Moeilijk te lassen materialen: Uitdagingen en technologieën

Lassen is een cruciaal proces in de productie en bouw, waarbij metalen worden samengevoegd om sterke, duurzame constructies en onderdelen te maken. Niet alle materialen zijn echter gemakkelijk te lassen. Sommige materialen, die bekend staan als moeilijk te lassen of "lastige" materialen, bieden aanzienlijke uitdagingen vanwege hun unieke fysische, chemische of mechanische eigenschappen. Deze uitdagingen kunnen betrekking hebben op scheurvorming, vervorming en slechte lasbaarheid. Om deze materialen met succes te lassen, zijn gespecialiseerde technieken, technologieën en een grondige kennis vereist. Dit artikel onderzoekt de uitdagingen van het lassen van moeilijke materialen en de technologieën die worden gebruikt om deze obstakels te overwinnen.

Wat maakt een materiaal moeilijk lasbaar?

Materialen worden als moeilijk lasbaar beschouwd als hun eigenschappen leiden tot complicaties tijdens het lasproces of resulteren in een mindere laskwaliteit. Verschillende factoren dragen bij aan de moeilijkheidsgraad van het lassen van een bepaald materiaal:

1. Hoge thermische geleidbaarheid:
   • Snelle warmteafvoer: Materialen zoals aluminium en koper hebben een hoge thermische geleidbaarheid, wat betekent dat ze snel warmte afvoeren van de laszone. Dit snelle warmteverlies kan het moeilijk maken om de nodige temperatuur te behouden voor een goede samensmelting, wat leidt tot problemen zoals onvolledige inbranding of zwakke lassen.
2. Laag smeltpunt:
   • Risico op vervorming: Materialen met een laag smeltpunt, zoals lood, tin of bepaalde kunststoffen, zijn gevoelig voor vervorming of wegsmelten tijdens het lassen. Het beheersen van de warmte-inbreng is essentieel om schade aan het materiaal te voorkomen.
3. Hoge hardheid en sterkte:
   • Barsten en brosse breuk: Materialen met een hoge sterkte, zoals gereedschapsstaal, martensitische roestvaste staalsoorten en sommige nikkellegeringen, zijn gevoelig voor scheuren, vooral bij snelle afkoeling. Door hun hardheid zijn ze moeilijk te lassen zonder defecten zoals scheuren of harde plekken in de laszone te introduceren.
4. Oxidatie neiging:
   • Vorming van oxidelagen: Sommige materialen, vooral titanium, aluminium en roestvast staal, vormen een hardnekkige oxidelaag op hun oppervlak wanneer ze aan lucht worden blootgesteld. Deze oxidelaag kan een goede samensmelting verhinderen tenzij hij voor het lassen wordt verwijderd, wat het lasproces bemoeilijkt.
5. Legeringselementen:
   • Gevoeligheid voor hitte: De aanwezigheid van bepaalde legeringselementen, zoals zwavel, fosfor of koolstof, kan materialen moeilijker lasbaar maken. Deze elementen kunnen warmscheuren, porositeit of andere lasdefecten veroorzaken.
6. Reactiviteit met gassen:
   • Verontreiniging: Materialen zoals titanium, zirkonium en magnesium zijn zeer reactief met atmosferische gassen zoals zuurstof, stikstof en waterstof. Als deze gassen niet goed worden afgeschermd, kunnen ze de las verontreinigen, wat kan leiden tot verbrossing, porositeit of oxidatie.

Voorbeelden van moeilijk te lassen materialen

Verschillende materialen staan bekend om hun lasteigenschappen. Inzicht in de specifieke uitdagingen van deze materialen is essentieel voor het selecteren van de juiste lastechniek en -technologie.

1. Aluminium:
   • Uitdagingen: De hoge thermische geleidbaarheid en het lage smeltpunt van aluminium maken het gevoelig voor problemen zoals kromtrekken, doorbranden en onvolledige versmelting. Bovendien vormt aluminium een dikke oxidelaag die voor het lassen moet worden verwijderd.
   • Technologieën: Technieken zoals TIG (Gas Tungsten Arc Welding) en MIG (Gas Metal Arc Welding) worden vaak gebruikt voor aluminium. Voorverwarmen, het gebruik van een hoogfrequente start en het schoonhouden van de werkomgeving zijn essentieel om lassen van hoge kwaliteit te garanderen.
2. Roestvrij staal:
   • Uitdagingen: Het hoge chroomgehalte van roestvast staal maakt het gevoelig voor oxidatie, terwijl het lage warmtegeleidingsvermogen kromtrekken kan veroorzaken. Bepaalde soorten, zoals martensitisch en ferritisch roestvast staal, zijn ook gevoelig voor scheuren.
   • Technologieën: TIG- en MIG-lassen zijn effectief voor roestvast staal, met zorgvuldige controle van de warmte-inbreng en het juiste beschermgas (meestal argon of een mengsel) om oxidatie te voorkomen. Voorverwarming en warmtebehandeling na het lassen (PWHT) zijn vaak nodig om het risico op scheuren te verminderen.
3. Titanium:
   • Uitdagingen: Titanium is bij hoge temperaturen zeer reactief met zuurstof, stikstof en waterstof, waardoor het moeilijk te lassen is zonder verontreiniging. Zelfs een kleine verontreiniging kan leiden tot verbrossing en scheuren.
   • Technologieën: TIG-lassen met afscherming met inert gas (argon of helium) is de voorkeursmethode voor het lassen van titanium. Het gebruik van slepende schilden en zorgvuldige controle van de lasomgeving (bijv. doorspoelen met inert gas) is essentieel om verontreiniging te voorkomen.
4. Nikkellegeringen:
   • Uitdagingen: Nikkellegeringen, zoals Inconel en Hastelloy, staan bekend om hun hoge sterkte en corrosiebestendigheid, maar ze zijn ook gevoelig voor scheuren, vooral in de warmte-beïnvloede zone (HAZ). De aanwezigheid van zwavel en fosfor kan deze problemen verergeren.
   • Technologieën: Technieken zoals TIG, MIG en laserlassen worden gebruikt voor nikkellegeringen. Voorverwarmen, het beheersen van de warmte-inbreng en het gebruik van vulmaterialen met een laag zwavelgehalte kunnen het risico op scheuren verminderen.
5. Koper:
   • Uitdagingen: De hoge thermische geleidbaarheid van koper maakt het moeilijk om voldoende warmte in de laszone te houden, wat leidt tot problemen zoals onvolledige samensmelting of koude lassen. Koper vormt ook een oxidelaag die voor het lassen moet worden verwijderd.
   • Technologieën: TIG-lassen met hoge stroomsterkte en voorverwarmen van het materiaal is vaak nodig bij het lassen van koper. Het gebruik van gedesoxideerd kopervulmateriaal en afscherming met inert gas kan de laskwaliteit verbeteren.
6. Staal met een hoog koolstofgehalte:
   • Uitdagingen: Staal met een hoog koolstofgehalte is gevoelig voor scheuren, vooral tijdens snelle afkoeling, door de vorming van harde en brosse martensitische structuren. Deze materialen kunnen ook last hebben van scheuren door waterstof.
   • Technologieën: Voorverwarmen, warmtebehandeling na het lassen en gecontroleerd afkoelen zijn essentieel bij het lassen van staal met een hoog koolstofgehalte. Technieken zoals TIG, MIG en booglassen met afgeschermd metaal (SMAW) worden vaak gebruikt, waarbij de nadruk ligt op het beheersen van de warmte-inbreng en het minimaliseren van de waterstofinhoud.

Technologieën voor het lassen van moeilijke materialen

Voor het lassen van moeilijke materialen zijn gespecialiseerde technologieën en technieken nodig om de uitdagingen van hun eigenschappen te overwinnen. Hieronder staan enkele van de belangrijkste technologieën die worden gebruikt bij het lassen van deze materialen.

1. TIG-lassen (booglassen met gas):
   • Precisie en controle: TIG-lassen wordt veel gebruikt voor het lassen van moeilijke materialen vanwege de nauwkeurige regeling van de warmte-inbreng en de boogstabiliteit. De niet-verbruikbare wolfraamelektrode zorgt voor een stabiele boog, terwijl het inerte gasschild (meestal argon of helium) de las beschermt tegen verontreiniging.
   • Toepassingen: TIG-lassen wordt vaak gebruikt voor materialen zoals aluminium, roestvrij staal, titanium en nikkellegeringen. Het is vooral effectief voor dunne materialen en toepassingen waarbij lassen van hoge kwaliteit essentieel zijn.
2. Laserlassen:
   • Hoge precisie met minimale warmte-inbreng: Laserlassen maakt gebruik van een gefocuste laserstraal om een hoogenergetische las te maken met minimale warmte-inbreng. Dit proces is ideaal voor het lassen van moeilijke materialen die gevoelig zijn voor warmte of vervorming, zoals titanium, roestvast staal en bepaalde nikkellegeringen.
   • Toepassingen: Laserlassen wordt gebruikt in industrieën zoals lucht- en ruimtevaart, auto-industrie en elektronica, waar precisie en controle essentieel zijn. Het is ook effectief voor het lassen van ongelijksoortige materialen of het uitvoeren van geautomatiseerde lassen met hoge snelheid.
3. Elektronenbundellassen (EBW):
   • Diepe penetratie met hoge energiedichtheid: Elektronenbundellassen maakt gebruik van een gefocuste elektronenbundel om diepe, nauwkeurige lassen te maken met minimale vervorming. Dit proces wordt uitgevoerd in een vacuüm, wat het risico op verontreiniging en oxidatie uitsluit, waardoor het ideaal is voor reactieve materialen zoals titanium en zirkonium.
   • Toepassingen: EBW wordt gebruikt in de luchtvaart-, nucleaire en auto-industrie voor het lassen van corrosiebestendige materialen met hoge sterkte. Het is bijzonder effectief voor dikke secties en complexe geometrieën.
4. Wrijvingsroerlassen (FSW):
   • Solid-State verbinding: Wrijvingsroerlassen is een proces in vaste toestand waarbij een roterend gereedschap wrijvingswarmte genereert en het materiaal plastisch vervormt, waardoor het wordt verbonden zonder te smelten. Dit proces is ideaal voor het lassen van materialen die moeilijk te verbinden zijn met traditionele fusielastechnieken, zoals aluminiumlegeringen en bepaalde ongelijksoortige metalen.
   • Toepassingen: FSW wordt gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de scheepsbouw voor toepassingen waarbij lasnaden met hoge sterkte en zonder defecten nodig zijn, met minimale vervorming.
5. Plasmabooglassen (PAW):
   • Hoge energiedichtheid: Plasmabooglassen is vergelijkbaar met TIG-lassen, maar maakt gebruik van een vernauwde boog om een plasmastraal met hoge energie te creëren. Dit proces biedt een grotere penetratie en hogere lassnelheden, waardoor het geschikt is voor moeilijk te lassen materialen zoals roestvast staal, titanium en nikkellegeringen.
   • Toepassingen: PAW wordt gebruikt in de ruimtevaart en nucleaire industrie voor precisielastoepassingen die een diepe penetratie en minimale vervorming vereisen.
6. Lassen met hete draad:
   • Verbeterde warmteregeling: Bij het lassen met hete draad wordt de lasdraad voorverwarmd voordat hij het smeltbad ingaat, waardoor de warmte-inbreng beter kan worden gecontroleerd en de kans op defecten afneemt. Dit proces is vooral nuttig voor het lassen van materialen met een hoge sterkte en het verminderen van de kans op scheuren.
   • Toepassingen: Hete draadlassen wordt gebruikt in de olie- en gasindustrie, energieopwekking en ruimtevaartindustrie voor het lassen van materialen zoals nikkellegeringen, roestvast staal en staal met een hoog koolstofgehalte.

Strategieën voor het overwinnen van lasuitdagingen

Voor het succesvol lassen van moeilijke materialen is een combinatie nodig van geavanceerde technologieën, de juiste voorbereiding en vaardige techniek. Hier volgen enkele strategieën om de uitdagingen bij het lassen van deze materialen te overwinnen.

1. Voorverwarming en warmtebehandeling na het lassen:
   • Voorverwarmen: Het materiaal voorverwarmen voor het lassen helpt het risico op barsten te verminderen door de koelsnelheid te vertragen en de thermische gradiënten te minimaliseren. Dit is vooral belangrijk voor staal met een hoog koolstofgehalte, nikkellegeringen en sommige roestvaste staalsoorten.
   • Warmtebehandeling na het lassen (PWHT): PWHT wordt gebruikt om restspanningen te verminderen, de hardheid te verlagen en de mechanische eigenschappen van de las te verbeteren. Het is essentieel voor materialen die gevoelig zijn voor scheuren, zoals hoge-sterktestalen en bepaalde nikkellegeringen.
2. Oppervlaktevoorbereiding:
   • Reiniging en oxideverwijdering: Een goede voorbereiding van het oppervlak is cruciaal voor moeilijke materialen. Verwijder oxiden, oliën en verontreinigingen met mechanische of chemische methoden voordat je gaat lassen. Voor materialen als aluminium en titanium is deze stap cruciaal om vervuiling te voorkomen en een goede samensmelting te garanderen.
   • Gebruik van de juiste vulmaterialen: De keuze van het juiste toevoegmateriaal is essentieel om sterke, foutloze lassen te maken. Gebruik vulmateriaal dat overeenkomt met de samenstelling en eigenschappen van het basismetaal om het risico op scheuren en andere defecten te minimaliseren.
3. Gecontroleerde lasomgeving:
   • Afscherming met inert gas: Gebruik een afscherming van inert gas (argon, helium) om reactieve materialen zoals titanium, roestvast staal en aluminium te beschermen tegen atmosferische contaminatie. Zorg ervoor dat de stroom beschermgas voldoende is om oxidatie en andere defecten te voorkomen.
   • Vacuüm of gecontroleerde atmosfeer: Voor zeer reactieve materialen of kritische toepassingen kun je overwegen om te lassen in een vacuüm of gecontroleerde atmosfeer om het risico op verontreiniging uit te sluiten. Dit wordt vaak gedaan bij elektronenbundellassen (EBW) en andere processen met hoge precisie.
4. Geavanceerde lastechnieken:
   • Meervoudig lassen: Gebruik voor dikke materialen lastechnieken met meerdere laspassen voor een goede inbranding en samensmelting. Regel de interpasstemperatuur om oververhitting te voorkomen en het risico op barsten te verminderen.
   • Gepulseerd lassen: Gepulste lastechnieken, zoals gepulste MIG of gepulste TIG, bieden een betere controle over de warmte-inbreng en verminderen het risico op doorbranden, kromtrekken en andere warmtegerelateerde defecten. Gepulseerd lassen is vooral effectief bij dunne materialen en warmtegevoelige legeringen.
5. Geschoolde arbeidskrachten en voortdurend leren:
   • Training en certificering: Het lassen van moeilijke materialen vereist een hoog niveau van vaardigheid en expertise. Zorg ervoor dat lassers getraind en gecertificeerd zijn in de specifieke technieken en materialen waarmee ze gaan werken. Voortdurend leren en bijscholen is essentieel om gelijke tred te houden met de vooruitgang in lastechnologie en materiaalkunde.
   • Samenwerking en communicatie: Effectieve samenwerking tussen lassers, technici en materiaalwetenschappers is cruciaal voor het succesvol lassen van moeilijke materialen. Regelmatige communicatie en probleemoplossende sessies kunnen helpen om potentiële problemen vroegtijdig te identificeren en strategieën te ontwikkelen om ze op te lossen.

Conclusie

Het lassen van moeilijke materialen brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee, maar met de juiste technologieën, technieken en expertise kunnen deze uitdagingen met succes worden overwonnen. Door de unieke eigenschappen van elk materiaal te begrijpen en het juiste lasproces te kiezen, kunnen fabrikanten sterke, betrouwbare lassen maken die voldoen aan de strenge eisen van industrieën zoals lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie en de bouw.

Naarmate de materiaalwetenschap en de lastechnologie zich verder ontwikkelen, zullen er nieuwe oplossingen en innovaties ontstaan die het vermogen om moeilijke materialen te lassen verder verbeteren. Of u nu werkt met staal met hoge sterkte, reactieve legeringen of materialen met uitdagende thermische eigenschappen, de sleutel tot succes ligt in een grondige voorbereiding, vaardige techniek en een streven naar voortdurende verbetering.