Lasbaarheid van ongelegeerd en laaggelegeerd staal: zo beperk je scheurvorming
Ongelegeerd en laaggelegeerd staal worden veel gebruikt in gelaste constructies. Toch is een betrouwbare lasverbinding niet vanzelfsprekend. De materiaalsamenstelling, het ontwerp en de uitvoering bepalen samen het resultaat. Vooral scheurvorming vraagt aandacht: hoe ontstaan scheuren en welke maatregelen helpen om ze te voorkomen?
Wat betekent lasbaarheid?
Lasbaarheid geeft aan of je een materiaal onder bepaalde omstandigheden kunt lassen tot een verbinding die aan de gestelde eisen voldoet. Daarbij ontstaat metallische continuïteit: de onderdelen worden via het metaal met elkaar verbonden.
De las en de warmte-beïnvloede zone moeten bestand zijn tegen de belastingen en omstandigheden tijdens gebruik. Poriën, insluitingen, bindingsfouten en onvoldoende doorlassing kunnen de kwaliteit verminderen. Bij ongelegeerd en laaggelegeerd staal vormt ook scheurvorming een belangrijk risico.
Om welke staalsoorten gaat het?
Staal bestaat hoofdzakelijk uit ijzer en koolstof, aangevuld met andere elementen. Bij ongelegeerd staal blijven de gehalten aan legeringselementen onder vastgelegde grenswaarden. Laaggelegeerd staal bevat beperkte hoeveelheden legeringselementen die bepaalde eigenschappen verbeteren.
Binnen deze staalsoorten vallen veelgebruikte constructiestalen, maar ook weervaste kwaliteiten, fijnkorrelstalen en staalsoorten voor hoge of lage bedrijfstemperaturen. In de werkplaats kom je bijvoorbeeld aanduidingen als S235, S355 en S420 tegen. Voor de lasbaarheid zijn ook de precieze kwaliteit, samenstelling en leveringstoestand van belang.
Warmscheuren: scheurvorming tijdens het stollen
Stolscheuren zijn een vorm van warmscheuren. Ze ontstaan in de laatste fase van het stollen, wanneer het lasmetaal de optredende krimpspanningen onvoldoende kan opnemen. Vaak bevinden ze zich in het midden van de las.
Een ongunstige verhouding tussen de inbrandingsdiepte en de lasbreedte kan het risico vergroten. Een diepe, smalle las is bijvoorbeeld gevoelig voor dit type scheurvorming. Ook de samenstelling van het lasmetaal en de mate waarin de verbinding wordt vastgehouden, spelen mee.
Beperk het risico met een geschikte naadvorm, passende lasparameters en een opspanning die de krimp niet onnodig belemmert. Bij onderpoederlassen verdient de diepte-breedteverhouding bijzondere aandacht. TWI beschrijft deze invloed van de lasvorm.
Koudscheuren: de combinatie van waterstof, structuur en spanning
Waterstofscheuren, ook wel koudscheuren genoemd, kunnen ontstaan tijdens of na het afkoelen. Ze komen voor in de warmte-beïnvloede zone en kunnen ook in het lasmetaal optreden. Soms worden ze pas geruime tijd na het lassen zichtbaar.
Het risico ontstaat wanneer drie factoren samenkomen:
- Een harde, scheurgevoelige microstructuur.
- Trekspanningen in de verbinding.
- De aanwezigheid van waterstof.
Voorwarmen kan de afkoeling vertragen en waterstof meer tijd geven om uit de laszone te diffunderen. De benodigde temperatuur hangt af van de specifieke verbinding en lasomstandigheden. TWI licht deze factoren en de werking van voorwarmen toe.
Warmte-inbreng, materiaaldikte en samenstelling
Om de kans op koudscheuren te beoordelen, moet je verschillende gegevens in samenhang bekijken.
De warmte-inbreng bepaalt hoeveel energie per lengte-eenheid in het werkstuk terechtkomt. Deze hangt af van de spanning, stroomsterkte, lassnelheid en het thermisch rendement van het lasproces.
De warmteafvoer hangt onder meer af van de afmetingen en vorm van de verbinding. Daarom wordt bij bepaalde beoordelingsmethoden gewerkt met de gecombineerde dikte. Die houdt rekening met de aangesloten materiaaldiktes waarlangs warmte wordt afgevoerd. Snelle afkoeling kan bij daarvoor gevoelige staalsoorten een harde microstructuur veroorzaken.
Het koolstofequivalent geeft een indicatie van de invloed van koolstof en verschillende legeringselementen op de hardbaarheid. Een hogere waarde wijst doorgaans op een grotere gevoeligheid voor harding. Samen met het waterstofgehalte en de spanningen in de verbinding bepaalt dit mede het risico op koudscheuren.
Wanneer is voorwarmen nodig?
Een staalnaam of plaatdikte alleen is onvoldoende om de voorwarmtemperatuur te bepalen. Daarvoor beoordeel je de materiaalsamenstelling, de verbindingsvorm, de warmte-inbreng, het waterstofniveau en de mate van opsluiting.
Technische richtlijnen, zoals NEN-EN 1011-2, beschrijven methoden om deze factoren te combineren. Materiaalgroepen bieden daarbij houvast, maar vormen geen oplopende schaal waarop iedere hogere groep automatisch meer voorwarming vraagt.
De gekozen voorwaarden leg je vast in de lasmethodebeschrijving, de WPS. Zo beschikt de lasser over concrete instructies voor de uitvoering.
Een voorbeeld uit de praktijk
Stel dat je twee platen van 50 mm met een stompe las verbindt. Voor de gekozen beoordelingsmethode ga je uit van een gecombineerde dikte van 100 mm. De warmte-inbreng bedraagt ongeveer 1,5 kJ/mm en je gebruikt een toevoegmateriaal met een laag waterstofgehalte.
Om vervolgens een voorwarmtemperatuur te bepalen, heb je ook het koolstofequivalent en de exacte waterstofklasse nodig. Daarnaast controleer je of de methode toepasbaar is op de verbinding en de mate van opsluiting.
Met deze gegevens bepaal je de vereiste minimumtemperatuur. Zonder die volledige beoordeling kun je een temperatuur van bijvoorbeeld 80 of 85 °C niet als voldoende beschouwen.
Scheurvorming beperken op de werkvloer
Een goede voorbereiding begint bij de materiaalgegevens en een passende lasprocedure. Houd toevoegmaterialen droog en volg de voorschriften voor opslag en eventuele droging. Zorg voor schone lasnaadoppervlakken en stem de naadvorm, opspanning en lasvolgorde op de verbinding af.
Beheers tijdens het lassen de warmte-inbreng en houd de voorgeschreven voorwarm- en tussenlaagtemperaturen aan. Zo beperk je de omstandigheden waarin scheuren kunnen ontstaan en werk je aan een verbinding die aan de gestelde eisen voldoet.