Lassen van venturibuizen Super austeniet 254 SMO met Ceweld AA 625 Hoe vindt het lassen van venturibuizen uit het super austenitische roestvaste staal 254 SMO in de praktijk plaats? Theo Luijendijk bezocht de firma Mechanica in Delft en doet verslag. Hij gaat onder meer in op de keuze van het toevoegmateriaal en de lasprocedure om te voldoen aan de gestelde eisen aan de kerfslagwaarde van de lasverbinding. De venturibuizen die het bedrijf Mechanica moest vervaardigen, hadden een inwendige diameter van 200 mm en een wanddikte van 14 mm. In figuur 1 wordt de constructietekening van de venturibuis getoond en zijn de lasverbindingen aangegeven. In verband met de eisen aan de corrosiebestendigheid van de venturibuizen is gekozen voor het super austenitische roestvaste staal 254 SMO. Producent van dit materiaal is de firma AvestaPolarit uit Zweden. Deze fabrikant geeft ook aanbevelingen voor het te kiezen toevoegmateriaal voor deze superaustenitische legering (werkstofnummer 1.4547 of S31254 volgens ASTM). Volgens opgave van de fabrikant kan het beste worden gelast met de volgende draden: Avesta code P12, P12-0 Nb en P54. De eerste twee draden kunnen zowel TIG als MIG als onder poeder worden verlast. De draad P54 is niet geschikt voor het onder poeder lassen. De samenstelling van de genoemde draden is in tabel 1 opgenomen. Er wordt dus geadviseerd om met draden op nikkelbasis te lassen. De samenstelling van draad P12 stemt goed overeen met de nikkellegering Inconel 625 of NiCr20Mo9Nb. De keuze van het lastoevoeg- Figuur 1 - Constructietekening van de venturibuis (bron: Mechanica te Delft). materiaal bepaalt de mechanische eigenschappen van de lasverbinding (zie tabel 2). Liquiation cracking Nikkellegeringen zijn gevoelig voor warmscheuren. Warmscheuren kunnen in de las ontstaan door de vorming van laagsmeltende verbindingen, meestal verbindingen met zwavel. Schoon werken, het beperken van lasspanningen, het lassen met een lage warmte-inbreng en het handhaven van een lage interpass temperatuur zijn methoden om warmscheuren zo veel mogelijk te voorkomen. Warmscheuren en laagsmeltende verbindingen aan de kristalgrenzen zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. Laag smel- tende fasen zijn ook eutectica en als er een geringe hoeveelheid aanwezig is, kunnen deze eutectica eveneens voor warmscheuren zorgen. In het geval van het lassen van super austenitische roestvaste staalsoorten met nikkellegeringen met een hoog niobiumgehalte kunnen warmscheuren ont- staan doordat nikkel en ijzer met niobium laagsmel- tende verbindingen vormen. In het ijzer-niobium toe- standsdiagram is er een eutecticum bij een tempera- tuur van 1373 C bij een niobiumgehalte van onge- veer zeventien gewichtsprocenten. In het nikkel-niobium systeem is er een eutecticum bij circa vijftig gewichtsprocenten niobium bij een temperatuur van 1170 C. Warm- scheuren in een super austenitisch roestvast staal zullen daarom gezocht moeten worden in de omgeving van de smeltlijn. Daar is de kans op de vorming van laag smeltende het grootst. niobiumverbindingen Lastechniek april 2005 29
In figuur 2 wordt een voorbeeld gegeven van een kleine warmscheur die dicht aan de smeltlijn in de las is ontstaan. De warmscheur, met een breedte van zo n 1 mm, is ontstaan in de sluitlaag van de lasverbindingen. Het betreft hier een dwarsdoorsnede van de las. Hoe groot de lengte is van de las is derhalve onbekend. Links in het midden van de foto zijn aan de smeltlijn nog twee kleine scheurtjes te zien. De scheuren lopen vanuit de las door in het basismateriaal. Dat de scheur doorloopt in het basismateriaal is bijna altijd het gevolg van het binnendringen van vloeibaar metaal langs de korrelgrenzen. Aan de korrelgrens blijft het materiaal langer vloeibaar en bij het afkoelen van de lasverbinding ontstaat een scheur. De scheur wordt dus gevormd aan de smeltlijn in het basismateriaal en loopt daarna door tot in de las. Een dergelijke vorm van warmscheur wordt een smeltscheur genoemd. In de Engelstalige literatuur spreekt men van liquiation cracking. Een fraai voorbeeld van liquiation cracking wordt in figuur 3 getoond. Er is relatief lang geëtst, waardoor de smeltlijn heel erg donker is geworden. Kleine dendrieten zijn in de las en aan de smeltlijn nog net zichtbaar. Heel goed is te zien dat de scheur in het basismateriaal is ontstaan aan de smeltlijn. Lasprocedure Gebruikelijk is om bij een wanddikte van 14 mm te kiezen voor een V-naad of een kelknaad met opstaand kantje. De grondlaag wordt dan TIG-gelast en men is verzekerd van een goede en constante doorlassing. Een nadeel van het TIG-lasproces is de relatief grote warmte-inbreng waardoor in dit specifieke geval gemakkelijk warmscheuren aan de smeltlijn kunnen ontstaan. Het TIG-lasproces is ook een relatief langzaam proces en gezien de hoge loonkosten in Nederland een duur proces. Mechanica heeft om die reden gekozen voor het MIG-lassen van een V-naad met vooropening. Om verzekerd te zijn van een goede doorlassing is gelast op keramische onderlegstrippen. Als voor MIG-lassen wordt gekozen, blijft er nog een keuzemogelijkheid over: wordt het massieve draad of gevulde draad. Gevulde draad heeft als voordeel dat door de hogere neersmeltsnelheid sneller gewerkt kan worden dan met massieve draad. De leverancier van het super austenitische RVS beveelt voor het MIG-lassen een massieve draad aan in plaats van gevulde draad. Bij gevulde draad kunnen als gevolg van verschillen in vullingsgraad en samenstelling van de vulling gemakkelijker warmscheuren optreden dan bij het lassen met massieve draad. Type C Si Mn Cr Ni Mo Andere P12 0,01 0,10 0,1 22,0 65 9,0 Nb 3,6 Fe < 1 P12-0 Nb 0,01 0,10 0,1 22,0 65 9,0 Nb < 0,1 Fe < 1 P54 0,01 0,10 0,1 25,0 65 15,0 Fe < 0,1 Tabel 1 - Chemische samenstelling massieve draden voor het lassen van 254 SMO Type R 0,2 R m Rek A5 Kerfslag HB Goedkeuring toevoeg- (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (%) waarde (J) materiaal +20 0 C -40 0 C TÜ V Controlas P12 480 750 42 170 150 220 M en T M en T P12-0 Nb 380 630 36 240-210 - - P54 480 750 35 90-220 - - Tabel 2 - Mechanische eigenschappen bij het MIG-lassen M = MIG, T = TIG Locatie kerf Temperatuur ( 0 C) Kerfslagwaarde (J) 1 2 3 Gemiddeld Midden las + 20 62 60 57 60 Smeltlijn + 20 79 116 100 98 Tabel 3 - Kerfslagwaarden kwalificatieproef 30
Bovendien zijn gevulde draden vaak van het rutieltype waardoor het zuurstofgehalte in de las toeneemt. Dit is eveneens nadelig als het gaat om de vorming van warmscheuren. Desondanks is gekozen voor gevulde draad van het type NiCr20Mo9Nb (Werkstofnummer 2.4621). Uit het vervolg van deze publicatie zal blijken dat hiermee uitstekende resultaten zijn verkregen. Zoals al is opgemerkt, is bij de wanddikte van 14 mm gekozen voor een V-naad met een openingshoek van 60 en een vooropening van 3 mm. Zowel de door- lassing, de vullagen als de sluitlaag zijn gelast met de genoemde gevulde draad. Er is gebruik gemaakt van vier vullagen en één sluitlaag. Voor het realiseren van de doorlassing is gelast op zelfklevende keramische stenen met een breedte van 6 mm en een lengte van 25 mm. Er is met de hand gelast. Beperken warmte-inbreng Essentieel bij deze toepassing waren - naast de corro- siebestendigheid van het materiaal en de lasverbin- ding - de eisen die aan de kerfslagwaarde werden gesteld. Voordat kerfslagproeven zijn uitgevoerd, is eerst gezocht naar eventuele warmscheuren in de lasverbinding bij de gekozen waarden voor de warm- te-inbreng. Het aanetsen van super austenitisch roestvast staal en het nog edelere Inconel 625 van de las heeft de nodige problemen opgeleverd. Uiteinde- lijk is met de volgende oplossing de structuur van de lasverbinding aangeëtst: - 75 ml geconcentreerd zoutzuur - 25 ml geconcentreerd salpeterzuur - 50 ml gedestilleerd water Afhankelijk van de versheid van deze oplossing werd vijf tot tien seconden geëtst. In de proeflassen kwamen kleine warmscheuren voor. De warmscheuren die in de figuren 2 en 3 wor- den getoond zijn afkomstig van deze eerste lasproe- ven. In de las dicht aan de smeltlijn vormen zich kleine warmscheuren met een lengte van vaak niet meer dan 0,5 mm. Verder zijn kleine warmscheuren aan de smeltlijn waargenomen, die doorlopen in het basismateriaal langs de korrelgrenzen (zie figuur 3). De scheuren lopen meestal niet verder dan één korrelgrootte. De scheuren in de las verlopen bijna altijd interdendritisch. Dit is ook logisch, omdat tussen de dendrieten zich de laag smeltende fasen ophopen. Vereiste kerfslagwaarde ruimschoots gehaald Na deze eerste proeven is met de lassers afgespro- ken de warmte-inbreng te verlagen. Dit is uitge- voerd door de voortloopsnelheid tijdens het lassen te verhogen. Bovendien is de interpass temperatuur teruggebracht van 150 tot 100 C. Het terugbrengen van de stroomsterke en boogspanning was niet mogelijk, omdat men dan in het globulaire transfer- gebied terecht zou komen. Voor de vullagen is gelast met een warmte-inbreng van circa 1 kj/mm. Op twee diametraal tegenover elkaar liggende plaat- sen op de omtrek van de pijp zijn dwarsdoorsne- den van de las gemaakt. In de eerste doorsnede is alleen een kleine warmscheur in de las op enige afstand van de smeltlijn waargenomen (zie figuur 4). De typisch blauwe kleur van deze opname is ontstaan doordat gebruik is gemaakt van een speci- ale microscopische techniek. In de andere dwars- doorsnede van de las zijn meerdere warmscheuren aan de smeltlijn waargenomen. Een fraai voorbeeld van een dergelijke scheur wordt in figuur 5 Figuur 2 - Sluitlaag van de las met een stolscheur in het lasmetaal en twee kleine smeltscheuren aan de smeltlijn. Figuur 3 - Smeltscheur aan een korrelgrens in het basismateriaal die doorloopt in het lasmetaal. Lastechniek april 2005 31
getoond. Duidelijk zijn de dendrieten aan de smeltlijn waarneembaar. De scheur loopt niet verder dan 1 korrelgrens, heeft in de las het typische rafelige karakter van een stollingsscheur en verloopt interdendritisch in de las. De scheur heeft een totale lengte van niet meer dan 0,5 mm en bevindt zich net boven de grondlaag. Voor het vaststellen van de definitieve lasprocedure is de warmte-inbreng zowel voor de grondlaag als voor de vullagen en de sluitlaag verder verlaagd. De grootste afname in warmte-inbreng is gerealiseerd voor de grondlaag. Van de gemaakte lasverbindingen zijn trekproeven, buigproeven en kerfslagproeven gedaan. De resultaten van de kerfslagproef staan vermeld in tabel 3. De vereiste kerfslagwaarde voor de standaard Charpy V kerfslagstaafjes was minimaal 39 J bij een temperatuur van 20 C. Uit de tabel blijkt allereerst dat deze waarde ruimschoots wordt gehaald. Opvallend is verder voor het midden van de las de geringe verschillen tussen de waarden van de afzonderlijke kerfslagstaafjes. Voor de treksterkte van de lasverbinding is respectievelijk 686 en 684 MPa gemeten. De eis was een treksterkte > 650 MPa. Verder is geen scheurvorming opgetreden bij de zijbuigproef, waarbij gebogen is over een doorn met een diameter van vier keer de plaatdikte. Via röntgenopnamen konden geen onvolkomenheden in de las worden waargenomen. Figuur 6 laat bij grote vergroting de smeltlijn zien van de grondlaag. Duidelijk zijn de dendrieten in de las aan de smeltlijn waarneembaar. Het lasmetaal is wel op één plaats langs een korrelgrens van het basismateriaal naar binnen gedrongen. Dit heeft echter niet geleid tot de vorming van een smeltscheur. Samenvatting Bij gebruik van nikkellegeringen als toevoegmateriaal voor het lassen van super austenitisch roevast staal moet rekening worden gehouden met kans op het ontstaan van warmscheuren. In de las kunnen zich stolscheuren vormen en aan de smeltlijn in het basis- materiaal smeltscheuren. Dit artikel toont aan dat door schoon te werken, door de wamte-inbreng te beperken en de interpass temperatuur laag te hou- den de vorming van warmscheuren voorkomen kan worden. Uit het metallografische onderzoek komt duidelijk naar voren dat vloeibaar lasmetaal langs de korrel- grenzen het basismateriaal binnendringt (liquid metal penetration). De indringdiepte is niet groter Microscopisch onderzoek De lasverbinding voldeed ruimschoots aan de gestelde mechanische waarden, maar de vraag rees of er nog warmscheurtjes in de lasverbinding voorkwamen. In twee willekeurig gekozen doorsneden is naar warmscheuren gezocht, maar deze zijn niet meer gevonden. Wel is geconstateerd dat er nog steeds een verrijking aan nikkel aan de korrelgrenzen optreedt. Figuur 5 - Smeltscheur in het basismateriaal aan de smeltlijn. De scheur verloopt interdendritisch in het lasmetaal. Figuur 4 - Stolscheur in de las van de tweede serie aan lasproeven. De lengte van de scheur bedraagt niet meer dan 0,25 mm. Figuur 6 - Liquid metal penetration aan de smeltlijn in een dwarsdoorsne- de van de kwalificatieproef. Ondanks het binnendringen van het lasme- taal langs de korrelgrens is geen scheurvorming opgetreden. 32
dan de afmeting van de korrel van het basismateriaal. Deze liquid metal penetration is moeilijk te vermijden, maar hoeft niet altijd tot warmscheuren te leiden. Door gebruik te maken van onderleg strippen kan door een ervaren lasser gevulde draad worden gebruikt voor het maken van de doorlassing. Dezelfde draad en hetzelfde lasproces kan worden gebruikt voor de vullagen en de sluitlaag. Dit geeft een aanzienlijke besparing in de laskosten. De fabrikant van het super austenitische staal beveelt massieve draad aan bij het MIG-lassen. Uit de literatuur is namelijk bekend dat massieve draden een kleinere kans geven op warmscheuren. Echter, de gevolgde lasprocedure door de firma Mechanica met gevulde draad heeft een las opgeleverd die ruimschoots voldoet aan de gestelde waarden voor de mechanische eigenschappen en kerfslagwaarde. Het lassen met gevulde draad is derhalve zonder meer mogelijk. De goede resultaten in dit onderzoek zijn verkregen doordat de lassers nauw betrokken zijn geweest bij het metallografische onderzoek. Na elke stap is met hen overlegd over de resultaten van dit onderzoek en zijn de te nemen maatregelen doorgesproken. Zij waren in staat te lassen met relatief hoge voortloopsnelheden - tot meer dan 500 mm/min - en leverden een constante kwaliteit af, waardoor de goede mechanische eigenschappen werden verkregen. Theo Luijendijk was tot 1999 universitair hoofddocent in de sectie Lastechnologie van de faculteit Technische Materiaal Wetenschappen van de Technische Universiteit Delft. Thans is hij als gast in deze sectie werkzaam. Daarnaast heeft hij een eigen ingenieursbureau en doet hij materiaalkundig en verbindingstechnologisch (lastechnologisch) onderzoek voor de Nederlandse industrie. Lastechniek april 2005 33