Blog Frans Vos - De lasser wordt uitgedaagd

Een jaar geleden waren we nog samen op wandel doorheen Baarle, het wonderbaarlijke dorp waar Belgisch en Nederlands grondgebied in elkaar vervlochten zijn. Baarle-Hertog (B) is er als een enclave in en met Baarle-Nassau (NL) verweven. Ik gebruikte de wandeling doorheen het Baarlese lappendeken toen als een metafoor om uit te leggen waar de ‘thermisch hardbare’ aluminiumlegeringen het belangrijkste deel van hun sterkte vandaan halen. Dat is bij de zogenaamde ‘precipitaten’, deeltjes die enclave-gewijs in de aluminiumlegering verspreid zitten. Ook de ‘niet thermisch hardbare’ legeringen kwamen tijdens die wandeling aan bod.


Door Frans Vos - Materials Consult BV


Sommige van die legeringen bevatten evenzeer precipitaten, maar het is een ander verstevigingsmechanisme dat het hoofdaandeel in hun sterkte levert, met name de koudversteviging. U bent nu even de weg kwijt in al die terminologie? Geen zorgen: neem even de tijd om het artikel “Over precipitaten en enclaves” te lezen. Waar we vorig jaar onze blik hebben gericht op enkele microstructurele bijzonderheden en de mee daardoor bepaalde sterkte van individuele aluminiumcomponenten, gaan we ze dit jaar via lassen aan elkaar verbinden. Het lassen van aluminiumlegeringen kent belangrijke verschillen met het lassen van gewone staallegeringen, waarbij de vernietiging van de precipitaten en de koudversteviging – dus van de sterkte - in de ‘hitte-beïnvloede-zone (HBZ)’ slechts één van die uitdagingen is. En wat zijn dan nog van die extra uitdagingen bij het lassen van aluminium? Dat gaan we vandaag verkennen. Maar alvorens die wandeling start, wil ik mij alvast even excuseren. Eigenlijk ga ik te kort door de bocht als ik met de term ‘aluminium’ alle ‘aluminiumlegeringen’ tracht te etaleren. Zuiver aluminium is immers een legeringsklasse op zich (de 1XXX-reeks), maar hopelijk vergeeft u het mij als ik hierna ‘aluminium’ en ‘aluminiumlegeringen’ toch als synoniemen gebruik.

De aluminiumoxidehuid
Eén van de grote troeven van aluminiumlegeringen is de aluminiumoxidehuid die zich in de meeste gebruiksomstandigheden spontaan op het oppervlak vormt. Zolang die huid intact blijft, biedt ze bescherming tegen weersinvloeden en diverse andere corrosieve omstandigheden. Die oxidehuid heeft echter een smeltpunt van boven de 2000°C, waardoor ze zich bij het lassen niet zomaar gewonnen gaat geven. Ter vergelijking: het aluminium basismetaal heeft een smeltpunt van ‘slechts’ 580 à 660°C, afhankelijk van het legeringstype. Indien we zonder voorzorgsmaatregelen op de klassieke manier aluminium zouden lassen, zal de oxidehuid dus niet insmelten, maar eerder in kleine fragmentjes opbreken. Die restanten zullen het ineenvloeien van het gesmolten toevoegmateriaal met het gesmolten basismetaal bemoeilijken, wat op zich dan weer tot zogenaamde ‘plakfouten (bindingsfouten)’ kan leiden. Bovendien trekt de oxidelaag ook vocht uit de omringende lucht aan, waardoor onder invloed van de lashitte waterstof ontstaat. Dat kan op zich dan weer tot porositeit in de las leiden. Hoe dikker de oxidelaag op het oppervlak, hoe meer problemen tijdens het lassen. Om een kwaliteitsvolle las te bekomen, moet de oxidelaag dus in ieder geval worden verwijderd.

(Aluminium TIG-lassen, bron iStock - Fertnig)

Daarmee is de kous echter nog niet af. Aluminium is immers een zeer reactief metaal en zal bij het minste contact met zuurstof opnieuw aluminiumoxides vormen. Zonder voorzorgsmaatregelen zal een gedesoxideerd aluminiumoppervlak zelfherstellend reageren en een nieuwe, weliswaar nog dunne, oxidelaag vormen. Naast het belang om voorafgaand aan het lassen de aluminiumoxidehuid te verwijderen, is het dus ook zaak om tijdens het lassen zelf de vorming van aluminiumoxide te vermijden. Het woord ‘voorafgaand’ klinkt daarbij alsof in de toekomstige laszone eerst het volledige oppervlak van zijn oxidelaag moet worden ontdaan alvorens het lassen kan starten. Bij sommige desoxidatietechnieken is dat wat er inderdaad gebeurd, maar gezien het instant zelfherstellend karakter van aluminium betekent dat dat er bij de eigenlijke start van het lassen al opnieuw een dunne oxidelaag is gevormd die we er willens nillens bij moeten nemen. Bij andere desoxidatietechnieken betekent ‘voorafgaand’ dan weer eerder dat de desoxidatie (quasi) gelijktijdig met het eigenlijke lassen gebeurt.

In de eerste betekenis van ‘voorafgaand’ situeren zich de volgende desoxidatietechnieken:

•​ Mechanische bewerking: slijpen, borstelen, vijlen of verspanend bewerken zoals schaven, frezen en draaien. Daarbij moet echter in het achterhoofd worden gehouden dat aluminiumoxidelagen zeer hard zijn, wat tot slijpproblemen, onder andere het snel vollopen van klassieke slijpschijven en schuurbanden kan leiden. Er bestaan dan ook aangepaste en speciaal voor aluminium ontwikkelde snijgereedschappen en schuurschijven om dergelijke problemen te vermijden.

•​ Chemische bewerking door beitsen. Dat gebeurt veelal met zeer agressieve chemicaliën, wat niet alleen technisch, maar ook op het vlak van veiligheid en gezondheid substantiële risico’s met zich meebrengt. Om die risico’s tot een minimum te beperken, kan een dergelijke bewerking voor productiedoeleinden best in dompelbaden, minstens in sterk gecontroleerde omstandigheden worden uitgevoerd. Zoals voormeld, kunnen de voorgaande technieken echter niet vermijden dat er zich na de desoxidatie omwille van het zelfherstellend karakter van aluminium alsnog een – zij het nog dunne – oxidelaag op het oppervlak vormt alvorens we aan het lassen beginnen. Afhankelijk van de gehanteerde lastechniek, is er echter ook de optie om voor die tweede betekenis van ‘voorafgaand’ te gaan, die waar de desoxidatie (quasi) gelijktijdig met het lassen zelf gebeurt. Daarbij kan dan worden gedacht aan de volgende technieken:

•​ Chemisch door gebruik te maken van een zogenaamde ‘flux’. Dit wordt vooral gehanteerd bij het solderen en autogeenlassen van aluminium, waarbij dan specifieke beklede elektroden worden gebruikt. Bij het smelten van de bekleding ontstaat dan een agressieve flux die oxides chemisch oplost.

•​ Elektrisch: door de inwerking van een lasboog bij het TIG- en MIG-lassen, ook wel het zelfreinigend effect van de lasboog genoemd. Daartoe moet in de ‘elektrode positief’ polariteit worden gelast, wat bij MIG-lassen sowieso de meest gangbare polariteit is voor metalen. Bij het TIG-lassen van bijvoorbeeld staal wordt veelal echter een gelijkstroom ‘elektrode negatief’ polariteit gehanteerd, wat bij aluminium echter niet tot het beoogde zelfreinigend effect, maar wel tot een betere inbranding leidt. De oplossing ligt voor de hand: Bij TIG-lassen van aluminium wordt wisselstroom gebruikt, waarbij de ‘elektrode positief’ periodes tot zelfreiniging en de ‘elektrode negatief’ periodes tot voldoende lasinbranding moeten leiden.

Extra voordeel van de twee voormelde (quasi)-gelijktijdigheid-technieken is dat zij ook onmiddellijk terug oxides oplossen die zouden ontstaan omwille van lucht die, ondanks inerte gasafscherming van het smeltbad en het eventueel gebruik van gaslenzen, alsnog tot aan en in het smeltbad zou kunnen doordringen. De inerte gasafscherming van het smeltbad en het eventueel gebruik van gaslenzen zijn trouwens ook de belangrijkste methodes om zuurstofindringing te vermijden indien het oppervlak reeds volledig voorafgaand aan het lassen mechanisch of via beitsprocessen werd gereinigd. Specifiek bij elektrodelassen zal de tijdens het lassen gevormde slak zich dan weer van die taak kwijten.



(Aluminiumlas. Bron: iStock - Sergii Zhmurchak)

Hoge warmtegeleidbaarheid
Een andere uitdaging bij het lassen van aluminiumlegeringen is de warmtegeleidbaarheid, die tot driemaal zo hoog als deze van staal. Dat betekent dat voor eenzelfde dikte als staal er een veel grotere warmte-inbreng noodzakelijk is, dit ondanks het lagere smeltpunt van aluminiumlegeringen. Omwille van de hogere warmtegeleidbaarheid van aluminium vloeit de warmte immers veel sneller weg van de lasplaats naar de omgeving, waardoor de laskanten relatief koel blijven en moeilijk tot smelten komen. Het bevochtigen en aanvloeien van het lasmetaal wordt zodoende bemoeilijkt. Als gevolg daarvan zullen er gemakkelijker plakfouten en een slechte inbranding worden bekomen, met als resultaat een slechte en onvoldoend sterke las. Het is dan ook noodzakelijk om dikke en grotere stukken aluminium voldoende voor te verwarmen alvorens het lasproces te starten. Dat is veelal een conditio sine qua non bij TIG-lassen en wordt aangeraden bij elektrodelassen en MIG-lassen. Bij moderne MIG-apparatuur bestaat daarbij soms de mogelijkheid om, zonder de klassieke wijze van voorverwarming, maar door middel van een tijdelijk hoger lasvermogen en dus een hogere warmte-inbreng bij het begin van de lasnaad ook op koude stukken met goed resultaat te lassen.

Hoge uitzettingscoëfficiënt
Nog zo een uitdaging: Aluminiumlegeringen bezitten een hoge uitzettingscoëfficiënt van om en nabij 23 x 10-6 m/m°K. Dat is ongeveer twee keer zo hoog als die van gewoon staal. Tijdens het stollen en afkoelen van de las is de totale volumevermindering van een aluminiumlas daarbij ongeveer 9%. Bij gewoon staal is dat substantieel lager, ongeveer 7%. Hierdoor zijn de krimpvervormingen en de hoekverdraaiingen veel groter bij aluminium vergeleken met gewoon staal, wat op zich dan weer resulteert in hoge spanningsconcentraties en een hoge scheurgevoeligheid. Bij het lassen van aluminiumlegeringen moet daar dan ook rekening mee worden gehouden, bijvoorbeeld door het toepassen van een geschikte voormontage, veelal met het gebruik van kleminrichtingen, klemsystemen en -mallen, het toepassen van een vervormingscompensatie en/of andere technieken om de krimpvervormingen en -spanningen onder controle te houden. Het slechts ruw voorbewerken van de te lassen onderdelen en die pas na het lassen op eindmaat afwerken, kan ook voor een werkstuk met juiste afmetingen zorgen. Ook voorverwarmen vermindert de optredende vervormingen en het risico op krimpscheuren. Bovendien wordt de lassnelheid erdoor verhoogd, zodat er ook daardoor minder vervormingen zullen optreden.

Teloorgang van de precipitatieharding en koudversteviging
En dan is er nog dat al eerder aangehaalde feit dat bij het lassen van aluminiumlegeringen de laswarmte de precipitatie- en koudversteviging teniet zal doen. In vergelijking met het basismetaal zal er hierdoor in de hitte-beïnvloede-zone een verlaging van de sterkte optreden en zal ook de ductiliteit worden beïnvloed.

Om hieraan tegemoet te komen, moet o.a. rekening worden gehouden met:

•​ De keuze van het lastoevoegmateriaal: Daar waar bij het gelijksoortig lassen van de meeste metaallegeringen wordt geopteerd voor een toevoegmateriaal dat qua samenstelling aansluit bij de legeringssamenstelling van het basismetaal, wordt er voor het lassen van aluminium legeringen voor geopteerd om de keuze af te stemmen op de gewenste eigenschappen van de lasverbinding, ook als dat betekent dat het lastoevoegmateriaal qua samenstelling sterk afwijkt van het basismetaal.

•​ De lasuitvoering en werkwijze: Het type lasprocédé (MIG, TIG, …) en de lasprocedures in het algemeen moeten zo worden afgestemd dat de thermische invloed op de mechanische eigenschappen zo beperkt mogelijk wordt gehouden.

•​ Voor thermisch hardbare legeringen wordt In heel wat gevallen na het lassen een thermische behandeling uitgevoerd om de structuur en de mechanische eigenschappen in de hitte-beïnvloede zone zo goed mogelijk te herstellen en optimaliseren. Zo wordt bij wijze van voorbeeld voor sommige thermisch hardbare legeringstypes een beroep gedaan op de technologie van het oplosgloeien (> 480°C), gevolgd door een kunstmatige (> 150°C) of natuurlijke veroudering.

​
Voor niet thermisch hardbare legeringen wordt soms getracht om via hamertechnieken terug een zekere mate van koudversteviging over de gehele dikte of, voor dikkere stukken, in de oppervlaktelagen te bekomen. Maar hoe je het ook draait of keert, of het nu voor thermisch hardbare of thermische niet hardbare legeringen is, de oorspronkelijke sterkte van het aluminium basismateriaal wordt in de laszone zelden terug bereikt.

(Aluminium scheepsromp - Bron: iStock Albert Brunsting)

De wandeling gaat verder
En zijn met de voorgaande rubrieken nu alle uitdagingen voor de aluminiumlasser afgevinkt? Helaas niet. Een ander belangrijk risico is het optreden van warmscheuren, maar dat speelt vooral bij thermisch hardbare legeringen en geldt dus minder als een uitdaging bij het lassen van alle aluminiumlegeringen. Warmscheuren is trouwens niet alleen een typisch risico voor bepaalde aluminiumlegeringen, maar ook bij verschillende andere metaallegeringen. Dat is dus voer genoeg om nog eens een andere bijdrage in ALURVS aan te besteden. Zo, voor vandaag hebben we genoeg gewandeld door de wondere, maar uitdagende wereld van de metaalkunde. Tijd om even de voeten onder de tafel te steken, wat te rusten en te genieten van een streepje muziek dat uit de geluidsboxen of uit uw eigen muziekinstrument komt zweven.

Geniet van uw weekend en van de vakantie die nadert met rasse schreden!