Bekijk alle
categorieen
06-02-18

Gas beschermt meer dan alleen het lasbad

Al te vaak wordt het belang van een beschermgas onderschat met de uitspraak: “Een gas is maar een gas”. Niets is minder waar. Een beschermgas beschermt niet alleen het lasbad, het beïnvloedt ook de snelheid, de kwaliteit, het milieu en uiteindelijk de economie van het lassen.

 De functie van beschermgas

De belangrijkste functie van het beschermgas is het smeltbad beschermen, oftewel voorkomen dat lucht in contact komt met het gesmolten lasmetaal. De meeste metalen die in lucht tot op hun smelttemperatuur worden verhit, hebben namelijk een sterke neiging tot oxidevorming. Dat kan leiden tot lasonvolkomenheden, zoals oxide-insluitingen, poreusheid en verbrossing. Daarnaast hebben beschermgas en gasstroomhoeveelheid een belangrijk effect op:

• De eigenschappen van de boog
• De wijze van materiaaloverdracht
• De mechanische en metallurgische eigenschappen van het lasmetaal
• De inbranding en het profiel van de lasrups (lasgeometrie)
• De productiviteit: lassnelheid, nabewerking en boogtijd
• De samenstelling en de hoeveelheid lasrook
De keuze voor het beschermgas hangt af van de materiaalsoort, het lasproces en het toevoegmateriaal, de wijze van materiaaloverdracht, materiaaldikte en oppervlaktecondities.

 Inerte en actieve gassen

Beschermgassen zijn te verdelen in inerte en actieve gassen. Inerte gassen reageren niet en hebben geen effect op de chemische samenstelling van het lasmetaal. In deze gassen komen de componenten argon (Ar) en helium (He) het meest voor. In actieve gassen zijn dat zuurstof (O2), kooldioxide (CO2), waterstof (H2) en stikstof (N2).

Argon en – in toenemende mate – helium zijn de belangrijkste componenten in nagenoeg alle beschermgassen voor het MIG/MAG- en TIG-lassen. De natuurkundige verschillen tussen argon en helium zijn soortelijke dichtheid, thermisch geleidingsvermogen en ionisatiepotentiaal. Die beïnvloeden ook het gedrag van de boog. De meest gebruikte gassen en mengsels zijn:

  • Argon (TIG & MIG)
  • Helium (TIG & MIG)
  • CO2 (MAG- of CO2-lassen)
  • Argon + CO2 (MAG)
  • Argon + O2 (MAG)
  • Argon + CO2 + O2 +(MAG)
  • Argon + He (TIG & MIG)
  • Argon + He + CO2 (MAG)
  • Argon + H2 (TIG)
  • Argon + CO2 + H2 (MAG)

gas-beschermt-beter-dan-lasbad-figuur-1

 

Toevoegen zuurstof en kooldioxide

Zuiver argon geeft uitstekende resultaten bij het MIG-lassen van non-ferrometalen en bij het TIG-lassen van alle materialen. Bij ijzerlegeringen zorgt het echter voor een onrustige boog met onvoldoende druk, met gevaar voor voldoende inbranding. Door 1 tot 5% zuurstof of 3 tot 25% kooldioxide aan argon of argon-heliummengsels toe te voegen, neemt de oppervlaktespanning van het metaal af. Het resultaat is een aanzienlijk stabielere boog en een kleiner risico op inkarteling en onvoldoende doorlassing. Door actief gas toe te voegen, verandert de aanduiding Metal Inert Gas (MIG) in Metal Active Gas (MAG). “Hoeveel zuurstof en kooldioxide aan het inerte gas moet worden toegevoegd, is afhankelijk van de conditie van het werkstukoppervlak, de naadgeometrie, de laspositie of lasmethode en de samenstelling van het basismateriaal. Doorgaans wordt 2% zuurstof en 8 tot 10% kooldioxide beschouwd als een goede oplossing. Kooldioxide verbetert bij argon het lasprofiel met een peervormige doorsnede, zoals in figuur 1 is afgebeeld.

Het toevoegen van zuurstof bevordert de vloeibaarheid van het lasbad, de druppelafsplitsing, de inbranding en de boogstabiliteit. Ook wordt de overgang naar het sproeibooggebied versneld en de neiging tot randinkarteling verminderd. Er kan echter een sterkere oxidatie van het lasmetaal optreden. Zuurstof toevoegen heeft als resultaat:

  • Kleinere druppels
  • Minder en kleinere spatten die gemakkelijker zijn te verwijderen
  • Vlakkere las
  • Hogere lassnelheid
  • Hoger neersmeltrendement

Bovenstaande draagt uiteraard bij aan een hogere productie en lagere kosten.

Mengsels van zuiver Ar en CO2 (tot 25%) worden toegepast bij koolstofstaal en laaggelegeerde staalsoorten en tot een zekere mate (maximaal 3% CO2) bij roestvaststaal. Kooldioxide toevoegen kan tegenstrijdig werken zodat een hogere stroom nodig is voor de overgang naar een sproeiboog, meer spatten en een minder stabiele boog.

Ar/CO2-mengsels worden vooral gebruikt bij het kortsluitbooglassen, maar zijn ook toepasbaar in het sproeibooggebied en bij pulserend lassen. Een argonmengsel met lager CO2-gehalte wordt vaak toegepast bij pulserend lassen met massieve draden voor ongelegeerd staal. Bij het pulsbooglassen met massieve draden voor roestvaststaal genieten menggassen van argon, helium en laag kooldioxide gehalte de voorkeur.

Mengsels van argon, helium en kooldioxide – ook wel aangeduid als tri-mix – worden gebruikt bij het kortsluitbooglassen en bij het pulsbooglassen van koolstofstaal, laaggelegeerd en roestvaststaal. Deze mengsels kunnen we ook inzetten voor het lassen met een hoog vermogen of de hoogvermogen MAG lasprocessen. Ze bieden een hoge neersmelt voor laaggelegeerde en roestvaste staalsoorten met een hoge kwaliteit en productiviteit.

 

gas-beschermt-beter-dan-lasbad-figuur-2

 Helium in beschermgassen

Het toevoegen van helium aan beschermgassen voor het MAG-lassen van koolstofstaal en laaggelegeerde staalsoorten zorgt ervoor dat er zich minder silicaten en slak vormen op het lasoppervlak. Ook geeft het een meer gewenst lasprofiel. Helium heeft een hogere warmtegeleidingscoëfficiënt dan argon en dat levert een boog op met een gelijkmatiger energieverdeling. Bij argon wordt de boog gekarakteriseerd door een kern met hoge energie en een buitenkant met minder energie. Dat beïnvloedt het uiteindelijke lasprofiel. Een lasboog, beschermd door helium, levert een brede, parabolisch gevormde inbranding. Door de hogere thermische geleiding zal helium een bredere inbranding leveren met een betere bevochtiging. Ook kunnen hogere lassnelheden worden bereikt. Het resultaat is een vlakkere las met een meer gewenst lasprofiel. Economische aspecten zijn dus een belangrijke overweging voor het gebruik van beschermgassen met helium voor het lassen van ongelegeerd en roestvast staal of aluminium, evenals materialen met een hoge warmtegeleiding zoals koper of koperlegeringen. Een vergelijkingsonderzoek (BIL Alu200 research) tussen argon en Ar/He (70/30) voor het lassen van aluminium heeft de volgende resultaten opgeleverd:

  • Rups op plaat: dieper en breder inbrandingsprofiel (24% meer dan bij argon)
  • MIG (plaatdikte 3mm, I-naad), 30% sneller dan argon
  • TIG, minder stroom nodig voor zelfde lassnelheid of hogere snelheid bij gelijke stroomsterkte
  • MIG 6mm plaat met 15% lagere warmte-inbreng en 10% hogere lassnelheid
  • Minder poreusheid met Ar/He in vergelijking tot zuivere Ar
  • Betere omstandigheden voor het milieu (minder ozon, volgens onderzoek TWI)

 

Om bij het TIG-lassen van austenitische staalsoorten de vorming van oxiden te verminderen, kunnen we waterstof (H2) toevoegen aan het beschermgas. De reducerende atmosfeer zorgt voor een schoner en glanzend lasoppervlak en voor meer warmte in de meer geconcentreerde boog. Dat laatste levert weer een betere inbranding op en een hogere lassnelheid. We moeten er wel op letten dat waterstof uitsluitend bij austenitische staalsoorten wordt toegepast, en niet bij ferritische en martensitische staalsoorten duplex of elk ander ongelegeerd staal.

 Economie bij het lassen

De laskosten worden bepaald door diverse factoren: loon, apparatuur en energie, draad en gas (zie figuur 2). De kosten voor beschermgas, toevoegmateriaal, apparatuur en stroomverbruik vormen slechts een klein deel van de totale laskosten. Het grootste deel – soms wel 90 procent – bestaat uit loonkosten en geïnvesteerd kapitaal. Verhoging van snelheid, de inschakelduur en de effectiviteit van de neersmelt zijn de belangrijkste factoren die deze kosten verlagen. Een goede kennis van beschermgassen kan dus positief bijdragen aan kostenvermindering. Daarnaast kunnen leveranciers het de lasser gemakkelijker maken om te voldoen aan de kwaliteitseisen door betere toevoegmaterialen, stroombronnen en beschermgassen te leveren. Dat heeft direct invloed op de productiviteit en winstgevendheid van een bedrijf. In de lasindustrie steven we naar verhoging van de productie. Die productiviteit wordt echter door meer factoren bepaald dan alleen lassnelheid en neersmeltsnelheid, namelijk ook en vooral door de boogtijd of inschakelduur (ID). Deze boogtijd wordt eveneens beïnvloed door nabewerkingen, lasnaadvolume, procesrendement of materiaalverlies als gevolg van spatten, voorbewerking en comfort voor de lasser. Een laskostenberekening zal aantonen dat het verhogen van de boogtijd met één procent al effect heeft op de laskosten. De keuze van het lasproces kan eveneens van invloed zijn op al deze factoren, maar als we alleen MIG/MAG en TIG in beschouwing nemen, is de keuze van het beschermgas van belang voor al deze factoren. Een zorgvuldige keuze leidt tot vlakkere lassen (met 02 en He); minder spatten op het werkstuk (02); hoger procesrendement (O2 – He); minder nabewerking (H2-He); hogere lassnelheid (O2-He-H2), betere en constantere kwaliteit, gunstiger inbranding (He-O2-H2); minder poreusheid.

 

Tekst: Marco van Ameye, Air Products.