Sperrschichtbildung
Sperrschichtbildung ist die Entstehung spröder intermetallischer Phasen (z. B. Fe2Al5) direkt in der Fügezone, wenn Aluminium und Stahl beim Schweißen kurzzeitig aufschmelzen. Diese harte, rissanfällige Schicht trennt beide Werkstoffe und bricht bei Belastung sofort.
Physikalisch-chemischer Wirkmechanismus
An der Grenzfläche zwischen flüssigem Aluminium und festem Stahl diffundieren Eisen- und Aluminiumatome ineinander. Beim Abkühlen bilden sich spröde intermetallische Phasen wie FeAl3 oder Fe2Al5. Diese Phasen haben eine sehr geordnete Kristallstruktur ohne Gleitebenen und erreichen Härten bis 1000 HV. Die Schichtdicke wächst mit zunehmender Temperatur und Kontaktzeit exponentiell. Schnelles Abkühlen friert eine dünne, aber harte Schicht ein.
Metallurgische Relevanz & Risiken beim Schweißen
Die spröde Schicht besitzt fast keine Verformbarkeit. Unter Schrumpfspannungen beim Abkühlen reißen entlang der Schicht sofort Risse auf. Die Verbindung versagt schon bei geringer Belastung. Ab einer Schichtdicke von etwa 10 µm wird die gesamte Naht unbrauchbar. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Aluminium und Stahl erzeugt zusätzliche Spannungen. Poren können entstehen, wenn Oxide oder Feuchtigkeit in der Fügezone eingeschlossen werden.
Werkstattpraxis & Handlungsanweisungen
Die Sperrschichtbildung lässt sich nur minimieren, nicht komplett verhindern. Halte die Schmelzbad-Kontaktzeit unter 0,5 Sekunden. Begrenze die Wärmeeinbringung durch kurzen Lichtbogen, hohe Schweißgeschwindigkeit und niedrigen Strom. Ziel ist eine intermetallische Schichtdicke unter 5 µm. Verwende Übergangsstücke aus sprengplattiertem Aluminium-Stahl oder setze Reibschweißen bzw. Laserstrahlschweißen mit exakter Energiesteuerung ein. Reinige die Fügeflächen gründlich und entferne Oxidschichten. Vermeide Vorwärmen des Stahls, da Wärme die Diffusion beschleunigt.