Tworzenie warstwy twardej
Tworzenie warstwy twardej to powstawanie kruchych faz międzymetalicznych (np. Fe2Al5) bezpośrednio w strefie złącza, gdy aluminium i stal krótko topią się podczas spawania. Ta twarda, skłonna do pękania warstwa oddziela oba materiały i pęka natychmiast pod obciążeniem.
Fizykochemiczny mechanizm działania
Na granicy faz między ciekłym aluminium a stałą stalą atomy żelaza i aluminium dyfundują wzajemnie w siebie. Podczas chłodzenia tworzą się kruche fazy międzymetaliczne, takie jak FeAl3 lub Fe2Al5. Fazy te mają bardzo uporządkowaną strukturę krystaliczną bez płaszczyzn poślizgu i osiągają twardości do 1000 HV. Grubość warstwy rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury i czasu kontaktu. Szybkie chłodzenie zamraża cienką, ale twardą warstwę.
Znaczenie metalurgiczne i ryzyka podczas spawania
Krucha warstwa prawie nie ma odkształcalności. Pod naprężeniami skurczowymi podczas chłodzenia natychmiast powstają pęknięcia wzdłuż warstwy. Połączenie zawodzi już przy niewielkim obciążeniu. Od grubości warstwy około 10 µm cały spoin staje się bezużyteczny. Różna rozszerzalność cieplna aluminium i stali generuje dodatkowe naprężenia. Mogą powstawać pory, gdy tlenki lub wilgoć zostaną uwięzione w strefie łączenia.
Praktyka warsztatowa i instrukcje postępowania
Tworzenie warstwy blokującej można tylko zminimalizować, nie całkowicie zapobiec. Utrzymuj czas kontaktu jeziorka spawalniczego poniżej 0,5 sekund. Ogranicz wprowadzanie ciepła przez krótki łuk, dużą prędkość spawania i niski prąd. Celem jest grubość warstwy międzymetalicznej poniżej 5 µm. Stosuj wkładki przejściowe z aluminium i stali z platerowaniem wybuchowym lub używaj zgrzewania tarciowego względnie spawania wiązką laserową z precyzyjną kontrolą energii. Dokładnie oczyść powierzchnie łączenia i usuń warstwy tlenków. Unikaj podgrzewania wstępnego stali, ponieważ ciepło przyspiesza dyfuzję.