Kan koudscheuren optreden 1:>ij het lassen van:.,., / - ongelegeerd staal; VvV' - aluminiumlegeringen; Yle.-e! - ferritisch roestvast staal; vjc :: - austenitisch roestvast staal? :'; CC Licht uw antwoord toe.

174 172 Lastechnologie 6.6. Wat wordt verstaan onder lamellar tearing en welke maatregelen kunnen er tegen worden genomen? Literatuur Coe, F.R., Welding Steels without Hydrogen Cracking, The Welding Institute, Abington, Davies, A.C., The science ans practice of welding, 8th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, Easterling, K.E., Introduction to the Physical Metallurgy of Welding, Butterworths & Co. Ltd., London, Granjon, H., Fundamentals ofwelding Metallurgy, Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, Kou, S., Welding Metallurgy, John Wiley & Sons, New York, Lancaster, J.F., Metallurgy ofwelding, 4th Edition, George Allen & Unwin, London, Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 6: Welding, brazing and soldering, American Society for Metals, C1eveland, Welding Handbook, 7th Edition, Vol. 4: Metals and their weldability, American Wel ding Society, Miami, 1982.

175 173 7 Lassen van roestvast staal 7.1. Eigenschappen van roestvast staal Roestvaste staalso?~_~~!l~!j~_ ijzerl~g~,ringen " waarya.il. _ çh!~gm en nikkel de belangrijkste legeringseleme!!j~n zijn. Door de aanwezigheid van chroom in ho~~~'-gröter ci;~ ' -ï2% wordt aan het oppervlak een dichte, zichzelf herstellende chroomoxydelaag gevormd, terwijl dit passiverende effect door de aanwezigheid van nikkel nog wordt versterkt. Onderscheid kan worden gemaakt in ferritische, martensitische en austenitische soorten, waarvan de laatste verreweg het meest worden toegepast. De verschillende roestvaste staalsoorten kunnen worden aangeduid met behulp van Euronorm 27 of met behulp van de classificatie volgens het American Iron and Steel Institute (AISI). In dit hoofdstuk zal de AISI-aanduiding worden gebruikt. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een getal van drie cijfers. Is het eerste cijfer een 4 dan heeft men te maken met ferritisch of martensitisch staal, is het eerste cijfer een 3 dan betreft het austenitisch staal, en is het eerste cijfer een 2 dan gaat het om austenitisch staal waarbij een gedeelte van het nikkel is vervangen door mangaan. Û 2000 I I~t Y C I\- ~ IJ - L ~ ~ - a ~ :;" ~ " " ho- 800 u+y - / (0", "...,,~ u+o U+O / ~ Figuur Het Fe-Cr toestandsdiagram. - Cr (gew.%)

176 174 Lastechnologie Ferritisch roestvast staal bevat 12-18% chroom, in de regel geen nikkel en een beperkte hoeveelheid koolstof «0,12%) Uit het Fe-Cr toestandsdiagram, dat in figuur 7.1 is afgebeeld, blijkt dat dit staal bij kamertemperatuur een kubisch ruimtelijk gecentreerd kristalrooster heeft en dat er bij verhoging van de temperatuur geen fase-overgang optreedt. Ferritisch roestvast staal is derhalve niet ~ ----, hardbaar. De samenstelling en mechanische eigenschappen van twee veel toegepaste ferritische roestvaste staalsoorten zijn weergegeven in tabel 7.1. ~ Tabel 7.1. Samenstelling en mechanische eigenschappen van twee ferritische staalsoorten. AISI- Cr(%) Ni(%) C(%) Si(%) Mn(%) Andere (J0.2 (Js 1i5 (%) type elementen (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) < 0,08 1,0 1,0 AI: 0,2% > < 0,10 1,0 1,0 > Martensitisch roestvast staal bevat eveneens % chroom en in de regel geen nikkel, maar een relatief hoog koolstofgehalte. Als gevolg van de aanwezigheid van koolstof wordt het staal bij hogere temperatuur a~enltisch (figuu;:-:r:2), waardoor bijafkoelen martensielkan ontstaan. De martensitische r~te _..-- _._ _.--- ~ staalsoorten zijn dan ook goed hardba~r. Zoals uit figuur 7.2 blijkt, geldt voor deze staalsoorten dat de~ereiste 'h~~~elheid koolstof toeneemt bij toenemend chroomgehalte. In tabel 7.2. zijn de samenstelling en mechanische eigenschappen gegeven van enkele veel toegepaste martensitische roestvaste staaisoorten G 'L. I- """"'" t "'" I'////,//I'/. """" " """ "/~ L ".. """'" n"",,~,///., 5 "",,,,"'... /. ~,.~. ~.~ ~. %. 'Qj Y, -O%Cm 0,25'~, 0,40 ~ e ~ '" ~ ~ ff 0 ~/ "" //&.,,///,,~.,~ "Q/. ~. "t~@i ~ ~á 7'$//" 5 o Cr (gew.%) Figuur 7.2. De invloed van koolstof op de y-ius in het Fe-Cr toestandsdiagram.

177 ' Lassen van roestvast staal 175 Tabel 7.2. Samenstelling en mechanische eigenschappen van enkele martensitische roestvaste staalsoorten. AISI- Cr(%) Ni(%) C(%) Si(%) M n(%) Andere cro,2 crs li5 (%) type elementen (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) , 12 < 1,0 < 1,0 > ,20 < 1,0 < 1,0 > ,90 < 1,0 < 1,0 HRc > 58 Austenitisch roestvast staal bevat..j1aast chrqqul(ll-::2~~o)een aanzienlijke hoeveelheid nikkel (7-20%) Soms wordt een gedeelte van het nikkel vervangen door mangaan. Door h~hog~roomge~1!~jqijg~_ ~e..!.~~~a,l~~qgoeg_~._~2g9_s.ie~~e!!.l!!!.~ terwijl nikkel (en mangaan) het staal austenitisch maken. Afhankelijk van de chemische samenstelling bestaat de structuur volledig uit austeniet (kubisch vlakken gecentreerd kristalrooster), of uit austeniet met enig ferriet (zie figuur 7.3). De invloed van het chroom- en nikkelgehalte op de structuur bij kamertemperatuur wordt geïllustreerd door figuur 7.4, waarin een verticale doorsnede van het ternaire Fe-Cr-Ni toestandsdiagram staat afgebeeld.. Auste~~~~~_~~~~en zij'!..e.~~lhard~!!il~~.in tegenstelling tot ferritische staalsoorten behouden ze hun taaiheid bij verlaging van de temperatuur (zie figuur 6.1). I j I I I Figuur 7.3. Ferrietnetwerk in een austenitische matrix. I

178 - "=_- ''?CW. _ tv Lastechnologie y+ö+l Y+L., /" ",,"' I / " y..., 1/ I' tjj l Y \,. ', ~)' \, \.1' f (. +,~ I 0 I I gew.% Ni gew.% Cr Figuur 7.4. Verticale doorsnede van het ternaire Fe-Cr-Ni toestandsdiagram. Voorts zijn ze niet magnetisch en worden ze gekenmerkt door een lage rekgrens, grote thermische uitzetting en slechte thermische geleiding. De samenstelling en mechanische eigenschappen van enkele belangrijke austenitische roestvaste staalsoorten zijn weergegeven in tabel 7.3. Tabel 7.3. Samenstelling en mechanische eigenschappen van enkele austenitische roestvaste staalsoorten.,", AISI- Cr(%) Ni(%) C(%) Si(%) Mn(%) Andere cro,2 crb 05 (%) type elementen (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) < 0,07 < 1,0 < 2,0 > L < 0,03 < 1,0 < 2,0 > < 0,20 < 2,0 < 2,0 > < 0,08 < 1,0 < 2,0 Me: 2,2% > L < 0,03 < 1,0 < 2.0 Me: 2,2% > < 0,08 < 1,0 < 2,0 Ti : 5x%C > < 0,08 < 1,0 < 2,0 Nb: 10x%C >

179 ~----- ~. ~.. _,.,... _...., 0<! I I I I I! j I 4 JldJJJL WMIMl_ 'ij 'IU.,.',. 11 " Lassen van roestvast staal lasbaarheid van roestvast staal Ferritisch roestvast staal Ferritisch roestvast staal is in principe tamelijk goed lasba~r, al moet er wel ~~-~~---~~~...-,,-.,-..._._,._,.,, '., - _..',--- rekemng worden gehouden met enkele beperkende factotén. Het belan...@ikste ~bleel!l~a.:t-eil~et l.~~~~~. vanferritisch roestv~~t. ~taal optreedt, i~j(qrrelgroei in de ~mte-ber'l.\f~e.~.~~gi1.~. Aan dit euvel is weinig te doen': - "- k~jj!!i}.1g)s alleen t(! r:~l!li~~r.~~. ~9Q.( micl<lel van k?~dvervo~ming gevolgd door rekristalli~atie, en deze procedure is in.het..algemeenmoeilijk uitvoerbaar.. ~...-.._ _..-...,,- _ Een ander probleem dat zich vooral bij typen met r~ief laag chrooidkehal~enlof relatief hoog koolstofge~lt~ kan voordoen, is Ee vorming ~~~i.!le.. h~.eyee! ::. heden-martensiet - lan~e k0r.!~~_i}~~g,. De;ze marten~~et heeft een zeer nade!ige ~ '--_.,, ~,..,,_.~.,..---,.-... invloed op de mechanische eigenschappen en in.. ~~t!jü;z()i1der op de taaiheid. van het,-- materiaar- - Voorts kan bij het lassen van ferritisch roestvast staal (met name bij typen met een hoog chroomgehalte) onder bepaalde omstandigheden cr-fase ontstaa~: De cr-fase is een zeer harde en brosse Fe-Cr verbinding die, even~~.martensiel... de taajiïêid negatief beïnvïoë~--;~~-- '"...t Ook--;iu i~fáigemeen als gevolg van het lassen de gev~eid ~oor interkristallij~<:~ii9~ie toene.!!!e_11 (zie paragraaf 7.3). - _.-... " Bij het lassen van ferritische typen wordt bij voorkeur austenitisch toevoegmateriaal gebruikt. Soms worden echter ook elektroden met dezelfde samenstelling als het moedermateriaal toegepast. Martensitisch roestvast staal (Martensitisch roestvast staal heeft een zeer beperkte lasbaarheid. Het belangrijkste probleem is martensietvorming in de warmte-beïnvloede zone, waardoor plaatselijk de hardheid toeneemt en de taaiheid afneemt. Voorwarmen en/of een warmtebehandeling na het lassen zijn bijna altijd vereist. ) Ook bestaat de kans op het optreden van Is,oudscheuren, hetgeen onder andere het gebruik van laag-waterstof elektroden noodzakelijk maakt. Sommige martensitische roestvaste staalsoorten worden als gevolg van het lassen gevoelig voor spanningscorrosie (zie paragraaf 7.3). Als toevoegmateriaal wordt in de regel materiaal gebruikt dat dezelfde samenstelling heeft als het moedermateriaal. Ook is het mogelijk austenitisch toevoegmateriaal toe te passen. Dit heeft het voordeel dat ongewenste waterstof als gevolg van de grotere oplosbaarheid in het austeniet kan worden opgenomen. Een nadeel is echter het optreden van residuele spanningen in verband met het grote verschil in

180 178 Lastechnologie uitzettingscoëfficiënt tussen het austeniet en het moedermateriaal. Austenitisch roestvast staal Dit materiaal is in het algemeen goed lasbaar. Lassen is mogelijk met alle varianten van het booglasproces, waarbij in de regel toevoegmateriaal wordt gebruikt dat dezelfde samenstelling heeft als het moedermateriaal. De goede lasbaarheid hangt vooral samen met het feit dat tijdens het lassen geen hardingsstructuren worden gevormd. Toch kunnen zich bij het lassen van austenitisch roestvast staal verschillende proble~~n voordoen. In de eerste plaats kan korrelgroei oe!!:,edçn in de warmte-beïnvloede zone en zal Iasmetaal ontstaan dat gekenmerkt wordt door grove kristallen. Daarnaast kan tijdens het lassen ~e worden gevormd. Hierbij moet worden opgemerkt dat de vorming van cr-fase vanuit ferriet veel sneller verloopt dan vanuit austeniet. Voorts moet men bij het lassen van austenitische roestvaste staalsoorten rekening houden met de h~~scoëfficiënt en het lage_.:varm~~idingsvermo,.gen. De~ veroorzaken respectievelijk g~i!j5mllqp.. do.or.branden bij het l~en van de grondlaag. Om grote vervormingen tegen te gaan moeten passende maatregelen worden genomen, zoals het op kleine onderlinge afstand aanbrengen van hechtlassen. Om een snelle warmte-afvoer te realiseren, verdient het aanbeveling koelstrippen toe te passen. Een bijzonder pro~ bij het lassen van austenitische staalsoorten is het optreden van warmscheuren, en meer in het bijzonder stolscheuren. Voor ee; 'b~schrijving ;;"n het mechanisme van warmscheuren wordt verwezen naar paragraaf 6.5. Het optreden van warmscheuren in austeniet hangt samen met de geringe oplosbaarheid van bepaalde verontreinigingen, zoals zwavel en fosfor, in austeniet, waardoor bij het stollen laagsmeltende eutectica langs de korrel grenzen kunnen ontstaan. De lianwezigheid yan ferriet.lll~~.eiet~erk..!..~~~ ~~.!!!~E~~_~_~n te~n. Lasmetaal dat geheel austenitisch is, zal dus scheurgevoeliger zijn dan lasmetaal dat naast austeniet ook enig ferriet bevat. D~ invloed Yan..f~ITi~J..QlLc!.~ W.l!!:!!lS~~~~~g~;:5~~~g!l~!'Q.. h2~~ _~and met de grot~re oplosb~~rheid vanzw.ayel en fosfor iq. f~l!t~t_.<:l.l!.l!jnausteni~t. Dit kan worden r--- toegelicht aan de hand van figuur 7.5 en figuur 7.6. Hierin zijn twee verschillende verticale doorsneden van het ternaire Fe-Cr-Ni toestandsdiagram weergegeven. Uil' deze figuren blijkt dat lasmetaal dat bij kamertemperatuur geheel austenitisch is (zoals het type 25/20) austenitisch stolt, terwijllasmetaal dat bij kamertemperatuur naast austeniet enig ferriet bevat (zoals het type 18/8) ferritisch stolt.

181 Lassen van roestvast staal ,-----r<""'<'"'<: , 1500 ~'c-~~yi_--h_-- ; ~}f,H-!---.;:..--I lN''d--I t y gew.% Ni o gew.% Cr Figuur 7.5. Verticale doorsnede van het ternaire Fe-Cr-Ni toestandsdiagram. Het gearceerde gebied geeft de samenstelling weer van het type 18/8. Û o~ I t Y gew.% Ni o gew.% Cr Figuur 7.6. Verticale doorsnede van het ternaire Fe-Cr-Ni toestandsdiagram. Het gearceerde gebied geeft de samenstelling weer van het type 25/20. Aangezien zwavel en fosfor beter oplossen in ferriet dan in austeniet, zal bij lasrnetaal van het type 18/8 de kans op het ontstaan van laagsmeltende eutectica langs de korrelgrenzen geringer zijn dan bij lasrnetaal van het type 25/20. Bovendien heeft het type 25/20 een vlakkere solidus-liquidus lus dan het type 18/8,

182 180 Lastechnologie waardoor de grotere scheurgevoeligheid mede kan worden verklaard. Opgemerkt moet worden dat, ~oewel ferriet een gunstige invloed heeft op de warmscheurgevoeligheid, het ongunstig is met het oog op de corrosiebestendigheid. Een hoeveelheid van circa 5% blijkt in de meeste gevallen een aanvaardbaar compromis te zijn.) (!Iet percentage ferriet dat onder gegeven omstandigheden in het lasmetaal ontstaat, kan worden voorspeld door gebruik te maken van het Schaeffler-diagram)(zie figuur 7.7). 40r---~---r--~--~r---~---r--~--~r---~--, 32 ê :E ~ 24 Jl è + ~ ~ 16 M + Z ~ 8.. r:r Z Creq (%Cr + %Mo + 1.5x %Si + O.5x %Nb) Figuur 7.7. Het Schaeffler-diagram. In het Schaeffler-diagram zijn de structuurbestanddelen aangegeven als functie van het nikkel-equivalent (verticale as) en het chroom-equivalent (horizontale as)..!iet nikkel-equjyalent (~s een maat v~j..~~~_l!':!~1e...~~jyormende werkjng van ~.~i.~~ering.~tej:n~nt~n.. w.aaj:bij. nikkel. ~J~ maatstaf...wnrd~...het ~kkel:equivalent word~g~~~i)_gqqr: L~i~~% -Ni '!j ~ :?< ~C ~.9.,5..~.% Mrt i (7.1) Het chroom-eguivalent (Cr e9 ) is_~.!l_~~t._~qq~~~_~<!!~!~_!~~.t.yo~~!lde w~r~ng m~t. chiqqm~~._tp~~~~ en W9J~tgegeven door: r~;;.; ; è'~~ ~ '~~ + 1,5x% Si :1-.0,5 x % Nb ') (7.2)

183 Lassen van roestvast staal 181 Hoewel het Schaeffler-diagram opgesteld is voor handlassen met beklede elektrode (5 mm elektrodediameter, 12 mm plaatdikte) kan er in principe ook gebruik van worden gemaakt in andere situaties. Wanneer een relatief grote hoeveelheid stikstof in het I as metaal aanwezig is, verdient het voorkeur gebruik te maken van het De Long-diagram (zie figuur 7.8). In dit diagram wordt een nikkel-equivalent gebruikt waarin ook stikstof (een sterke austenietvormer) is opgenomen. Voorts zijn in het De Long~diagram de horizontale en verticale schaal ~9danig verschoven en vergroot, dat de aandacht speciaal komt -;:--- -~ te ~_~gen op _sai!l~nstellingen die van belang zijn bij austenitische roestvaste staalsoorten. ' ë ::ie "If. x '" ei + z "If. x 21 0 M + austeniet u 19 ~ x 0 M 17 + Z 15 ~ cr cu Z austeniet ferriet Creq (% Cr + % Mo + 1.5x % Si + 0.5x % Nb) Figuur 7.8. Het De Long-diagram. Opgemerkt moet worden dat, in situaties waar de samenstelling van het toevoegmateriaal verschilt van dat van het moedermateriaal bij het bepalen van het nikkel-equivalent en het chroom-equivalent, rekening moet worden gehouden met opmenging. De toepassing van het Schaeffler- of De Long-diagram kan worden verduidelijkt aan de hand van het volgende voorbeeld (zie figuur 7.7). Wordt een staalsoort met een samenstelling die in het Schaeffler-diagram kan worden aangeduid door een punt M, gelast met toevoegmateriaal van de samenstelling aangeduid door punt T, dan zal de samenstelling van het lasrnetaal gegeven worden door een punt L op de verbindingslijn MT. De preciese plaats van L op MT wordt bepaald door de

184 182 Lastechnologie opmenging. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van de hetboomregel, die ook wordttoegepast bij het lezen van toestandsdiagrammen. Bij een opmenging van bijvoorbeeld 25% (25% van de totale hoeveelheid lasmetaal is afkomstig van het moedermateriaal) ligt het punt L op i gedeelte van de verbindingslijn, gerekend vanaf punt T. Het ferrietgehalte in lasmetaal kan vrij nauwkeurig worden bepaald met behulp van metallografische technieken. In de praktijk wordt echter voor dit doel meestal gebruik gemaakt van een gestandaardiseerde magnetische methode, waarbij het ferrietgehalte wordt uitgedrukt in termen van het zogenaamde ferrietgetal (Ferrite Number FN). Dit ferrietgetal komt bij laag gehalte (tot FN = 8) goed overeen met het ferrietpercentage, maar wijkt boven FN = 8 in toenemende mate van het ferrietpercentage af (zie figuur 7.8). Een ander probleem dat zich, naast het optreden van warmscheuren, bij het lassen van austenitisch roestvast staal kan voordoen, is v~rmindering van ~..?~ corrosiebestendigheid. Dit verschijnsel dat ook bij het lassen van ferritische en martensitische staalsoorten een rol kan spelen, zij het in veel mindere mate, zal in de volgende paragraaf afzonderlijk worden besproken Vermindering van de corrosiebestendigheid ten gevolge van het lassen Bij het lassen van roestvaste staalsoorten kan onder bepaalde omstandigheden vermindering van corrosiebestendigheid optreden. De belangrijkste corrosievormen en de beïnvloeding daarvan door het lassen zullen hieronder kort worden besproken. Putcorrosie Deze vorm van corrosie treedt vooral op wanneer het milieu halogeenionen (en in het bijzonder chloorionen) bevat. De aantasting begint op bepaalde plaatsen aan het oppervlak, met name op die plaatsen waar defecten of onregelmatigheden aanwezig zijn. Nadat in het oppervlak een gaatje is ontstaan, wordt het onderliggende materiaal opgelost en ontstaat er een uithollingspatroon, zoals schematisch is weergegeven in figuur 7.9. Lasverbindingen zijn in het algemeen gevoelig voor putcorrosie in verband met de ruwheid en onregelmatigheid van het oppervlak. Door polijsten van het o~ kan putcorrosie worden tegengegaan. Ook lege~n met molybdeen heeft een positief effec!: ---

185 Lassen van roestvast staal 183 oxydehuid I I L -1 Figuur 7.9. Schematische voorstelling van het mechanisme van putcorrosie. Spleetcorrosie Wanneer in een constructie nauwe spleten voorkomen, die toegankelijk zijn voor een corrosief milieu, kan in die spleten versnelde aantasting optreden. Deze vorm van corrosie wordt spleetcorrosie genoemd en kan ook bij lasverbindingen een belangrijke rol spelen. Hierbij kan bijvoorbeeld worden gedacht aan spleten die ontstaan bij een niet doorgelaste staande kant van een Y-naad, een eenzijdig uitgevoerde hoeklas, of een eenzijdig gelaste overlapnaad (zie figuur 7.10). Ook het gebruik van onderleg strippen kan tot spleetcorrosie leiden. Het mechanisme van spleetcorrosie berust op een gebrek aan doorstroming, waardoor geen nieuwe oxydehuid kan worden gevormd. Maatregelen tegen spleetcorrosie zijn voor het grootste deel van constructieve aard. Bij het lassen moeten srleten wqrd.ë,.n voo~~~n door ~Q!k.<!!g_~~_<?_~l~~sen, het t~eezijdig uitvoeren van h~e-2ver~e!~~!.ly'~_~et ~e~ijq~~_\,an onderlegstrippen. Spanningscorrosie Spanningscorrosie kan optreden bij aanwezigheid van: - trekspanningen in het materiaal; - chloorionen in het milieu. Het verschijnsel manifesteert zich in de vorm van scheurvorming. De scheuren die ontstaan kunnen zowel interkristallijn als transkristallijn verlopen. Ze staan in het algemeen loodrecht op de spanningsrichting en vormen meestal een wijd vertakt netwerk. Een voorbeeld van een dergelijk netwerk is gegeven in figuur Gebleken is dat vooral austenitische roestvaste staalsoorten gevoelig zijn voor deze corrosievorm.

186 184 Las technologie Figuur Spleten in lasverbindingen. Voor het mechanisme van de scheurvorming bestaat geen algemeen aanvaarde verklaring. Spanningscorrosie komt vooral vo~!:-ijule..~j.!![ _~~_r0.!ljl"y.~[1?!?dingen, om~~_ ~ de ~p de aanwezigh~id ~~.. t~~~s.p~!lgit}.genj~~e~tal grootis.-men kan het gevaar van spanningscorrosie ven:!!!.qq~r~1ldqor het toevoegen van molybdeen,ooor het verlagen van het kooïst~igehalte en door spannings~gïoêien.-- Interkristallijne corrosie Roestvaste staalsoorten bevatten in het algemeen kleine hoeveelheden koolstof in oververzadigde toestand. Door verhitting tussen 450 oe en 850 oe kan deze koolstof in de vorm van chroomcarbiden worden uitgescheiden. Deze uitscheiding vindt bij voorkeur plaats aan de korrelgrenzen (figuur 7.12), omdat chroomcarbiden incoherent zijn met de matrix en kiemvorming dus aan de korrel grenzen het makkelijkst verloopt. Door de uitscheiding wordt er chroom aan de matrix onttrokken. Aangezien de diffusiesnelheid van chroom veel lager is dan die van koolstof, zal in eerste instantie vooral de directe omgeving van de korrelgrenzen armer aan chroom worden. Daalt het chrilll_mgehaite beneden de grens van 12% dan zal dit aanleiding kunnen g~terkrisii1ti]rie-corrosle"het zij~ ~Qg!al de -._-'--.~ - ~-- -.,-~~-._._-..,. "-~- "-'-" " ' -'~~--'--- :--

187 /,.' Lassen van roestvast staal 185 Figuur 7. ". Scheurvorming ten gevolge van spanningscorrosie. austenitische...!)'pen (en dan nog in het bijzonder die typen die een relatief laag chroo~geh~~_~ebben), die gevoelig zijn voor deze vorm van aantasting: _._----- Er zijn verschillende mogelijkheden om de gevoeligheid voor interkristaiiijne corrosie te verminderen. Het meest voor de hand ligt het koolstofgehaite te.-._.. --'-. verlagen. Voorbeelden van austenitische typen met een relatief laagl(oolstofgehalte zijn AIS I 304L en AISI 3l6L met maximaal 0,03% koolstof. Een andere mogelijkheid om interkristallijne corrosie tegen te gaan is stabiliseren, dat wil zeg~j!.et binden_~.an ~c::.~~~l.~~?t _~()o~ ~lementen~ie een grotereaffi~it~""flo{ koolstof he~g.an chr.oq~. Hiervoor worden meestal niobium of titaan gebruikt. Voorbeelden van gestabiliseerde austenitische staalsoorten zijn AISI 321 en AISI 347. Op grond van het voorgaande mag worden verwacht dat interkristallijne corrosie vooral zal (kunnen) optreden in de buurt van lasverbindingen.

188 186 Lastechn%gie Figuur Chroomcarbiden op de korre/grenzen van austenitisch roestvast staal. ( Tijdens het lassen wordt een smalle zone verhit in het kritische temperatuurgebied (450 C C). Hoewel de verblijf tijd maar kort is, kan toch het ontchromingsext~~t (in dit gevallasbederf genoemd) optreden. -- Om lasbed~~~ tegruuï verdiènt het aanbeveling in veel lagen te lassen, omdat hierdoor de kans op de vorming van chroomcarbide afneemt. Voorts dient voorwarmen te worden vermeden, terwijl een zo laag mogelijke 'interpass'-temperatuur moet worden aangehouden. Lasbederf kan worden opgeheven door de gevormde chroomcarbiden weer in oplossing te brengen. Dit kan worden gerealiseerd door oplosgloeien tussen 1020 C en 1150 C, gevolgd door snelle afkoeling. Er bestaan verschillende proeven om de gevoeligheid voor lasbederf te bepalen. De meest bekende zijn de Strauss-proef en de Huey-proef. Bij de Strauss-proef wordt het te beproeven materiaal 24 uur in een kokende oplossing van kopersulfaat en zwavelzuur gehouden. Na afloop wordt de gevoeligheid voor lasbederf vastgesteld aan de hand van een buigproef. Bij de Huey-proef wordt het proefmonster 48 uur in kokend salpeterzuur (65%) gehouden, waarna de gewichtsafname wordt bepaald.

189 "'-"-'W" R IIIN I j I L,!I!!!ti,,","'_.. ttter W,'",W...!OW'W""( Lassen van roestvast staal Lasverbindingen tussen staalsoorten van verschillende samenstelling (zwart-wit verbindingen) Wanneer gelegeerde staalsoorten van verschillende chemische samenstelling aan elkaar moeten worden gelast, doet zich het probleem voor van de keuze van het toevoegmateriaal. Bepalend voor deze keuze zijn de eigenschappen die van de lasverbinding en in het bijzonder van het lasmetaal worden geëist. Hoewel geen algemeen geldende voorschriften zijn te geven, wordt bij het lassen van ferritisch staal aan ferritisch staal in de regel gebruik gemaakt, ofwel van toevoegmateriaal waarvan de samenstelling overeenkomt met die van het laagst gelegeerde staal, ofwel van austenitisch toevoegmateriaal. Bij het lassen van austenitisch staal aan ferritisch staal wordt bijna altijd austenitisch toevoegmateriaal toegepast. {Een belangrijk probleem dat zich bij lasverbindingen tussen staalsoorten van verschillende samenstelling kan voordoen, is diffusie van koolstof van de warmtebeïnvloede zone naar het lasmetaal of omgekeerd1deze diffusie treedt op wanneer de warmte-beïnvloede zone en het lasmetaal verschillen in chroomgehalte (chroom heeft een grotere affiniteit voor koolstof dan ijzer), en/of in kristallografische structuur (koolstof lost beter op in austeniet dan in ferriet). Door de diffusie van koolstof zal plaatselijk ontkoling/opkoling optreden, hetgeen in het algemeen gepaard gaat met een verandering van de mechanische eigenschappen. Het hier gesignaleerde effect treedt niet alleen op bij het lassen, maar speelt ook een rol wanneer de lasverbinding een warmtebehandeling ondergaat, of aan hoge bedrijfstemperaturen wordt onderworpen. Bij het aan elkaar lassen van staalsoorten van verschillende samenstelling is het van belang de microstructuur van het 1 as metaal te kunnen voorspellen. Hiervoor kan weer gebruik worden gemaakt van het Schaeffler-diagram of het De Longdiagram. Dit zal aan de hand van het volgende voorbeeld worden gedemonstreerd (zie figuur 7.13). Stel roestvast staal van het type AISI 410 (chroom-equivalent 13,75; nikkelequivalent 2,8; punt MI in figuur 7.13) wordt door middel van lassen verbonden met ongelegeerd staal (0,2%C 1,0% Mn; punt M2 in figuur 7.13), waarbij gebruik gemaakt wordt van toevoegmateriaal van het type AISI 309 (chroomequivalent 23,75; nikkel-equivalent 14,25; punt T in figuur 7.13).

190 JII"M*i' i! Lastechnologie 40~--~---r--~---'r---r ~---'----r---ï 32 ê ::E?fl. 24 )( In o' + (J ~ 16 o M + Z ~ 8 c O> Z CreQ (%Cr + %Ma + 1.5x %Si + 0.5x %Nb) Figuur Toepassing van hetschaeffler-diagram bij het lassen van staalsoorten van verschillende samenstelling. Wanneer beide laskanten in gelijke mate afsmelten dan heeft het gesmolten mengsel van de beide staalsoorten een samenstelling, aangegeven door het punt M, halverwege MI en M2. De samenstelling en structuur van het uiteindelijke lasmetaal wordt nu gegeven door een punt L op de verbindingslijn MT. Aannemende dat de opmenging 25% bedraagt ligt L op één vierde gedeelte vanaf T. Opgaven 7.1. Wat wordt verstaan onder het chroom-equivalent en onder het nikkelequivalent? Geef met behulp van een schets aan wat het belang is van het Schaefflerdiagram. Wat is het verschil tussen het Schaeffler-diagram en het DeLong-diagram? 7.2. a) Wat verstaat men onder lasbederf? b) Hoe kan men het optreden van lasbederf tegengaan? c) Hoe kan men de gevoeligheid voor lasbederf bepalen?

191 Lassen van roestvast staal 189 Literatuur Castro, R.J. en de Cadenet, J.J., Welding Metallurgy of Stainless and Heat Resisting Steels, Cambridge University Press, Cambridge, Davies, A.C., The science and practice of welding, 8th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, Easterling, K.E., Introduction to the Physical Metallurgy of Welding, Butterworths & Co. Ltd., London, Granjon, H., Fundamentals ofwelding Metallurgy, Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, Kou, S., Welding Metallurgy, John Wiley & Sons, New York, Lancaster, J.F., Metallurgy of Welding, 4th Edition, George Allen & Unwin, London, Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 6: Welding, brazing and soldering, American Society for MetaIs, Cleveland, Welding Handbook 7th Edition, Vol. 4: Metals and their Weldability, American Welding Society, Miami, 1982.

192 190 8 Lassen van aluminium 8.1. Eigenschappen van aluminium Aluminium en aluminiumlegeringen* worden, dankzij een aantal specifieke eigenschappen, in toenemende mate toegepast als constructiemateriaal. Kenmerkend voor aluminium zijn de hoge sterkte/gewichtsverhouding en de goede corrosiebestendigheid. Daarnaast bezit aluminium de kubisch vlakken gecentreerde (k.v.g.) structuur, hetgeen gepaard gaat met grote taaiheid tot zeer lage temperaturen. Aluminium in zuivere vorm heeft een relatief lage sterkte en is in verband hiermee minder geschikt als constructiemateriaal. De_.sterIqe van aluminium_kan w<mien,:,~!:.h.~~gd door koudveryormen. Ook kan de sterkte worden opgevoerd door gebruik te maken van legeren. De meest gebruikte legeringselementen zijn Cu, Mg, Mn, Si en Zn. Toevoegen van Mg, Mn en Si (alleen of in combinatie) leidt tot oplosharding, terwijl toevoegen van Cu, Mg, Si en Zn (als gevolg van de toenemende oplosbaarheid bij stijgende temperatuur) precipitatieharding mogelijk maakt. Aluminiumlegeringen kunnen worden aangeduid door middel van het symbool Al, gevolgd door de symbolen van de hoofdelementen met de percentages daarvan (tot maximaal 10%). Meestal wordt echter gebruikt gemaakt van de Amerikaanse aanduiding, gebaseerd op een viercijferige code. Het eerste cijfer geeft het belangrijkste legeringselement aan, de drie andere cijfers geven een verdere specificatie. De vier cijfers kunnen nog worden gevolgd door een letter/cijfercombinatie die de ondergane behandeling aangeeft. Voor een gedetailleerde beschrijving van de aanduidingscode wordt verwezen naar de literatuur. Van de fysische eigenschappen die een rol spelen bij het lassen, moeten worden genoemd de grote warmtegeleiding en de grote lineaire uitzettingscoëfficiënt. Ter illustratie zijn in tabel 8.1 deze grootheden gegeven voor aluminium en ijzer. * Wanneer in dit hoofdstuk sprake is van aluminium wordt bedoeld aluminium en aluminiumlegeringen.

193 Lassen van aluminium 191 Tabel 8.1. De warmtegeleidingscoëfficiënt en lineaire uitzettingscoëfficiënt van aluminium en ijzer bij kamertemperatuur. Warmtegeleidingscoëfficiënt (W/cm K) 2,4 0,8 Lineaire uitzettingscoëfficiënt (1/K) 23,1 x ,8 x 10-6 De grote warmtegeleiding van aluminium heeft tot gevolg dat bij het lassen een grote w!..,rmte-inbreng (hoeveelheid ingebrachte warmte per lengte-eenhwl van d~ l,as) noodzakelijk is. Soms moet om de warmte-afvoer te beperken worden voorverwarmd. De grote lineaire uitzetting kan leiden tot grote krimpspanning, waardoor de kans op scheurvorming toeneemt. Een andere eigenschap die bij het lassen van belang is, is het grote reflecterende vermogen van vloeibaar aluminium. Hierdoor zal vloeibaar aluminium ook bij hoge temperatuur niet de roodachtige kleur krijgen, die zo kenmerkend is voor vloeibaar ijzer en staal, en is het op grond van kleur moeilijk om vast en vloeibaar aluminium van elkaar te onderscheiden. Wat het chemisch gedrag van aluminium betreft is vooral de affiniteit tot zuurstof ".'. ', en stiks~ vae.bclang: In samenhang metdê grote affiniteit tot zuurstof moet worden genoemd de immer aanwezige, goed hechtende en zichzelf herstellende oxydelaag, waaraan aluminium zijn goede corrosiebestendigheid ontleent. Een gevolg van de aanwezigheid van een oxydelaag op het "IQ~jl:>a~~,metaalis de _ 0 ' ' ".. - "-- noodzaak om in het geval van l'ig-lassen~~~~lstr.o.q..'!l te gebruik~n (zie 1.7) _.. _-----_.-... _- _. ~ lasbaarheid van aluminium AI --_.. Voor het verbinden van aluminium is een groot aantal technieken beschikbaar, zoals klinken, lijmen, solderen en lassen. Welke verbindingstechniek in een bepaalde situatie wordt toegepast hangt in het bijzonder af van de chemische samenstelling, de leveringstoestand en de specifieke eigenschappen van het materiaal. Voor constructieve toepassingen wordt vooral gebruik gemaakt van booglassen, met name van het TIG- en het MIG-lasproces. Bij het lassen kunnen zich verschillende problemen voordoen die de lasbaarheid beperken. De belangrijkste van deze problemen zullen hieronder beknopt worden besproken. Poreusheid Ondanks de gasbescherming kunnen tijdens het lassen gassen uit de omgeving de boog binnendringen en vervolgens in het vloeibare metaal worden opgenomen. Fe

194 . ~_.. - _'f 192 Lastechnologie Zuurstof en stikstof zullen direct' met aluminium reageren en grotendeels als oxyde/nitride in de slak terechtkomen. Waterstof reageert niet met aluminium en kan aanleidine. g~"-~l! ~9J porievonning. De ponevoïîning iseendirectgevoïg van het discontinue verloop van de oplosbaarheid bij het smeltpunt (zie paragraaf 5.4), waardoor bij het stollen aan het stolfront waterstof wordt uitgestoten (van het gestolde metaal naar de vloeistof). Onder bepaalde omstandigheden zullen hierdoor gasbellen ontstaan die gedeeltelijk naar het oppervlak opstijgen en daar verdwijnen en gedeeltelijk word~n ingevroren. Waterstof ontstaat door dissociatie in de boog van water en andere waterstofhoudende verbindingen, zoals olie, vet en verf. Water is meestal afkomstig uit de vochtige lucht en uit de vochthoudende oxydelaag. Vooral de toevoegdraad is in verband met de ongunstige oppervlak! volume verhouding een potentiële bron van water. ( De belangrijkste invloed van poriën op de mechanische eigenschappen is een vermindering van de sterkte vanwege de kleinere effectieve doorsnede. In verband met de afgeronde vorm hebben poriën in het algemeen geen significante invloed op taaiheid en vermoeiingseigenschappen. ) ( Porievorming tijdens het lassen kan worden tegengegaan door het zorgen voor een goede gasbescherming, het zorgvuldig reinigen van werkstuk en lasdraad (eventueel verwijderen van de oxydehuid) en door het kiezen van lasparameters die een langzame afkoeling tot gevolg hebben. ) Scheurvorming Een gevreesd verschijnsel dat bij het lassen van aluminium kan optreden, is warmscheuren. Onderscheid kan worden gemaakt tussen twc?~:u~p~n _ warmscheuren: stolscheuren en smeltscheuren (zie paragraaf 6.5). Di:kan~.oILbe.tQ!!!~~~!l_Y..l:I:D: ~tolscheuren is vooral aanwezig bij aluminiumlegeringen die een groot stoltrajeèihebben. ÀluÏniniumlegeringen-diê-gevOêIîg zijn vóór;toisëbeiireö--;~~d~~ d~m 'meestal gelast met toevoegmateriaal van andere (minder gevoelige) chemische samenstelling. Het optreden van smeltscheuren kan worden tegengegaan door gebruik te maken van toevoegmateriaal met een relatief laag smeltpuntlsmelttraject. Mechanische eigenschappen Bij het lassen van aluminiumlegeringen, die hun sterkte ontlenen aan oplosharding, ontstaat een lasverbinding die qua mechanische eigenschappen gelijkwaardig is aan het moedermateriaal. Geheel anders is de situatie bij het lassen van koudvervormd en precipitatiegehard aluminium. Het -=----- lassen - van _. _._-- koudvervormde.. - _ _-_... legeringen zal tot gevolg hebben dat de deformatie.w..,..._.. ~

195 Lassen van aluminium 193 ~~rm.!~~~~~~~~~~~_.2:9ij~_keq~~!!~lij~ yerdwijnt, w.~~~~?9r_ een,zach_~e. zone ronc.lo~ de las_ ontstaat (figuur 8.1). Tegen deze achteruitgang in hardheid is in het algemeen weinig te doen, hoewel soms enige verbetering kan worden verkregen d~reen f!1echanische behandeling na het lassen. 45 al J: "0 'iii.i:. "0....I:. '" o afstand tot midden van las (mm) Figuur De hardheid als functie van de afstand tot het midden van de las bij een lasverbinding in koudvervormd aluminium. Bij het lassen van precipitatiegeharde legeringen zullen direct naast de las de precipitaten oplossen, terwijl op wat grotere afstand grove precipitaten worden gevormd (oververoudering). Ook hierdoor zal een zachte zone rondom de las ontstaan (zie figuur 8.2). Hoewel in de praktijk moeilijk uit te voeren, kan de 140r , ~120 "0 ] 100 "0....'".I:. 80 t afstand tot midden van las (mm) Figuur 8.2. De hardheid als functie van de afstand tot het midden van de las bij een lasverbinding in precipitatiegehard aluminium.

196 194 Lastechnologie vermindering van de hardheid in dit geval in principe worden tenietgedaan door een warmtebehandeling gevolgd door verouderen. Opgave 8.1. Geef een korte beschrijving van de problemen die bij het lassen van aluminium-legeringen kunnen optreden? Literatuur Davies, A.C., The science and practice of welding, 8th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, Klock, H. en Schoer, H., Schweissen und Löten von Aluminiumwerkstofe, Deutscher Verlag für Schweisstechnik, Düsseldorf Kou, S., Welding Metallurgy, John Wiley & Sons, New York, Lancaster, J.F., Metallurgy ofwelding, 4th Edition, George Allen & Unwin, London, Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 6: Welding, brazing and soldering, American Society for Metals, Cleveland, Welding Handbook, 7th Edition, Vol. 4: Metals and their Weldability, American Welding Society, Miami, 1982.

197 j I I i i i i 11 i i i, i i i Ii i i i i"! i1 j! 195 Appendices

198 196 A. Lastypen stompe las B. Naadvormen I-naad oplassing halve V-naad ~ ~ liggende hoeklas V-naad V-naad met ~ ~ staande kanten staande hoeklas V-naad met onderlegstrip buitenhoeklas U-naad K-naad overlaplas X-naad

199 .. i I ir.. f i I "i.rl lil 197 C. Lasposities (met codering) 1 G 2G 3G 4G LU / 8~O'~ 5G 6G 1 F 2F 3F 4 F

200 198 D. Normen op lasgebied De tussen haakjes geplaatste normen betreffen normen in ontwerp. NEN 1131 NEN 1322 (NEN 2061) NEN2062 (NEN 2063) NEN2064 NEN 2512 NEN 2513 NEN2517 NEN2755 NEN2756 NEN3083 (NEN 3304) NEN3309 (NEN 3315) NEN 3316 NEN 3358 NEN NEN-ISO 1071 NEH-ISO 2401 HEH-ISO 2560 NEN-ISO 3580 NEN-ISO 3581 NEN-ISO 4063 NEN-ISO 6520 NEN-ISO 6947 (EN 169) NPR-EGKS 2 (mededeling 2) Controlas Hardsoldeer Zachtsoldeer Lassen, smeltlassen van staal met de hand. Eisen en methoden voor de vakbekwaamheidstoetsing. Booglassen. Het berekenen van gelaste verbindingen in ongelegeerd en zwak gelegeerd staal tjm Fe 510, die overwegend statisch worden belast. Booglassen. Zie NEN 2062, echter voor op vermoeiing belaste verbindingen. Definities van lasbaarheid en las- en soldeerprocessen. Radiografisch onderzoek van lasverbindingen in staal. Röntgenonderzoek van lasverbindingen in aluminium, magnesium en hun legeringen. Radiografisch onderzoek van lasverbindingen in staal. Minimum beeldkwaliteitswaarden. Technische tekeningen. Symbolen voor lasverbindingen. Technische tekeningen. Aanduiding van lasverbindingen door middel van symbolen volgens methode A. Elektrisch lassen. Booglassen met de hand. Richtlijnen voor lastangen. Elektrisch booglassen en aanverwante technieken. Regels voor veilig gebruik van de uitrusting. Lastransformatoren voor industrieel gebruik. Elektrisch booglassen en aanverwante technieken. Bijzondere veiligheidsbepalingen voor de installatie van de uitrusting. Lasgelijkrichters. Kleine lastransformatoren voor beperkt bedrijf. Thermische toepassingen. Benamingen. Het gebruik van symbolen voor identificatie van beklede elektroden voor het booglassen met de hand van gietijzer. Beklede elektroden - Bepaling van het elektroderendement, het procesrendement en de neersmeltcoëfficiënt. Beklede elektroden voor het booglassen met de hand van ongelegeerd en laaggelegeerd staal - het gebruik van symbolen voor identificatie. Beklede elektroden voor het booglassen met de hand van kruipvaste staalsoorten het gebruik van symbolen voor identificatie. Beklede elektroden voor het booglassen met de hand van roestvaste en andere soortgelijke hooggelegeerde staalsoorten - het gebruik van symbolen voor identificatie. Lassen, hardsolderen, soldeerlassen en zachtsolderen van metalen, lijst van processen voor lassymbolen op tekeningen. Indeling en verklaringen van onvolkomenheden in smeltlassen in metalen. FundamentaI welding positions - Definitions and values of angles of slope and rotation for straight weids for these positions. Ned. vertaling eind Oogbescherming. Filters voor lassen en aanverwante technieken. (Engels). Lasbare fijnkorrelstaalsoorten - adviezen voor het verwerken, speciaal voor het lassen. Regels voor de keuring van lastoevoegmaterialen.

201 ~ , 199 E. Organisaties op lasgebied Nederlands Instituut voor Lastechniek Het Nederlands Instituut voor Lastechniek (N.I.L.) heeft als doelstelling het bevorderen van de kennis van en de ervaring met de lastechniek en aanverwante technieken. Het N.I.L. tracht deze doelstelling te bereiken door het ontplooien van activiteiten op het gebied van - onderzoek; - onderwijs; - voorlichting. Het N.I.L. is ontstaan uit een fusie van de in 1934 opgerichte Nederlandse Vereniging voor Lastechniek en het uit 1952 daterende Centrum voor Lastechniek. Het N.I.L. is een onafhankelijke stichting met een eigen bestuur en werkt ten nauwste samen met het bedrijfsleven, onderwijsinstellingen, de overheid en TNO. International Institute of Welding Het Internationallnstitute of Welding (HW), opgericht in 1948, is een internationale organisatie die als doelstelling heeft het bevorderen van de lastechniek in de breedste zin van het woord. Bij het HW zijn op dit ogenblik 35 nationale lasorganisaties aangesloten, waaronder het N.I.L. De activiteiten van het HW zijn opgesplitst in de volgende deelgebieden: - Joining, cutting and surfacing by therm al processes; - Arc welding; - Resistance welding and related welding processes; - High energy density welding; - Testing, measurement and control of weids - Terminology; - Health and safety; - Behaviour of metais subjected to welding; - Residual stresses and stress relieving. Brittie fracture; - Pressure vessels, boilers and pipelines; - Flux and gas shielded e1ectrical welding processes; - Fatigue of welded components and structures; - Welding instruction; FundamentaJs of design and fabrication for welding; - Welding of plastics. I I,I F. Afkortingen AISI AWS CE CTOD DIN FN GMAW GTAW HAZ IIW ISO _i_iiiwi, liillliiiilt,ii i American Iron and Steel Institute American Welding Society Carbon Equivalent Crack Tip Opening Displacement Deutsche Industrie Norm Ferrite Number Gas Metal Arc Welding Gas Tungsten Arc Welding Heat Affected Zone International Institute of Welding International Organisation for Standardization MAG MIG NDO NEN NIL OP SAW SMAW TIG WBZ Metal Active Gas Metal Inert Gas Niet-Destructief Onderzoek Nederlandse Norm Nederlands Instituut voor Lastechniek Onder Poeder Subrnerged Arc Welding Shielded MetaJ Arc Welding Tungsten Inert Gas Warmte-Beïnvloede Zone

202

203 I ':!3i~.'''.~ ''_IQ'l:aIllIJtn,r-r,-rrO----"1Ir"'"l---,-"T-",'-r,---,iC)"J""ti,:rnIIIUlriJ".. _MI'IIM,TW,.i *'II"'M_n,...,ilT"i'1r".. ~.,... _rilm""i."&-"'it!l 201 Index I i i,1 I! 1 Atbrandstuiklassen 76 afkoelsnelheid III afkoeltijd 112 air-arc snijden 104 aluminiumlegeringen 190 anode 34 anodevalgebied 18, 34, 48 anodevlek 34 austeniteerparameter 154 austenitisch roestvast staal 175, 178 autogeen lassen 78 autogeen snijden 100 Beklede elektroden 44, 142 beschermgas 46 bevochtiging 94 bindingsfouten 46, 132 bliksem 15 booglengte 38 boogontlading 15 boogsnijden 103 boogvorm 17 boogzui118 Capillaire werking 94 cast-to-cast variations 116 CCT-diagram 154 centreline cracks 160 chroom-equivalent 180 C0 2 1aser 85 CO 2 -lassen 45 codering 149 codering beklede elektrode 151 competitieve groei 121 constitutionele onderkoeling 122 constructieve lasbaarheid 133 contactbuis 44 contacte1ektrode 149 corrosiebestendigheid 182 De Long-diagram 181 decohesie-model168 deformatiestructuur 127 delayed cracking 163 diffusielassen 89 dissociatie 23 dissociatie-energie 24 dissociatiegraad 24 doordruklassen 75 doorslag 35 drie-dimensionale warmtestroming 110 druklassen 11 drukstuiklassen 75 druppelovergang 51 Eénlagenlas 38 eggert-saha vergelijking 21 elektrisch geleidingsvermogen 27 elektrische geleiding 25 elektrode-codering 151 elektrodebekleding 43 elektroderendement 149 elektromagnetische kracht 31, 114 elektronenbundellassen 88 elektronenstroom 25 elektronentemperatuur 19 elektroslak lassen 77 energiebalans 20, 48 epitaxiale groei 121 eutectic healing 160 executieve lasbaarheid 133 explosielassen 83 Ferrietgetal 182 Ferrite Number 182 ferritisch roestvast staal 174, 177 Fick 90 fijnkorrelige zone 157 Gas laser 85 gasontlading 15 gasopname 119 gastemperatuur 19 gedeeltelijk gesmolten zone 126 gedeeltelijk getransformeerde zone 157 getemperde zone 157 gevulde draad 44 gietstructuur 121 glimontlading 15,36 grofkorrelige zone 156

204 Lastechnologie Hardheid 159, 194 hardingsstructuur 166 hardsolderen 97 hechten 130 hoog-frequent lassen 76 hoogfrequent -ontsteking 37 Huey-proef 186 Insluitsel 132 interkristallijne corrosie 184 International Institute of Welding 199 interpass-temperatuur 142 ionenstroom 25 ionisatie 21 ionisatie-energie 21 ionisatiegraad 21 Joule-verhitting 57 Joule-warmte 73 Kathode 32 kathodevalgebied 18,32,48 kathodeverhitting 37 kathodevlek 33 kerfslagtaaiheid 141 koolstofequivalent 167 korrelgrensferriet 153 korrelgroei 127 kortsluitbooglassen 46 koudscheuren 162 koudvervormd aluminium 193 krimp 128 kritische plaatdikte 112 Laaggelegeerd staal 139 lamellaire scheuren 169 lamellar tearing 169 lasbaarheid 133, 159 lasbad 38, 113 lasbederf 127, 186 lasdefect 131 laser lassen 84 laser snijden 104 laslens 74 lasmetaal 151 lasopbouw 130 laspositie 149, 197 lasproblemen 159 lassen met beklede elektrode 43 lastypen 196 lasverbinding 120 lasvolgorde 130 liquation cracks 162 Lorentz 61 Lorentz stroming 115 Lorentzkracht 32,51 luchtlasdraad 45 MAG-lassen 45 magnetisch roeren 62 magnetische blaaswerking 62 magnetische effecten 61 Marangoni stroming 115 martensiet 154 martensitisch roestvast staal 174, 177 massieve draad 44 materiaaltransport 50 meedagenlas 38 metallurgische lasbaarheid 133 MIG-lassen 45 MIG/MAG werkgebieden 54 MIG/MAG-lassen 44 Naadvorm 196 naaldferriet 154 naleveringsdoorslag 36 nationale normen 151 Nederlands Instituut voor Lastechniek 199 neersmeltsnelheid 57 niet-overdragende boog 43 nikkei-equivalent 180 normen op lasgebied 198 Onder poeder lassen 47 ongelegeerd staal 139 ongemengde zone 126 ontsteking 34 onvolkomen doodassing 132 open-boog lassen 45 opmenging 113 opname van di-atomaire gassen 117 oppervlaktespanning 115 organisaties op lasgebied 199 over-ageing 127 overdragende boog 43 oververoudering 127 oxy-arc snijden 103 Paschen-kromme 36 perliet 154 piektemperatuur 111 plasma 18 plasma snijden 103 plasma-lassen 41 plasmajet 31 plasmastraal 42

205 Index 203 : plasmastroming 31, 115 plastische deformatie 129 Poisson 18 polygonaal ferriet 154 poreusheid 191 poriën 131 precipitatie 127 precipitatiegehard aluminium 193 primaire structuur 121 procedure-proef 134 procesrendement 48 pulserend MIGIMAG-Iassen 54 pulserend TIG-lassen 40 puntlassen 74 putcorrosie 182 Randinkarteling 132 reheat cracking 168 restausteniet 154 restspanning 128 robotisering 65 roestvast staal 173 rollassen 75 ruimtelading 18 ruimteladingsdoorslag 36 Schaeffler-diagram 180 scheuren 131 secundaire structuur 125 sensor 66 Sieverts 119 slak-bad reacties 117 sleutelgat-methode 42 smeltbad 38 smeltlassen 11 smeltrendement 49 smeltscheuren 161 solderen 93 solidification cracks 160 spanningscorrosie 183 spatten 59 spatverliezen 59 spleetcorrosie 183 Stefan-BoItzmann 31 stollingsparameter 124 stolscheuren 160, 178 straling 29 Strauss-proef 186 stroom-spanning karakteristiek 15, 16,64 stroombron 64 structuur van de lasverbinding 151 structuurverfijning 62 substructuur 124 Temperatuurcyclus 107 tertiaire structuur 126 textuur 121 thermiet lassen 80 thermisch snijden 100 thermische emissie 32 TIG-lassen 39 tophoek van de elektrode 40 Townsend-ontlading 15,36 transformatieparameter 154 twee-dimensionale warmtestroming 110 Uitsteeklengte 44 uittree-arbeid 33 uittreepotentiaal 33 ultrasoon lassen 82 Valgebieden 18 vaste-stof laser 84 veldemissie 33 veroudering 127 vloeibaarheid 95 vonk 15 voortloopsnelheid 49 voorwarmen 112, 130 vormlassen 75 vormveranderingen 129 Warmscheuren 160, 178, 192 warmte-beïnvloede zone 127, 155 warmte-inbreng 50 warmtebron 11 warmtegeleiding 28 warmtegeleidingscoëfficiënt 28 warmtetransport 47 weerstandlassen 73 weid decay 127 werkpunt 64 werkstuk 38 wet van Fick 90 wet van Lorentz 32, 61 wet van Poisson 18 wet van Sieverts 119 wet van Stefan-Boltzmann 31 wrijvingslassen 81 Zachtsolderen 96 zijplaatferriet 153 zuiltemperatuur 20 zwart-wit verbindingen 187

206 l r! l

207 - ~------~ ~--~! ~!~~~'~I~j~J!~J!~H~! ~lb~! ~JJ~IW~I~j~!I~!~~ ~

208 materiaalkunde METAALKUNDE, door prof. dr. G. den Ouden en prof.dr.ir. B.M. Koreva., Deze nieuwe metaalkundeboeken zijn in het. bijzonder gericht op het verwerven van kennis van metalen als constructiemateriaal en het maken van een verantwoorde materiaalkauze. In het eerste deel worden de grondslagen van de metaalkunde en de meest voorkomende begrippen besproken. Hierbij worden de belangrijkste metaal structuren en de daaruit voortvloeiende fysische en mechanische eigenschappen van metalen en legeringen behandeld. Verder komen de effecten van plastische vervormingen en van warmtebehandelingen op de structuren en de eigenschappen aan de orde. De bereiding en vormgeving van metalen en legeringen en de effecten daarvan op de constructieve eigenschappen worden kort besproken. Het tweede deel is voornamelijk gericht op de materiaalkeuze bij toepassing van metalen. Eerst worden de produktiemethoden. fasetransformaties en warmtebehandelingen van staal besproken en het belang daarvan voor de toepassingen van staal. Vervolgens wordt een overzicht gegeven van de belangrijkste staalsoorten en hun toepassingsmogelijkheden. Daarnaast wordt aandacht besteed aan de gietijzersoorten en aan aluminium- en koperlegeringen. deel pag. ISBN deel 2, 260 pag. ISBN 9~ (1992) (1992) POLYMEREN van keten tot kunststof prof.dr. A.K. van der Vegt Om de eigenschappen van kunststoffen in de praktijk te kunnen begrijpen is een goede kennis van het gedrag van polymeren onmisbaar, een gedrag dat in een aantal opzichten sterk afwijkt van dat van andere stoffen. In dit boek wordt gepoogd een inzicht te geven in de eigenschappen van polymeren zoals die enerzijds beheerst worden door de moleculaire structuur, en zoals die anderzijds bepalend zijn voor het praktische gedrag van kunststoffen. hetzij in de verwerking, hetzij in de eigenschappen van het eindprodukt. Na een inleiding worden in dit boek behandeld: Moleculaire opbouw Glastoestand en glasrubber overgang kristallijne polymeren Rubbertoestand en vloeibare toestand. Viscoelsticiteit Mechanische eigenschappen Overige eigenschappen (thermische-. elektrische-. optische eigenschappen. milieu-invloeden. spanningscorrosie. diffusie en permeabiliteit) Samengestelde kunststoffen Materiaalgegevens Vormgeving (gieten en persen, spuitgieten. kalanderen en extruderen, vormgeving halffabrikaten, vormgeving samengestelde kunststoffen). 240 pag., ISBN 9~562-13()'X (1992) NIET-DESTRUCTIEF ONDERZOEK door drs. W.J.P. Vink en ing. N.H.R. Versluis Dit boek biedt een overzicht van de nietdestructieve methoden, die voor het onderzoek van metalen beschikbaar zijn. Er zijn hoofdstukken in opgenomen over visuele inspectie, magnetisch onderzoek, penetrant onderzoek, wervelstroom onderzoek, ultrasoon onderzoek, radiografie, neutrografie, de persproef. lekdetectiemethoden, akoestische emissie, thermische inspectiemethoden. holografische interferometrie, de moirémethode, scheurdieptemetingen, laagdiktemetingen, vibratieanalyse, microgolfstraling. Voorts is er een hoofdstuk met een korte behandeling van diverse andere methoden. Het boek wordt afgesloten met hoofdstukken over de organisatie van het n.d.o., de veiligheid en de beoordeling van het onderzoeksresultaat. Het boek is rijk gemustreerd. 328 pag., ISBN 9~ (1992) LASTECHNOLOGIE door prof.dr. G. den Ouden Voor het duurzaam verbinden van materialen is in de loop der tijden een groot aantal methodes en technieken ontwikkeld. Solderen, lijmen, en lassen zijn bekende voorbeelden. die elk een zeer belangrijke rol spelen in de metaalverwerking. Vooral lassen wordt op grote schaal toegepast. Dit boek is bedoeld voor studenten aan technische universiteiten en hogescholen en voor degenen die bij hun werk met het onderwerp te maken hebben. De stof is gegroepeerd in drie delen: processen. metaalkundige aspecten en toepas-singen. In het gedeelte over processen wordt de meeste aandacht besteed aan booglassen, maar ook een reeks andere las processen, solderen en thermisch snijden komen aan de orde. Bij de toepassingen wordt ingegaan op het lassen van ongelegeerd en laag gelegeerd staal. het lassen van roestvast staal en het lassen van aluminium. "AI met al een goed leesbaar studieboek dat in iedere boekenkast thuis hoort" (R.WA van den Berg in Lastechniek van november 1987). "Het boek is overzichtelijk en ademt op een prettige manier deskundigheid uit." (L.J. de Ridder in De Constructeur van juni 1988). 203 pag. ISBN (1993)

209 FRACTURE MECHANICS door ir. H.L. Ewalds en dr. R.J.H. WanhilI In deze behandeling van de breukjeer, die als copublicatie met de Engelse uitgever Edward Arnold is verschenen, zijn de jongste ontwikkelingen in dit vakgebied verwerkt. De onderwerpen die aan de orde komen zijn: spanningsintensiteit, invloed geometrie, vlakke rek- en vlak-spanningstoestand, plastische zönes en scheurtip-opening, de Griffith-Irwin methode, breukmechanismen en breukcriteria, scheurweerstandsbeproeving, scheurweerstand van plaat en van taaie materialen, compliantie, scheur groei onder wisselende belasting en bij spanningscorrosie, scheurweerstand als materiaaleigenschap, praktische toepassingen van het 'fail-safe' principe. Het Bulletin of Electrochemistry sprak van certainly an outstanding contribution from two distinguished scientists engaged in the active field. Engineering students as weil as the practising design engineers would find it most useful. The book provides an excellent background to novel design methods, criteria for material selection, guidelines for acceptance of weid effects and the actual ways in which material behaviour influences the fracture mechanics characterization of crack growth". 304 pag., ISBN 9(} werktuigbouwkunde (1991) WERKTUIGKUNDIGE SYSTEMEN door prof.ir. J.C. Cool Dit boek geeft een algemeen overzicht van de werktuigkunde. Het is geöriënteerd op de systeemleer, waarbij veel aandacht is gegeven aan modelvorming. De optredende interacties tussen krachten en verplaatsingen in werktuigen en tussen werktuigen onderling zijn geanalyseerd. In het boek is eveneens aandacht besteed aan de synthese van werktuigen. Er zijn verschillende methoden aangegeven om goedwerkende constructies te ontwerpen. De hoofdstukken gaan over Systemen. Modelvorming Evenwichten Stabiliteit Mechanische versterkers Spanningen en vervormingen Materialen Comparologie Wrijving en weerstand Veren Energie Aandrijving Dynamische systemen Eenheden. De stof van dit boek ondersteunt colleges aan de Technische Universiteit Delft en kan ook bij andere soorten technisch onderwijs worden gebruikt. De hoofdstukken kunnen grotendeels onafhankelijk van elkaar worden bestudeerd. 344 pag., ISBN (1992) WERKTUIGKUNDIGE SYSTEMEN vraagstukken en antwoorden door prof. ir. J.e. Cool In dit boekje zijn opgaven verzameld over de hoofdstukken Systemen, Modelvorming, Stabiliteit, Mechanische versterkers, Comparologie, Wrijving en weerstand, Veren, Aandrijving en Dynamische systemen van het hiervoor genoemde boek. De vraagstukken zijn voorzien van uitgebreide antwoorden. 62 pag., ISBN 9(} (technische) natuurkunde (1991) INLEIDING MECHANICA door drs. R. Roest Dit boek is in de eerste plaats bestemd voor het propaedeutisch onderwijs aan studenten in de (technische) natuurkunde en aanverwante studierichtingen. Opdat het boek door studenten met verschillend ingangsniveau kan worden gebruikt, is aan de gehanteerde wiskunde (in een appendix) vrij uitgebreid aandacht besteed. Na een inleidend hoofdstuk volgen hoofstukken over de kinematica van puntvormige lichamen, de grondwetten van de dynamica, de vlakke dynamica van een puntmassa, arbeid, energie, impuls en impulsmoment, twee-deeltjes systemen en botsingen, de dynamica van een verzameling puntmassa's, starre lichamen en rotatie om een vaste as, de vlakke dynamica van een star lichaam, relatieve beweging en traagheidskrachten, enige aspecten van de nietvlakke dynamica, het omgekeerd kwadratisch centraal krachtveld, trillingen, lineaire deformaties, vloeistofmechanica, oppervlakteverschijnselen bij vloeistoffen en mechanische aspecten van de relativiteitstheorie. 426 pag., ISBN 9(} (1993) VRAAGSTUKKEN OVER MECHANICA door drs. R. Roest Deze vraagstukkenbundel biedt oefenstof bij bovengenoemd theorieboek en houdt daarbij dezelfde indeling aan. De antwoorden op de opgaven zijn achterin het boek opgenomen. 93 pag., ISBN 9(} (1993) INLEIDING ELEKTRICITEIT EN MAGNETISME door ir. W. Buijze Aan de TU Delft worden voor verschillende faculteiten verschillende colleges Elektriciteit gegeven. Die verschillen betreffen volledigheid en strengheid van het betoog; de keuze hangt af van wat de faculteiten wenselijk of mogelijk achten. In dit boek, dat is opgezet als een studieboek, komen alle onderwerpen uit die colleges aan de orde. Waar nodig wordt een onderwerp op

210 verschillende niveaus van strengheid behandeld. Dit maakt het mogelijk uit de paragrafen steeds die keuze te doen die voor een bepaald college gewenst wordt. De hoofdstukken gaan over: elektrostatische velden in vacuüm elektrostatische velden in diëlektrica elektrische stromen het magnetisch veld van stationaire stromen magnetostatische velden elektromagnetissche inductie de vergelijkingen van Maxwell netwerken. 243 pag., ISBN (1992) VRAAGSTUKKEN ELEKTRICITEIT EN MAGNETISME v.rumeld door ir. W. Buijz. Deze vraagstukkenbundel biedt oefenstof bij 'Inleiding Elektriciteit' en houdt daarbij dezelfde indeling aan. De antwoorden op de vraagstukken zijn achterin het boek opgenomen. 103 pag.. ISBN (1992) INLEIDING THERMODYNAMICA door drs. W.H. Wism.n De aanpak in dit boek is in hoofdzaak klassiek en fenomenologisch. Het is bedoeld als een leerboek op een inleidend niveau. Het is geen handboek. De titels van de hoodstukken zijn: Inleiding Warmteleer De Eerste Hoofdwet De Tweede Hoofdwet. Een andere invoering van de entropie T,S- en H,S-Diagrammen Standaard vermogens- en koel-cycli; andere systemen De thermodynamische potentiaalfuncties De chemische potentiaal Faseovergangen Condensatie van verzadigde dampen De Derde Hoofdwet Mengsels, legeringen en oplossingen Vloeistofmengsels in evenwicht met hun dampen Vormingsenthalpie en reactiewarmte '. Verspreide onderwerpen (Elastische deformatie, de thermodynamica van het rekstrookje, de elektrochemische potentiaal, elektrische elementen en brandstofcellen, transformaties, magnetische arbeid, magnetische koeling) Elektromagnetische straling (temperatuurstraling, straiingstemperatuur, de wetten van Kirchhoff en Lambert, stralingsdruk, de wetten van Stefan-Boltzmann en Wien). 249 pag., ISBN (1992) elektrische en magnetische velden VOOf technici behandeld; daarbij wordt naast de noodzakelijke formules ook aandacht gegeven aan de ontwikkeling van het fysisch inzicht. In een inleidend hoofdstuk wordt een beknopt over-zicht gegeven van de vectoralgebra. Daarna volgen de elektrostatica, de elektrische stromen en magnetische velden, en vervolgens de wetten van Maxwell in integraalvorm. Daarbij komen ook de VOOf de netwerktheorie noodzakelijke wetten van Kirchhoff naar voren. Tenslotte volgen de wetten in differentiaalvorm, waarbij tevens wordt ingegaan op de beginselen van de vectoranalyse. Het boek wordt afgerond met 100 vraagstukken, voorzien van antwoorden. 106 pag., ISBN (1988) BOUWFYSJCA I (inleiding) door de v.kgroep Bouwfy.ic. Dit boek is in de plaats gekomen van het bekende boek van wijlen prof. Kosten. Mocternisering van deze behandeling was dringend nodig, vooral door de gewijzigde inzichten m.b.t. de energiehuishouding en de invoering van de Wet Geluidhinder. De bedoeling van dit boek is inzicht te verschaffen in de grondregels, die bij het ontwerpen van ruimteomsluitende constructies bepalend zijn voor het te verwachten leefklimaat en het daarbij kunnen hanteren van de elementaire basisbegrippen op het gebied van warmte, vocht, ventilatie, akoestiek en licht. Naast het gebruik als collegedictaat bij het bouwfysica-onderwijs aan de TU-Delft is deze handleiding ook zeer geschikt voor gebruik op TH's. 128 pag., ISBN (1993) VRAAGSTUKKEN THERMODYNAMICA v.rz.m.ld door ir. W. Buijz., ddr. E. St.mm... n d... W.H. Wisman Deze bundel vraagstukken volgt de indeling van het bovengenoemde theorieboek. De opgaven zijn voorzien van antwoorden. 58 pag., ISBN 9O x (1992) ELEKTRISCHE EN MAGNETISCHE VELDEN door ir. A. Henderson In dit beknopte boek wordt de theorie van de

211 I 'W'''',,,J!!,

212