Waarom zijn aluminiumlegeringen moeilijk te lassen?

Lasbaarheid is de gecombineerde maatstaf voor de weerstand van een materiaal tegen scheurvorming, de veiligheid van de gelaste constructie en de kostenefficiëntie van de beoogde toepassingen van het product. Een materiaal wordt als lasbaar beschouwd wanneer de chemische, metallurgische en fysische eigenschappen ervan geschikt zijn voor het lasproces en de lasverbinding voldoet aan de vereiste sterkteparameters.

Omdat aluminium en zijn legeringen specifieke fysisch-chemische eigenschappen hebben, brengt het lassen ervan de volgende moeilijkheden met zich mee.

1. Snelle oxidatie

Aluminium oxideert gemakkelijk in de lucht en tijdens het lassen. Het ontstane aluminiumoxide (Al₂O₃) is stabiel en moeilijk te verwijderen. Het smeltpunt ervan ligt rond de 2.500 °C, ver boven het smeltpunt van aluminiumlegeringen, dat ongeveer 660 °C bedraagt. Tijdens het lassen belemmert de oxidefilm het smelten en versmelten van het basismetaal. Omdat de dichtheid ervan ongeveer 1,4 keer zo groot is als die van aluminium, drijft het niet gemakkelijk uit het lasbad en kan het onvolledige versmelting en slakinsluitingen veroorzaken. Het neemt ook vocht op, wat lasporositeit kan veroorzaken.

Vóór het lassen moet de oxidefilm daarom worden verwijderd door middel van een grondige chemische of mechanische reiniging van het oppervlak, en moet worden voorkomen dat er tijdens het lassen opnieuw oxidatie optreedt.

2. Gevoeligheid voor porositeit

Gassen die mogelijk poriën kunnen vormen zijn onder meer waterstof, koolmonoxide en stikstof. Stikstof is onoplosbaar in vloeibaar aluminium, terwijl aluminiumlegeringen geen koolstof bevatten die koolmonoxideporiën zou kunnen vormen. Waterstof is daarom het poriënvormende gas waarvoor bezorgdheid bestaat. De oplosbaarheid ervan bedraagt 7 ml/kg in vloeibaar aluminium, maar slechts 0,4 ml/kg bij de stollingstemperatuur van 660 °C. Een groot deel van de waterstof die oorspronkelijk in het vloeibare metaal was opgelost, slaat neer en vormt belletjes naarmate de las stolt. Zuiver aluminium en corrosiebestendige aluminiumlegeringen zijn hier bijzonder gevoelig voor.

Het binnendringen van waterstof in het basis- en vulmetaal moet worden beperkt en er moet een zeer zuiver beschermgas worden gebruikt. Oxide, vocht en olie moeten vóór het lassen grondig worden verwijderd van werkstukken, lasdraad en elektroden. Onderbrekingen moeten tot een minimum worden beperkt. Er worden krachtige lasparameters aanbevolen: bij TIG-lassen wordt een hoge stroomsterkte gecombineerd met een relatief hoge lasverplaatsingssnelheid, terwijl bij MIG-lassen een hoge stroomsterkte wordt gecombineerd met een lagere lasverplaatsingssnelheid om het smeltbad langer vloeibaar te houden en waterstof uit de oververzadigde vaste oplossing te laten ontsnappen.

3. Risico op doorbranding

Aluminium vertoont geen opvallende kleurverandering bij de overgang van vaste naar vloeibare toestand, waardoor de temperatuur van het bad moeilijk in te schatten is. Ook neemt de mechanische sterkte af bij hogere temperaturen en bedraagt deze bij 370 °C slechts 10 MPa. Het materiaal is daarom mogelijk niet sterk genoeg om het gesmolten metaal te dragen, wat kan leiden tot een slechte vorm van de lasnaad, instorting of doorbranden.

Meestal wordt een steunbalk gebruikt. De verwarming moet bovendien zorgvuldig worden geregeld, er moet waar mogelijk in horizontale positie worden gelast en de boog moet worden ontstoken en gedoofd op de aanloop- en afloopstroken.

4. Neiging tot heetbarsten

De lineaire uitzettingscoëfficiënt van aluminium is bijna twee keer zo groot als die van staal, en ook de krimp bij stolling is ongeveer twee keer zo groot, wat aanzienlijke lasspanningen veroorzaakt. Ook de samenstelling van de legering speelt een belangrijke rol: onzuiverheden die de voorgeschreven grenswaarden overschrijden, zorgen ervoor dat er meer laagsmeltende eutectische bestanddelen in het smeltbad ontstaan. Deze effecten samen bevorderen het ontstaan van warmscheuren.

Scheuren treden vaak op bij het ontbranden en doven van de boog, bij plotselinge onderbrekingen van de boog, bij hechtlassen en bij herstellassen. Om dit te voorkomen is het daarom noodzakelijk om de lasspanning te verminderen, de samenstelling van het lasmetaal aan te passen, de stollingsomstandigheden van het smeltbad te verbeteren, een geschikt lasproces te kiezen en de parameters nauwkeurig te regelen.

5. De sterkte van de verbinding is lager dan die van het basismateriaal

Door de laswarmte wordt de door de warmte beïnvloede zone zachter, waardoor de sterkte afneemt en de mechanische eigenschappen verslechteren. Daardoor kan de verbinding mogelijk niet dezelfde sterkte hebben als het basismetaal. Om een stootverbinding met gelijke sterkte te verkrijgen, moet de metaaldikte in de laszone worden vergroot.

6. Verminderde corrosiebestendigheid na het lassen

Verbindingen in warmtebehandelbare aluminiumlegeringen, zoals duraluminium, kunnen een aanzienlijk deel van hun corrosiebestendigheid verliezen. Een grotere microstructurele ongelijkmatigheid leidt tot een grotere afname. Ook de zuiverheid en dichtheid van het lasmetaal spelen een rol: overvloedige onzuiverheden, grove korrels en neerslag van brosse fasen zoals FeAl₃ verminderen de corrosiebestendigheid aanzienlijk en kunnen zowel plaatselijke oppervlakte-aantasting als interkristallijne corrosie veroorzaken. Lasspanning is een andere belangrijke factor.

De corrosiebestendigheid kan worden verbeterd door:

1. Het verminderen van ongelijkmatigheden in samenstelling en microstructuur door het lasnaad te legeren met geschikte vulmaterialen, de korrels te verfijnen, defecten te voorkomen, het proces aan te passen om de door warmte beïnvloede zone en oververhitting te beperken, en een warmtebehandeling na het lassen toe te passen.
2. Het wegnemen van lasspanningen; plaatselijke trekspanningen aan het oppervlak kunnen bijvoorbeeld worden verminderd door plaatselijk te hameren.
3. Het aanbrengen van beschermende behandelingen zoals anodiseren of coatings.