Waterstof(scheuren) in OP-lasmetaal (HRS) ing. Erwin Gering IWE
Waterstof(scheuren) in OP-lasmetaal (HRS)ing. Erwin Gering IWE
2
Air Liquide – Air Liquide WeldingInleiding / samenvattingWaterstofscheuren bij het lassen van staal – algemeenWaterstofscheuren in OP-lasmetaal (hoge sterkte)
Samenstelling basismateriaal en lasmetaalDiffusie-coëfficiëntFase-overgangKrimpspanningWaterstof-accumulatieDetectie
Voorkomen scheurvormingWaterstof eruit laten gaanBeperken van waterstof-inbreng
Conclusie / aandachtspunten
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
3
Air Liquide : enkele cijfers
2005 omzet: 10 435 M €Personeel: 36 000In meer dan 70 landen
24%
31%
26%
17%2%
France
Europe except France
America
Asie Pacifique
Africa
4
LIMA
BOGOTA
CAIRO
JAKARTA
ISTANBUL
ATHENS
JOHANNESBURG
RIYADH
QUITO
Oerlikon licensees
Air Liquide Welding
Lastoevoegmateriaal & EquipementOmzet 2005 : 530 M €
ALW offices
Countries commercializing ourproducts
SHANGHAI
BANGKOK
KUALA LUMPUR
6
Air Liquide Welding: 18 production unitsEisenberg (D) – SA fluxesBrielow (D) – solid wiresWiesenburg (D) – solid wiresCittadella (I) – flux cored wiresArdenno (I) – SA fluxesVerona (I) – flame equipmentCommercy (F) – flame, robot, fluxesChâlons-en-Champagne (F) – wires, flux cored,
wires, electrodesPont-Sainte-Maxence (F) - MIG, TIG,
plasma, arc professional power sources, torchesParthenay (F) - automationStoro (I) – solid wiresNitra (SK) – professional power sourcesPadova (I) - electrodesGenova (I) - automation (engineering)Zaragoza (E) - electrodesMosonmagyaróvár (H) – solid wiresBuzau (RO) – electrodesChina (power sources)
7
Air Liquide Welding Nederland B.V.
Voorheen SAF-Oerlikon B.V.
Sinds mei 2005 Air Liquide Welding Nederland BV
8
Air Liquide Welding
Veelvoud aan merken
9
Air Liquide Welding
Wereldwijde overgang naar 2 hoofdmerken
10
Air Liquide Welding Nederland BV
In Nederland : overgang naar 1 hoofdmerk : OerlikonVoormalige SAF–produkten : ook in Oerlikon verpakking
11
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
Air Liquide – Air Liquide WeldingInleiding / samenvattingWaterstofscheuren bij het lassen van staal – algemeenWaterstofscheuren in OP-lasmetaal (hoge sterkte)
Samenstelling basismateriaal en lasmetaalDiffusie-coëfficiëntFase-overgangKrimpspanningWaterstof-accumulatieDetectie
Voorkomen scheurvormingWaterstof eruit laten gaanBeperken van waterstof-inbreng
Conclusie / aandachtspunten
12
Inleiding / Samenvatting
Waterstofscheuren ? S690QL lassen?
Is dat tegenwoordig zo eenvoudig?
MAG-lassen wordt het meest toegepastrelatief weinig problemen met koudscheuren (ook niet bij HR-staal)
Beklede electrode wordt minder vaak toegepasteigenlijk ook niet veel problemen met koudscheuren
Bij “onder poederdek lassen” ?
“vroeger”“stelt niks voor: beetje voorwarmen en
gewoon lassen als St 52”
Gevaar op onderschatting bij Rp0,2> 550 MPameerlaagse lassen / grote wanddiktevoorwarmtemperatuur vlgs EN 1011-2“gewone” H5-poeders
13
14
15
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
Air Liquide – Air Liquide WeldingInleiding / samenvattingWaterstofscheuren bij het lassen van staal – algemeenWaterstofscheuren in OP-lasmetaal (hoge sterkte)
Samenstelling basismateriaal en lasmetaalDiffusie-coëfficiëntFase-overgangKrimpspanningWaterstof-accumulatieDetectie
Voorkomen scheurvormingWaterstof eruit laten gaanBeperken van waterstof-inbreng
Conclusie / aandachtspunten
16
Koudscheuren bij het lassen - Algemeen
Tijdens het lassenWaterstof komt in smeltbad tijdens lassen
• Bekleding / poeder• Kerndraad / lasdraad• Atmosfeer• Basismateriaal incl oppervlaktevervuiling
Afkoeling : Krimp (& spanning) Waterstof-oplosbaarheid neemt afScheurvorming in scheurgevoelige structuur(direkt / uren / dagen)
Scheurgevoelige structuur ?Warmte-beinvloede zone (WBZ)Lasmetaal (LM)
H + H (opgelost)
H2 (gasvormig)
17
Waterstofscheuren - Algemeen
De kans op koudscheuren neemt in het algemeen toe bij
hoger C% en hoger gehalte aan legeringelementen (CET)
grotere dikte
hogere krimpkrachten (krimpverhindering)
snelle(re) afkoeling van de las (t8/5)
lage(re) temperatuur van de lasverbinding (voorwarm To/ tussenlaagtemperatuur Ti)
toename van ingebrachte (diffundeerbare) waterstof (HD)
18
HD (ml/100gr) volgens ISO/IIW 3690: HD (ml/100gr) = ingebrachte hoeveelheid diffundeerbare waterstof:
Lasrups “invriezen”= een vergelijkingsgetal= kenmerkend voor type draad, elektrode
of draad-poedercombinatie
Lasverbinding in de praktijk is anders : temperatuur verloop (voorwarm & interpass & WI & nawarmen & meerlagen)waterstof zal zich verplaatsen / verwijderen / herverdelenverschillende concentraties van waterstof in las en WBZ, afh van
• de volledige thermische historie • de diffusie coëfficiënt(en) (diffusiesnelheid)
HD ≠ werkelijke waterstof-concentratie in een “echte” lasverbinding
De werkelijke concentratie van resterende waterstof is (mede) bepalend voor het ontstaan van een koudscheur (niet HD)
19
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
Air Liquide – Air Liquide WeldingInleiding / samenvattingWaterstofscheuren bij het lassen van staal – algemeenWaterstofscheuren in OP-lasmetaal (hoge sterkte)
Samenstelling basismateriaal en lasmetaalDiffusie-coëfficiëntFase-overgangKrimpspanningWaterstof-accumulatieDetectie
Voorkomen scheurvormingWaterstof eruit laten gaanBeperken van waterstof-inbreng
Conclusie / aandachtspunten
20
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
“De werkelijke concentratie van resterende waterstofis (mede) bepalend voor het ontstaan
van een koudscheur”
De werkelijk resterende waterstofconcentratie?
Onderschatting bij OP lasmetaal HRS :scheurvorming
21
“Chevron-scheuren”
Rp0,2 ~ 580 MPaHD = 13.6 ml/100grHI = 4 kJ/mmTi = 100gr C
22
Kaarsrechte scheuren bij hogere sterkte
Rp0,2 ~ 760 MPaHD = 8,3 ml/100grHI = 3 kJ/mmTi = 100gr C
Rp0,2 ~890 MPaHD = 4,7 ml/100grHI 3,0 kJ/mmTi = 150gr C
23
Niet altijd kaarsrecht
Rp0,2 ~ 760 MPaHD = 6,1 ml/100grHI = 2 kJ/mmTi = 150gr C
Rp0,2 ~ 890 MPaHD = 6,1 ml/100grHI = 4 kJ/mmTi = 100gr C
24
Voorkomen van koudscheurenDiverse formules / grafieken / programma’s
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
Tp = 697*CET + 160*tanh(t/35) + 62*HD0,35 + (53*CET-32)*Q – 328
Echter alle theoriën zijn gericht op de WBZ
25
Wanneer het risico op koudscheuren in lasmetaal gevreesd wordt :AWS D1.1 beveelt proeflassen aan om risico te “bekijken”BS 5135 : 2 aanbevelingen:
Gebruik van lastoevoegmateriaal met HD< 2,5 ml/100gr =praktisch bijna onmogelijk voor OP-proces: “dus niet serieus” ?Of nawarmen op 200°C gedurende 2-3 uur
EN 1011 : geen concrete aanbevelingen
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
Voorkomen van koudscheurenDiverse formules / grafieken / programma’s
Echter alle theoriën zijn gericht op de WBZ
26
”De huidige theoriën zijn gericht op het voorkomenvan koudscheuren in de WBZ. ”
Nou en….?
De berekende voorwarmtemperatuur(op basis van EN 1011-2 methode B)
blijkt in extreme gevallen 120 graden te laag te zijnom koudscheuren te voorkomen in het lasmetaal
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
27
voor grondlaag zijn de bestaande theoriën toereikend
Bij OP-vullagen in grotere wanddikte (HRS) zijn er eenaantal bijzondere aspecten:
Lasmetaal is anders en hoger gelegeerd dan basismateriaalCET van lasmetaal benadert of overschrijdt CET van basismateriaalWaterstof diffusie coëfficient snelheid kan lager zijnVerschillende Ms temperaturen (LM / WBZ)Hoge krimpsspanning in lengterichting (grote dikte)Waterstof accumulatieScheurvorming vaak niet (direkt) zichtbaar aan oppervlak
Waterstof(scheuren) in OP-lasmetaal (HRS)
28
Chemische Samenstelling
lasmetaal is anders en hoger gelegeerd dan basismateriaalCET van lasmetaal benadert of overschrijdt CET van basismateriaal
0,310,210,300,050,251,20,15Weldox 700 E 30 / 40mm
0,260,250,140,050,301,00,13Weldox 700 E 15mm
0,55
Cr
0,350,340,050,301,40,15Weldox 700 E 50mm
CETMoNiSiMnC
0,330,620,402,20,411,350,08OE SD3 2NiCrMo – OP 121 TT/W
0,330,600,402,50,21,400,05FLUXOCORD 42 – OP 121 TT/W
0,250,31,50,10OE SD3 – OP 121 TT
29
Waterstof-diffusiecoëfficiënt
Diff
usie
snel
heid
ml/s
ec
Temperatuur °C
Verschillende samenstellingenverschillende diffusiesnelheden
Austeniet - Ferriet
Verschillende samenstellingen lasmetaal geven verschillende waterstof-diffusiecoëfficiënten
30
Fase overgang bij afkoeling van de las
Fase transformatie van austeniet naar ferritische structuur (S235)bainitische structuurmartensitische structuur (S690Q “dik”)
De temperatuur waarbij overgang startis afhankelijk van
chemische samenstellingafkoelsnelheid
Bij >S690 in dikte boven de 30 à 50 mm, betreft deze overgangstemperatuur Ms (Martensiet – starttemperatuur).
Ms
31
Verschillen austeniet / ferriet mbt waterstof
Vlakkengecentreerd (austenitische structuur)grote oplosbaarheid voor diffundeerbare waterstof lage diffusie-coëfficiënt van waterstof
Ruimtelijk gecentreerd (ferritische / marten-sitische / bainitische structuur) kleine oplosbaarheid voor diffundeerbare waterstof hoge diffusie-coëfficiënt van waterstof
32
Fase overgangen tijdens het lassen
“klassieke situatie”:fase overgang ongelegeerd lasmetaal : bij hoge temperatuurfase overgang hardbaar basismateriaal: bij lage temperatuur
Resultaat : WBZ “zuigt” waterstof uit las
OP-lassen van modern S690Q:fase overgang hoger gelegeerd lasmetaal: bij lagere temperatuurfase-overgang modern S690Q : bij hogere temperatuur
Resultaat: er blijft meer waterstof in las
33
Waterstof verdeling
“klassieke situatie” : waterstof concentratie in WBZOP-S690Q : er blijft meer waterstof achter in lasmetaal
Ms(WM) > Ms(HAZ)
600°C 500°C
Ms(HAZ) > Ms(WM)
34
0
10
20
30
40
50
10
20
30
40
50
Hoo
gte
(mm
)
Hoo
gte
(mm
)
- Krimpspanning +- Krimpspanning +0
00
Zijde 1
Zijde 2
V-naad X-naad
(Krimp)spanning in lengterichtingMaximale krimpspanning ~ Rp0,2 (trek)Maximale krimpspanning bevindt zich op ca 2/3 van de opgebouwde hoogte
Rp0,2 Rp0,2
35
Meerdere lagen en inbrandingsdiepteWaterstofaccumulatie
door omsmelting vorige laagmax HR op 70% - 90% van de opgebouwde dikteBij OP-proces hogere concentratie dan bij MIG/MAG en beklede electrode
Bovenkant plaat
Waterstofconcentratie
70%
90%
36
DetectieDe scheuren ontstaan onder het oppervlak
De scheuren kunnen onder oppervlak blijven
Blijken / lijken soms pas na enkele dagen te ontstaan
Kunnen binnen de eerste dagen uitgroeien tot zichtbare indicaties aan oppervlak
Tijdspan waarna NDO reeds mag plaatsvinden volgens EN 1011 is veel te kort (16 uur).
37
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
Air Liquide – Air Liquide WeldingInleiding / samenvattingWaterstofscheuren bij het lassen van staal – algemeenWaterstofscheuren in OP-lasmetaal (hoge sterkte)
Samenstelling basismateriaal en lasmetaalDiffusie-coëfficiëntFase-overgangKrimpspanningWaterstof-accumulatieDetectie
Voorkomen scheurvormingWaterstof eruit laten gaanBeperken van waterstof-inbreng
Conclusie / aandachtspunten
38
“Het gaat er niet zo makkelijk uit”
Voorwarm- en tussenlaag temperatuur verhogenhoeveel hoger ?kost extra geld en tijdextra belastend voor de lasser(negative) invloed op mechanische eigenschappen
(Extra) nawarmenAlleen zinvol als er nog geen scheurvorming / initiatie heeft plaatsgevondenOp wat voor temperatuur en hoe lang ?Kost extra geld en tijd
Hogere warmte-inbreng ?blijkt weinig effect op voorkomen scheurvorming te hebben(negatieve) invloed op mechanische eigenschappen
39
Hogere voorwarm / interpass temperatuur?
Scheurproeven lasmetaal met CET tussen 0,29 -0,33 dikte tussen 40 en 80 mm
Berekening voorwarmtemperatuur volgens EN 1011-2 methode B Resultaat
bij HD = 6,5 ml/100 gr : bij HD = 4,5 ml/100 gr :bij HD = 2 ml/100gr :
ca 30 – 90 gr C te laag berekendca 60 – 120 gr C te laag berekend
voorwarmtemperatuur juist berekend
Advies: Beperk zoveel mogelijk die waterstof-inbreng,
want het wil er moeilijk uit
40
Beperking van waterstof-inbreng
Voorkom dat verontreinigingen in het smeltbad komenVerwijder / voorkom roest en andere verontreinigingen op de plaatVoorkom verontreinigingen op de draad (aanvoer)
Kies poeder met zo laag mogelijke HDOP 121 TT/W < 3ml/100gr
Kies poeder met lage gevoeligheid voor toename van HDOP 121 TT/W
Beperk vochtopname poeder tijdens transport / opslagDRY-BAG – verpakkingof herdrogen poeder 2 – 4 uur op 300 – 350°C
Beperk vochtopname van het poeder tijdens het lassenAfschermen tegen vochtige luchtDroge persluchtWarmhouden bij recirculatie
41
Invloed van het klimaat (transport / opslag)
Geaglommereerde poedersZijn gevoelig voor vochtopnameVerschillen in gevoeligheid voor vochtopnameEigen verband vochtgehalte - waterstofinbreng
Klimatologische omstandigheden beïnvloeden vochtopnamewerkelijke waterstof-inbreng in het lasmetaal
5 10 15 20 25 27 30 3540 2 3 4 6 8 9 11 1445 2 3 5 7 9 10 12 1650 3 4 5 7 10 11 13 1855 3 4 6 8 11 12 15 2060 3 5 6 9 12 13 16 2165 4 5 7 10 13 15 17 2370 4 5 7 10 14 16 19 2575 4 6 8 11 15 17 20 2780 4 6 9 12 16 18 22 2985 5 7 9 13 17 19 23 3190 5 7 10 13 18 20 24 33
Rel
ativ
e hu
mid
ity %
g of water vapor / kg of dry air
Temperature
Acceptable
42
Verpakking
Poly –ethyleen zak biedt onvoldoende bescherming en zekerheid tegen vochtopnamepoeder moet herdroogd worden om te kunnen vertrouwen op HD uit boekje (2-4 uur op 300-350°C)
Blik verpakking kan ooit eerder geopend zijn (vochtopname?)invloed van beschadigingen is onduidelijk (vochtopname?)onhandig / afval
43
DRY-BAG
DRY-BAG verpakking voorkomt vochtopname tijdens transport (truck, boot) bij ongeconditioneerde tussenopslag (zeecontainer)opslag onder alle klimatologische omstandigheden (denk aan tropische)
Een ongeopende DRY-BAGis semi-vacuümpositief identificeerbaar dat geen vochtopname heeft plaatsgevondengeeft gegarandeerde bovengrens voor waterstofinbreng HD (ISO/IIW 3690)
OP 139
44
DRY-BAG
Zekerheid van gegarandeerde lage waterstofinbreng KwaliteitVoorkomt reparaties (geld, tijd)
Onafhankelijk van consequent en correct herdrogen van poeder
zekerheidenergietijdgeld
Geen geklimatiseerdeopslagruimte nodig
energieruimtegeld
45
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
Air Liquide – Air Liquide WeldingInleiding / samenvattingWaterstofscheuren bij het lassen van staal – algemeenWaterstofscheuren in OP-lasmetaal (hoge sterkte)
Samenstelling basismateriaal en lasmetaalDiffusie-coëfficiëntFase-overgangKrimpspanningWaterstof-accumulatieDetectie
Voorkomen scheurvormingWaterstof eruit laten gaanBeperken van waterstof-inbreng
Conclusie / aandachtspunten
46
Conclusies / aandachtspunten
Dwarsscheuren bij onder poederdek lassen van hoge rekgrens staalsoorten
Er is (nog) geen geschikte berekeningsmethode voor het bepalen van de juiste voorwarmtemperatuur (EN 1011 voldoet niet)
Hoe hoger de sterkte (CET) van het lasmetaal, des te lager moet de waterstof-inbreng zijn of men moet een veel hogere voorwarmtemperatuur handhaven (dan volgens EN 1011)
Kans op dwarsscheuren in lasmetaal neemt toe bij toenemende wanddikte (meerlaagse lasverbindingen)
Detectie van dwarsscheuren in lasmetaal is soms lastig
Volgens EN 1011 is de aanbevolen tijdspan van 16 uur alvorens NDO uit te voeren veel te kort
Streef naar een zo laag mogelijke waterstof-inbreng (DRY-BAG)
47
Waterstofscheuren in OP-lasmetaal (HRS)
Air Liquide – Air Liquide WeldingInleiding / samenvattingWaterstofscheuren bij het lassen van staal – algemeenWaterstofscheuren in OP-lasmetaal (hoge sterkte)
Samenstelling basismateriaal en lasmetaalDiffusie-coëfficiëntFase-overgangKrimpspanningWaterstof-accumulatieDetectie
Voorkomen scheurvormingWaterstof eruit laten gaanBeperken van waterstof-inbreng
Conclusie / aandachtspunten
48
Bedankt voor uw aandacht
Demand the Welding ExpertiseDemand the Welding Expertise