Dit artikel werpt een licht op het vaak over het hoofd geziene fenomeen van restspanningen en hun diepgaande impact op de levensduur bij vermoeiing van gelaste componenten.
Oorzaken van restspanningen
Restspanningen zijn spanningen die binnen een materiaal opgesloten blijven nadat de oorspronkelijke oorzaak van deze spanningen is weggenomen. In tegenstelling tot spanningen die ontstaan door externe belastingen of thermische gradiënten die op een structuur worden toegepast, zijn restspanningen het gevolg van productieprocessen die plastische vervormingen, temperatuurgradiënten of faseveranderingen met zich meebrengen. Veelvoorkomende bronnen van restspanningen zijn bewerkingen zoals draaien/frezen, gieten, smeden en met name lassen. Deze spanningen kunnen de mechanische eigenschappen van een materiaal aanzienlijk beïnvloeden, inclusief de sterkte, ductiliteit en vermoeiingslevensduur.
Hoe ontstaan restspanningen bij het lassen?
Lassen, een proces dat wordt gebruikt om materialen, meestal metalen of thermoplasten, door coalescentie te verbinden, is een veelvoorkomende bron van restspanningen. Tijdens het lassen zorgen gelokaliseerde verhitting en daaropvolgende afkoeling voor temperatuurgradiënten binnen het materiaal, wat leidt tot uitzetting en krimp. Deze thermische cyclus resulteert in niet-uniforme plastische vervormingen, aangezien de verwarmde zone uitzet en het omliggende koele materiaal deze expansie weerstaat. Bij afkoeling krimpt het materiaal, maar de niet-uniforme plastische vervorming verhindert dat het materiaal terugkeert naar zijn staat voor het lassen, wat resulteert in restspanningen (zie figuur 1).
Vooral residuele trekspanningen zijn zorgwekkend omdat ze de vermoeiingslevensduur van gelaste componenten aanzienlijk kunnen verminderen. Figuur 2 toont de restspanningen, zowel als trekspanningen als drukspannignen, in de buurt van de las. Residuele trekspanningen in de richting van de las dicht bij de lasvoet kunnen zeer snel leiden tot scheuren wanneer het onderdeel wordt onderworpen aan een cyclische belasting in de richting van de las.
Restspanningen en hun schadelijke effecten op de duurzaamheid
Restspanningen, vooral residuele trekspanningen, zijn om verschillende redenen schadelijk voor de duurzaamheid van gelaste componenten:
- Vermindering van de vermoeiingslevensduur: Residuele trekspanningen dragen bij aan het ontstaan en de propagatie van scheuren onder cyclische belastingsomstandigheden, wat de vermoeiingslevensduur van het component aanzienlijk vermindert.
- Spanningscorrosie: In corrosieve omgevingen kunnen residuele trekspanningen leiden tot spanningscorrosie, waarbij scheuren ontstaan en zich voortplanten door de gecombineerde effecten van trekspanning en corrosie.
- Vervorming: De ongelijke verdeling van restspanningen kan leiden tot vervorming of kromtrekken van het component, wat de dimensionale stabiliteit en pasvorm tijdens de montage beïnvloedt.
De invloed van restspanningen varieert met de toepassing, waarbij ze ofwel voordelig ofwel nadelig kunnen zijn. In sommige gevallen worden restspanningen opzettelijk in ontwerpen geïntroduceerd vanwege hun gunstige effecten. Dit wordt bereikt door methoden zoals kogelstralen, die compressieve restspanningen op het oppervlak van een object aanbrengen, waardoor de duurzaamheid van dunne secties wordt verbeterd of brosse oppervlakken robuuster worden gemaakt. Let wel, wanneer op één locatie compressieve restspanningen worden geïntroduceerd, zullen door evenwicht trekspanningen op andere locaties ontstaan.
Vaker wel dan niet leiden restspanningen tot ongunstige uitkomsten. Deze spanningen kunnen onopgemerkt blijven door fabrikanten, tenzij ze merkbare vervorming van de gelaste componenten veroorzaken, maar ze kunnen de structurele integriteit van een onderdeel ondermijnen. Zo zijn structuren met dikke wanden die geen spanningsverlichtende behandelingen hebben ondergaan, meer vatbaar voor brosse breuk vergeleken met hun spanningsverlichte tegenhangers.
Bovendien hebben deze ongewenste spanningen invloed op de vermoeiingslevensduur van materialen. In het domein van niet-gelaste materialen die aan vermoeiingsbelasting worden onderworpen, zijn doorgaans alleen de trekgedeelten van de spanningscyclus verantwoordelijk voor de voortplanting van vermoeiingsscheuren. In tegenstelling tot bij gelaste verbindingen, versterken de restspanningen van het lassen de effecten van cyclische spanning, wat betekent dat de gehele cyclus, zowel de trek- als de drukgedeelten, bijdraagt aan de incrementele vermoeiingsschade (zie figuur 3).
Hoe kunnen we restspanningen schatten?
Met behulp van de eindige-elementenmethode
De eindige-elementenmethode is een krachtige computationele tool die wordt gebruikt om restspanningen in gelaste componenten te schatten. Door het lasproces te simuleren, inclusief de warmte-input, thermische gradiënten en materiaaleigenschappen, kan de eindige-elementenmethode de ontwikkeling en verdeling van restspanningen voorspellen. Deze voorspellende capaciteit stelt ingenieurs in staat om lasparameters of componentontwerp aan te passen om nadelige effecten te minimaliseren.
Het uitvoeren van metingen
Verschillende experimentele technieken zijn beschikbaar om restspanningen te meten en die methodes kunnen worden onderverdeeld in drie categorieën: destructieve, semi-destructieve en niet-destructieve methoden.
- Destructieve methoden:
- Contourmethode: Deze methode levert een gedetailleerde, tweedimensionale kaart van de restspanningen op een geselecteerd vlak met een relatief hoge resolutie en nauwkeurigheid. Er wordt een precieze snede door het materiaal van een component gemaakt, waardoor het materiaal vervormt door de ontspanning van de restspanningen die aanwezig waren. De oppervlakken gecreëerd door de snede zullen vervormen op een manier die de grootte en verdeling van de restspanningen weerspiegelt die langs het snijvlak aanwezig waren. Deze oppervlakken worden vervolgens zorgvuldig gemeten en de contourgegevens worden geanalyseerd met behulp van eindige elementen modellering (FEM) technieken. Deze analyse reconstrueert het restspanningsprofiel dat de waargenomen vervorming zou hebben veroorzaakt.
- Spleetmethode: De spleetmethode wordt gebruikt om restspanningen doorheen de dikte van een materiaal te meten. Een smalle snede (of spleet) wordt in het materiaal gemaakt, waarna de resulterende vervorming rond de snede wordt gemeten. De resulterende vervorming rond de snede wordt gemeten. De restspanning wordt dan berekend als een functie van de diepte van het materiaal.
- Semi-destructieve methoden:
- Boren van een centraal gat: Deze methode omvat het boren van een klein gat in het midden van het materiaal en het meten van de vervormingen die rond het gat optreden. Deze vervormingen worden veroorzaakt door de vrijlating van restspanningen die in het materiaal aanwezig waren. De methode is gebaseerd op het principe dat het materiaal op een voorspelbare manier zal vervormen wanneer de spanningen worden verlicht, waardoor de oorspronkelijke spanningen kunnen worden berekend.
- Boren van een diep gat: Deze methode wordt gebruikt om restspanningen diep in een materiaal te meten. Door een klein gat in het materiaal te boren en de spanningverlichting rond het gat te meten, kunnen de oorspronkelijke restspanningen worden afgeleid. Deze methode is bijzonder waardevol voor het beoordelen van restspanningen onder de oppervlakte in complexe componenten.
- Niet-destructieve methoden:
- Ultrasone testen: Deze methode maakt gebruik van de afhankelijkheid van de geluidsgolfsnelheid op de spanningsstaat van het materiaal om restspanningen te schatten.
- Röntgendiffractie: Deze methode wordt gebruikt om restspanningen in kristallijne materialen te meten. Het werkt op het principe dat door het kristalrooster vlakken van een materiaal gediffracteerde röntgenstralen veranderingen in hun diffractiehoek zullen ervaren door de aanwezigheid van spanningen binnen het materiaal. Door deze veranderingen te analyseren, kunnen de restspanningen worden gekwantificeerd.
- Neutronendiffractie: Deze methode wordt gebruikt om restspanningen diep binnen materialen te meten, gebruik makend van de unieke eigenschappen van neutronen om veel dieper door te dringen dan röntgenstralen. Deze methode is gebaseerd op de diffractie van neutronen terwijl ze door een materiaal gaan. Wanneer neutronen de kristallijne structuur van een materiaal tegenkomen, worden ze verstrooid door de atoomkernen, waardoor een diffractiepatroon ontstaat dat de rangschikking van atomen binnen het materiaal weerspiegelt.
Wat zijn mogelijke mitigerende strategieën?
Om de duurzaamheid en vermoeiingslevensduur van gelaste componenten te verbeteren, kunnen verschillende strategieën worden toegepast om restspanningen te beperken:
- Las voorbehandelingen: Technieken zoals voorverhitting kunnen temperatuurgradiënten verminderen en zo de ontwikkeling van restspanningen minimaliseren.
- Las nabehandelingen: Processen zoals laser of shot peening, spanningsverlichtend gloeien of spanningsverlichting d.m.v. trillingen kunnen restspanningen in de gelaste componenten verminderen of herverdelen.
- Optimaliseren lastechnieken: Het aanpassen van de lastechniek, volgorde of parameters kan de grootte van de restspanningen verminderen. Bijvoorbeeld, het gebruik van een lagere warmte-invoer of het toepassen van gecontroleerde korte lascycli kan gunstig zijn.
Conclusie
Restspanningen van het lassen vormen een aanzienlijke uitdaging voor de duurzaamheid en vermoeiingslevensduur van gelaste componenten. Het begrijpen hoe deze spanningen ontstaan en hun schadelijke effecten is cruciaal voor ingenieurs en fabrikanten. Door FEA te gebruiken voor voorspelling, experimentele methoden voor meting, en effectieve beperkingsstrategieën toe te passen, kan de negatieve impact van restspanningen worden geminimaliseerd, waardoor de betrouwbaarheid en levensduur van gelaste constructies wordt gewaarborgd.