Lassen van wapeningsstaaldoor H. A. K?llerBijlage Cement XXI (1969) nr. 10H.A.K?llerRijkswaterstaat, directie BruggenBijlage Cement XXI (1969) nr. 10Lassen van wapeningsstaalU.D.C.624.012.454:693.554:621.791InleidingIn het verleden werd wel gesteld dat, behoudens enkele uitzonderingen, in de betontechniekonvoldoende begrip bestond voor ??n van de, in de gewapend-betonconstructies verwerktematerialen, nl. het betonstaal.Mede als gevolg hiervan ontstonden er veel misverstanden over de mogelijkheden en demoeilijkheden die zich bij het lassen van betonstaal voordeden.Dit was in mindere mate het geval bij de toepassing van 'zachtstaal' QR24 - FeB24, en inmeerdere mate bij de toepassing van de hoogwaardiger staalsoorten, QR40 - FeB40HW (na-tuurhardstaal), en QRn40{48 - FeB40{50HK (nabehandeld betonstaal).Naast de algemene problematiek, zullen hier in hoofdzaak de problemen, die zich voordoenbij het lassen van de hoogwaardiger staalsoorten, worden behandeld.De laatste jaren valt een toenemende belangstelling waar te nemen voor de bovengenoemdeproblematiek; deze toenemende belangstelling, die wordt veroorzaakt zowel door technischeals door economische reden, heeft reeds tot beter begrip geleid.Een bijdrage tot dit betere begrip is mede te danken aan het werk, dat verschillende be-drijven en instanties door het doen uitvoeren van onderzoekingen en beproevingen hebbengedaan. Zo werden onder meer door Kon. Ned. Hoogovens, N.V. Torstaal, CUR-commissieC16, Rijksnijverheidsdienst, Rijkswaterstaat enz., zowel afzonderlijk als in onderlinge samen-werking verschillende lasbeproevingen uitgevoerd. De bedoeling van dit artikel is te trach-ten dit betere begrip verder te helpen bevorderen.Daarom zullen in het kort achtereenvolgens worden behandeld:1. kwaliteitseisen betonstaal;2. lasbaarheid;3. structuur en bouw van staal;4. warmtebehandeling van staal;5. de invloed van verontreinigingen en bijmengsels;6. het lassen van betonstaal.Kwaliteitseisen betonstaalDe aan het betonstaal te stellen eisen zijn in feite tweeledig, en wel:1. Kwaliteits- en keuringseisen volgens normbladen (bijv. NEN 6008, GBV 1962, NEN 1009);hierin staan de verschillende eisen waaraan het materiaal moet voldoen bij afname van eenkeuring op het walswerk, resp. de eisen waaraan het voldoen middels een 'werkattest' moetworden aangetoond.2. Eisen waaraan het materiaal feitelijk moet voldoen bij de verwerking op de bouwplaats endaarna functioneel in de betonconstructie.Bij een beschouwing van het verloop gedurende de laatste 15 ? 20 jaar, van de in Nederlandgeldende eisen, als bedoeld onder 1 enerzijds en van de, in de praktijk toegepaste werk-methodes anderzijds, komen duidelijk tegenstrijdigheden naar voren, zoals in het hier vol-gende wordt aangetoond:a. Gedurende de genoemde tijdsperiode werden steeds lagere eisen gesteld aan de breukreken aan de rek die bij buiging optreedt.Als gevolg hiervan werden de doorndikten, waaromheen het materiaal bij de koude buig-proef moet worden gebogen, steeds groter. De voorschriften betreffende het buigen van hetbetonstaal op de bouwplaats werden echter niet overeenkomstig gewijzigd, erger nog, doortoepassing van dikkere diameters is het in de praktijk niet altijd mogelijk de voorschriftenaan te houden, terwijl soms ook ter verkrijging van een betere maatvoering om een dunneredoorn wordt gebogen dan is toegestaan.b. Door het weglaten van de maximale begrenzing van de mechanische waarden werd de las-baarheid nadelig be?nvloed, terwijl in de praktijk het lassen volgens diverse lasmethodessteeds meer wordt toegepast.c. In de GBV 1962 wordt ten aanzien van het lassen gesteld: 'lassen dient zoveel mogelijk teworden vermeden, de lassen dienen in ieder geval verspringend te worden gelegd'.3fig. 1BUlage Cement XXI (1969) nr. 10Het komt in de praktUk veelvuldig voor, dat het betonstaal, vooral in de dikkere diameters,tot ??n doorgaande lengte wordt gelast en daarna op maat geknipt. Deze werkmethode kangemakkelijk tot gevolg hebben dat enige lassen in hetzelfde belastingvlak komen te liggen.De controlevoorschriften, die op het lassen betrekking hebben, hebben zich hierbij nogniet aangepast.d. Het normblad NEN 6008 - Euronorm 80-68 die moeten worden gehanteerd, geeft de moge-lijkheid aan om betonstaal in een lasbare kwaliteit te bestellen. De voorgeschreven beproe-ving echter sluit rekmeting bij de trekproef uit, zodat betonstaal dat na het lassen volkomenbros is, moet worden goedgekeurd.Dit betekent in feite dat iedere soort betonstaal, die na het lassen nog aan de treksterktevoldoet, kan worden geleverd onder het 'merk' lasbaar; er zal dus vrijwel niets kunnen wor-den afgekeurd op 'Iasbaarheid'.De onder de punten a t/m d genoemde tegenstrijdigheden zouden kunnen worden weerge-geven door de 2 lijnen in fig. 1.Natuurlijk zou punt 'P' nooit bereikt mogen worden; in incidentele gevallen echter werd dit'alarmpunt' gepasseerd.Ter verdediging van dit standpunt worden de volgende punten vermeld of in 't kort geme-moreerd:a. Het op de bouwplaats buigen om kleinere diameters dan voor de afnamekeuring aan dewalserij is voorgeschreven.b. Het lassen, soms in de open lucht en/of bij zeer lage temperaturen.c. Het hechtlassen van kruisende staven bij natuurhardstaal, ondanks dat hiertegen doorde Directie Bruggen werd gewaarschuwd en ondanks dat dit door sommige leveranciers(bijv. Columeta) als niet toelaatbaar wordt gesteld.BU de samenstelling van dit rapport werd er van uitgegaan, dat plaatselijk brosse plekkenin het betonstaal moeten worden vermeden, dit temeer omdat bU die, door lassen veroor-zaakte brosse plekken dikwUIs hardingsscheuren voorkomen, waardoor trekvermoeiing nietuitgesloten moet worden geacht.lasbaarheidHoewel in de verschillende normbladen en in de lastechnische litteratuur de woorden 'Ias-baar materiaal' en 'Iasbaarheid' veelvuldig voorkomen, bestaan er in de praktijk toch ver-schillende opvattingen over wat daar precies mee wordt bedoeld en zelfs 'insiders' zijn hethierover niet altijd eens. Het zou aanbeveling verdienen om vooral in de normbladen hiereen goede omschrijving van te geven.Hier is men van de gewone regel uitgegaan, nl. 'lassen is het aan elkaar verbinden van tweeof meer materiaaldelen op een zodanige wijze, dat aan die verbinding dezelfde eisen kun-nen worden gesteld als aan het uitgangsmateriaal'.In de praktijk kan men de lasbaarheid, of nog juister de wijze waarop moet worden gelast,vaststellen met behulp van het koolstofequivalent, waarbU de bijmengsels (mangaan-siliciumenz.) en verontreinigingen (fosfor-zwavel-stikstof enz.)? in % omgerekend worden in % kool-stof, volgens de formule:Mn P+SC eq. = C + ""6 + -3- + SN (ingekort)Gebleken is, dat als vuistregel bruikbaar is:a. C eq. = 0,4 - gemakkelijk lasbaar zonder bijzondere maatregelen;b. C eq. = 0,4 - 0,6 - lasbaar met enige maatregelen;c. C eq. = 0,6 - 0,8 - moeilUker lasbaar met meerdere maatregelen;d. C eq. = 0,8 - zeer moeilUk lasbaar met zeer veel bijzondere maatregelen.Het bovenstaande betekent feitelijk, dat voor ieder materiaal, vallend onder ??n van deze4 groepen, een iets andere laswUze moet worden toegepast dan voor materiaal, vallendonder een van de drie overige groepen. Mede door het weglaten van de maximale begren-zing van de mechanische waarden in de normalisatievoorschriften kan men in de praktijkbUv. bij het natuurhardstaal QR 40-QR 48 gemakkelijk een spreiding tegenkomen van C eq. =0,4 tot C eq. = 0,9 of nog hoger.Dit geldt in zekere mate ook voor het nabehandeld betonstaal QRn 40-48, omdat de mate,waarin het betonstaal op de walserU door tordering werd verstevigd, tezamen met de ana-lyse van het uitgangsmateriaal bepalend is voor de indeling van het materiaal volgens debovenger.oemde 4 groepen. Geconstateerd is echter, dat bU het QRn-staal de spreiding vande mechanische waarden geringer is en dus de juiste lasmethode meer uniform is vast testellen.QRn-staal heeft het nadeel, dat de inklemeinden (ca. 1%-11/2% van de staaflengte) nog aande staven zitten. Voor bUv. vonkstuiklassen moeten deze einden eerst worden afgeknipt,hetgeen materiaalverlies en kniploonkosten veroorzaakt.Nu zal men 0) de bouwplaats als regel niet voldoende ge?nformeerd zijn over de samen-stelling en de vervaardigingswUze van het betonstaal en daardoor ook niet over de eigen-schappen.Het enige wat men weet is, dat het materiaal voldoet aan bepaalde mechanische waardenvolger.s het normblad. Dit houdt in, dat de ju:ste lasmthode, in de prakt?k pro:fondervin-del?k moet worden vastgesteld en ook, dat regelmatige controle nodig bl?ft.Bij de behandeling van de verschillende lasmethodes wordt hierop nog nader teruggekomen.4FERRITISCH AUSTENITiSCHfig. 2fig. 3t 1 t t~fig. 4 fig. 5fig. 6fig. 7o o 0.2 VERLENGING IN ?PROCENTEN--..VLOEISTAAL"1 KOUD NABEHANDELD srAAMBijlage Cement XXI (1969) nr. 10De structuur en bouwVan ?zerHet metaal ijzer is een element en bestaat uit ??n soort atomen. De atomen zijn bij eenmetaal volgens een bepaalde figuur gerangschikt. Deze rangschikking noemt men de roos-tervorm.De roostervorm die bij ijzer voorkomt is de kubus en wel in twee typen, nl. het ferritischrooster (alpha ijzer) en het austenitisch rooster (gamma ijzer) (fig, 2).In vloeibare toestand hebben de atomen van het metaal geen vaste plaats, maar zwervenom elkaar heen.Wordt de temperatuur lager dan wordt de beweging van de atomen steeds trager en zoekendeze hun door het rooster bepaalde plaats op. In het vloeibare bad zijn er punten waar hetstollen het eerst begint. Deze punten vormen de kernen of kiemen waar omheen zich steedsmeer atomen in hun roostervorm afzetten, totdat het metaal volkomen vast is geworden.De eenheid die zich om een bepaalde kiem heeft afgezet noemt men kristal of kristalliet.Het aantal kernen of kiemen in een bepaald smeltbad gevormd, bepaalt het aantal kristall!ln.In een kristal kan men zich stelsels evenwijdige en onderling op gelijke afstand liggenderoostervlakken denken waarin alle atomen zijn opgenomen (fig. 3).De atoombezetting, evenals de afstand van deze vlakken kan verschillend zijn, zoals uit ge-noemde figuur blijkt, en speelt een belangrijke rol bij de deformatie van een metaal.Beschouwt men een enkel kristal, dan lopen de roostervlakken in een bepaalde richting.Bij elastische deformatie wijkt het rooster enigszins van zijn vorm af, bijv. bij ijzer krijgt dekubus een verwrongen vorm. Bij toenemende belasting treedt plastische deformatie op engaan de roostervlakken langs elkaar schuiven (fig. 4).De roostervlakken worden niet uit elkaar getrokken, maar glijden langs elkaar omdat deatomen aantrekkingskracht op elkaar uitoefenen. Deze glijding treedt het gemakkelijkst oplangs de vlakken met de dichtste atoombezetting, omdat, zoals uit fig. 2 blijkt, de afstandtussen deze vlakken het grootst, dus de aantrekkingskracht het kleinst is, terwijl de aan-trekkingskracht in deze vlakken door de kleinste onderlinge afstand van de atomen hetgrootst is.Aangezien de roostervlakken in ieder kristal van het metaal een andere richting hebben(fig. 5), zal bij krachtuitoefening op het metaal, het kristal waarvoor de krachtrichting hetongunstigst is het eerst gaan vervormen. Deze vervorming wordt bij de kristalgrenzen tegen-gegaan, omdat de richting en grootte van de kracht op de aangrenzende kristallen nog geeninvloed heeft. Bovendien wordt door de kristalgrenzen de deformatie tegengegaan door hetin elkaar grijpen van de kristallen.Hiermede wordt verklaard, waarom een f?nkorre/ig materiaal met dus veel kristalgrenzeneen hogere rekgrens, treksterkte en hardheid heeft.Van een koud nabehandeld metaalZijn er kristallen in een metaal plastisch vervormd, dus roostervlakken ten opzichte van el-kaar verschoven, dan ondergaan de roostervlakken van de aangrenzende kristallen eenvervorming (fig. 6). Een gevolg van deze vervorming is, dat verdere glijding wordt tegen-gegaan. Hoe groter de deformatie of vervorming is, des te groter is de vereiste kracht voorverdere deformatie.Als voorbeeld neemt men het materiaal staal; dit is weliswaar een legering, maar het ge-draagt zich als ijzer dat door toevoegingen betere eigenschappen gekregen heeft.Onderwerpt men een stalen staaf, bijv. kwaliteit QR 24 aan een trekproef en zet men be-nodigde belasting en vervorming tegen elkaar uit, dan ontstaat een diagram als in fig. 7is weergegeven.In deze figuur ontdekt men een gebied waarin de belasting om een bepaalde waarde blijftschommelen en de staaf steeds verder uitrekt. Dit gebied noemt men de vloeigrens. Daarde kristallen niet dezelfde ori?ntatie hebben, is het mogelijk dat een deel reeds is belasttot boven de grens, terwijl dit voor de rest nog niet het geval is. De spanning loopt nu nieteerder op dan nadat alle kristallen deze grens bereikt hebben.Dit is een zeer gelukkige omstandigheid, omdat bij belasting tot deze vloeigrens alle mate-riaal gebruikt wordt en men verzekerd is van de volle medewerking van de gehele doorsnede.Belast men de staaf tot deze grens en neemt men daarna de kracht weg, dan is er blljvendeverlenging ontstaan. Zou men het gedeelte uit de staaf waar het vloeien en de blijvendeverlenging optrad opnieuw gaan belasten, dan ontstaat een spanning-rekdagram als in defiguur gestippeld is weergegeven. Hieruit blijkt dat het vloeigebied ontbreekt en dat dekracht, benodigd voor verdere deformatie groter is. Van deze eigenschap maakt men gebruikdoor een staaf in zljn geheel door rekken of torderen koud te vervormen, waardoor de staafgrotere krachten kan opnemen, bijv. nabehandeld betonstaal en koud getrokken voorspan-staaI.Van een gelegeerd metaalEen legeringselement voegt men toe met het doel de eigenschappen van het metaal te ver-beteren ?door:a. het verkrijgen van een andere chemische samenstelling;b. het kristalrooster te vervormen en zodoende hetzelfde verschljnsel als blj koude deformatiete verkrljgen;5-4-?? \fig. 8fig. 9? IJ--???10IJzer-koo/stofdiagram11I If/,t---.- ,-----.?.c. desoxydatie van het smeltbad te verkrijgen en de homogeniteit van het materiaal te be-vorderen.Legeringen worden meestal gevormd door ??n of alle legerende elementen in vloeibaretoestand te brengen. In vaste toestand kunnen zich dan de volgende gevallen voordoen:a. De atomen van basismetaal en legeringselement vormen een chemische verbinding. Eenchemische verbinding heeft een vaste samenstelling en de roostervorm kan volledig van hetbasismetaal en het legeringselement afwijken. De verbinding heeft eigenschappen die an-ders zijn dan die van de legerende elementen.Door bijv. aan ijzer, dat een zacht en taai materiaal is, 6,7% koolstof toe te voegen, ontstaatcementiet (Fe3C) dat een hard en bros materiaal is.b. Het vervormen van het rooster kan op twee manieren gebeuren:1e. doordat atomen van het basismetaal vervangen worden door die van het legerende ele-ment (fig. 8).2e. doordat atomen van het legerende element zich tussen de atomen van het basisma-teriaal dringen (fig. 9).Beide vormen van roosterverstoring kunnen gelijktijdig optreden, afhankelijk van het volumeen de concentratie van de legerende atomen. In het staal komt men hiervan verschillendevoorbeelden tegen met koolstof, mangaan, stikstof, enz.Zoals in de inleiding vermeld, is staal in eerste instantie het metaal ijzer, dat door koolstofis gelegeerd.Bij de afscheiding van ruw ijzer uit erts in de hoogovens maakt men gebruik van cokes;hierdoor wordt meer koolstof in het ijzer opgenomen dan voor constructie" of betonstaalwenselijk is.Men heeft verschillende methodes ontwikkeld om onder meer het koolstof te verwijderen;omdat elke methode specifieke eigenschappen aan het staal geeft, spreekt men in dit ver-band van bijv. Thomasstaal - Siemens Martinstaal - Oxystaal - Elektrostaal en Konverter-staal.Dat het koolstofgehalte voor de eigenschappen van staal belangrijk is, blijkt uit het zgn.ijzer-koolstofdiagram.Het ijzer-koolstofdiagramHet ijzer-koolstofdiagram geeft aan welke structuur en samenstelling een bepaald mengselvan ijzer en koolstof bij een bepaalde temperatuur krijgt wanneer langzame afkoeling uitde vloeibare toestand plaats heeft (fig. 10). Daarom bestaat dit diagram uit een verticaletemperatuuras en een horizontale as waarop het koolstofgehalte is aangegeven. In staalkomt koolstof echter niet in vrije vorm voor, maar als een chemische verbinding van ijzermet 6,7% koolstof (Fe3C), cementiet genaamd.Cementiet is zeer hard en bros, maar zeer slijtvast, terwijl ijzer in gestolde toestand zachten taai is, zodat de verhouding tussen deze twee stoffen de eigenschappen van het mate-riaal bepaalt.Zo zal staal toegepast voor snij- of stootgereedschap meer cementiet moeten bevatten danstaal voor constructies waar de taaiheid van belang is. Voor de betontechnicus is alleen retgebied vallende tussen 0 en 0,8% koolstof van belang. .Bij zuiver ijzer, op de lijn met 0% koolstof, vallen twee temperatuurpunten op, nl. het stol-punt van 1539 0 C, waarbij het vloeibare ijzer overgaat in vast ijzer met een kubisch kristal-rooster dat austeniet wordt genoemd (fig. 2) en het punt van 906 ?C, waarbij austenitischijzer omslaat in ferriet (fig. 2).Door toenemende koolstofgehalte nemen deze temperaturen af volgens de lijnen AC en GS.Een staalsoort met 0,2% koolstof w?rdt nader beschouwd. De structuren die bij afkoelinguit de vloeibare toestand optreden zijn nader aangegeven in figuur 11. In het gebied tussenlijn AC en AE vormen zich vaste deeltjes die groter worden en waarvan het aantal zichverder uitbreidt naarmate de temperatuur daalt. Bij het bereiken van de lijn AE is al het vloei-bare staal omgezet in vaste stof, nl. austeniet waarin de koolstof is opgelost.Afkoelingsstructuren bij staalsoort met 0,2%koolstof1600A I ?U 1500 '539400002J ,3oE ICI,AUSTENIET ,_,,CEMENTIET.PERLIETDFCEMENTIETK4 6.7?,.KOOLSTOF40 50 6'0 7~ a'o 9'0 l~O?,.CEMENTlET10 6VLOEIBAAR _ AUSTENIETAUSTENIET5 6.7 ./. KOOLSTOFausteniet omzettingstemperatuur 723?CperlietIC IC IC Ic? cementiet ?6,7% cI I tausteniet;C :C :C ;C ferriet O%Ccementiet 6,7% CI I I IC C C C ferriet O%Cfig. 1213Lamunaire perliet van staal met 0,85 C'langzaam afgekoeld' (vergroting ca. 1500maal). Foto ter beschikking gesteld doorhet laboratorium van de TechnischWetenschappel?ke Afdeling van Wilton-F?enoord N.V., Schiedamo 100 200 300 400 ::.00 600 700 800'efig. 14fig. 15Bijlage Cement XXI (1969) nr. 1?Tussen de lijnen AE en GS treden geen wijzigingen in de structuur op.Wordt bij ongeveer 890?C de lijn GS bereikt, dan begint de structuur van het ijzer ten deleom te slaan van austenitisch naar ferritisch.Omdat ferriet geen koolstof kan bevatten, scheidt het zich tussen de temperatuurlijnen GSen PS uit de austenietkristallen af. Hierdoor neemt het koolstofgehalte in het austeniet toe,zodanig dat bij het bereiken van de lijn PS het austeniet 0,8% koolstof bevat. Onder detemperatuur van 723?C van lijn PS kan bij langzame afkoeling geen austeniet bestaan endit zet zich dan om in cementiet met 6,7% koolstof en ferriet met 0% koolstof.Daar deze omzetting plotseling plaatsvindt, kunnen de koolstofatomen niet ver van hunplaats komen; hierdoor ontstaat een lamelvormige structuur, perliet genaamd (fig. 12).Perliet bestaat dus altijd uit afwisselende lagen ferriet en cementiet, waarin het gehalte0,8 1/cementiet 6,7 X 100 = 12