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