Vakmanschap

Staal is een van de meest toegepaste materialen voor de meest uiteenlopende constructies. Van constructies in gebouwen tot schepen, van liftinstallaties en kerncentrales tot olie- en gaspijpleidingen – allemaal zijn ze van staal en allemaal zijn ze op hoogwaardige manier gelast.

Een goede las is echter nog steeds een kwestie van vakmanschap en veel ervaring. Of een las werkelijk is gelukt, weet de lasser pas achteraf wanneer zijn werk wordt gecontroleerd met behulp van bijvoorbeeld röntgenstraling. Voor waarneming van het ontstaan en de groei van scheuren is deze methode niet toereikend, daarvoor is een techniek als akoestische emissie (AE) wel veelbelovend.

‘Het ontstaan van een lasfout wekt interne geluidsgolven op. Deze zijn enkele meters verderop nog te registreren ’, vertelt onderzoeker Stefan van Bohemen. ’Zo kan je op veilige afstand voor de apparatuur niet alleen meten of er lasfouten optreden, maar ook waar die zich bevinden en hoe groot ze zijn. Online meten op afstand is dan ook de kracht van deze techniek.’

Symfonieorkest

Het idee van akoestische emissie is niet nieuw. Al bij de controle van de stalen wanden van de Oosterschelde-dam, eind jaren tachtig, speelden de ingenieurs van TNO en TU Delft met de gedachte de inwendige veranderingen in het staal, zoals de vorming van roest en microscheurtjes, ‘af te luisteren’ met gevoelige apparatuur. De beukende golven en stampende bezoekers veroorzaakten echter zoveel ruis dat akoestische emissie voorlopig als ‘te onbetrouwbaar’ in de ijskast verdween.

Prof. Dr. Gert den Ouden van de onderzoeksgroep Lastechnologie heeft het geloof in de toepassing ervan nooit verloren. ‘Probleem was dat je bij het gebruik van akoestische emissie altijd wel iets vond. Je kunt het vergelijken met een symfonieorkest waarbij het vroeger zeer lastig was de fluit of de contrabas als aparte geluidsbron te onderscheiden’, zegt den Ouden. ‘De laatste jaren is de meetapparatuur sterk verbeterd, waardoor ontrafelen van samengestelde geluidsgolven mogelijk is. We weten nu wat er speelt.’

Piëzo-elektrisch

Het is alleen mogelijk om de vorming van een lasfout of een microscheur akoestisch waar te nemen, wanneer dit proces met abrupte bewegingen verloopt. Tijdens zo’n schokje komt voldoende energie vrij om het omliggende materiaal in trilling te brengen. Voor het menselijk oor is dit niet hoorbaar, want de frequentie van het geluid die een lasfout veroorzaakt ligt ongeveer tussen de 50 kilohertz en 1 megahertz, terwijl het menselijk gehoor grofweg van 20 hertz tot 20 kilohertz reikt. Om deze trillingen te kunnen detecteren gebruikt Stefan van Bohemen een speciale sensor met een piëzo-elektrisch kristal van enkele millimeters groot.

De sensor is met vacuümvet op het staaloppervlak aangebracht om de trillingen beter te kunnen registreren. De trillingen veroorzaken vervormingen van het kristal en zo ontstaat er een elektrische spanningsverandering over het kristal. Na versterking van het signaal wordt de geluidsgolf ontleed met behulp van de computer.

Fasetransformaties

Koudscheuren in lasnaden ontstaan, zoals het woord al aangeeft, nadat de las is afgekoeld. De afkoelsnelheid tijdens het lassen speelt hierbij een cruciale rol. Die bepaalt de inwendige structuur van staal en daarmee de kwaliteit van het laswerk.

Staal bestaat voornamelijk uit ijzer met maximaal twee gewichtsprocent koolstof. Bij een hoger gehalte aan koolstof wordt het gietijzer genoemd. Boven 730 ^oC is staal zacht en taai. In deze toestand heeft het een bepaald kristalrooster dat aangeduid wordt met austeniet. De kleinere koolstofatomen zijn goed oplosbaar in dit rooster.

Koelt het staal langzaam af, dan gaat austeniet over in ferriet dat een andere roosterstructuur heeft. Koolstofatomen zijn relatief slecht oplosbaar in dit rooster. Zo’n overgang van het ene kristalrooster in het andere noemt de materiaalkundige een fasetransformatie. Het gevormde ferriet is de meest bekende vorm van staal: goed vervormbaar en redelijk sterk.

Koelt het staal daarentegen heel snel af, dan gaat het austeniet over in martensiet. Martensiet is genoemd naar de Duitse metaalkundige Adolf Martens (1850 – 1914) die deze structuur als eerste waarnam. De kristalstructuur daarvan lijkt weliswaar op die van ferriet, maar door het snelle koelen zit koolstof in het ijzerrooster gevangen en ontstaat er een bepaalde interne spanning. Martensiet is daardoor heel hard, maar tegelijkertijd ook bros waardoor het gemakkelijk breekt. Het lijkt daarmee op gietijzer maar martensiet bevat ongeveer 0,4 tot 2 gewichtsprocent Koolstof.

Domino-effect

De fase-overgangen tijdens het afkoelen verlopen op twee verschillende manieren. De vorming van ferriet uit austeniet vindt plaats via een geleidelijk proces waarbij de atomen over een relatief grote afstand kunnen bewegen. De vorming van martensiet is daarmee vergeleken een abrupter proces. Hierbij bewegen de atomen gezamenlijk binnen een zeer korte tijd, ongeveer 1 microseconde, over een relatief kleine afstand, kleiner dan de atomaire afstand. Door deze collectieve beweging van ijzeratomen klapt het austenietrooster direct om in martensiet. Dit omklapproces is vergelijkbaar met het omvallen van een rijtje dominostenen. De roosterstuctuur van martensiet komt in een reeks van plotselinge ordeningen tot stand. Deze reeks van collectieve bewegingen van atomen veroorzaakt geluidsgolven.

Bij de staalproductie lijkt akoestische emissie een uitstekend middel om de verandering in microstructuur tijdens het afkoelen te volgen. Maar omdat direct contact nodig is tussen de sensor en de warme stalen plaat is de methode in de praktijk vooralsnog niet inzetbaar.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 2 uit de jaargang 2003 van het blad Archimedes. Het is een bewerking van een artikel van Astrid van de Graaf, dat verscheen in Delft Integraal 2002 (2).