Hoe de vermoeidheidssterkte van lasverbindingen te verbeteren

1. Stressconcentratie verminderen

Vermoeidheidsscheuren ontstaan op plaatsen waar spanningsconcentraties optreden in lasverbindingen en constructies. Elke maatregel die deze concentraties wegneemt of vermindert, kan de vermoeidheidssterkte vergroten.

Gebruik een degelijke constructievorm

• Geef de voorkeur aan stootverbindingen en beperk overlappingsverbindingen tot een minimum. Vervang waar mogelijk T-verbindingen of hoekverbindingen in kritieke constructies door stootverbindingen en zorg ervoor dat lasnaden uit de buurt van hoeken blijven. Als een T-verbinding of hoekverbinding onvermijdelijk is, zorg dan voor volledige doorlas.
• Vermijd excentrische belasting. De interne krachten moeten soepel verlopen en gelijkmatig worden verdeeld, zonder dat er secundaire spanningen ontstaan.
• Zorg voor geleidelijke overgangen op plaatsen waar platen met een aanzienlijk verschil in dikte of breedte op elkaar aansluiten. Gebruik ruime radii bij scherpe hoeken en bochten.
• Vermijd ruimtelijke kruispunten met drie lasnaden. Houd lasnaden uit de buurt van spanningsconcentratiezones en vermijd dwarslasnaden op hoofdtrekelementen. Indien dit onvermijdelijk is, zorg dan voor een hoge interne en externe kwaliteit en minimaliseer de spanningsconcentratie aan de lasvoet.
• Laat geen permanente onderlaag achter bij een enkelzijdige stootlas in een kritische constructie. Vermijd onderbroken lassen, omdat elk segment aan het begin en het einde sterke concentraties vertoont.

Constructies die worden blootgesteld aan dynamische belastingen of die bij lage temperaturen worden gebruikt, vereisen een zorgvuldiger detailontwerp dan constructies die bij kamertemperatuur statische belastingen dragen.

De vorm en kwaliteit van lasnaden beheersen

Houd de versterking bij stomplassen zo klein mogelijk en werk de lasnaad bij voorkeur vlak af of slijp deze gelijk met het oppervlak. Gebruik bij T-verbindingen liever concave dan convexe hoeklassen. Zorg voor een vloeiende overgang bij de lasvoet; slijp deze indien nodig bij of smelt deze opnieuw met TIG-lassen.

Elk lasdefect veroorzaakt een zekere spanningsconcentratie. Vlakke defecten – scheuren, onvolledige doordringing, gebrek aan versmelting en ondergraving – hebben de grootste invloed op de vermoeidheidssterkte. Ontwerp elke lasnaad zo dat deze gemakkelijk bereikbaar is en goed kan worden uitgevoerd, en verwijder alle defecten die de acceptatiegrenzen overschrijden.

2. Pas het veld van de restspanning aan

Restsdrukspanning verhoogt de vermoeidheidssterkte, terwijl resttrekspanning deze juist vermindert. Een gunstig drukspanningsveld aan het oppervlak of een spanningsconcentratie kan worden gecreëerd door de lasvolgorde aan te passen of door plaatselijke verhitting toe te passen.

Bij een stootverbinding van I-balken wordt stootlas 1 het zwaarst belast door buigspanning. Laat aan beide uiteinden een kort stukje van hoeklas 3 ongelast, voltooi las 1 en voltooi vervolgens stootlas 2 in het web. Door de krimp van las 2 komt las 1 in restdruk te staan. Las ten slotte de overgebleven delen van las 3; hun krimp brengt zowel las 1 als las 2 in restdruk. Uit tests bleek dat deze volgorde de vermoeidheidssterkte met 30% verhoogde in vergelijking met het lassen van naad 2 vóór naad 1. Voor een hoekplaat die met langslasnaden is verbonden, kan op de juiste plaats toegepaste puntverwarming bij de inkeping nabij het laseinde een gunstige restdruk op de concentratieplaats creëren.

Versterking door vervorming van het oppervlak door middel van walsen, hameren of kogelstalen kan het verbindingsoppervlak eveneens plastisch vervormen en verharden, waardoor er restdruk ontstaat die de vermoeidheidssterkte verbetert.

3. De microstructuur en eigenschappen van lasverbindingen verbeteren

Om de intrinsieke vermoeidheidsweerstand van het grondmetaal en het lasmetaal te verbeteren, is een betere metallurgische kwaliteit van zowel het materiaal als de lasdraad nodig, evenals minder insluitsels. Waar mogelijk kan een warmtebehandeling van de lasverbinding een gunstige microstructuur opleveren, waardoor zowel de sterkte als de ductiliteit, de taaiheid en de vermoeidheidsweerstand worden verhoogd.

Sterkte, ductiliteit en taaiheid moeten in evenwicht zijn. Sterkte gaat breuk tegen, maar materialen met een hoge sterkte zijn gevoelig voor inkepingen. Ductiliteit absorbeert vervormingsenergie, verlaagt spanningspieken, herverdeelt hoge spanningen en afvlakt inkepingen en scheurpunten, waardoor de groei vertraagt of stopt. Omdat ductiliteit ervoor zorgt dat sterkte effectief kan worden benut, kan het vergroten van de ductiliteit en taaiheid de vermoeidheidsweerstand van verbindingen van hoogsterke aluminiumlegeringen aanzienlijk verbeteren.