Bacheloropdracht: lassen van twee stalen platen

Lassen van twee stalen platen

Bacheloropdracht van Adriaan Sillem

Lassen is het samenvoegen van metalen waarbij zowel het toevoegende materiaal als het werkstukmateriaal in gesmolten toestand wordt gebracht middels warmte. Deze warmte komt vrij bij het sluiten van een elektronisch circuit met een hoog vermogen. Het toevoeg- materiaal zal in de regel ongeveer van dezelfde samenstelling zijn als het werkstukmateriaal. Hierdoor krijgt de verbinding dezelfde sterkte als het werkstuk zelf.

We zullen ons beperken tot het vlambooglassen. Bij deze lasmethode wordt de negatieve pool van het lasapparaat aan het werkstuk bevestigd, de positieve pool zal aangsloten worden op een elektrode die tevens als toevoegend materiaal zal dienen. Dit toevoegen vindt plaats als de elektrode dicht in de buurt van het werkstuk komt. De lucht tussen het werkstuk en toevoegend materiaal zal ioniseren (plasmavorming) en zodoende een vlamboog produceren die het elektonische circuit sluit. Dit is te vergelijken met een bliksemschicht. Bij dit ioniseren komt warmte vrij waardoor het werkstuk wordt verwarmd en de elektrode afsmelt. Hierdoor vindt er materiaaloverdracht plaats.

Ten grondslag aan dit proces ligt de thermodynamica. De warmtevergelijking speelt hierin de hoofdrol. In eerste instantie zal begonnen worden met een sterk versimpeld model. Ieder hoofdstuk verder zal dieper ingaan op het proces teneinde een compleet model voor het proces te construeren. Er zal afgesloten worden met resultaten en conclusies ten aanzien van het optimaliseren van het vlambooglassen. Bij deze optimalisatie draait het om het beperken van vervorming en het verhogen van de sterkte van de las. Deze aspecten zijn gerelateerd aan de grootte van het gebied dat in vloeibare fase is tijdens het lassen - het smeltbad - en het voorverwarmen van het te behandelen werkstuk. Temperatuursverdeling is derhalve hoofdzaak.

Hieronder staan een aantal filmpjes

De fragmenten zijn geencodeerd in het Xvid / Cinepak format. De meeste besturingssystemen spelen deze formats af. Indien u problemen ondervindt kunt u de betreffende codecs halen op www.xvid.org en www.cinepak.com.

Filmpjes van echte experimenten

Het lassen van dun materiaal kan soms lastig zijn gezien er al snel een overschot aan warmte is, waardoor er een gat valt in het materiaal. Een lager amperage biedt soms een oplossing, echter heeft dit als nadeel dat het maken van een vlamboog moeilijker wordt. (film)
Meer materiaal neemt meer warmte op. Soms zoveel dat de toegevoerde energie te snel wordt onttrokken aan de omgeving waar je aan het lassen bent. Hierdoor blijft het temperatuursverschil tussen de lasomgeving en de rest van het materiaal te groot. Dit gaat ten koste van de sterkte van de lasnaad en zorgt bij dunne platen voor kromtrekking. Met voorverwarmen wordt om de plaats waar de las moet komen heen van te voren warmte toegevoerd. Dit gebeurt in die mate, dat eerdergenoemd temperatuursverschil kleiner wordt, wat de lasnaadsterkte ten goede komt en de hoeveelheid vervorming verminderd. (film)
Middels druk worden 2 assen richting elkaar gebracht. De 2 assen maken op een gegeven moment contact met het plaatwerk, wat het elektronische circuit sluit. Door een grote stroomsterkte gaat dit contact gepaard met een moment van smelten, wat het plaatwerk met elkaar verbindt bij stollen. (film)
Linker materiaal is gelast zonder voorverwarmen, rechter met. Het is duidelijk te zien dat de linker lasnaad minder "netjes" is. Hij ziet er grover uit en is vooral langs de randen zichtbaar minder goed gehecht. (film)
Wolfraam wordt in verschillende legeringen als elektrode bij TIG lassen gebruikt. TIG is de afkorting voor Tungsten Inert Gas, GTAW = Gas Tungsten Arc Welding) en dankt zijn naam aan de Engelse naam voor wolfraam (tungsten) en het gebruik van een inert gas. Bij TIG-lassen wordt de warmte verkregen door een boog te trekken tussen een wolfraam elektrode en het werkstuk. Door de hoge smelttemperatuur van wolfraam (3410 °C) (de temperatuur van het werkstuk ligt tussen de 6000 á 7000 graden, maar door de stroomrichting van het beschermgas en de vlamboog heeft de elektrode maar een derde van de warmte van het werkstuk.) is dit een niet afsmeltende elektrode. Het toevoegmateriaal wordt apart, handmatig, toegevoegd. (film)

Filmpjes van simulaties

Model met conductie en energiebron. De bron is geconstrueerd middels een Gaussische kromme met als gevolg een mooie gladde oplossing. (film)
Model met conductie en energiebron. De bron is geconstrueerd middels een indictaor functie met als gevolg een verstoorde oplossing. (film)
Model met conductie, vrije convectie, straling en een energiebron. Bron beweegt van rand naar rand. Temperatuur en afkoeling komen op gang en lopen netjes mee. Als de bron uit gaat koelt de plaat weer af tot kamertemperatuur. (film)
Het model met smeltfront aangepakt met de enthalpie methode, welk gebruik maakt van een vaste partitie. Als de tijdstap te klein is, is de oplossing instabiel. De smeltwarmtecorrectie draagt bij aan deze instabiliteit. Een te kleine epsilon kan immers voor alternering zorgen. (film)
Het model met smeltfront met een tijdstap en epsilon naar behoren. De oplossing toont geen sprongen en convergeert naar de plaats waar aan- en afvoer van energie in balans zijn. (film)
Het model met smeltfront aangepakt met de front tracking methode. Iedere tijdstap wordt een nieuwe partitie gemaakt. Bij deze methode wordt in tegenstelling tot de enthalpie methode eerst de plaats van het smeltfront bepaald en vervolgens de temperatuursverdeling. De oplossing convergeert naar de plaats waar aan- en afvoer van energie in balans zijn. (film)
Analoog met het 1 dimensionale geval zorgt de bron aan de rand ervoor dat het smeltfront zich voortplanting richting de plaats waar aan- en afvoer van energie in balans zijn. Er is geen sprake van storingen. De tijdstap (0.1) en marge epsilon (0.3 * T_smelt) zijn naar behoren gekozen. (film)
Het complete model aangepakt met de enthalpie methode. Het is duidelijk dat de marge epsilon te klein is gekozen (0.01 * T_smelt). De storingen ten gevolge van deze te kleine marge zijn duidelijk terug te zien. Het smeltbad is meer een knipperende lamp geworden. (film)
Het complete model aangepakt met de enthalpie methode. De tijdstap en marge voor de smeltwarmtecorrectie zijn zo gekozen dat ze zoveel mogelijk in balans zijn. Een te kleine marge zorgt voor oscillaties, een te grote marge maakt een faseverandering onmogelijk. Anderzijds maakt een te kleine tijdstap tevens een faseverandering onmogelijk. Immers, in een tijdstap moet de temperatuur de marge overbruggen wil hij in aanmerking komen voor de smeltwarmtecorrectie en dus een faseverandering. (film)

Filmpjes van parametervariaties

De indicator linksonderin het fasevenster (linksboven) geeft aan of de grootte van het smeltbad tussen de minimum en maximum grens ligt. Bij cyaan is het smeltbad te klein, bij zwart is het smeltbad van de juiste grootte en bij rood is het smeltbad te groot. Bron rechtsboven, temperatuur linksonder en put rechtsonder.

Bij een vermogen van P = U * I = 30 [V] * 250 [A] = 7500 [W] zonder voorverwarmen is v = 0.01 [m/s] een goede lassnelheid. Het smeltbad is al snel van een goede grootte. (film)
Bij een vermogen van P = U * I = 30 [V] * 250 [A] = 7500 [W] zonder voorverwarmen is v = 0.015 [m/s] een te hoge lassnelheid. De grootte van het smeltbad blijft onder het minimum. (film)
Bij een vermogen van P = U * I = 30 [V] * 250 [A] = 7500 [W] met voorverwarmen is v = 0.03 [m/s] een goede lassnelheid. Aan het begin is het smeltbad iets te groot, echter door het afkoelen van de voorverwarming wordt dit al snel gecorrigeerd. (film)

Contact informatie: Kees Vuik

Terug naar de home page , Bachelor pagina, of de onderwijspagina van Kees Vuik