Booglassen: de gecontroleerde bliksem die metaal versmelt
Booglassen is een techniek waarbij twee stukken metaal aan elkaar worden gesmolten met behulp van een elektrische boog: een intense, hete lichtboog die ontstaat tussen een elektrode en het werkstuk, vergelijkbaar met een piepklein, gecontroleerd blikseminslag. De hitte van die boog kan oplopen tot enkele duizenden graden Celsius, ruim genoeg om staal en andere metalen lokaal vloeibaar te maken. Zodra het gesmolten metaal afkoelt en stolt, is er een naadloze, sterke verbinding ontstaan die vaak sterker is dan het omliggende materiaal.
Denk aan booglassen als het metalen equivalent van twee druppels smeltend kaarsvet die je tegen elkaar aan laat lopen: zodra ze samensmelten en weer stollen, vormen ze één geheel. Booglassen wordt al meer dan een eeuw gebruikt om bruggen, schepen, pijpleidingen en gebouwen te bouwen, maar de techniek staat ook aan de basis van een nieuwere toepassing: het 3D-printen van metalen objecten door laag voor laag gesmolten metaal op te bouwen met een lasrobot.
Wat is het precies?
Bij booglassen staat het te lassen metaal onder elektrische spanning, net als de elektrode: een staafje of draad van metaal dat de stroom geleidt. Zodra de elektrode dicht genoeg bij het werkstuk komt, ontstaat er een vonkoverslag door de lucht heen, de zogeheten lasboog. Die boog produceert de hitte die nodig is om zowel het werkstuk als (meestal) de elektrode zelf te smelten.
Bij veel vormen van booglassen fungeert de elektrode niet alleen als stroomgeleider, maar ook als lastoevoegmateriaal: het smelt mee en vult de naad tussen de twee werkstukken op. Een groot probleem daarbij is dat gesmolten metaal bij hoge temperatuur heel reactief is met de lucht: zuurstof en stikstof uit de omgeving kunnen de las verzwakken of poreus maken. Daarom wordt er vaak een beschermgas (shielding gas) om de lasboog heen geblazen, zoals argon of een mengsel met kooldioxide, dat de lucht wegdrukt tijdens het lassen.
Er bestaan verschillende varianten. Bij MMA-lassen (ook wel 'stick welding' genoemd) gebruikt men een korte, beklede elektrode die tijdens het lassen langzaam opbrandt; de coating verdampt en vormt zelf een beschermend gaswolkje. Bij MIG/MAG-lassen wordt een dunne draad continu vanaf een spoel aangevoerd, wat sneller werkt en zich goed leent voor automatisering. TIG-lassen gebruikt juist een niet-smeltende elektrode van wolfraam, waarbij de lasser (of robot) apart lastoevoegmateriaal aanbrengt; dit geeft de nauwkeurigste, mooiste lassen maar is trager en wordt vooral gebruikt bij dunne of kostbare materialen zoals roestvrij staal en aluminium.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van booglassen is het maken van sterke, permanente verbindingen tussen metalen onderdelen, sneller en vaak goedkoper dan alternatieven zoals klinken (het vastzetten van platen met metalen pennen) of bouten. Een gelaste verbinding heeft geen extra gewicht van bevestigingsmateriaal nodig en kan, mits goed uitgevoerd, luchtdicht en waterdicht zijn, wat essentieel is voor bijvoorbeeld scheepsrompen en pijpleidingen.
Een tweede doel is automatisering: doordat een lasboog en de beweging van de elektrode goed door machines te sturen zijn, leent booglassen zich uitstekend voor lasrobots. Dat verhoogt de snelheid, verbetert de consistentie van lassen en vermindert de blootstelling van mensen aan lasrook en uv-straling.
Een nieuwer en meer toekomstgericht doel is het gebruik van booglassen als basis voor wire arc additive manufacturing (WAAM): een vorm van metaal-3D-printen waarbij een lasrobot laag voor laag gesmolten draad opbouwt tot een driedimensionaal object, in plaats van een naad tussen twee bestaande delen te lassen. Het idee daarachter is dat je grote, complexe metalen vormen kunt 'printen' met veel minder materiaalverspilling dan wanneer je zo'n vorm uit een massief blok metaal zou frezen, waarbij het grootste deel van het materiaal als afvalspaanders verloren gaat.
Voorbeelden uit de praktijk
Een bekend Nederlands voorbeeld is de MX3D-brug in Amsterdam: een roestvrijstalen voetgangersbrug die met robotarmen via wire arc additive manufacturing is 'geprint', in plaats van traditioneel gebouwd. De brug werd in 2021 geplaatst over de Oudezijds Achterburgwal in de Wallen. TU Delft heeft na de plaatsing een netwerk van sensoren op de brug aangebracht om voortdurend te meten hoe de constructie zich in de praktijk gedraagt, een vorm van onderzoek die bekendstaat als structural health monitoring.
Booglassen speelt ook een centrale rol bij de aanleg van grote pijpleidingen: bij het aan elkaar lassen van pijpsegmenten voor gaspijpleidingen zoals Nord Stream, begin jaren 2010 aangelegd, werd onder meer gebruikgemaakt van geautomatiseerde vormen van booglassen om de vele kilometers pijp aan elkaar te verbinden.
In de auto-industrie is robotgestuurd booglassen al sinds de jaren zeventig en tachtig wijdverbreid; autofabrikanten zetten lasrobots in om carrosserieonderdelen snel en consistent aan elkaar te lassen, wat een belangrijke stap was in de vroege automatisering van fabrieksproductielijnen.
Ook in de Nederlandse maakindustrie is booglassen onmisbaar: scheepswerven zoals Damen gebruiken het (deels geautomatiseerd) voor het bouwen van scheepsrompen, en producenten van funderingspalen voor windturbines op zee, zoals Sif Group, lassen de grote stalen buizen (monopiles) met booglastechnieken aan elkaar.
Tot slot wordt WAAM onderzocht en toegepast in de lucht- en ruimtevaart: bedrijven als Airbus en ArianeGroup verkennen de techniek om lichte, complexe metalen onderdelen te printen voor vliegtuigen en raketten, waar gewichtsbesparing en materiaalefficiëntie extra zwaar wegen.
Hoe ver is de techniek?
Klassiek booglassen is een volwassen, eeuwenoude technologie die al decennia op grote schaal en sterk geautomatiseerd wordt toegepast in vrijwel elke industrie die met metaal werkt. Op dat vlak is er weinig onzekerheid: de techniek is betrouwbaar, goed gestandaardiseerd en breed gecertificeerd.
WAAM daarentegen is nog een opkomende toepassing. De grootste uitdagingen zijn kwaliteitscontrole en voorspelbaarheid: tijdens het laag-voor-laag opbouwen kunnen poreusheid (kleine gasbelletjes in het metaal) en interne spanningen ontstaan door de herhaalde opwarming en afkoeling, wat de sterkte van het eindproduct kan beïnvloeden. Geprinte oppervlakken zijn bovendien vaak ruw en moeten na het printen nog gefreesd of bewerkt worden om de gewenste afmetingen en gladheid te krijgen.
Voor kritieke, dragende constructies is certificering een belangrijk obstakel: toezichthouders en normeringsinstanties moeten nog vertrouwen opbouwen in de langetermijnprestaties van geprinte metalen onderdelen, vandaar ook het uitgebreide sensoronderzoek op de MX3D-brug. Op dit moment wordt WAAM vooral toegepast in onderzoeks- en pilotprojecten en in nichetoepassingen zoals lucht- en ruimtevaartonderdelen, en nog niet op grote schaal voor algemene, gecertificeerde dragende bouwconstructies.
Wie werken eraan?
Op het gebied van WAAM en geprinte metalen constructies is het Amsterdamse bedrijf MX3D, opgericht rond het midden van de jaren 2010, een bekende naam, mede dankzij de brug in Amsterdam. TU Delft is betrokken bij onderzoek naar en monitoring van dit soort constructies.
Internationaal is TWI (The Welding Institute) in het Verenigd Koninkrijk een gezaghebbend, onafhankelijk onderzoeksinstituut dat al decennia onderzoek doet naar lastechnieken, met de laatste jaren ook nadrukkelijk naar WAAM en andere vormen van metaal-additive manufacturing.
Op het vlak van apparatuur voor klassiek booglassen zijn fabrikanten als Lincoln Electric en ESAB (Verenigde Staten) en Fronius en Kemppi (Oostenrijk en Finland) wereldwijd toonaangevend. Normering en certificering van lastechnieken wordt onder meer verzorgd door de American Welding Society (AWS) in de Verenigde Staten en door ISO, de internationale organisatie voor standaardisatie, die wereldwijd erkende normen voor lasprocessen publiceert.
Kortom: Nederland speelt een relatief prominente rol in de opkomende WAAM-toepassingen, terwijl het Verenigd Koninkrijk, de Verenigde Staten en Noord-Europese landen als Duitsland, Oostenrijk en Finland een sterke positie hebben in respectievelijk onderzoek, normering en apparatuur voor booglassen in bredere zin.