Warmte-inbreng berekenen en beheersen

De warmte-inbreng is naast het toevoegmateriaal en de voorwarmtemperatuur de belangrijkste stuurknop voor de eigenschappen van een lasverbinding. Zij bepaalt de afkoelsnelheid, en daarmee de hardheid, de taaiheid, de korrelgrootte en bij roestvast staal ook de corrosieweerstand. Wie de warmte-inbreng niet berekent en bewaakt, weet feitelijk niet welke las hij aflevert.

In dit artikel vindt u de formule, de thermische rendementfactoren per lasproces volgens EN 1011-1, de manier waarop u in de praktijk meet en registreert, en de reden waarom de warmte-inbreng juist bij fijnkorrelstaal en roestvast staal zo nauw luistert. Ook de rol van de warmte-inbreng in de lasmethodekwalificatie volgens EN ISO 15614-1 komt aan bod.

De formule voor warmte-inbreng

De warmte-inbreng Q in kilojoule per millimeter berekent u als volgt: Q = k maal (U maal I maal 60) gedeeld door (v maal 1000). Daarin is U de boogspanning in volt, I de lasstroom in ampere, v de voortloopsnelheid in millimeter per minuut en k de thermische rendementfactor van het lasproces.

Een rekenvoorbeeld voor MAG-lassen: 28 volt, 260 ampere, 35 centimeter per minuut, dus 350 millimeter per minuut. Q = 0,8 maal (28 maal 260 maal 60) gedeeld door (350 maal 1000) = 1,0 kJ/mm. Let bij het rekenen op de eenheden: veel fouten ontstaan doordat centimeters per minuut en millimeters per minuut door elkaar lopen, of doordat de voortloopsnelheid per rups niet apart wordt gemeten bij pendelend lassen.

Rendementfactoren per lasproces

Niet alle boogenergie komt in het werkstuk terecht. EN 1011-1 geeft daarvoor de factor k, het relatieve thermische rendement:

• Onderpoederdek lassen (121): k = 1,0
• Beklede elektrode (111): k = 0,8
• MIG/MAG massieve en gevulde draad (131, 135, 136, 138): k = 0,8
• TIG en plasma (141, 15): k = 0,6

Bij TIG gaat relatief veel energie verloren aan straling en aan de boog zelf, bij onderpoederdek houdt het poederbed vrijwel alle warmte vast. Vergelijkt u lasprocessen op basis van warmte-inbreng, reken dan altijd met deze factoren. Een TIG-las van 1,5 kJ/mm boogenergie belast het materiaal minder dan een onderpoederdeklas met dezelfde boogenergie.

Wat de warmte-inbreng doet met het materiaal

Een hogere warmte-inbreng betekent een tragere afkoeling en een bredere warmte beinvloede zone. Dat verlaagt de hardheid, maar laat de korrel groeien, en grove korrel kost kerftaaiheid. Een lagere warmte-inbreng koelt sneller af, houdt de korrel fijn, maar verhoogt bij hardbare stalen het risico op martensiet en koudscheuren.

Er bestaat dus per materiaal en dikte een werkvenster: genoeg warmte om harding te vermijden, weinig genoeg om taaiheid en sterkte te behouden. De afkoeltijd t8/5, de tijd waarin de las van 800 naar 500 graden Celsius afkoelt, is de grootheid die beide werelden verbindt. EN 1011-2 bevat rekenregels om uit warmte-inbreng, dikte, naadvorm en voorwarmtemperatuur de t8/5 te schatten.

Waarom het nauw luistert bij fijnkorrelstaal

Thermomechanisch gewalste en veredelde fijnkorrelstalen zoals S355ML, S460ML of S690QL danken hun sterkte en taaiheid aan een bewust fijne korrel en een gecontroleerde microstructuur. Een te hoge warmte-inbreng vernietigt precies dat: de korrel groeit, de sterkte in de warmte beinvloede zone zakt onder de gegarandeerde waarde en de kerftaaiheid stort in. Bij veredelde stalen kan bovendien de aanlaatzone verzwakken.

Fabrikanten geven daarom een maximale warmte-inbreng en een maximale interpasstemperatuur op, vaak in de orde van 1,0 tot 2,5 kJ/mm afhankelijk van sterkteklasse en dikte. Die grenzen horen expliciet in de WPS en moeten in productie aantoonbaar worden nageleefd. Te laag is echter ook fout: dan komt het koudscheurrisico weer in beeld en is voorwarmen eerder nodig.

Waarom het nauw luistert bij roestvast staal en duplex

Bij austenitisch roestvast staal veroorzaakt een te hoge warmte-inbreng brede verkleuringszones, meer vervorming door de grote uitzettingscoefficient en bij langdurig verblijf tussen circa 500 en 800 graden Celsius chroomcarbide-uitscheiding op de korrelgrenzen. Dat laatste, sensitisering, kost lokaal corrosieweerstand. Laag in warmte blijven en de interpasstemperatuur begrenzen, meestal op 150 graden Celsius, is hier de regel.

Duplex roestvast staal heeft een echt venster: te weinig warmte geeft te veel ferriet en nitriden, te veel warmte geeft grove korrel en intermetallische fasen. Gebruikelijk is 0,5 tot 2,5 kJ/mm, met per legering eigen grenzen. De details leest u in het artikel over duplex lassen.

Warmte-inbreng in de kwalificatie en de WPS

In EN ISO 15614-1 is de warmte-inbreng een essentiele variabele zodra kerftaaiheid of hardheid een eis is. De gekwalificeerde warmte-inbreng mag in productie dan maximaal 25 procent worden overschreden en, als hardheidseisen gelden, maximaal 25 procent worden onderschreden. Wie in de kwalificatieproef dus extreem netjes in het midden last, kwalificeert een smal venster en loopt in productie snel vast.

Een doordachte kwalificatiestrategie legt de proeflas bewust aan de rand van het beoogde werkgebied. Dat vraagt om vooraf rekenen: welk bereik aan stroom, spanning en voortloopsnelheid heeft de werkplaats werkelijk nodig, en welke warmte-inbreng hoort daarbij per rups.

Meten, registreren en borgen in de praktijk

Beheersing begint met meten. Moderne stroombronnen tonen stroom en spanning en loggen die vaak per las, maar de voortloopsnelheid blijft mensenwerk: meet de lengte van een rups en de boogtijd, of gebruik de neersmeltbenadering via de rupsgrootte. Steekproeven door een lascoordinator of QC-medewerker maken de naleving aantoonbaar.

Praktische borging:

• Vermeld in de WPS per rups het bereik van stroom, spanning, voortloopsnelheid en de resulterende warmte-inbreng
• Train lassers in het effect van pendelen en rupsgrootte op de warmte-inbreng
• Controleer bij kritisch werk de eerste productielas en leg de meting vast

Twijfelt u aan het juiste venster voor een materiaal of constructie, dan is dat een typische vraag voor lastechnisch advies.