Ontwikkeling lastoestellen is een kwestie van blijven innoveren

De elektrische boog moet altijd gespannen staan

Bij smeltlassen wordt de lasverbinding tot stand gebracht via de vloeibare fase onder invloed van warmte. Dit wordt mogelijk doordat lastoestellen bij de daarvoor benodigde spanning de bijbehorende, vaak zeer sterke stroom leveren. Deze toestellen zijn door de jaren heen geëvolueerd om aan de steeds specifiekere vraag en steeds strengere eisen te kunnen (blijven) voldoen. Innovaties in de elektrotechniek, digitalisering en robotisering hebben daarbij keer op keer tot stappen voorwaarts geleid ten aanzien van zaken als benodigd vermogen, lassnelheid, energieverbruik, betrouwbaarheid, flexibiliteit en levensduur.

 

Stroombron

Bij elektrisch (boog)lassen is de benodigde warmte afkomstig van een elektrische boog tussen de elektrode en het te lassen materiaal. Voor de optimale stroominstelling en voor het type laselektrode geldt in zijn algemeenheid: hoe dikker de laselektrode, hoe groter de benodigde hoeveelheid stroom. Het lastoestel levert de stroom voor de benodigde spanning, circa 45 V_eff wisselstroom (AC) of 70 V gelijkstroom (DC). Conventionele toestellen beschikken daartoe over een transformator. Deze levert secundair circa 45 V, nodig om met behulp van een laselektrode een lasboog te kunnen maken. De warmte daarvan zorgt ervoor dat de metalen aan elkaar smelten.

Medio jaren 90 is een lastoestel geïntroduceerd met een inverter (in Nederland: omvormer). Langs elektronische weg wordt via vermogenselektronica uit wisselstroom direct met hoge frequenties een gepulste stroom voor de lastrafo gegenereerd: de netfrequentie van 50 Hz wordt daarbij getransformeerd tot een frequentie van maximaal 100 kHz. De elektronisch geschakelde lasstroom staat garant voor een stabiele processtroom, en maakt dat de lasboog tijdens het lassen wordt 'bewaakt'. Wanneer deze dreigt te doven door een te grote afstand tussen elektrode en werkstuk, wordt de stroom automatisch verhoogd. Mede dankzij de inverterstroombronnen is het pulserend lassen beschikbaar gekomen, zie MIG/MAG-lassen.

 

 

Technieken

Booglassen met een beklede elektrode

Hierbij wordt de boog getrokken tussen de kerndraad van de elektrode en het werkstuk. Het lastoestel met een inverter werkt met gelijkstroom (DC), die met een conventionele, al dan niet gelijkgerichte transformator met wisselstroom (AC). Deze lastechniek is weliswaar veelzijdig maar niet erg snel − er moet steeds een nieuwe elektrode worden geplaatst en slak worden verwijderd − en is ook moeilijk te automatiseren. Aangezien de techniek nagenoeg alleen handmatig wordt uitgevoerd, zijn de bijbehorende lastoestellen tegenwoordig licht en compact.

Lassen met gasloze, gevulde draad

Hierbij is de laselektrode een holle draad met daarin een fijn laspoeder bestaande uit stoffen die tijdens het verhitten/afsmelten beschermgassen vormen in het smeltbad. De snel stollende en eenvoudig te verwijderen slak vermindert spatten en stralen waardoor relatief grote stroomsterkten kunnen worden gebruikt. Doordat kan worden gewerkt bij een lagere spanning is de warmte-inbreng geringer dan bij het lassen met een massieve draad, terwijl de lassnelheid verhoudingsgewijs hoog is evenals de kwaliteit van de lasverbinding. Bovendien groeit de keuze aan vulmaterialen gestaag, wat extra mogelijkheden biedt. Omdat geen gebruik wordt gemaakt van een beschermgas, zijn de bijbehorende lastoestellen ideaal voor winderige omstandigheden. Worden de gevulde draden wel onder beschermgas verlast, dan valt de techniek onder MIG/MAG-lassen.

 

MIG/MAG-lassen of halfautomaatlassen

Hierbij bevindt de boog zich tussen het werkstuk en een afsmeltend toevoegmateriaal dat continu wordt afgevoerd. Bij MIG-lassen is het beschermgas inert (argon, helium of mengsels daarvan), bij MAG-lassen worden actieve gassen gebruikt, bijvoorbeeld een mengsel van CO₂ en argon of zuiver CO₂. Vanwege de veelzijdigheid, hoge flexibiliteit, neersmelt en lassnelheid wordt deze techniek veelvuldig toegepast.

Pulserend of pulslassen is een variant van MIG/MAG-lassen. Een constante basisstroom houdt de lasboog in stand, terwijl een pulserende stroom of pulsstroom de toevoegdraad laat smelten waardoor er druppels in het smeltbad terechtkomen. De pulse-functie zorgt ervoor dat het lasapparaat kan pulseren tussen basisstroom en piekstroom. De pulsfrequentie is het aantal keren per seconde dat de basisstroom overgaat naar de pulsstroom; deze is afzonderlijk regelbaar.

Onderpoederdeklassen of OP-lassen

Hierbij wordt poeder op de plaat gestort waarvan de samenstelling vergelijkbaar is met die van de bekleding van de beklede elektrode. Deels gesmolten geeft het poeder gasbescherming en wordt er slak gevormd die de las beschermt. OP-lassen vergt verhoudingsgewijs dure lastoestellen die buitengewoon grote stroomsterkten aankunnen, goed voor een grote neersmelt, grote lasdiepten en een hoge lassnelheid. Dergelijke lastoestellen worden onder meer gebruikt bij het construeren van opslagtanks, schepen, grote machines en onderdelen voor windmolens.

 

TIG-lassen

Hierbij wordt de boog getrokken tussen een niet-afsmeltende wolfraamelektrode en het werkstuk. Afscherming vindt plaats door een inert gas, doorgaans argon, soms een argon-heliummengsel. De bijbehorende lastoestellen staan garant voor een spatvrij lasproces, resulterend in een kwalitatief hoogstaande, schone lasnaad (geen slakinsluitingen, geen na-reiniging noodzakelijk). Wel ligt de lassnelheid aanmerkelijk lager dan die bij MIG/MAG-lassen. TIG-lassen met wisselstroom (AC TIG-lassen) is geschikt voor aluminium, magnesium en legeringen daarvan; DC TIG-lassen voor onder meer staal, rvs, koper en titanium.

Eco-Design Directive

Vermeldenswaardig in dit verband is nog de Eco-Design Directive. Die gaat van kracht per 1 januari 2023 en bepaalt dat het vermogen in ruststand met ingang van die datum maximaal 50W mag bedragen. Concreet betekent dit dat conventionele apparaten met een stappengeschakelde transformator en secundaire inventers of choppers vanaf die datum niet meer zijn toegestaan.

De Eco-Design Directive gaat van kracht per 1 januari 2023 en bepaalt dat het vermogen in ruststand met ingang van die datum maximaal 50W mag bedragen

Enkele belangrijke begrippen

- Beschermingsklasse: indicatie voor de mate van beveiliging van een toestel tegen water en vervuiling in de vorm van een IP-markering (IP staat voor International Protection Rating).
- Inbranding: de diepte en de vorm hiervan worden bepaald door de diameter van de brandvlek, de stroomsterkte en de onder invloed daarvan ontwikkelde warmte per tijdseenheid (U x l), de voortloop- en de afkoelsnelheid.
- Input voltage: de netspanning waarmee de machine wordt gevoed, doorgaans monofase 230V of driefase 400V.
Isolatieklasse: een maat voor de temperatuur die de isolatie van de trafo aankan zonder schade op te lopen; deze wordt bewaakt door een thermoschakelaar.
- Output voltage: de hoeveelheid energie die door het apparaat wordt geproduceerd; deze bepaalt zowel de hoeveelheid hitte als de lengte van de boog.
- Smelt- of afsmeltsnelheid: de hoeveelheid toevoegmateriaal die in een bepaalde tijd wordt neergesmolten, uitgedrukt in gram per minuut (g/min) of kilogram per uur (kg/h).

Trends en ontwikkelingen

Digitalisering

Een elektronisch signaal is onderhevig aan signaalfluctuaties. Aangezien bij versterking van het signaal de ruis mee wordt versterkt, is corrigeren voor signaalverlies en vervorming niet mogelijk. Bij de digitale technologie wordt het oorspronkelijke signaal echter omgezet in een stroom bits (nullen en enen) waardoor ruis eenvoudig kan worden gescheiden van het oorspronkelijke signaal. Bovendien is de stroom veel nauwkeuriger te regelen doordat de stroombronnen worden aangestuurd door microprocessoren. Dit betekent minder energieverlies door warmteontwikkeling wat zowel gunstig is voor de mechanische eigenschappen van de las als voor de corrosiebestendigheid.

Veel van de recente verbeteringen zijn software-geïnduceerd. Voorbeelden daarvan zijn:

• Realtime lasparametermonitoring waarbij een kleine zender en sensoren op het lasapparaat de lasstroom, de spanning, de transport- en draadaanvoersnelheid, de gasstroom en de verbrandingstijd registreren. Bij overschrijding van een van deze grenswaarden volgt een signalering.
• Advanced waveform technology waarbij uit een vooraf gedefinieerde set lasprogramma’s de meest passende kan worden geselecteerd. Door de daarvoor in aanmerking komende parameters nader aan te passen, kan het programma worden toegespitst op de voorliggende lasbewerking.

Een prettige ´bijkomstigheid´ van digitalisering is nog het feit dat rapportage er aanzienlijk eenvoudiger door wordt.

 

Robotisering en cobotisering

In het verlengde van de digitalisering ligt de robotisering waarbij een computergestuurde robot(arm) geheel of grotendeels zelfstandig opereert. Robots hebben een aantal voordelen ten opzichte van de mens: ze hebben een hoge(re) en constante productiesnelheid en staan garant voor een hoge en consistente kwaliteit. Lasrobots zijn het meest geschikt voor punt- en booglassen; binnen laatstgenoemde categorie zijn dat MIG-, MAG- en TIG- lassen.

Een cobot − een samentrekking van collaboratieve robot – is over het algemeen veiliger dan een robot, is minder storingsgevoelig en geschikt voor zowel kleine als middelgrote oplagen. Ze zijn goed voor gemiddeld tienduizenden draaiuren en bieden uitkomst bij veeleisende toepassingen en processen − en net als de robot − bij het overnemen van saai, vies en gevaarlijk werk. Een ingebouwde beveiliging zorgt ervoor dat de cobot bij aanraking met een mens onmiddellijk stopt en/of trager gaat werken wanneer er iemand in de buurt is.

Een prettige ´bijkomstigheid´ van digitalisering is feit dat rapportage er aanzienlijk eenvoudiger door wordt

Enkele belangrijke functies

- De arc-force-regeling verhoogt in moeilijke situaties automatisch de vlamboogspanning en verhindert het doven van de vlamboog en slakinsluiting in het smeltbad.
- De hotstart zorgt er door een kortstondige verhoging van de lasstroom voor dat de boog na ontsteking onmiddellijk stabiel is.
- De inschakelduur is een procentuele maat voor de tijd waarin een lastoestel bij een ingestelde stroom en een omgevingstemperatuur van 40 °C continu kan lassen. Bij een inschakelduur van 60% − de voorkeursinstelling – is dat 6 van de 10 minuten.
- De synergic-functie maakt het mogelijk een lasapparaat met een enkele knop in te stellen door onder meer de dikte van het materiaal in te voeren; het lastoestel doet daarna de rest.

Criteria

Om te kunnen komen tot een juiste combinatie van lastechniek en lastoestel zijn de volgende vragen relevant:

• Welk materiaal dient te worden gelast en met welke snelheid?
• Wat zijn de gemiddelde lasdikten?
• Wat is de vereiste laskwaliteit en welke afwerking van de lasnaad is gewenst?
• Welke netspanning is beschikbaar (1-230V of 3-400V), welk amperage is benodigd (een vuistregel is: per millimeter staal is een vermogen van 40 ampère nodig) en wat zijn de consequenties hiervan voor het energieverbruik?

Verder is uiteraard ook de prijs van het toestel van belang, maar daarbij maakt elk metaalbedrijf zijn eigen afwegingen. Een niet te onderschatten criterium is verder nog de te verwachten levensduur. Deze is behalve van de gebruiksomgeving en de gebruiksomstandigheden (sterk) afhankelijk van de kwaliteit van de elektronische componenten. Daaraan is verder op zich weinig te doen, maar voor het behoud van de lastoestellen is het van belang oog te hebben voor zaken als slijtage en/of beschadiging van of breuk in de aansluiting van de netvoedingskabel, de trekontlasting, de staat van de schakelaars en beschadiging van de behuizing.

Met dank aan: het Belgisch Instituut voor Lastechniek (B.I.L.), DWK, Esab en Lastek