Lassen van kruipbestendige Staalsoorten: Belang van Voorverwarmen, PWHT en de juiste lastoevoegmaterialen
Kruipbestendige staalsoorten, ook wel warmvaste staalsoorten genoemd, worden ontworpen voor toepassingen onder hoge temperatuur en langdurige mechanische belasting. In installaties zoals stoomgeneratoren, warmtewisselaars en drukvaten zijn ze onmisbaar. De lasbaarheid van deze staalsoorten stelt hoge eisen aan kennis van metallurgie, spanningsbeheersing en warmte-inbreng. Lassen kan, indien onjuist uitgevoerd, leiden tot interne spanningen, brosse microstructuren, warmscheuren, waterstofscheuren en verminderde kruipsterkte. Daarom zijn voorverwarmen en PWHT geen optionele stappen, maar fundamenteel voor een betrouwbare verbinding.
Wanneer staal langdurig wordt blootgesteld aan een constante mechanische spanning én een hoge temperatuur, zal het langzaam rek vertonen, zelfs als die spanning lager is dan de vloeigrens. Kruip wordt relevant bij temperaturen hoger dan ongeveer 0,4 keer de smelttemperatuur van het materiaal in Kelvin. Voor staal is dat typisch boven 400 °C. Bijvoorbeeld een stalen pijp in een elektriciteitscentrale die constant onder druk en een werktemperatuur heeft van 600 °C, zal langzaam vervormen, ook als de spanning constant blijft.
Kruipvaste staalsoorten worden ook wel warmvaste materialen genoemd. Kruipvaste staalsoorten zijn gelegeerde staalsoorten die bij hoge temperatuur hun sterkte behouden over langere tijd. Deze staalsoorten worden gekenmerkt door hun hoge treksterkte, gecombineerd met een hoge kruipsterkte en hoge taaiheid, ook bij verhoogde temperatuur. Om een vergelijking te maken: ongelegeerd staal is ‘slechts’ toepasbaar tot ongeveer 350°C, terwijl de hoog vanadium gelegeerde CrMo(Ni)-staalsoorten worden toegepast tot circa 650°C (afhankelijk van de legering).
Elementen die de weerstand tegen kruip verhogen zijn koolstof, chroom, molybdeen, vanadium en titanium. Hoe meer chroom en molybdeen, hoe hoger de temperatuur waarop de stalen toegepast kunnen worden.
Voorbeelden:
- 16Mo3: eenvoudige 0,5% Mo-staal tot 530°C
- 13CrMo4-5 / 10CrMo9-10: voor installaties tot 560 - 600°C
- X10CrMoVNb9-1 (P91): tot 620 - 650°C
| Staalsoort | C (%) | Cr (%) | Mo (%) | V (%) | Nb (%) | Treksterkte (MPa) | Rekgrens (MPa) | Max. Werktem. (°C) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
16Mo3 |
0.12 - 0.20 |
- |
0.25 - 0.35 |
- |
- |
450 - 600 |
≥ 280 |
530°C |
|
13CrMo4-5 (p11) |
0.08 - .018 |
0.70 - 1.15 |
0.40 - 0.60 |
- |
- |
440 - 590 |
≥ 290 |
570°C |
|
10CrMo9-10 (p22) |
0.08 - 0.14 |
2.00 - 2.50 |
0.90 - 1.10 |
- |
- |
510 - 670 |
300 - 450 |
600°C |
|
X10CrMoVnB9-1 (p91) |
0.08 - 0.12 |
8.00 - 9.50 |
0.85 - 1.05 |
0.18 - 0.25 |
0.06 - 0.10 |
620 - 850 |
≥ 450 |
620 - 650°C |
| Groep | beschrijving | Typen |
|---|---|---|
|
1.1 |
C-Mo (0.5Mo) | 16Mo3 |
|
5.1 |
CrMo-staal: 0.75% ≤ Cr ≤ 1.5%, Mo ≤ 0.7% (1.25Cr - 0.5Mo) |
13CrMo4-5 |
|
5.2 |
CrMo-staal: 1.5% < Cr ≤ 3.5%, 0.7 % < Mo ≤ 1.2% (2.25Cr - 1.0Mo) |
10CrMo9-10 |
|
6.4 |
Martensitisch: 7.0% < Cr ≤ 12.5%, 0.7% < Mo ≤ 1.2%, V ≤ 0.35% (9 - 12% Cr-Staal) |
X10CrMoVNb9-1 |
| P-No. | beschrijving | Typen |
|---|---|---|
|
4 |
1.25Cr – 0.5Mo | SA-182 F11 CL1 SA 213 T11 SA-335 P11 |
|
5A |
2.25Cr – 1Mo | SA-182 F22 CL1 SA-213 T22 SA-335 P22 |
|
5B |
5-9Cr – 0.5Mo | SA-182 F5 & F9 SA-213 T5 & T9 SA-335 P5 & P9 |
|
15E |
9Cr-1Mo-V | SA-335 P91 |
Voorverwarmen is essentieel bij het lassen van kruipvaste staalsoorten om meerdere redenen:
Door het basismateriaal op te warmen vóór het lassen, voorkom je dat het smeltbad en basismateriaal te snel afkoelt. Een langzame afkoeling geeft minder kans op:
• Martensietvorming (hard en bros)
• Restspanningen
• waterstof scheuren (Koud scheuren)
Waterstof, afkomstig van vocht in lastoevoegmateriaal, beschermgas of basismateriaal kan grote problemen veroorzaken. Bij lage temperaturen kan deze zich insluiten in de HAZ (heat-affected zone) waardoor de kristalstructuur zal veranderen en mogelijk scheuren veroorzaken. Voorverwarmen versnelt de diffusie van waterstof uit het lasmetaal vóórdat het schadelijke microstructuren (zoals martensiet) vormt.
Bij constructies met grote wanddiktes zorgt voorverwarmen ervoor dat er geen grote temperatuurverschillen ontstaan tussen het koude basismateriaal en het warme lasmateriaal. Zonder voorverwarming zou het basismateriaal de warmte van het lasmetaal te snel opnemen, wat kan leiden tot inwendige spanningen en vervormingen in het materiaal
Voorwarmen van Grade P91 lasverbinding
Post Weld Heat Treatment (PWHT) van kruipvast staal is nodig om verschillende redenen die allemaal te maken hebben met de mechanische en metallurgische eigenschappen van het materiaal na lassen. PWHT is essentieel voor kruipvaste staalsoorten om de volgende redenen:
Tijdens het lassen ontstaat thermische uitzetting en krimp, wat leidt tot restspanningen. Als vloeibaar lasmetaal gaat stollen dan zal het krimpen met restspanningen tot gevolg. PWHT verlaagt deze restspanningen.
Kruipvast staal heeft een speciaal ontworpen microstructuur (vaak ferritisch-perlitisch, bainitisch of martensitisch) die kruipweerstand biedt bij hoge temperatuur. Lassen verstoort deze microstructuur, vooral in de warmte-beïnvloede zone (HAZ). Martensitisch staal, zoals P91, bevat na het lassen een hard en bros lasmetaal en in de HAZ. PWHT zorgt voor omzetting van martensiet naar getemperde martensiet, met fijne carbiden langs de korrelgrenzen. Dit verhoogt de kruipweerstand en ductiliteit.
Zonder PWHT is het risico groot dat het gelaste onderdeel voortijdig faalt tijdens langdurige blootstelling aan hoge temperaturen en spanningen. PWHT stimuleert de vorming van stabiele carbiden die de staalstructuur op lange termijn stabiliseren en kruipweerstand verhogen.
Voorbeeld PWHT diagram van Grade P91
GTAW:
grondlagen, lage diffusie van waterstof
GMAW:
grondlagen en vullagen
FCAW:
productielassen in positie
SMAW:
Robuust, veldwerk
De keuze van een lastoevoegmateriaal voor het lassen van kruipvaste staalsoorten is cruciaal om de mechanische eigenschappen en de kruipbestendigheid van de lasverbinding te waarborgen. Deze keuze wordt gebaseerd op een aantal belangrijke criteria:
• Het lastoevoegmateriaal moet chemisch compatibel zijn met het basismateriaal.
• Vaak wordt een toevoegmateriaal gekozen met iets hogere legeringselementen om de gewenste sterkte en kruipvastheid te behouden na het lassen.
• Bij hoge temperaturen moet het lastoevoegmateriaal bestand zijn tegen kruipvervorming.
• Materiaal moet bestand zijn tegen temperatuursveroudering en oxidatie.
• Typische werktemperaturen zijn vaak >450°C, en soms tot 600–650°C.
• Rekgrens, treksterkte en kruipsterkte moeten overeenkomen met of iets hoger liggen dan die van het basismateriaal.
• vermoeiingssterkte en taaiheid moeten, vooral bij overgangszones, voldoende zijn.
• De meeste toevoegmaterialen vereisen een Post Weld Heat Treatment (PWHT) om spanningen te verminderen en structuur te normaliseren.
• Het toevoegmateriaal moet goed reageren op deze behandeling zonder bros te worden.
| Basis materiaal | GTAW | GMAW | FCAW | SMAW |
| 16Mo3 / P1 | CEWELD SG Mo Tig CEWELD ER80S-D2 Tig |
CEWELD SG Mo | CEWELD AA R Mo | CEWELD E 7018-A1 |
| 13CrMo4-5 / P11 | CEWELD SG CrMo1 Tig CEWELD ER 80S-B2 Tig |
CEWELD SG CrMo1 CEWELD ER 80S-B2 |
CEWELD AA R CrMo1 | CEWELD E 8018-B2 |
| 10CrMo9-10 / P22 | CEWELD SG CrMo2 Tig CEWELD ER 90S-B3 Tig |
CEWELD SG CrMo2 CEWELD ER 90S-B3 |
CEWELD AA B CrMo2 | CEWELD E 9018-B3 |
| X10CrMoVNb9-1 / P91 | CEWELD ER90S-B9 (P91) Tig | CEWELD ER90S-B9 (P91) | CEWELD AA 90S-B9 | CEWELD E 9018-B9 |
Belangrijk: gebruik altijd matching toevoegmaterialen. Verkeerde keuze van materialen kan leiden tot verschillen in kruipvastheid, en dus spanningsconcentraties en zal leiden tot scheuren in de HAZ.
Voorbeeld van scheuren in de warmte-beïnvloede zone in een CrMoV las gemaakt met 2,25Cr-1Mo toevoegmateriaal.
(A) Macro van de breuk
(B) Micro van de breuklocatie (niet in dezelfde las)
(C) Voorbeeld van de structuur in de warmte beïnvloede zone
Gjerde, M. (2018). Designing with urban daylight: A social agenda. Lighting Research & Technology, 50(3), 366–380. https://doi.org/10.1080/09506608.2017.1410943
| Materiaal | Voorverwarmen (°C) | Interpass (°C) | PWHT (°C) | Houdtijd (min/mm Minimaal 30 minuten |
| 16Mo3 / P1 | 100 - 150 | <250 | 580 - 620 | 2 min/mm |
| 13CrMo4-5 / P11 | 150 - 200 | <300 | 630 - 700 | 2 min/mm |
| 10CrMo9-10 / P22 | 200 - 250 | <300 | 660 - 700 | 4 min/mm |
| X10CrMoVNb9-1 / P91 | 200 - 250 | <300 | 740 - 780 | 4 min/mm |
Let op:
- Te snel afkoelen na lassen van P91 geeft ongetemperd martensiet en veroorzaakt brosheid.
- Zonder tijdige PWHT ontstaan niet-optimale precipitaten wat de lange termijn mechanische eigenschappen, zoals kruipbestendigheid, ernstig verslechtert.
| Oorzaak | Gevold |
| Geen voorverwarming | Waterstofscheuren, harde HAZ |
| Geen of te korte PWHT | Verbrossing, kruipscheuren |
| Te hoge interpass temperatuur | Grofkorrelige structuur, verlies kruipsterkte |
| Onjuiste lastoevoegmateriaal keuze | Scheuren in de HAZ |
| Te snelle afkoeling | Materiaal blijft martensiet met brosheid tot gevolg |
• Voorverwarmen voorkomt scheurvorming en verbetert waterstofdiffusie
• PWHT is essentieel voor spanningsverlagende en metallurgische stabilisatie
• Gebruik correcte lastoevoegmateriaal, gelijkwaardig aan basismateriaal
• Beheers interpass-temperaturen om grofkorrelige zones te voorkomen
