Moeilijk lasbare staalsoorten - Deel 3

Dit artikel is afkomstig van Lincoln Smitweld en is geschreven door Fred Neessen.

In deze nieuwsbrief vind u het 3e en tevens slotdeel over moeilijk lasbare staalsoorten.

Lasmethode (lasuitvoering)

De meeste van de in tabel 2 genoemde staalsoorten kan men lassen, repareren volgens een drietal werkwijzen:

• Hoog voorwarmen
• Butteren
• Austenitische lastoevoegmaterialen

Hoog voorwarmen

Deze methode kan als volgt omschreven worden: ''Hoog voorwarmen en liefst spanningsarm gloeien''. Door verwarmen wordt de afkoelsnelheid vertraagd, de vloeigrens verlaagd, de hardheid lager en dus het risico voor scheurvorming kleiner. Tot 6 mm dikte kan met licht voorwarmen volstaan worden, bijvoorbeeld 150°C, daarboven geldt hoe hoger, hoe beter. Een goed gegeven is 280-350°C, doch hoger hoeft geen bezwaar te zijn. Kan men spanningsarm gloeien, dan is 580°C voldoende - met als voordeel dat voor dynamische belastingen een beter resultaat bereikt wordt.

Voor het lassen moet een laag waterstofhoudende basische elektrode gebruikt worden van het type Conarc 49C respectievelijk Conarc 60G. Bedenk wel dat door opmenging met het moedermateriaal de vastheid van het opgemengde lasmetaal sterk kan oplopen ten gevolge van een hoger koolstofgehalte en de aanwezigheid van legeringselementen in het basismateriaal.

Stelt men ook eisen aan de sterkte bij hogere temperatuur, hetgeen bij het type AISI 4130, 4140 en 42CrM04 het geval kan zijn, dan is toepassing van de SL19G gewenst - Daarmee benadert men in het lasmetaal de samenstelling van het basismateriaal. Spanningsarm gloeien is dan absoluut noodzakelijk. Het lassen van gebroken assen uit dergelijke staalsoorten kent een extra probleem. Hier speelt de vermoeiingssterkte mede een rol. Een gebroken en daarna gelaste as zal nooit zijn oorspronkelijke sterkte meer kunnen bereiken. Goed voorwarmen, spanningsarm gloeien en nauwkeurig nabewerken - zeer glad - leveren de beste resultaten.

Butteren 

Levert het voorwarmen problemen op, dan kan vooraf butteren - dus het opbrengen van een laag van 5 mm lasmetaal, liefst in twee lagen - een goed alternatief zijn. Dit kan op een geschikte plaats waar men wel kan voorwarmen en eventueel spanningsarm gloeien. Het aan elkaar lassen op locatie kan dan koud gebeuren. Conarc 49C, Kryo 1 maar vooral de Kardo zijn laselektroden die hiervoor uitermate geschikt zijn.

Austenitische lastoevoegmaterialen

De derde maar iets ''duurdere'' methode, is het lassen met een austenitische elektrode, zoals de Nichroma, Arosta 307, Jungo 307 of Limarosta 312. Bij de laatste moet men rekening houden met een dikte beperking van de lasdoorsnede om ongewenste brosse fasen te voorkomen als gevolg van de eigen laswarmte. Maar ook hier blijft voorwarmen altijd gewenst, al kan het op een wat lagere temperatuur, zoals bijvoorbeeld 150°C. Aan welk van de genoemde typen men de voorkeur geeft, is afhankelijk van de omstandigheden danwel van de te lassen c.q. te repareren staalsoort.

Praktijkvoorbeelden

Het lassen van 12% mangaan staal

Het lassen van (G)-X120Mn12, een staalsoort met ongeveer 1,2% koolstof en een mangaangehalte dat varieert tussen de 12 en 14% (tabel3), vertoont een afwijkend gedrag ten opzichte van de eerder besproken reparatie wijze.

We hebben vastgesteld dat indien een staal een hoog koolstofgehalte heeft er altijd voor gewarmd dient te worden om scheurvorming te voorkomen, in ieder geval om dit verschijnsel te minimaliseren.

Een duidelijk ander gedrag toont een 12 tot 14% Mn-staal met hoog koolstof. De structuur van dit staal bestaat voornamelijk uit austeniet dat kan worden omgezet naar een martensiet door middel van deformatie. Wil men in een constructie van 12% Mn-staal een lasverbinding maken dan moet men koud lassen. De temperatuur tijdens het lassen moet zo laag mogelijk worden gehouden. In de praktijk betekent dit dat men bijvoorbeeld last in een waterbak.

Als lastoevoegmateriaal kan men de keuze maken uit een overeenkomstige chemische samenstelling zoals de Wearshield Mangjet of lassen met elektrode Arosta 307 of de basische versie Jungo 307, beide met een chemische samenstelling van 18% Cr + 8%Ni + 6%Mn. In de praktijk worden de beste resultaten bereikt indien men korte stukken last en onmiddellijk de las gaat hameren met de pen van een hamer.

Repareren van een gegoten cilinder 

Na verloop van jaren trad olielekkage op bij een gietstalen (GS45.3) perscilinder van een extrusiepers. Door de persdruk van 250 bar waren vermoeiingsscheuren in de 145 mm dikke wand ontstaan.

Schadeonderzoek 

Tijdens een onderhoudsinspectie constateerde men dat er persolie door de cilinderwand naar buiten sijpelde. Een penetrantonderzoek aan de binnenzijde van de cilinderwand maakte een tweetal scheuren zichtbaar. Met behulp van een kobaltbron werden vervolgens gammastralings opnamen gemaakt. Uit deze opnamen bleek dat de scheuren in een zone met gietfouten lagen. De films gaven indicaties van gietgetallen, slinkholten, krimpscheurtjes en vuilinsluitingen. De twee scheuren die men tijdens het penetrantonderzoek gevonden had bleken onderling verbonden te zijn. Een zone met gelijksoortige indicaties vond men precies tegenover het gebied van de lekkage, aan de andere kant van de cilinder. Op deze plek had nog geen scheurvorming plaats gevonden. Een grondige reparatie was dus noodzakelijk. De gietfouten moesten volledig en zorgvuldig uitgegutst worden en vervolgens weer met lasmetaal foutvrij opgevuld worden.

Uit een breukvlakonderzoek aan een uitgegutst gedeelte van de scheur kon men zien dat de gietfouten een vermoeiingsproces hadden geïnitieerd hetgeen na ongeveer twee miljoen belastingswisselingen resulteerde in lekkage. 

Uit microscopisch onderzoek bleek dat het gietstaal een grove kristalstructuur had. Deze grove structuur duidt er op dat de enorme cilinder na het gieten niet was normaal gegloeid, een warmtebehandeling die eigenlijk gebruikelijk is voor grote dikwandige gietstukken.

Lasprocedure

De cilinderwand was van GS45.3. Een spectraalanalyse gaf de volgende chemische samenstelling:

C                        Si                    Mn                P                   S

0,3%                 0,4%               0,5%           0,05%            0,011%

Bij een staal met een koolstofequivalent van 0,43 en een wanddikte van 145 mm is het optreden van harding bij het gutsen en lassen te verwachten. Om dit te ondervangen moet het werkstuk vóór het gutsen op een voorwarm temperatuur van ca. 200°C gebracht worden en dient aangehouden te worden gedurende de gehele reparatie. Om thermische spanningen in de starre constructie zoveel mogelijk te beperken was het nodig de hele cilinder op deze temperatuur te brengen, en niet alleen de laszone. Dit werd gerealiseerd door de cilinder te verwarmen met gloeimatten, en door de binnen- en buitenzijde af te dekken met glaswoldekens.

Tijdens het gutsen werden de scheuren regelmatig afgeboord, om scheuruitbreiding te voorkomen. De lasnaad die na het gutsen overbleef kan ruwweg beschreven worden als een asymmetrische X-naad (1/3-2/3). Om een tweetal redenen was het beter eerst de binnenzijde (2/3 wanddikte) uit te gutsen en te vullen en pas daarna hetzelfde te doen met de buitenzijde, omdat:

Bij volledig doorgutsen bestond het gevaar dat door inwendige spanningen de cilinder zou vervormen waneer de laslagen om en om aan binnen- en buitenzijde worden gelegd ondergaat de grondlaag van de X- naad steeds opnieuw een warmtecyclus en een krimpvervorming, waardoor de taaiheid verloren kan gaan. Bij het vullen van de naad is er bij de eerste lagen sprake van een grote opmenging met het basismateriaal (0,3%C, o,8%Mn). Gebruik van elektroden met gelijke samenstelling zou hier resulteren in lasmetaal met een hoge sterkte en een te lage rek. Het advies bij dergelijke reparaties zoals hier omschreven is dan ook om eerst te butteren met een zachte basische elektrode zoals de Kardo en vervolgens de naad te vullen met de basische elektrode Conarc 51 of Conarc 49C, een E7016-1 respectievelijk E7081-1 type.

De methode van vullen was gericht op het vermijden van krimpspanningen. De gutsholte werd door middel van butteren geleidelijk verkleind tot een V- vormige opening, waarbij de butterlagen voortdurend vrij konden krimpen. Pas op het laatst werd de las op traditionele wijze laag voor laag gevuld. De krimpspanningen die hierbij ontstaan worden voor het merendeel opgenomen door de zachte Kardo butterlagen.

Het butteren met Kardo 3,2 mm en het butteren met Conarc 51 (49C) 3,2 mm gebeurt afwisselend, in volgorde van de cijfers 1t/m 8. De overblijvende V-vormige opening wordt iets uitgeslpen en op traditionele wijze gevuld. Pas als de gehele binnenzijde klaar is, wordt de buitenzijde van de cilinderwand uitgegutst en op overeenkomstige wijze gelast. De stippellijn geeft de gutsdiepte aan.

Zowel de Kardo als de Conarc 51 respectievelijk Conarc 49C zijn extra vochtarme elektroden (EMR), die leverbaar zijn in een hermetisch gesloten vacuüm verpakking, Sahare ReadyPack® hetgeen een harde eis is bij dit soort reparaties. Het overdrogen van de elektroden komt hierdoor te vervallen en het gebruik van droogkokers bij deze toch al niet eenvoudige reparatie zou weer een extra handicap en risico hebben betekend.

Het uitvoeren van dergelijke ingewikkelde reparaties vraagt zeer veel van de lassers, immers eenmaal aan de reparatie begonnen wil zeggen dat men ''rond de klok'' moet werken om de klus in één keer af te maken. Door de hoge temperatuur is het niet mogelijk om langer in de cilinder te blijven dan ca. 10 minuten, zodat frequent aflossen van lassers noodzakelijk is.

Met behulp van magnetisch onderzoek werd het laswerk tijdens de reparatie regelmatig onderzocht op de aanwezigheid van lasfouten of scheuren. Als indicatiemedium gebruikte men hierbij metaalpoeder, omdat de temperatuur van het gietstuk te hoog was voor olie. Na het afronden van de laswerkzaamheden werd de cilinder onderworpen aan een uitgebreid gammastralings- onderzoek, waarbij de voorwarm temperatuur teruggebracht werd tot 100°C om beschadiging van de films te voorkomen, ''En passant'' repareerde men op dezelfde wijze ook de oneffenheden aan het binnenoppervlak van de cilinder (voornamelijk gietmallen).

Spanningsarmgloeien  

Voor het spanningsarmgloeien van GS 45.3 geldt een temperatuurstraject van 550-580°C en een gloeitijd van 2 minuten/mm wanddikte. Bij een wanddikte van 145 mm moet dus 5 uur gegloeid worden.

De cilinder werd met 50°/uur van 150°C naar de gloeitemperatuur gebracht. Na het gloeien moest het gietstuk volgens de voorschriften afkoelen met 25°/uur. De gehele reparatie vond plaats in een productiehal, waar geen speciale voorzieningen voor klimaatbeheersing waren, zodat het werkstuk niet beschermd was tegen tocht. Om te voorkomen dat er een ongelijk- matige afkoeling van het gietstuk zou ontstaan waardoor scheurvorming op zou kunnen treden heeft men de cilinder zoveel mogelijk afgedekt onder glaswoldekens. Het afkoelen na de spanningsarmgloeibehandeling is eveneens onder de dekens uigevoerd. Hierdoor koelde de cilinder gemiddeld 11°/uur af.  

Conclusie  

Het uitvoeren van reparaties in moeilijk lasbare staalsoorten is vaak goed uitvoerbaar. Van belang hierbij is dat men goed vast gesteld heeft waar de oorzaak ligt van het defect in het machine onderdeel danwel de constructie. Op basis van deze gegevens dient men van te voren een gedegen plan van aanpak (reparatieplan) op te zetten. Alleen dan kan men de juiste voorzorgmaatregelen nemen die leiden tot een succesvolle reparatie.