metaalmagazine 3 200930

Het verschil tussen het hameren meteen pneumatische hamer met eenslagbeitel en UIT is gelegen in deslagfrequentie en het verschil in deafmetingen van en het aantal pennenwaarmee gehamerd wordt. Naastverbetering van de geometrie treedtverandering op in de verdeling van

de inwendige spanningen (residualstresses) in de lasverbinding. Aan hetoppervlak worden resttrekspannin-gen omgezet in restdrukspanningen.Om dit te kunnen begrijpen zal ookenige aandacht aan de kenmerkenvan de UIT-behandeling wordengegeven.

Ontstaan UITHet plastisch deformeren van eenoppervlak met ultrasone trillingen is een Russische vinding die uit dejaren vijftig stamt. Door een transducer opgewekte ultrasone trillingen werden met behulp vanharde materialen (bijvoorbeeld kunst-diamant) in het te behandelen materiaal gebracht. In de jaren ’60 isgeëxperimenteerd met een vrij te bewegen stalen bal tussen de ultrasonetransducer en het te behandelen materiaal voor een diepere plastischedeformatie. De ontwikkeling van hethameren met een aantal vrij te bewegen naalden stamt uit de jaren’70. E. Statnikov (oorspronkelijkRusland, nu USA) heeft deze

verbinden

www.metaalmagazine.nl

De invloed van slijpen, TIG-dressen en hameren van de lasteenop de vermoeiingssterkte van een lasverbinding is in de tweevoorafgaande publicaties besproken (zie Metaal Magazine9/2008 en 1/2009). In dit derde deel zal specifiek aandachtworden besteed aan het hameren van de lasteen met eenaantal in een houder geplaatste naalden (needle peening)met ultrasone frequentie (Ultrasonic Impact Treatment - UIT).

Hier wordt met Applied

Ultrasonics-apparatuur

een reparatie van een

dekscheur in de

Moerdijkbrug behandeld

(foto: Applied Ultrasonics)

Ultrasonic Impact TreatmentTheo Luijendijk en Nol Gresnigt, Technische Universiteit Delft

voor langere levensduur van gelaste constructies

09MEK003_UIT.qxp:mek 3/18/09 4:34 PM Page 2

www.metaalmagazine.nl metaalmagazine 3 2009 31

is een juiste typering van deze oppervlaktelaag omdat door de plastische deformatie als gevolg van hetinslaan van de pennen het oppervlakgladder wordt en beter reflecteert. Shinyface of glimmend oppervlak is dan ookeen juiste benaming.

Inwendige spanningenDe deformatie aan het oppervlak is vangroot belang voor verandering van dedaar heersende spanningen. De plastische deformatie aan het oppervlak van de las en de lasteen zorgter namelijk voor dat de daar heersendetrekspanningen omgezet worden indrukspanningen. Uit proeven blijkt datdoor deze deformatie de vermoeiings-levensduur van gelaste constructiesbelangrijk kan worden verbeterd. Metbehulp van draagbare röntgendiffractie-apparatuur kunnen de spanningen aanhet oppervlak gemeten worden. Echtermet deze methode worden alleen despanningen aan het oppervlak gemetenen niet de spanningen op grotere diepte.Daarvoor zijn andere methoden beschikbaar. Neutronendiffractie is meergeschikt voor het meten op grotere diepte, maar kan alleen aan uitgenomen preparaten gedaan worden. Met behulpvan rekstrookjes (geplakt in rozetvorm)en het boren van een gaatje in hetmidden van het rozet kan uit de gemetenrekken aan het oppervlak een indrukworden verkregen van de spanningen. Deoptredende rekken zijn afhankelijk vande spanningsverdeling in de diepte, waarbij uiteraard de spanningen dichtonder het oppervlak de grootste invloedhebben.

SpanningsverloopIn figuur 16 wordt het gemeten inwendige spanningsniveau in een staalsoort met een rekgrens van 910 MPaen een treksterkte van 1035 MPa getoondin gelaste toestand en na een UIT-behandeling. De figuur is ontleend aan

methode gepatenteerd en hij is dedrijvende kracht achter deze methodeom de vermoeiingssterkte van las-verbindingen te verbeteren. UltrasonicPeening (UP) is een vergelijkbare techniek die op de markt gebrachtwordt door Y. Kudryavtsev (nuCanada), een voormalig medewerkervan Statnikov.

Kenmerken UITVoor het opwekken van ultrasone trillingen wordt bij de UIT-apparatuurgebruikgemaakt van een magneto-strictieve transducer die een hoog-frequent elektrisch signaal van 27 kHzof hoger omzet in een hoogfrequentetrilling met dezelfde frequentie. Bijde UP-variant wordt gebruikgemaaktvan een piëzo-element.De UIT-hamer beschikt over een aantalvrij beweegbare naaldvormige pennen(indenters) die fungeren als slag-element (zie figuur 14). De pennenworden in resonantie gebracht enslaan met een frequentie van circa 200 Hz in op het te behandelen oppervlak.

Plastische deformatieDe inslag van de pennen veroorzaakteen plastische deformatie aan hetoppervlak. Daarnaast veroorzaken demet een hoge frequentie inslaande pennen vibraties en lopende span-nings-golven in het materiaal. Hetoppervlak van de lasteen wordt

afhankelijk van de procesparameterssterk gedeformeerd op een diepte van1 mm tot 2,5 mm (zie Tabel 1).De tabel is ontleend aan een publicatievan Statnikov [5]. De plastische deformatie van een oppervlaktelaagkan gemakkelijk worden aangetoonddoor een dwarsdoorsnede over de las temaken. Figuur 15 toont een voorbeeldvan de structuur en geometrie van delasteen van een onbehandelde en vaneen behandelde las. Evenals bij het pneumatisch hamerenvan de lasteen met een afgeronde beitel(hammer peening, zie deel 2 van dezeserie) wordt het oppervlak van las enlasteen plastisch gedeformeerd. Hetgeluidsniveau bij de UIT-behandeling isechter veel lager dan bij het mechanisch hameren met een pneumatische beitel, wat een grootvoordeel is voor de uitvoerder van hetproces.

De witte zoneVolgens Statnikov ontstaat door het herhaaldelijk hameren van het opper-vlak met de pennen van de UIT-hamereen zogenoemde ‘witte zone’ vangeringe dikte. Door het herhaaldinslaan van de pennen op dezelfdeplaats ontstaat een structuur met eenzeer hoge dislocatiedichtheid. Een vergelijkbaar effect treedt op in hetloopvlak van de ring van een kogellager.In de Amerikaanse literatuur wordt dewitte laag de ‘shiny face’ genoemd. Dit

Figuur 14 - Opbouw van de UIT-hamer: I magneto-

strictieve omvormer; II golfgeleider; III indenter of pen;

IV te behandelen las; 1 ultrasone oscillatie; 2 impulsen

Figuur 15: Structuur van de lasteen in een dwarsdoorsnede van de las onbehandeld (l). Structuur van de

lasteen na een UIT-behandeling (r). De sterke deformatie van het oppervlak ter plaatse van de lasteen is goed te

zien (foto’s: Nippon Steel Corporation)

Zone Diepte Karakteristiek‘witte laag’ 0,02 mm - 0,5 mm Toename slijt- en corrosieweerstand Plastische 1 mm - 2,5 mm Toename vermoeiingssterkte en afname deformatie corrosievermoeiingImpulsrelaxatie 3 mm - 5 mm Afname van de inwendige spanningen tot

70 % van de oorspronkelijke waardenUltrasone 10 mm - 15 mm Afname van het inwendig spanningsniveau relaxatie tot 50 % van de oorspronkelijke waarden

Tabel 1. Fysische effecten van de UIT-behandeling volgens Stanikov

09MEK003_UIT.qxp:mek 3/18/09 4:34 PM Page 3

metaalmagazine 3 200932

IIW-document XIII-2180-07 [6].Eenzelfde spanningsverloop in debehandelde las wordt gerapporteerdin een publicatie van Bousseau enMillot [7]. Ook zij meten drukspannin-gen in de las tot een diepte van circa1,8 mm. Bousseau en Millot hebbenvoor hun onderzoek gebruikgemaaktvan staal-soort S355 en meten eenmaximale druk-spanning van 312 MPain de gehamerde lassen. Een druk-spanning die de waarde van de elasti-citeitsgrens benadert. Uit figuur 16 blijkt duidelijk dat doorde UIT-behandeling de trekspanningin de lasteen omgezet wordt in eendrukspanning. De diepte waarop nogdrukspanningen heersen is daarbijongeveer 2 mm. Verder wordt degeometrie van de lasteen door deplaatselijke plastische vervorming ingunstige zin gewijzigd, waardoor dekerfwerking afneemt. Die verminder-de kerfwerking en de introductie vandrukspanningen liggen ten grondslagaan de verbetering van de vermoeiingseigenschappen van de lasverbinding.

Verlenging levensduurHet gaat bij de UIT-behandeling omeen verlenging van de levensduur vande gelaste constructie. Er is veel onder-zoek gedaan aan met UIT behandeldeproefstukken. Voor onderzoek naar deinvloed van de UIT-behandeling wordtin veel onderzoeken gebruikgemaaktvan een plaatvormig proefstuk waaropaan weerszijden verstevigingsribbenzijn gelast (zie figuur 17). Door steedsdezelfde geometrie te gebruikenwordt het onderzoek naar de invloed

van verschillende parameters enmaterialen vergemakkelijkt.Scheurvorming in dergelijke proef-stukken treedt in gelaste toestandaltijd op in de lasteen aan het eindevan de verstevigingsrib. In het algemeen kan volstaan worden metalleen dit gedeelte te behandelen(kruisjes in figuur 17), maar meestalworden uit voorzorg de lassen over degehele lengte behandeld.Uit alle onderzoeken blijkt dat nietalleen de levensduur van de gelasteconstructie aanzienlijk toeneemt,maar ook dat de helling van de S-N-curve verandert (zie figuur 18). Dit zijnuiterst gunstige effecten. De toeneming van de vermoeiings-sterkte treedt zowel op bij een materiaal als S355 als bij staalsoortenmet aanzienlijk hogere sterkte. Hethameren van de lasteen met het UIT-proces heeft, zoals ook uit andereonderzoeksresultaten blijkt, een gunstiger effect op de levensduur daneen TIG-dress-behandeling.

Belastbaarheid gelaste constructiesIn de IIW-aanbeveling [1] gevenHaagensen en Maddox aan, dat voorgelaste constructies uit staalsoortenmet een rekgrens groter dan 350 MPade vermoeiingsbelasting met een factor 1,5 vergroot kan worden bijmeer dan 1.107 wisselingen. Dit resulteert bij een helling van m = 3in de S-N-curve in een levensduur-verlenging van 1,53 = 3,8 en bij een helling van m = 5 in een factor 7,6.Voor een geringer aantal wisselingenwordt de vermoeiingssterkte bepaalddoor de vermoeiingssterkte van hetbasismateriaal bijvoorbeeld met eenFAT-klasse van 160 (zie figuur 6 in deel1 van deze serie). Voor staalsoortenmet een rekgrens kleiner dan 350 MPageeft de IIW-aanbeveling een verbeteringsfactor van 1,3 aan, wat bijeen helling van m = 3 en m = 5 respectievelijk resulteert in een levens-duurverlenging met een factor 2,2 en3,7. Voor aluminiumlegeringen geldteveneens een spanningsfactor van 1,5voor een FAT-waarde van 40 of lager.De maximale FAT-klasse voor aluminiumlegeringen komt daarbij opFAT 56.

Bruggen en offshore installatiesHet onderzoek naar de invloed van deUIT-behandeling op de vermoeiings-sterkte van gelaste constructies is voornamelijk gedaan aan proef-stukken met geringe afmetingen eneen plaatdikte van niet meer dan 30 mm. In de praktijk wordt UIT toegepast bij bruggen, offshore-installaties, voor de ondersteuningvan windmolens, kraanbanen et cetera. Daar gaat het vaak om groterewanddiktes dan 20 mm. In een onderzoek van Schauman e.a. is heteffect van een UIT-behandeling op devermoeiingssterkte van een ondersteu-ning van een offshorewindmolen gesimuleerd [9]. Het gelaste Y-vormigeproefstuk had een maximale wand-dikte van 90 mm. Ook bij een dergelijkgroot proefstuk is aangetoond dat delevensduur van de gelaste constructieaanzienlijk toeneemt. Bovendienneemt ook de helling van de S-N-curveaf in een vergelijkbare mate als voorde kleinere proefstukken (zie figuur18). Ondanks deze goede resultatenzijn Haagensen en Maddox [1] voor-zichtig in hun aanbevelingen. Vooreen plaatdikte groter dan 20 mm bevelen zij uit veiligheidsoverwegin-gen de spanningsfactor niet groter tekiezen dan 1,3. Deze wordt daarmeegelijk aan die voor het slijpen en TIG-dressen van de lasteen.

Pneumatisch hameren of UITAls afsluiting van deze serie van driepublicaties kan de vraag gesteld worden wat nu precies het verschil in verbetering van de vermoeiingssterkteis tussen hameren van de lasteen meteen pneumatische beitel of het hameren met naalden (UIT). Opgepastmoet worden met een directe vergelijking van de diverse publicaties.De afmetingen van het proefstuk ende daaruit voortvloeiende spannings-concentratiefactoren bepalen medehet resultaat. Uit een onderzoek vanMaddox [8] bleek dat als hier rekeningmee werd gehouden, het hamerenmet een pneumatische beitel geenhogere of lagere waarde voor de vermoeiingssterkte opleverde dan deUIT-behandeling. Dit resultaat is ookniet zo verrassend omdat bij beide

verbinden

Figuur 16: Inwendig spanningsniveau in een hoogsterke staalsoort met

een rekgrens van 910 MPa in lastoestand en na een UIT-behandeling

09MEK003_UIT.qxp:mek 3/18/09 4:34 PM Page 4

pneumatisch hameren, is de deskundigheid van de uitvoerder. Devraag rijst namelijk: wanneer is hetoppervlak voldoende behandeld? Hetvastleggen van instelparameters —zoals instellingen van de apparatuur,de geometrie van de pennen, de snelheid en het aantal malen waarmee het oppervlak wordt behandeld — is van essentieel belangvoor een volgende behandeling. In deIIW-aanbeveling wordt hierop ookgewezen en wordt een voorbeeld gegeven van een per behandeling in tevullen datasheet.

SamenvattingIn een serie van drie artikelen is ingegaan op een aantal methoden omde vermoeiingssterkte van gelaste constructies te verbeteren. Het lijkterop dat het hameren met naalden(UIT, UP) het meest gunstige effect opde verbetering van de vermoeiings-sterkte heeft dan slijpen en TIG-dressen. Voor meer details over demanier van werken zie deel 1 van deze

processen het oppervlak plastischwordt gedeformeerd en drukspannin-gen aan het oppervlak worden gecreëerd. Scheurinitiatie verlooptdaarmee aanzienlijk langzamer en ditresulteert in een aanzienlijke verhoging van de levensduur vangelaste constructies. In de praktijk echter kunnen er welverschillen optreden. De uitvoerbaar-heid van de UIT-behandeling en daar-mee de reproduceerbaarheid is voorde UIT-behandeling groter dan dievoor het pneumatisch hameren.Minder snel zal een deel van hetoppervlak worden overgeslagen enook zal het oppervlak bij de UIT-behandeling gladder zijn (shiny face).In de praktijk zal men dus sneller kiezen voor het UIT-proces. Het aanzienlijk lagere geluidsniveau en degeringere fysieke belasting van de operator zijn naast de grote reprodu-ceerbaarheid de sterke punten van ditproces. Een belangrijk aspect bij de UIT-behandeling, maar ook bij

metaalmagazine 3 2009 33

serie en de IIW-aanbeveling vanHaagensen en Maddox. Hierin is echterrelatief weinig informatie gegeven overhet UIT-proces. Meer informatie is tevinden op de website van de firmaApplied Ultrasonics(www.appliedultrasonics.com).

De voordelen van het hameren van delasteen werken gunstiger uit bij destaalsoorten met een hogere sterkte.Het gevaar van het creëren van dubbelingen door het hameren is bijdeze materialen geringer dan bij dematerialen met een geringere sterkte.De voordelen van de UIT-apparatuurboven het pneumatisch hameren zijnhet bedieningsgemak (lichterehamers), het aanzienlijk geringeregeluidsniveau dat optreedt tijdens debehandeling en de hoge reproduceer-baarheid van de behandeling. ■

R e f e r e n t i e s

1. Haagensen, P.J., Maddox, S.J. (2007). IIWRecommendations on Post Weld Improvement ofSteel and Aluminium Structures. IIW Document XIII-2200r-07, revised July 2008.

2. Recommendations for fatigue design of welded jointsand components (2007). IIW document IIW-1823-07ex XIII-2151-07/XV-1254-07. IIW Joint Working GroupXIII-XV.

3. NEN 2063 (1988). Booglassen. Op vermoeiing belasteconstructies.

4. EN 1993-1-9 (2006). Eurocode 3 Part 1-9: Fatiguestrength of steel structures.

5. Statnikov E.”Physics and mechanism of ultrasonicimpact treatment”. IIW Doc. XIII 2004-04.

6. Statnikov E.S. en anderen “On identify in UIT prepara-tion for comparative testing and field application”. IIWDoc. XIII-2180-07.

7. Bousseau, M. en T. Millot. ‘Fatigue life improvement ofwelded structures by ultrasonic needle peening compared to TIG dressing’. IIW Doc. XIII-2125-06.

8. Maddox, S.J., M.J. Doré and S.D. Smith. ‘Investigation ofUIT for upgrading a welded structure’. IIW Doc. XIII-2217r1-08.

9. Schaumann, P. C. Kleindorf en F. Thomasch.„Experimentelle und numerische Untersuchungen vonKnotenverbindungen für Tripods von Offshore-Windenergieanlagen“. Stahlbau 76 (2007), Heft 9, blz.627-635.

Figuur 17: Proefstuk voor het bepalen van de vermoeiingssterkte van gelaste verbindingen

Figuur 18: Vermoeiingssterkte bij een wisselende belasting met R = -1 (σ min/σ max) volgens Bousseau en

Millot voor staalsoort S355, FAT-waarde 100 MPa

09MEK003_UIT.qxp:mek 3/18/09 4:34 PM Page 5