Aandachtspunten tijdens het lassen van roestvast staal Vanuit de weerbarstige praktijk blijkt nog regelmatig hoeveel gebrek aan kennis er nog steeds bestaat betreffende het verwerken van roestvast staal. Vooral t.a.v. het verbinden van componenten m.b.v. het thermische lasproces blijkt veel onkunde te bestaan waardoor regelmatig onnodig corrosieschade ontstaat. Dit artikel beoogt daarom meer verduidelijking te geven aan een ieder die met het verwerken van roestvast staal te maken heeft. Naast de kansen en bedreigingen die gepaard gaan met het lasproces wordt ook beperkt ingegaan op metallurgische aspecten. Door Ko Buijs Ongelegeerd en laag gelegeerd koolstofstaal zijn actieve metalen omdat zij met de omgeving reageren indien er een elektrolyt aanwezig is. Het element ijzer dat met veel inspanning en energie is vrijgemaakt uit zijn ijzeroxide m.b.v. een koolstofreductie dat in een hoogoven heeft plaatsgevonden, wil heel graag terug naar zijn oorspronkelijke conditie namelijk ijzererts. Dit ijzererts bezit de laagste energietoestand en de thermodynamica leert ons dat ieder systeem daar naar streeft. M.a.w. ijzer wil weer graag oxideren en dat gebeurt versneld als er bijvoorbeeld een elektrolyt zoals water in de buurt is onder afgifte van energie. Ook kan dit gebeuren tijdens het lassen indien het vloeibare metaal niet voldoen- 90 Roestvast Staal Handboek de wordt beschermd door een inert gas. Het grote verschil met bovenstaande is dat dit een droge chemische reactie betreft. Dit is voor te stellen met de volgende chemische formules. Formule voor nat chemisch reactie is: 2Fe + 2H 2 O + O 2 2Fe(OH) 2 + energie Formule voor een droge chemische reactie is: Fe + O 2 2FeO + e Het oxideren betreft dan een exotherme reactie omdat er warmte vrijkomt. De meeste metalen vertonen deze drang tot oxidatie m.u.v. edele metalen zoals platina, zilver en goud. Deze laatste metalen zijn derhalve per definitie als roestvrij aan te merken. De term roestvrijstaal is dus op zich een onjuiste benaming en daarom spreken deskundigen altijd over roestvast staal. Metalen zoals aluminium, titaan en chroom reageren ook zeer hevig met zuurstof doch de gevormde oxidehuid sluit het metaal onmiddellijk af zodat deze oxidatie stopt. Deze metalen bezitten dus de eigenschap zichzelf te passiveren. IJzeroxide heeft deze afsluitende eigenschap niet omdat ijzeroxide een groter volume heeft dan de ijzermatrix. Dit is dan ook de reden dat ijzer verder blijft oxideren c.q. roesten totdat het geheel weer terug is in zijn oorspronkelijke vorm. De reden hiervoor is dat de oxidehuid zichzelf kapot drukt vanwege het grotere volume waardoor het elektrolyt verder door kan dringen naar nieuwe metaallagen teneinde deze ook weer aan te tasten.
Zoals reeds is gesteld, bezit chroom de bijzondere eigenschap zichzelf passief te maken vanwege een goed afsluitende chroomoxidehuid. Het chroom pakt zich a.h.w. in waardoor het elektrolyt niet verder kan doordringen in het metaal zodat de oxidatie stopt. Het actieve chroom passiveert dus zichzelf waardoor het metaal zich aan het oppervlak bijna net zo edel gedraagt als platina en goud. Indien men dit chroom gaat legeren in staal dan blijkt een gehalte van ongeveer 12% chroom voldoende te zijn deze chroomoxidehuid ook op het staaloppervlak te vormen waardoor dezelfde passivatie optreedt. Het actieve staal is dan ineens passief geworden want het kan in principe niet meer met zijn omgeving reageren dankzij deze perfect passende oxidehuid. Vanaf dit moment is het zogenaamde chroomstaal geformeerd. In afbeelding 1 kan men duidelijk zien hoe een negatieve ijzerpotentiaal bij het bereiken van ongeveer 12% omslaat naar een positieve. Ten overvloede zij vermeld dat metalen zoals koper, zilver, goud en platina ook zo n positieve potentiaal hebben. Chroom heeft een potentiaal van -0,56 Volt doch chroomoxide heeft een positieve potentiaal van ongeveer +0,8 Volt t.o.v. de zogenaamde waterstofpotentiaal die arbitrair op 0 is gesteld. Afbeelding 1: bij ongeveer 12% chroom in staal slaat de negatieve potentiaal om in een positieve. In principe kunnen de roestvaste staalsoorten in vier groepen worden verdeeld namelijk: ferritisch chroomstaal; martensitisch chroomstaal; ferritisch/austenitisch temperatuur, C 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 chroomnikkelstaal (duplex); austenitisch chroomnikkelstaal. De metaalkundige en fysische verschillen van deze hoofdgroepen verschillen aanmerkelijk van elkaar hetgeen gevolgen heeft voor het lassen. Chroomstaal De corrosievastheid van chroomstaal is min of meer recht evenredig met het chroomgehalte. Chroomstalen kunnen onderverdeeld worden in twee hoofdgroepen namelijk in de martensitische en in de ferritische structuur. Het chroomgehalte van de groepen is respectievelijk 12-14% en 14-27%. Het toestandsdiagram voor ijzer en chroom is afgebeeld in figuur 2. 600 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 chroom, % Afbeelding 2: het evenwichtsdiagram van ijzer en chroom met een koolstofgehalte van 0,03%. Roestvast Staal Handboek 91
De hoeveelheid koolstof bepaald in sterke mate de grootte van het austenietgebied. Het toestandsdiagram in afbeelding 2 is dan ook alleen van toepassing bij een koolstofgehalte van 0,03% koolstof. Indien chroomstaal tijdens de afkoeling het austenietgebied doorkruist dan heeft men bij kamertemperatuur een martensitische structuur. Dit in tegenstelling tot de ferritische kwaliteit die bij het afkoelen geen transformatie in de structuur ondergaat. Ook zal het dan duidelijk zijn dat deze ferritische kwaliteiten geen structuurverandering meemaken door een bepaalde warmtebehandeling. De mechanische eigenschappen van de martensitische chroomstalen zijn sterk afhankelijk van het koolstofgehalte. In het ijzer/chroomsysteem heeft men bij ongeveer 45% chroom de gevreesde sigmafase. De sigmafase is een harde en brosse verbinding van ijzer en chroom die zowel de corrosiebestendigheid als de mechanische eigenschappen ondermijnt. Deze verbinding is derhalve uiterst ongewenst. Tussen het sigma- en ferrietgebied bestaat er ook nog een overgangsgebied waar beide structuren naast elkaar voorkomen. Naarmate het chroomgehalte in de legering toeneemt, stijgt de kans op sigmafasevorming alhoewel zelfs bij chroomstalen met 12% chroom deze ongewenste sigmafase aangetroffen is. Zowel de ferritische- als de martensitische chroomstalen neigen vooral tijdens het lassen tot verbrossing. De belangrijkste drie redenen voor deze verbrossing treft men onderstaand aan. 1. Korrelgroei bij verhoogde temperatuur. Vooral de ferritische chroomstalen zijn uiterst gevoelig dat er in de warmte beïnvloedde zone een zeer grove kristallijne structuur ontstaat die tot een aanzienlijke verbrossing leidt. Uiteraard bewerkt dit op die plaatsen een geringe taaiheid. Deze grove kristallen zijn met een warmtebehandeling niet meer naar een kleiner formaat terug te brengen. Martensitische kwaliteiten zijn daar minder gevoelig voor. 2. De vorming van de sigmafase. De vorming van de sigmafase leidt niet alleen tot verbrossing zoals hierboven beschreven doch het tast ook de corrosiebestendigheid aan omdat deze fase chroom onttrekt aan de matrix die juist zo nodig is voor de algehele passivatie. Vooral in de directe omgeving van deze fase kan het chroom zelfs onder de kritische hoeveelheid komen van 12% en dan zal zo n locatie onmiddellijk omslaan in een actief gebied waardoor hevige lokale corrosie zal optreden. De ferritische kwaliteiten hebben in het algemeen meer neiging tot het vormen van een sigmafase omdat het chroomgehalte nu eenmaal hoger is. 3. De precipitatie van carbiden. Vergelijkbaar bij de ontstaan van de sigmafase zal men bij de vorming van chroomcarbiden ook verbrossing krijgen doch ook hier dreigt het grote gevaar dat de vorming van dergelijke carbiden chroom onttrekken uit de matrix waardoor plaatselijk het chroomgehalte te laag kan worden. Interkristallijne corrosie is dan veelal het gevolg omdat dergelijke carbiden precipiteren op de korrelgrenzen vanwege de gunstige kiemmogelijkheid op dergelijke plaatsen. Indien de chroomcarbiden bij lagere temperaturen worden gevormd dan is de diffusiesnelheid van het chroom te laag om zich homogeen als precipitaat te verdelen. Dan kan echter wel de beruchte 475 C-brosheid ontstaan. Bovendien zijn dergelijke carbiden rijker aan chroom dan indien deze bij hogere temperatuur ontstaan waardoor het gevaar op corrosie verder toeneemt. Roestvast Staal Handboek 93
Chroomstaal Over het algemeen kan men stellen dat fysisch gezien de chroomstalen veel weg hebben van ongelegeerd koolstofstaal. De chroomstalen zijn bijvoorbeeld te magnetiseren en de uitzettingscoëfficiënt is nagenoeg gelijk aan die van koolstofstaal. Dit betekent dat vervormingen die tijdens het lassen kunnen ontstaan vrijwel even groot zijn als die met koolstofstaal. Het warmtegeleidingsvermogen is echter ongeveer twee keer zo gering als dat van koolstofstaal en dat heeft tot gevolg dat onder vergelijkbare lasomstandigheden het basismateriaal direct naast de las minder snel afkoelt dan bij gewoon staal. Het grote nadeel hiervan is dat plaatselijk de kans op korrelgroei en sigmafase aanmerkelijk wordt vergroot. 94 Roestvast Staal Handboek Martensitische kwaliteiten zijn vaak luchthardend en d.m.v. een juiste warmtebehandeling kan men een optimale combinatie bereiken van sterkte en taaiheid. De hardheid van een dergelijke kwaliteit wordt bepaald door de hoeveelheid chroom en koolstof. Indien het chroomgehalte hoog is dan zal ook het koolstofgehalte hoog moeten zijn teneinde een martensitische structuur te verkrijgen. De mechanische eigenschappen van de las en de lasomgeving zijn bij martensitische kwaliteiten niet bepaald goed te noemen vanwege de ongewenste carbidevorming. In het temperatuurgebied van 375-550 C kunnen deze carbiden precipiteren waardoor de zogenaamde 475 C-brosheid kan ontstaan. Het is dus belangrijk dat de te lassen onderdelen zo kort mogelijk in dit temperatuurtraject moeten verblijven en dat houdt o.a. in dat men niet moet voorverwarmen. Dit staat echter weer in contrast met de mogelijkheid dat er koudscheuren c.q. waterstofscheuren kunnen ontstaan omdat de martensitische structuur daar nu eenmaal gevoelig voor is. Daarom is het raadzaam om bij dikkere (>6 mm) werkstukken voor te verwarmen op een temperatuur die ligt bij circa 200 C. Wel dient men zeer te waken dat er tijdens het lassen geen waterstofopname zal plaatsvinden. Waterstofarme lasprocessen zoals het MIG als het TIG-lassen lenen zich daarom uitstekend voor het lassen van roestvast staal en chroomstaal i.v.m. de gevoeligheid van waterstofscheuren. Bij het gebruik van elektroden dient men zich er dus bijzonder van te overtuigen dat de coating van deze elektroden zeer goed gedroogd is alhoewel dat nog geen garantie is dat daarmee het eventueel aanwezige kristalwater is verwijderd. Ook is het aan te bevelen dat men martensitische roestvast staalsoorten last met austenitische lastoevoegmaterialen teneinde de las nog een acceptabele taaiheid te geven. E.e.a. gaat niet op in hoog zwavelhoudende milieus omdat daar het nikkel uit het austeniet kan gaan reageren met het zwavel waardoor er een ongewenste aantasting zal ontstaan. Bij ferritisch chroomstaal blijft de structuur vanaf de stolling tot aan de kamertemperatuur geheel ferritisch. Hoewel bij langere thermische belasting ook de gevreesde sigmafase kan ontstaan, is het effect van een ongewenste grote korrelgroei in de warmte beïnvloedde zone veel nadeliger omdat dat leidt tot een zeer grote verbrossing net naast de lasverbinding. Omdat er geen structuurverandering kan optreden, kan men deze grove structuur niet opheffen door het materiaal te gloeien. Integendeel de korrels zullen juist verder doorgroeien. Dit is dan ook de reden dat de mechanische waarden van de warmte beïnvloedde zone van ferritische roestvast staalsoorten te wensen overlaat. Enige verbetering geeft een austenitisch toevoegmateriaal dat
uiteraard niet kan voorkomen dat de warmte beïnvloedde zone toch qua korrelgrootte zal vergroten c.q. zal verbrossen. Het bewerkt echter wel dat de las zelf behoorlijk ductieler wordt waardoor spanningen beter opgevangen kunnen worden. Toch dient men ook weer op te letten dat de las niet geheel austenitisch is met het oog op de gevoeligheid van mogelijke warmscheuren. Ferritisch chroomstaal kan men met het oog op de verbrossing door korrelgroei beter niet voorverwarmen doch met het oog op ontoelaatbare spanningen die ontstaan bij het lassen van dikke platen is kortstondig voorverwarmen tot ongeveer 200 C aan te bevelen. Ook moet men ervoor zorgen dat de heat-input zo gering mogelijk blijft en de lassnelheid zo hoog mogelijk. E.e.a. kan men vooral bereiken m.b.v. het MIG-lasproces. In principe kan men een gloeibehandeling na het lassen achterwege laten. Ook het nabewerken van de las is aan te raden omdat piekspanningen t.g.v. inkartelingen zeer nadelig kunnen uitwerken omdat dit tot kerfwerking kan leiden. Toepassingen chroomstaal In lasconstructies komen martensitische chroomstalen nauwelijks of niet voor. Men vindt dergelijke kwaliteiten vooral daar waar men naast een bepaalde corrosiebestendigheid ook nog een goede slijtvastheid verlangt. Men kan dan bijvoorbeeld denken aan matrijzen, turbine-onderdelen, messen en medische instrumenten. Ferritisch chroomstaal treft men aan in de ovenbouw; vooral de aluminium houdende kwaliteit voor manden en rekken, als turbineonderdelen, in kraakinstallaties t.b.v. de petrochemie doch ook in de carrosseriebouw met name voor de carrosserie van autobussen en ook in grootkeukenapparatuur. Afbeelding 3: duplex structuur Ferritisch/austenitisch chroomnikkelstaal c.q. duplex De duplex kwaliteiten zijn behoorlijk magnetiseerbaar doch niet hardbaar. Vanwege het hoge chroomgehalte bezit de legering een uitstekende bestendigheid tegen allerlei vormen van corrosie zoals spannings- en putcorrosie. De mechanische eigenschappen zijn beduidend beter dan die van de austenitische kwaliteiten dankzij de dubbele structuur (afbeelding 3). T.b.v. het lassen is het niet nodig voor te verwarmen tenzij het materiaal erg dik is. Net als bij ferritisch chroomstaal dient men op te passen voor korrelgroei en voor de vorming van de gevreesde sigmafase. Voorts wijkt de lasprocedure niet af van het lassen van andere kwaliteiten roestvast staal. Uiteraard dient men ook een duplex lastoevoegmateriaal te gebruiken. Een bekende kwaliteit is duplex met materiaalnummer EN 1.4462. Een veel voorkomend lastoevoegmateriaal hiervoor bezit 22% chroom, 9% nikkel en 3% molybdeen. Indien nog hogere mechanische eisen gesteld worden kan men de kwaliteit EN 1.4460 toepassen. Austenitisch roestvast staal Om tot deze categorie te mogen behoren moet de som van het chroom- en nikkelgehalte minstens 26% bedragen. Het bekende chroomnikkelstaal 18/8 (AISI 304) behoort tot deze groep. Austenitisch Roestvast Staal Handboek 95
roestvaststaal bezit een homogene niet-magnetiseerbare structuur die taai, zacht en goed vervormbaar is. Vanwege het nikkelgehalte wordt het austenietgebied tot ver beneden kamertemperatuur uitgebreid. In vele gevallen wordt molybdeen toegevoegd om de bestendigheid in chloor- en fluorhoudende milieus te verbeteren. Koudedeformatie kan plaatselijk een weinig martensiet opleveren waardoor het plaatselijk licht magnetiseerbaar wordt. Het spreekt voor zich dat op die plaatsen de mechanische eigenschappen sterk gaan afwijken van de matrix. Indien men deze effecten wil elimineren dan dient men te gloeien op een temperatuur van 1065 C. Het grote voordeel van deze gloeiactiviteit is dat de hoge inwendige spanningen voor een groot deel verdwijnen waardoor de vervormbaarheid beter wordt. Ook komt dit gloeien ten goede aan de corrosiebestendigheid. Austenitisch roestvast staal is niet hardbaar, zeer goed lasbaar en weinig gevoelig voor korrelgroei. Een van de bekendste nadelen is echter de gevoeligheid voor warmscheuren tijdens het lassen dat gereduceerd kan worden door de aanwezigheid van ferriet dat reeds tijdens de stolling aanwezig moet zijn. Een gedeelte van deze ferriet zal tijdens de afkoeling weer omgezet worden in austeniet alhoewel een gedeelte ferritisch blijft. Het nadeel van deze restferriet is dat er op deze plaatsen selectieve aantasting kan plaatsvinden doch in de praktijk blijkt dat enige procenten ferriet acceptabel blijkt te zijn.. Austenitisch roestvast staal heeft relatief lage rekgrens die behoorlijk verhoogd kan worden met toevoeging van stikstof waardoor de zogenaamde LN kwaliteiten ontstaan. Stikstof heeft geen invloed op de uiteindelijke laskwaliteit. Voorts heeft dit roestvast staaltype een hoge uitzettingscoëfficiënt, een laag warmtegeleidingsvermogen en een hoge elektrische weerstand. Austenitisch roestvast staal is een materiaal dat zich uitstekend laat lassen mits de juiste spelregels in acht worden genomen. Ook hier geldt dat de zwakste schakel in de ketting veelal de las of ook wel de lasomgeving is indien er ondeskundig gehandeld wordt. Ook is het een feit dat deze zwakke schakels met de huidige lastechnologie en corrosiekennis heden ten dage niet meer voor behoeven te komen. Het is dus vaak onkunde en ook wel gemakzucht dat er inferieure lasverbindingen worden gemaakt. Naast dat men mechanisch zwakke lassen kan maken, kan men ook lassen leggen die later gevoelig blijken te zijn voor allerlei corrosiemechanismen. Gesprekken met deskundige leveranciers van halffabricaten zoals die van lasmaterialen kunnen heel wat problemen en corrosieschade voorkomen. Omdat de fysische eigenschappen van austenitisch roestvaststaal behoorlijk afwijken van koolstofstaal moet men uiteraard tijdens het lassen hiermee rekening houden. Men kan daarom bij roestvast staal geen gebruik maken van bijvoorbeeld CO 2 of autogeenlassen. Omdat in de praktijk veelal austenitische kwaliteiten worden gelast, zal onderstaande beschouwing primair betrekking hebben op deze roestvast staal typen. Doordat de fysische eigenschappen van austenitisch roestvast staal, in tegenstelling tot de chroomstalen, behoorlijk afwijken van die van het koolstofstaal zal het duidelijk zijn dat deze afwijkingen een aanzienlijke invloed hebben op het uiteindelijke lasproces. De lineaire uitzettingscoëfficiënt is bijvoorbeeld 12 keer zo Roestvast Staal Handboek 97
hoog dan die van koolstofstaal hetgeen betekent dat er veel hogere restspanningen in het materiaal achterblijven na een thermische belasting. Men zal daarom de hechtlassen dichter bij elkaar moeten aanbrengen dan bij koolstofstaal. Het relatief slechte warmtegeleidingsvermogen van austenitisch roestvast staal zorgt ervoor dat de hitte in de laszone veel slechter wordt afgevoerd waardoor het lassen in positie wordt bemoeilijkt vanwege het trage stollen. De kans op intermetallische uitscheidingen op de korrelgrenzen wordt echter hierdoor vergroot omdat de factor tijd daarin een grote rol speelt. Ook bestaat het gevaar dat het smeltbad oververhit raakt. De slechtere elektrische geleiding kan ervoor zorgen dat de electrode sneller oververhit raakt. Vanwege deze feiten is het aan te raden bij dikkere platen het MIG-lasproces of het electrodenlassen toe te passen vanwege de relatief lagere thermische belasting. Voor dunnere plaat en pijpen wordt veelal het TIG-lasproces aanbevolen. Het lassen onder poederdek wordt in sommige gevallen ook toegepast. Lasvoorbereiding Voor alle typen roestvast staal geldt dat de voorbereiding t.b.v. het lassen optimaal moet zijn. Dit geldt vooral voor die 98 Roestvast Staal Handboek plaatsen die gelast moeten worden. De lasnaden moeten droog, schoon en vooral vetvrij zijn. Vooral vet en potloodstrepen bevatten koolstof dat heel graag het materiaal binnen wil dringen tijdens het lassen. Bij hoge temperatuur dissocieert vet in koolstof en waterstof zodat koolstof op hete plaatsen binnen kan dringen (diffunderen) teneinde de gevreesde chroomcarbiden te vormen. Ook moeten de naden gaaf en glad zijn want bramen ondermijnen de laskwaliteit vanwege de nadelige verhouding tussen het oppervlak en inhoud. De vorm van de lasnaad is afhankelijk van het te lassen product. Het streven is dat de chemische samenstelling van de lasmaterialen dezelfde analyse moeten hebben als de te lassen delen mits er geen chroomafbrand te verwachten is. In de praktijk hoort men nog wel eens dat de L van bijvoorbeeld AISI316L voor lassen staat maar dat is een misverstand; het staat namelijk voor een laag koolstofpercentage. Men kan roestvast staal met zowel elektroden als met draad lassen zoals bij het TIG- en MIG lassen. Elektroden worden meestal gebruikt indien men gaat handlassen. De voordelen van handlassen zijn dat men in alle posities kan lassen en dat de warmtetoevoer relatief laag is. Ook geeft de ontstane slak een behoorlijke bescherming aan de achterzijde van de las. Nadelen van handlassen zijn dat er een kans is op slakinsluitingen en slakresten alsmede dat de kans op spatten groot is. Ook is de vorming van aanloopkleuren in de regel wat sterker waardoor men feitelijk altijd na afloop moet beitsen. Ook verloopt het proces vrij traag en men loopt risico s indien de bekleding niet optimaal droog is. De genoemde nadelen vallen weg bij het draadlassen. MIG lassen heeft als voordeel dat het lassen snel gaat en dat het zich prima laat mechaniseren. Bij zowel TIG als MIG moet men oppassen voor windbelasting want dan blaast men a.h.w. het schermgas weg. Dit is op te lossen door binnen te lassen of onder een geschikte tent. Lasbederf Lasbederf is feitelijk een variant van interkristallijne corrosie en ontstaat alleen bij typen die een hoger koolstofgehalte hebben zoals AISI 304 en 316. Tijdens het normaal afkoelen na lassen komt op enige afstand van de lasverbinding een smalle zone tijdelijk in het sensitieve gebied waardoor op die plaats chroom en koolstof een verbinding vormen met de
formule Cr 23 C 6. Dat betekent dat slechts 6 atomen koolstof maar liefst 23 chroomatomen binden en dat kan ertoe leiden dat er daar te weinig chroom overblijft om het materiaal plaatselijk passief te houden. Hierdoor kan er corrosie ontstaan in die smalle zone wat men lasbederf noemt (afbeelding 4). Dit is dus corrosie die alleen ontstaat in de warmtebeïnvloede zone. Een L-kwaliteit heeft daar geen last van en dat geldt ook voor dunwandige componenten omdat de tijd dan ontbreekt om deze gevaarlijke chroomcarbiden te vormen. Lasbederf is vrij gemakkelijk te voorkomen door bij dikwandige materialen altijd een L-kwaliteit te kiezen. Ook kan men na het lassen het geheel oplossend gloeien en afschrikken in water waardoor deze carbiden weer oplossen in de matrix. Dit is echter praktisch gezien niet altijd even gemakkelijk te realiseren. Knife line attack Roestvast staal typen die gestabiliseerd zijn met titaan zoals ALSI 316Ti en AISI 321 zijn gevoelig voor zogenaamde knife line attack indien het koolstofgehalte aan de hoge kant is. Titaan is in deze legeringen toegevoegd om koolstof te binden omdat de affiniteit groter is dan die van chroom tot koolstof. Op deze wijze kan men de vorming van chroomcarbiden voorkomen omdat er namelijk titaancarbiden ontstaan die zich dispers verdelen over de matrix. Tijdens het lassen dissociëren deze carbiden waardoor het vrijgekomen titaan zal verbranden. M.a.w. er is op die plaatsen geen titaan meer aanwezig en daardoor zullen toch de gevreesde chroomcarbiden ontstaan in de laszone. Dat is dan ook de reden dat er geen titaan gestabiliseerde lasmaterialen beschikbaar zijn want het titaan zal immers toch verdwijnen tijdens het lassen. Op de plaatsen net naast de las zal het absolute chroomgehalte te laag worden waardoor er op een scherp gebied corrosie zal ontstaan. De lasverbindingen kan daardoor zelfs los komen te liggen. Dit fenomeen noemt men knife line attack (afbeelding 5). Tegenwoordig ziet men echter kans het koolstofgehalte in het te lassen materiaal dusdanig laag te houden dat dit probleem niet zo snel meer optreedt. Afbeelding 5: knife line attack van AISI316Ti Afbeelding 4: lasbederf in de warmtebeïnvloede zone. Belangrijke tips Tijdens het lassen kunnen problemen ontstaan die grofweg in twee categorieën verdeeld kunnen worden namelijk in dunwandig en dikwandig materiaal. Naarmate de wanddikte toeneemt nemen ook de problemen toe waardoor de voorzorgsmaatregelen meer aandacht behoeven. De problemen die bij dikwandige delen Roestvast Staal Handboek 99
extra naar voren komen zijn: Uitscheidingen van (brosse) intermetallische verbindingen; De beheersing van het ferrietgehalte; Warmscheurgevoeligheid; Keuzen die men moet maken t.a.v. voorverwarmen en warmtebehandelingen; Verkrijgen van de juiste hardheid; Gevolgen van verschillende dikten die aan elkaar gelast moeten worden. Bij dunwandige producten kan men daarentegen weer op andere problemen stuiten zoals: Beheersing van het ferrietgehalte in het geval van duplex; Het maken van goede doorlassingen; Ongewenste vervormingen; Het toepassen van het juiste backinggas; De controle rond het mogelijk aanwezige zuurstof in het formeergas. Het backen c.q. formeren wordt in de praktijk nog wel eens onderschat omdat men veelal denkt dat de zuurstof praktisch gezien verdwenen is terwijl dat praktisch gezien niet zo is. Zuurstof is relatief licht en gaat a.h.w. boven het backinggas drijven en dat is de reden dat apparatenbouwers vaak buizen rond laten draaien zodat de lastoorts altijd in de onderste positie zijn werk doet. Dit is in de praktijk niet altijd uitvoerbaar en dan zal men andere maatregelen moeten nemen. Met een zuurstofmeter kan men het aantal ppm zuurstof meten. Er zijn bedrijven die 200 ppm zuurstof accepteren maar ook die pas bij 50 ppm het licht op groen zetten om met lassen te starten. Met 200 ppm zuurstof is de doorlassing strogeel en dan kan in de meeste gevallen nog wel door de beugel (afbeelding 6). Wordt deze kleur zwaarder dan kan men ervan uitgaan dat de corrosiebestendigheid ter plaatse er onder te lijden zal hebben. Men kan aan de hand van onderstaande formule berekenen hoe lang men dient voor te spoelen voordat men met het lassen start. T = 4.10-6 x D 2.L/F T = de voorspoeltijd in minuten D = de inwendige diameter van de buis L = de lengte van de backingkamer F = debiet formeergas in dm 3 / minuut Tandem lassen heeft ook zo zijn voordelen omdat men immers van twee kanten gaat lassen waardoor het backen overbodig wordt. Wel is het van groot belang dat de toortsen nauwkeurig in elkaars verlengde staan opgesteld. Lasnaadvormen Dikke platen kunnen het beste met de aanwezigheid van een X-lasnaad gelast worden omdat deze geometrie het kleinste volume heeft. Bovendien leidt het tot een symmetrische vulling en een gelijkmatige krimp. Dat leidt dan weer tot minder vervorming. Overigens komt een X-naad in principe niet voor bij het lassen van buizen. Een V-naad geeft vanwege het groter volume meer Afbeelding 6: de binnenzijde c.q. dooslaszijde van een buis met verschillende zuurstofgehalten. Roestvast Staal Handboek 101
Afbeelding 7: verschillende vormen van lasnaden. thermische belasting. Kelknaden worden pas toegepast bij wanddiktes groter dan 30 mm (zie afbeelding 7). Hoeklassen worden qua moeilijkheidsgraad in de praktijk nog wel eens onderschat. De lasparameters moeten zodanig worden gekozen dat men een positieve hoekinbranding krijgt en dat de zijkanten goed zijn aangevloeid. Tijdens het lassen is het van groot belang dat de juiste stroomdichtheid wordt ingesteld. Bij een te lage stroomdichtheid krijgt men een bolle las met bindingsfouten en indien deze te hoog is heeft men een gerede kans op scheurvorming. De laselektrode kan tijdens het lassen 102 Roestvast Staal Handboek het beste onder een hoek van 45 C gehouden worden en in de lengterichting onder 80. Hechtlassen worden meestal zonder voldoende schermgas gelegd waardoor deze oxideren. Het beste is dan om de kop en de krater weg te slijpen om bindingsfouten en/of slakinsluitingen te voorkomen. Ook voorkomt men dat de geoxideerde plekjes tijdens het gebruik alsnog initiatie voor corrosie geven (afbeelding 8). Bij een V-naad is het raadzaam geen scherpe kanten aan te brengen want de slechte warmtegeleiding van austeniet zal de hitte zich daar bufferen waardoor deze puntige randen zullen verbranden. M.a.w. deze zullen dienen te zijn zoals de onderste weergave is te zien in afbeelding 9. Ook dient men altijd de geometrie van de componenten in ogenschouw te nemen omdat men moet vermijden dat men dunne delen aan dikwandige componenten last. Op de linker afbeelding van afbeelding 10 vraagt men a.h.w. om moeilijkheden en dat is op te lossen om een verbinding te realiseren zoals in de rechter afbeelding staat. Afbeelding 8: geoxideerde hechtlassen die tijdens het gebruik corrosie initiëren.
Afbeelding 9: scherpe lasranden zullen tijdens het lassen verbranden vanwege de slechte warmtegeleiding van austenitisch roestvast staal Afbeelding 10: een slechte en een goede overgang tussen twee componenten. Er is reeds veel geschreven over het lassen van roestvast staal maar in de praktijk blijven er nog altijd vele vragen over. Bedrijven die lastoevoegmateriaal leveren beschikken normaal gesproken over specialisten die de klant met raad en daad bij kunnen staan. Dit is zeer aan te raden om daar gebruik van te maken want er is reeds genoeg corrosie ontstaan door gebrek aan kennis op dit gebied. n www.innomet.nl www.leama.nl Dé online training in 8 modules door Ko Buijs over het materiaal roestvast staal Roestvast Staal Handboek 103