BE1017229A3

BE1017229A3 - Werkwijze voor het lassen van een hoog treksterkte staal met behoud van de eigenschappen van het basismateriaal.

Info

Publication number: BE1017229A3
Application number: BE2006/0391A
Authority: BE
Inventors: Eddy Buyst
Original assignee: Vlassenroot Nv Sa
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2008-05-06

Abstract

De onderhavige uitvinding heeft betrkking op een werkwijze voor het lassen van een hoog treksterkte staal. De werkwijze is in het bijzonder gekenmerkt dat de koeltijd t8/5, vereist om het staal na het lassen af te koelen van 800 granden C naar 500 graden C, kleiner is dan 5 seconden. De uitvinding wordt tevens gekenmerkt in dat bij het lassen een lasenergie Q aangewend wordt die kleiner is dan ekJ/cm. De uitvinding betreft ook het gelast staal verkrijgbaar door middel van de onderhavige werkwijze en gebruik hiervan als telescopische arm.

Description

Werkwijze voor het lassen van een hoog treksterkte staal met behoud van de eigenschappen van het basismateriaal

Technisch veld

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het lassen van staal. Meer in het bijzonder betreft de uitvinding een werkwijze voor het MAG lassen van een hoog treksterkte staal. De uitvinding betreft tevens het gelast staal dat door middel van de onderhavige werkwijze, gebruikt kan worden voor telescopische armen.

Achtergrond

Lassen is het verbinden van materialen door middel van druk en/of warmte, waarbij het materiaal op de verbindingsplaats in vloeibare of deegachtige toestand wordt gebracht terwijl al of niet materiaal met ongeveer dezelfde samenstelling wordt toegevoegd, waarbij een vaste verbinding ontstaat tussen de te verbinden delen.

De meeste lasprocessen hebben hoge plaatselijke temperaturen nodig om het verbinden van metalen mogelijk te maken. Het type warmtebron wordt vaak gebruikt als de basisomschrijving van een procestype, bijvoorbeeld MAG-lassen. Een van de grootste problemen bij het lassen is het feit dat naarmate de temperatuur stijgt, metalen makkelijker reageren met de omringende atmosfeer. De methode van bescherming van het hete lasmetaal tegen invloeden van de atmosfeer is het volgende belangrijke kenmerk. De technieken variëren van een poederbekleding die voor een beschermende slak zorgt tot bescherming door middel van inerte en/of actieve gassen.

MAG-lasprocessen zijn de meest toegepaste lastechnieken. In dergelijke processen is de warmtebron een elektrische boog die ontstaat tussen de te verbinden metaaldelen en een laselektrode. De elektrische energie die in warmte wordt omgezet, genereert een boogtemperatuur van ongeveer 7.000° C en zorgt ervoor dat het metaal smelt en zich verbindt. MAG-lasprocessen omvatten onder meer GMAW (Gas-Shielded Métal Arc Welding = MIG/MAG-lassen), waarin een lichtboog onderhouden wordt tussen het uiteinde van een lasdraad en het werkstuk. De boog en het lasbad worden beschermd door een stroom inert en/of actief gas (bijvoorbeeld argon of mengsels van argon met waterstofgas en helium) of actief gas (bijvoorbeeld C02 of argonmenggassen met Ar, C02 en 02).

Staal is een legering bestaande uit ijzer en koolstof, meestal ook met andere bestanddelen. De wereld kent vandaag de dag ongeveer 2500 verschillende soorten staal. Mede hierdoor en door de uitstekende bewerkbaarheid is staal een veel gebruikt constructiemateriaal. Het koolstof wordt gebruikt om een hoge treksterkte en hardheid te verkrijgen. Nieuwe productiemethodes, lagere koolstofgehaltes, en een strakkere controle van de parameters van het productieproces hebben bijgedragen tot de ontwikkeling van zwakker gelegeerde, goedkopere staalsoorten met goede lascapaciteiten. Voorbeelden hiervan zijn hoog treksterkte stalen, gekend onder de naam OPTIM RAEX 900 QC (OPTIM 900 QC) en OPTIM RAEX 960 QC (OPTIM 960 QC) van de firma Rautaruukki. Deze staalsoorten hebben een minimale vloeigrens van respectievelijk 900 en 960 N/mm2, bij diktes van 4, 5 en 6 mm. Deze stalen zijn speciaal warmtebehandelde stalen die een laag koolstofgehalte en een laag gehalte aan legeringselementen vertonen in vergelijking met (quenched en tempered) hoog treksterkte staal zoals bijvoorbeeld S960 QL.

Teneinde het potentieel van dergelijke nieuw type staal optimaal te benutten, is een beter inzicht in de lascapaciteit van dergelijke nieuwe staalsoort nodig alvorens zij uitgebreider kunnen worden toegepast. Ook lasprocessen en -omstandigheden moeten zorgvuldig worden gekozen teneinde een geschikte en vereiste vloeigrens in de warmtebeïnvloede zone (HAZ, lasnaad) te bereiken. De warmtebeïnvloede zone is dat deel van het materiaal, dat onder invloed van de toegevoerde warmte een structuurverandering heeft ondergaan. Echter, op heden gekende lasparameters blijken niet geschikt om bovengenoemde OPTIM RAEX 900 QC en OPTIM RAEX 960 QC stalen te lassen.

De onderhavige uitvinding heeft daarom als doel een werkwijze te verschaffen voor het lassen van bovengenoemd nieuw type hoog treksterkte staal. De onderhavige uitvinding beoogt in het bijzonder een eenvoudige en goedkope werkwijze te verschaffen voor het lassen van bovengenoemde OPTIM RAEX 900 QC en OPTIM RAEX 960 QC hoog treksterkte stalen. De uitvinding beoogt ook een werkwijze te verschaffen voor het lassen van bovengenoemde OPTIM RAEX 900 QC en OPTIM RAEX 960 QC stalen waarbij een geschikte vloeigrens, treksterkte en rek in de warmtebeïnvloede zone (HAZ) of lasnaad bekomen wordt.

Samenvatting

Daartoe verschaft de huidige uitvinding in een eerste aspect een werkwijze voor het lassen van staal, bij voorkeur door middel van MAG-lassen. De onderhavige werkwijze in het bijzonder gekenmerkt, dat de koeltijd t8/5 dewelke vereist is om het staal na het lassen af te koelen van 800°C naar 500°C, kleiner is dan 5 seconden. De onderhavige werkwijze is verder gekenmerkt dat bij het lassen een lasenergie Q aangewend wordt dewelke kleiner is dan 4 kJ/cm.

MAG-lassen verwijst naar een lasprocédé waarbij door een warmtebron een elektrische boog gevormd wordt tussen de te verbinden staaldelen en een laselektrode, en waarbij de boog en het lasbad worden beschermd door een gas.

Met de onderhavige werkwijze worden lasnaden gemaakt die voldoen aan DIN EN ISO normen. Bij het lassen van staal is het vereist dat het oppervlak in de omgeving van de lasnaden droog en zuiver is, om de vorming van waterstof in het lasnaad te vermijden. Gewoonlijk verschijnt een smalle zone van materiaal dat zachter is dan het moedermateriaal in het lasnaad. Dit heeft als nadeel dat hiermee rekening dient te worden gehouden bij het ontwerp van een structuur of stalen constructie, bijvoorbeeld door plaatsing van de lasnaden in de minst aan stress onderhevige delen van een constructie. De onderhavige werkwijze laat echter toe om eigenschappen van de lasnaden te bekomen dewelke gelijk zijn aan die van het moedermateriaal. Meer in het bijzonder werd aangetoond dat toepassing van de bovengenoemde lasparameters tijdens het lassen toelaat een gelast staal te bekomen dat een geschikte vloeigrens, treksterkte en rek vertoont in de lasverbinding. Meerbepaald worden lasnaden bekomen waarin vloeigrens, treksterkte en rekwaarden van het materiaal in de lasnaad zijn gelijkaardig aan de waarden in het moedermateriaal.

In een ander aspect voorziet de uitvinding in gelast staal dat verkregen wordt door toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding, en het gebruik hiervan als telescopische arm, bijvoorbeeld in kraaninstallaties, liften, heftrucks, etc...

Hieronder zullen meer in detail de laswerkwijze en de karakteristieken van het gelaste staal behandeld worden.

Gedetailleerde beschrijving

Het staal dat in de huidige uitvinding gelast wordt betreft een staal met een dikte tot 6 mm, dat een vloeigrens van minstens 960N/mm2 vertoont, een treksterkte van minstens 1000N/mm2 vertoont en een rek van minimum 7% vertoont.

Meer in het bijzonder voorziet de uitvinding in een werkwijze voor het lassen van het OPTIM RAEX 900 QC en het OPTIM RAEX 960 QC staal van Rautaruukki. Verdere karakteristieken van beide staalsoorten worden hieronder meer in detail besproken.

De chemische samenstelling van beide staalsoorten wordt in Tabel 1 voorgesteld.

Tabel 1

Onderhavig staal heeft bij voorkeur een carbon equivalent waarde begrepen tussen 0.47 en 0.50. De “carbon equivalent waarde” (CEV) verwijst naar het gehalte aan elementen in het staal die equivalent zijn aan koolstof. CEV stemt overeen met C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15. Tabel 2 stelt enkele carbon equivalent waarden voor van beide staalsoorten.

Tabel 2

OPTIM RAEX 900 QC staal heeft bij voorkeur een vloeigrens die begrepen is tussen 900-1000 N/mm2, een treksterkte die begrepen is tussen 950-1150 N/mm2, en een rek van maximum 12%, en bij grotere voorkeur een vloeigrens van 900 N/mm2, een treksterkte van 950 N/mm2, en een rek van minimum 8%.

OPTIM RAEX 960 QC staal heeft bij voorkeur een vloeigrens die begrepen is tussen 960-1060 N/mm2, een treksterkte die begrepen is tussen 1000-1180 N/mm2, en een rek van maximum 10%, en bij grotere voorkeur een vloeigrens van 960 N/mm2, een treksterkte van 1000 N/mm2, en een rek van minimum 7%.

De term “vloeigrens” (uitgedrukt in N/mm2) zoals hierin gebruikt verwijst naar een materiaalconstante, dewelke het punt beschrijft tijdens een trekproef waarop het materiaal "begint te vloeien", ofwel plastische vervorming begint te ondergaan. De term “treksterkte” (eveneens uitgedrukt in N/mm2) zoals hierin gebruikt verwijst naar een de maximale mechanische spanning die een materiaal bereikt als het plastisch vervormd wordt. De term “rel·C (ook rek bij breken genoemd en uitgedrukt in %) zoals hierin gebruikt verwijst naar de elongatie die het materiaal ondergaat wanneer het breekt. Het stelt de verhouding tussen de lengteverandering en de oorspronkelijke lengte van het materiaal voor.

De test temperatuur voor impact hardheid is -40°C. Charpy V impact energie is kleiner dan of gelijk aan 60 J/cm2 in de langsnaad richting en kleiner dan of gelijk aan 50 J/cm2 in de dwarsrichting. De Charpy V impact energie test (volgens Europese norm EN 10045) bestaat uit het breken door één slag van een slinger van een teststuk materiaal dat in het midden ingekerfd is en dat op elk uiteinde wordt gesteund. De geabsorbeerde energie wordt bepaald in Joule. Deze geabsorbeerde energie is een indicatie van de schokweerstand van het materiaal.

Vervormbaarheid van OPTIM RAEX staal is goed, met betrekking tot zijn sterkte. Het koud vervormen is mogelijk in alle richtingen ongeacht de rolrichting van het staal. De kleinste interne buigradius voor dit wordt getoond in Tabel 3.

Tabel 3

De uitvinding betreft een werkwijze voor het lassen van hierboven beschreven staalsoorten. De onderhavige werkwijze wordt gekenmerkt door een bijzondere keuze van de lasparameters van koeltijd (t8/5) en lasenergie (Q).

De koeltijd (t8/5) uitgedrukt in seconden wordt hierin aangewend om de tijd aan te duiden die vereist is om staal af te koelen van 800°C naar 500°C. De koeltijd kan met volgende formules beschreven worden: voor tweedimensionale warmtedissipatie:

voor driedimensionale warmtedissipatie:

waarin Q= lasenergie (kJ/mm), waarbij Q = k.E = k. [(U . I) / v]. 10'3 en waarin verder T0= voorverwarmingstemperatuur (°C) d= plaatdikte F2 en F3= Naad faktor bij twee- en driedimensionale warmtedissipatie.

E= linearie energie (kJ/mm) U= lichtboogspanning in Volt (V) l= lasstroom in A v = lassnelheid in mm/s k = thermische efficiëntie van het lasproces

De onderhavige werkwijze is hierin gekenmerkt dat de koeltijd t8/5 kleiner is dan 5 seconden, en de lasenergie Q kleiner is dan 4 kJ/cm. In het bijzonder wordt de werkwijze uitgevoerd met materiaal geschikt voor water-gekoeld, semi-automatisch MAG-lassen.

In de onderhavige werkwijze wordt een lasvulmateriaal of MAG-draadelektrode aangewend. Meer in het bijzonder is de draadelektrode het Thyssen Union X 90L metaal met een samenstelling dewelke omvat (in gewichtspercenten): 0.10% C; 0.80% Si, 1.80 % Mn, 0.35% Cr, 0.60% Mo en 2.30% Ni. Dit Thyssen Union X 90L metaal heeft een diameter van 0.9, 1 of 1.2 mm. Het vertoont een vloeigrens van 890 N/mm2, een treksterkte van 950 N/mm2, en een rek van maximum 15% vertoont.

Claims

1. Werkwijze voor het lassen van staal, bij voorkeur door middel van MAG-lassen, waarbij het staal een vloeigrens van minstens 960N/mm2, een treksterkte van minstens 1000N/mm2 en een rek van minimum 7% vertoont, met het kenmerk dat de koeltijd t8/5 dewelke vereist is om het staal na het lassen af te koelen van 800°C naar 500°C kleiner is dan 5 seconden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat bij het lassen een lasenergie Q aangewend wordt dewelke kleiner is dan 4 kJ/cm.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij bij het lassen als draadelektrode het THYSSEN UNION X 90 metaal aangewend wordt met een samenstelling (in gewichtspercenten) omvattende 0.10% C; 0.80% Si, 1.80 % Mn, 0.35% Cr, 0.60% Mo en 2.30% Ni, met een diameter van 1 mm, en dat vloeigrens van 890 N/mm2, een treksterkte van 950 N/mm2, en een rek van maximum 15% vertoont.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies 1 tot 3, met het kenmerk dat het staal OPTIM RAEX 900 QC staal is dat een chemische samenstelling heeft omvattende tot 0.10 gewichts% C; tot 0.25 gewichts% Si; tot 1.10 gewichts% Mn: tot 0.020 gewichts% P; tot 0.010 gewichts% S; en tot 0.07 gewichts% Ti.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk dat het OPTIM RAEX 900 QC staal een carbon equivalent waarde heeft begrepen tussen 0.46 en 0.49.

6. Werkwijze volgens conclusies 4 of 5, met het kenmerk dat het OPTIM RAEX 900 QC staal een vloeigrens heeft dat begrepen is tussen 900-1000 N/mm2, een treksterkte heeft die begrepen is tussen 950-1150 N/mm2, en een rek heeft van maximum 12%, en bij voorkeur een vloeigrens van 900 N/mm2, een treksterkte van 950 N/mm2, en een rek van maximum 8%.

7. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies 4 tot 6, met het kenmerk dat de kleinste interne buigradius voor OPTIM RAEX 900 QC staal met een staaldikte van 3, 4, 5 en 6 mm, respectievelijk 9,12, 15 en 18 mm bedraagt.

8. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies 1 tot 3, met het kenmerk dat het staal OPTIM RAEX 960 QC staal is dat een chemische samenstelling heeft omvattende tot 0.11 gewichts% C; tot 0.25 gewichts% Si; tot 1.20 gewichts% Mn: tot 0.020 gewichts% P; tot 0.010 gewichts% S; en tot 0.07 gewichts% Ti.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk dat het OPTIM RAEX 960 QC staal een carbon equivalent waarde heeft begrepen tussen 0.47 en 0.50.

10. Werkwijze volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk dat het OPTIM RAEX 960 QC staal een vloeigrens heeft dat begrepen is tussen 960-1060 N/mm2, een treksterkte heeft dat begrepen is tussen 1000-1180 N/mm2, en een rek heeft van maximum 10%, en bij voorkeur een vloeigrens van 960 N/mm2, een treksterkte van 1000 N/mm2, en een rek van maximum 7%.

11. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies 8 tot 10, met het kenmerk dat de kleinste interne buigradius voor OPTIM RAEX 960 QC staal met een staaldikte van 3, 4, 5 en 6 mm, respectievelijk 10.5, 14,17.5 en 21 mm bedraagt.

12. Gelast staal verkrijgbaar door toepassing van de werkwijze volgens één der voorgaande conclusies 1 tot 11.

13. Gebruik van het gelaste staal volgens conclusies 12 als telescopische arm, bijvoorbeeld in kraaninstallaties, liften, heftrucks, etc...