Lasmetallurgie

Lassen, techniek die wordt gebruikt voor het verbinden van metalen onderdelen, meestal door middel van warmte. Deze techniek is ontdekt tijdens pogingen om ijzer in bruikbare vormen te manipuleren. Gelaste bladen werden ontwikkeld in het 1e millennium CE, de meest bekende zijn die gemaakt door Arabische wapenmakers in Damascus, Syrië. Het proces van het carboniseren van ijzer tot hard staal was in die tijd bekend, maar het resulterende staal was erg bros. Door de lastechniek - waarbij relatief zacht en taai ijzer met koolstofstaal werd gemengd, gevolgd door hamersmeden - ontstond een sterk, taai mes.

In moderne tijden de verbetering van de technieken voor het maken van ijzer, met name de introductie van gietijzer, beperkt lassen aan de smid en de juwelier. Andere verbindingstechnieken, zoals bevestiging met bouten of klinknagels, werden op grote schaal toegepast op nieuwe producten, van bruggen en spoorwegmotoren tot keukengerei.

Moderne smeltlasprocessen zijn een uitvloeisel van de noodzaak om een ​​continue verbinding op grote stalen platen te verkrijgen. Klinken bleek nadelen te hebben, vooral voor een gesloten container zoals een ketel. Gaslassen, booglassen en weerstandslassen verschenen allemaal aan het einde van de 19e eeuw. De eerste echte poging om lasprocessen op grote schaal toe te passen, werd gedaan tijdens de Eerste Wereldoorlog. Tegen 1916 was het oxyacetyleenproces goed ontwikkeld en worden de toegepaste lastechnieken nog steeds gebruikt. De belangrijkste verbeteringen zijn sindsdien geweest in uitrusting en veiligheid. Booglassen, met een verbruikbare elektrode, werd ook in deze periode geïntroduceerd, maar de blanke draden die aanvankelijk werden gebruikt, produceerden broze lassen. Een oplossing werd gevonden door de kale draad in te wikkelen met asbest en een verstrengelde aluminiumdraad. De moderne elektrode, geïntroduceerd in 1907, bestaat uit een blanke draad met een complexe coating van mineralen en metalen. Booglassen werd pas in de Tweede Wereldoorlog universeel gebruikt, toen de dringende behoefte aan snelle constructiemiddelen voor scheepvaart, energiecentrales, transport en constructies de nodige ontwikkelingswerkzaamheden op gang bracht.

Weerstandslassen, uitgevonden in 1877 door Elihu Thomson, werd lang voor booglassen geaccepteerd voor punt- en naadverbinding van plaat. Stomplassen voor het maken van kettingen en het verbinden van staven en staven werd ontwikkeld in de jaren 1920. In de jaren veertig werd het wolfraam-inerte gasproces geïntroduceerd, waarbij een niet-verbruikbare wolfraamelektrode werd gebruikt om smeltlassen uit te voeren. In 1948 maakte een nieuw gas afgeschermd proces gebruik van een draadelektrode die in de las werd verbruikt. Meer recentelijk zijn elektronenstraallassen, laserlassen en verschillende vastefaseprocessen zoals diffusielassen, wrijvingslassen en ultrasoon verbinden ontwikkeld.

Basisprincipes van lassen

Een las kan worden gedefinieerd als een samensmelting van metalen geproduceerd door verwarming tot een geschikte temperatuur met of zonder het uitoefenen van druk, en met of zonder het gebruik van een vulmateriaal.

Bij smeltlassen genereert een warmtebron voldoende warmte om een ​​gesmolten metaalpoel van de vereiste grootte te creëren en te behouden. De warmte kan worden geleverd door elektriciteit of door een gasvlam. Elektrisch weerstandslassen kan worden beschouwd als smeltlassen omdat er wat gesmolten metaal wordt gevormd.

Vaste-faseprocessen produceren lassen zonder het basismateriaal te smelten en zonder toevoeging van een vulmateriaal. Er wordt altijd druk uitgeoefend en in het algemeen wordt enige warmte geleverd. Wrijvingswarmte wordt ontwikkeld bij ultrasoon en wrijvingslassen, en ovenverwarming wordt gewoonlijk gebruikt bij diffusieverbinding.

De elektrische boog die bij het lassen wordt gebruikt, is een ontlading met hoge stroomsterkte en lage spanning, in het algemeen in het bereik van 10-2.000 ampère bij 10-50 volt. Een boogkolom is complex, maar bestaat in grote lijnen uit een kathode die elektronen uitzendt, een gasplasma voor stroomgeleiding en een anodegebied dat relatief heter wordt dan de kathode door elektronenbeschieting. Meestal wordt een gelijkstroom (DC) -boog gebruikt, maar er kunnen wisselstroom (AC) -bogen worden gebruikt.

De totale energie-input bij alle lasprocessen is hoger dan nodig is om een ​​verbinding te maken, omdat niet alle opgewekte warmte effectief kan worden gebruikt. Rendementen variëren van 60 tot 90 procent, afhankelijk van het proces; sommige speciale processen wijken sterk af van deze figuur. Warmte gaat verloren door geleiding door het onedele metaal en door straling naar de omgeving.

De meeste metalen reageren bij verhitting met de atmosfeer of andere nabijgelegen metalen. Deze reacties kunnen zeer nadelig zijn voor de eigenschappen van een lasverbinding. De meeste metalen oxideren bijvoorbeeld snel wanneer ze worden gesmolten. Een laagje oxide kan een goede hechting van het metaal voorkomen. Gesmolten metaaldruppeltjes bedekt met oxide raken vast in de las en maken de verbinding bros. Sommige waardevolle materialen die voor specifieke eigenschappen zijn toegevoegd, reageren zo snel bij blootstelling aan de lucht dat het afgezette metaal niet dezelfde samenstelling heeft als aanvankelijk. Deze problemen hebben geleid tot het gebruik van fluxen en inerte atmosferen.

Bij smeltlassen heeft de flux een beschermende rol bij het vergemakkelijken van een gecontroleerde reactie van het metaal en het voorkomen van oxidatie door een deken over het gesmolten materiaal te vormen. Fluxen kunnen actief zijn en helpen bij het proces of inactief zijn en eenvoudig de oppervlakken beschermen tijdens het verbinden.

Inerte atmosferen spelen een beschermende rol die vergelijkbaar is met die van fluxen. Bij met gas afgeschermd metaalboog- en gas afgeschermd wolfraambooglassen stroomt een inert gas - meestal argon - uit een ring die de toorts omgeeft in een continue stroom en verplaatst de lucht van rond de boog. Het gas reageert niet chemisch met het metaal, maar beschermt het eenvoudig tegen contact met de zuurstof in de lucht.

De metallurgie van metaalverbindingen is belangrijk voor de functionele mogelijkheden van het gewricht. De booglas illustreert alle basiskenmerken van een verbinding. Drie zones ontstaan ​​door het passeren van een lasboog: (1) het lasmetaal of smeltzone, (2) de door hitte beïnvloede zone en (3) de onaangetaste zone. Het lasmetaal is dat deel van de verbinding dat tijdens het lassen is gesmolten. De door hitte beïnvloede zone is een gebied grenzend aan het lasmetaal dat niet is gelast maar een verandering in microstructuur of mechanische eigenschappen heeft ondergaan als gevolg van de laswarmte. Het onaangetaste materiaal is datgene dat niet voldoende is verhit om de eigenschappen ervan te veranderen.

Lasmetaalsamenstelling en de omstandigheden waaronder het bevriest (stolt) hebben een aanzienlijke invloed op het vermogen van de verbinding om aan de servicevereisten te voldoen. Bij booglassen bestaat het lasmetaal uit vulmateriaal plus het onedele metaal dat is gesmolten. Nadat de boog is gepasseerd, vindt snelle afkoeling van het lasmetaal plaats. Een las met één doorgang heeft een gegoten structuur met zuilvormige korrels die zich uitstrekken van de rand van het smeltbad tot het midden van de las. Bij een meerassige las kan deze gegoten structuur worden gewijzigd, afhankelijk van het specifieke metaal dat wordt gelast.

Het basismetaal grenzend aan de las of de door hitte beïnvloede zone wordt onderworpen aan een reeks temperatuurcycli en de verandering in structuur houdt rechtstreeks verband met de piektemperatuur op een bepaald punt, het tijdstip van blootstelling en de koelsnelheden. De soorten onedel metaal zijn te talrijk om hier te bespreken, maar ze kunnen in drie klassen worden onderverdeeld: (1) materialen die niet worden aangetast door laswarmte, (2) materialen die zijn gehard door structurele verandering, (3) materialen die zijn gehard door neerslagprocessen.

Lassen veroorzaakt spanningen in materialen. Deze krachten worden veroorzaakt door samentrekking van het lasmetaal en door uitzetting en vervolgens samentrekking van de door hitte beïnvloede zone. Het onverwarmde metaal legt een beperking op aan het bovenstaande en aangezien de samentrekking overheerst, kan het lasmetaal niet vrij samentrekken en wordt er spanning in de verbinding opgebouwd. Dit staat algemeen bekend als restspanning en voor sommige kritische toepassingen moet deze worden verwijderd door warmtebehandeling van de hele fabricage. Restspanning is onvermijdelijk in alle gelaste constructies en als het niet gecontroleerd is, zal buiging of vervorming van het laswerk plaatsvinden. Controle wordt uitgeoefend door lastechniek, mallen en armaturen, fabricageprocedures en laatste warmtebehandeling.

Er zijn veel verschillende lasprocessen. Enkele van de belangrijkste worden hieronder besproken.