Basisprincipes van lastechniek
Lassen is het verbinden van metalen van dezelfde of soortgelijke samenstelling onder invloed van warmte, met of zonder toevoeging van eenzelfde of soortgelijk metaal. Door middel van lassen worden delen onlosmakelijk met elkaar verbonden zodat een eenheid ontstaat. Goed lassen veronderstelt een innige verbinding, die slechts wordt bereikt wanneer op de lasplaats ook het basismateriaal smelt (laszone).
Booglassen
Voor staalconstructies komt in de eerste plaats booglassen in aanmerking, waarbij de benodigde warmte door een elektrische vlamboog wordt verkregen. De vlamboog ontstaat tussen het basismateriaal en de zogenoemde elektrode, die daarbij smelt en toevoegmateriaal levert. De juiste keuze van het toevoegmateriaal (de elektrode) heeft de grootste invloed op de eigenschappen van de lasverbinding. De elektroden worden gekozen op basis van de karakteristieke sterkte van het te lassen basismateriaal. De keuze van elektroden en het vaststellen van de lasomstandigheden vereisen vakkennis, daarom is de instelling van speciaal opgeleide “ingenieurs-specialisten voor lastechniek” gecreëerd, van wie de taak onder meer is toezicht te houden op laswerkzaamheden en de certificering van lassers regelmatig te herhalen.
Gassolderen en snijden
Bij autogeen lassen wordt de benodigde warmte opgewekt door verbranding van gas, zodat het basismateriaal en het toevoegmateriaal smelten. Belangrijker is het snijden. De snijbrander heeft naast de warmtebuis, die werkt zoals bij het lassen, nog een extra snijbuis voor zuurstof. Het door de warme vlam verhitte staal wordt doorgebrand en met een zuurstofstroom uitgeblazen. Snijden levert gladde en nauwkeurige oppervlakken op, die voor veel toepassingen van staalconstructies voldoende zijn zonder verdere nabewerking.
Lasbaarheid
Bij de beoordeling van gelaste verbindingen moet rekening worden gehouden met het feit dat tijdens het lasproces de samenstelling van het toevoegmateriaal, evenals van het basismateriaal, aanzienlijk kan veranderen. Ook de verandering van de structuur is van groot belang – tussen de gesmolten las en het onveranderde basismateriaal bevindt zich, afhankelijk van de mate van warmteinwerking, een zone met een verschillende structuur en dus met verschillende eigenschappen. Naast de las bevindt zich het gebied waarin het basismateriaal is gesmolten (smeltzone) en waarin de verbinding tussen de laszone en het basismateriaal tot stand komt. De omliggende materiaalzone wordt eveneens nog sterk verhit, hoewel daar het smeltpunt niet meer wordt bereikt. In deze oververhitte zone treden grote structurele veranderingen op, zodat zij vaak doorslaggevend is voor de eigenschappen van de gehele gelaste verbinding.
Scheurvorming van de lasnaad houdt het optreden van scheurtjes in de las in, die onmiddellijk na het lassen ontstaan, nog bij hoge temperatuur, of misschien pas tijdens het afkoelen in het gebied van blauwhitte gloed (ongeveer 300oC). Scheurvorming is in hoge mate een eigenschap van elektroden; zij treedt bijna alleen op bij omhulde elektroden, die juist van belang zijn voor staalconstructies. Voor het ontstaan van scheurtjes moeten twee voorwaarden zijn vervuld, namelijk hoge spanningen als gevolg van het lasproces of andere externe oorzaken, evenals een toename van de stijfheid van het materiaal.
Naast metallurgische veranderingen in de samenstelling en structuur van het materiaal zijn ook fysische processen van belang, die verband houden met de grote hoeveelheden warmte die bij het lassen aan het materiaal worden toegevoerd en met de daarbij bereikte hoge temperaturen. De opwarming vindt niet gelijkmatig plaats, maar alleen in nauw begrensde zones. De met de opwarming verbonden thermische uitzetting wordt verhinderd door de inwendige spanning van de verwarmde zone door het niet-verwarmde materiaal. Daar komt nog een externe spanning bij, omdat de delen bij het lassen stevig moeten worden vastgeklemd; daarom treden bij het opwarmen plastische samendrukkingen op. Bij het afkoelen krimpt de lasnaad en zijn omgeving het sterkst (krimping). Bij afkoeling moeten door de verhindering van de uitzetting dwangspanningen (krimpspanningen) ontstaan. Door de delen die worden gelast vooraf te verwarmen tot 200 oC tot 300 oC kan het afkoelen aanzienlijk worden vertraagd. Door de vermindering van het hardingseffect wordt een betere structuurvorming verkregen, de verharding blijft geringer.
Onderzoek van materialen en laswerkzaamheden
Algemeen: Aangezien de kwaliteit van laswerk van een reeks omstandigheden afhangt, en niet in de laatste plaats van de vaardigheid en betrouwbaarheid van de vakman, is nauwkeurige controle en beproeving van al het laswerk noodzakelijk. Tot de beproevingen behoren die voor het vaststellen van de lasbaarheid van materialen en elektroden, het vergelijken van lasomstandigheden en lasprocedures voor een bepaald geval, beproevingen van monsters enz.
Afb. 1 - Proef op buiging van de lasnaad
Buigproef van een lasnaad: Dit is een buigproef van een eenvoudige ligger met rechthoekige doorsnede (afb. 1), waarbij een halfrond bewerkte langsgroef in de trekvezel opnieuw is gelast met één laag, en wel bij kamertemperatuur. De naad veroorzaakt een sterke vermindering van de vervormbaarheid, zodat de proefstukken vaak volledig bros en plotseling breken. De buighoek is bij dunne platen groter; hij neemt af met de plaatdikte.
Kerfslagtaaiheid: Bij de buigproef van de lasnaad ontstaan meestal eerst scheurtjes in de las, waardoor een brosse breuk optreedt. Het basismateriaal moet in staat zijn de belasting op te nemen die plotseling optreedt bij het brosse openspringen van de lasnaad. Men moet eisen dat de scheur in de laszone zich niet snel door het basismateriaal verspreidt, maar slechts langzaam mag voortschrijden. Het basismateriaal moet voldoende taai zijn om deze plotselinge belasting op te nemen, en deze eigenschap moet ook bij lage temperaturen in voldoende mate behouden blijven. De kerfslagtaaiheid en andere mechanische eigenschappen hangen in hoge mate af van de temperatuur waarbij de proef wordt uitgevoerd. Bij lage temperaturen, bijvoorbeeld onder 0 oC, kan zij dalen tot een fractie van de waarde bij 20 oC. De ligging van deze plotselinge daling is belangrijk voor de beoordeling van een materiaal. Voor gelaste staalconstructies wordt tegenwoordig materiaal vereist met goede verouderingsbestendigheid, d.w.z. een hoge kerfslagsterkte bij slagproeven op koud vervormde proefstukken.
Afb. 2 - Vervorming bij spanningssituaties met inkepingen
Hardheid: De verschijnselen van hardheid in de laszone zijn van groot belang. Belangrijk is de kennis van de hardheidsstijging, omdat de rek bij breuk snel afneemt met toenemende hardheid (afb. 3), terwijl de treksterkte σB vrijwel evenredig stijgt met de Brinell-hardheid HB. Voor bouwstaal geldt ongeveer σB = 0,36*HB. Een voorbeeld van de hardheid van de hoofdhoeklas van een I-ligger is weergegeven in afb. 4. In de overgangszone bestaan op zeer kleine afstanden grote verschillen in hardheid. Het verloop van de hardheid hangt af van de gevormde structuur. De σ-ε-lijn verandert door hardheid op vergelijkbare wijze als door de spannings-toestand bij een kerf (afb. 2).
Afb. 3 - Brinell-hardheid en rek
Afb. 4 - Hardheden in de laszone aan de hals van een gelaste I-balk
Niet-destructief onderzoek van gereedgekomen gelaste verbindingen
Doorstraling – Bij doorstraling van kleine dikten kan het röntgenbeeld op één scherm zichtbaar worden gemaakt. In plaats van röntgenstralen kunnen gammastralen van radioactieve materialen worden gebruikt. Het röntgenbeeld maakt het mogelijk conclusies te trekken over de kwaliteit van de lasnaad. Ingesloten slakinsluitingen of poriën, evenals hechtfouten en scheuren, kunnen zo worden vastgesteld en in voorkomend geval verwijderd.
Magnetische beproeving – In het deel van het te onderzoeken staal wordt een magnetisch veld opgewekt en de aangebrachte deeltjes richten zich vervolgens naar het veld. Uit eventuele onregelmatigheden in het magnetische veld kunnen scheuren worden opgespoord. De methode is vooral doeltreffend voor het vinden van oppervlakscheuren, maar is relatief ongevoelig voor slakinsluitingen en poriën, evenals voor scheuren in het inwendige van dikkere platen.
Ultrasoon onderzoek – Ulrakorte geluidsgolven worden niet alleen op grensvlakken gereflecteerd, maar ook op scheidingsvlakken in het inwendige, zoals bijvoorbeeld op scheuren of delaminaties.