Wstęp
Złącze przejściowe (z ang. Transition Joint) to rodzaj prefabrykowanego złącza pomiędzy dwoma materiałami o różnych właściwościach fizycznych i chemicznych, których połączenie przy wykorzystaniu konwencjonalnego procesu spawania jest niemożliwe. Często złącza te składają się nie z dwóch a z trzech warstw, gdzie warstwę pośrednią stanowi tzw. międzywarstwa pomiędzy łączonymi metalami, która zapewnia lepsze połączenie i wyższą wytrzymałość. [1]
1. Po co powstały złącza przejściowe?
Główny zakres produkcji złączy przejściowych stanowią połączenia stali z aluminium, dlaczego? Aluminium i stopy aluminium charakteryzują się gęstością blisko trzykrotnie mniejszą od stali (2,7 g/cm3 dla aluminium względem 7,8 g/cm3 dla stali). W celu zmniejszenia masy konstrukcji czy masy pojazdu dąży się do zastąpienia elementów stalowych elementami aluminiowymi. Gdy niemożliwe jest zastąpienie całej konstrukcji, zachodzi potrzeba połączenia pomiędzy stalą i aluminium. Można oczywiście łączyć oba materiały metodami konwencjonalnymi takimi jak klejenie, lutowanie lub zastosować połączenie skręcane, które także mają swoje wady (m. in. podniesienie masy konstrukcji, zagrożenie korozyjne na stykach połączeń).
Połączenie spawane metodą łukową pomiędzy aluminium a stalą są praktycznie niemożliwe do wykonania a wpływ ma na to kilka czynników. Pierwszym jest temperatura topnienia obu metali a właściwie to ich różnica. Stale węglowe topią się w zakresie temperatur ok. 1370 ÷ 1540°C a stale nierdzewne w zakresie ok. 1400 ÷ 1530°C natomiast temperatura topnienia aluminium wynosi ok. 660°C. Drugi bardzo niekorzystny czynnik to różnica w przewodności cieplnej obu materiałów. Kilkukrotnie większe przewodnictwo cieplne aluminium względem stali (stopy aluminium 200 ÷ 280 W/mK, stal nierdzewna 15 W/mK, stal węglowa 45 W/mK) powoduje szybsze rozchodzenie się ciepła w aluminium i związane z tym problemy w miejscowym doprowadzaniu ciepła dla różnych materiałów. Kolejny problem to ponad dwukrotna różnica w rozszerzalności cieplnej: liniowej (aluminium: 23,1⋅10-6/K, stal: 11÷13⋅10-6/K) oraz objętościowej (aluminium: 69,1⋅10-6/K, stal: 33÷39⋅10-6/K). Większa rozszerzalność oznacza większy skurcz podczas chłodzenia, co przekłada się na powstawanie naprężeń i odkształceń.
Pod kątem metalurgicznym, oba metale są praktycznie nierozpuszczalne w sobie a stopione tworzą kruche fazy międzymetaliczne. W temperaturach powyżej 350°C w związku ze zwiększoną dyfuzją Fe do Al tworzą się fazy międzymetaliczne Fe-Al o różnych twardościach z zakresu od blisko 500 HV do ponad 1000 HV (FeAl, Fe3Al, FeAl3, Fe2Al5, FeAl2). Występowanie tak kruchych, mało plastycznych i wrażliwych na pękanie struktur stanowi wyzwanie dla uzyskania połączeń o wymaganej jakości. [1], [2]
Zważając na powyższe problemy, sensowne wydaje się zastosowanie do tego typu połączeń spawania laserowego, szerzej możecie przeczytać tu: [3] a także użycie prefabrykowanych złączy przejściowych.
2. Produkcja
Producenci złączy przejściowych stosują różne metody do łączenia stali z aluminium. Jedną z metod jest platerowanie metodą walcowania. Przed walcowaniem należy odpowiednio przygotować i oczyścić z zabrudzeń i warstw tlenkowych pakiet blach. Następnie pakiet przepuszcza się przez walce (zestaw walców) a po zakończeniu przeprowadza się obróbkę cieplną w postaci wyżarzania rekrystalizującego.
Kolejną metodą jest zgrzewanie wybuchowe, oznaczone numerem 441 zgodnie z PN-EN ISO 4063. Zgrzewanie wybuchowe polega na dynamicznym docisku łączonych powierzchni w wyniku energii uzyskanej za pomocą detonacji materiałów wybuchowych.
Materiał wybuchowy w wyniku detonacji wytwarza gazy o bardzo wysokim ciśnieniu i temperaturze, ściskając i zgrzewając łączone metale. W wyniku ciśnienia następuje zetknięcie się łączonych elementów i ich trwałe połączenie. Aby uzyskać prawidłowe połączenie, bardzo ważna jest odpowiednia prędkość uderzenia tak aby materiał przeszedł w stan plastyczny oraz odprowadzenie gazów z miejsca łączenia. [4], [5], [6]
3. Produkty różnych firm i zastosowanie
Pierwszym przykładem są rozwiązania firmy TriClad®, która oferuje złącza przejściowe ze stali węglowej i aluminium Al 5086, Al 5083 z międzywarstwą z Al 1050A (min. 99,5% zawartości Al) lub tytanu oraz złącza ze stali nierdzewnej 316L z Al 3003, także z międzywarstwą z tytanu o różnych grubościach i wymiarach. [7]
Trzeci przykład, to rozwiązania firmy NobelClad™ o nazwie STJ – Structural Transition Joint. [10]
Główny obszar stosowania tego typu złączy to przemysł stoczniowy, budowa okrętów i statków a także przemysł transportowy, gdzie konieczne jest zapewnienie jednocześnie niskiej masy produkowanych pojazdów oraz wysokiej jakości, wytrzymałych połączeń.
W przypadku stosowania w/w prefabrykowanych złączy, bardzo ważne jest aby już na etapie projektowania konstrukcji, uwzględnić to w projekcie. Konieczne są specjalne rozwiązania tak aby dopasować łączone elementy ze stali i aluminium do siebie, za pomocą złącza o ściśle określonych kształtach i wymiarach dostarczanych przez producenta.
4. Zalecenia do spawania
- W czasie spawania, kontrolować temperaturę materiału i nie dopuścić do nagrzewania się obszaru złącza przejściowego powyżej 315°C
- Nie stosować podgrzewania wstępnego
- Używać odpowiednich metod spawania dla każdego materiału podstawowego
- Przed spawaniem aluminium, dokładnie oczyścić jego powierzchnię z zabrudzeń i tlenków, rekomendowanie jest spawanie w osłonie 100% Argon
- W pierwszej kolejności spawać aluminiową część złącza, tak aby w późniejszym etapie spawania części stalowej zapewnić lepszy odbiór ciepła
Podobają Ci się moje treści o spawalnictwie? 🙂
Kliknij poniżej!
6. Linki
[1] Bimetallic Transition Joints – SYPRIS Technologies
[2] Can you Weld Aluminium to Steel? – TWI
[4] Cladding (metalworking) – Wikipedia (EN)
[5] Platerowanie – Wikipedia (PL)
[6] Explosion welding – Wikipedia (EN)
[7] TriClad®
[8] Triplate®
[9] Righton Blackburns – Triplate Transition Joint
[10] NobelClad™ – Structural Transition Joints
[11] EXPLOSION WELDING PROCESS | How explosion welding process works (Animation) – YouTube
[12] The Process of Explosion Welding | Clad for Industrial Infrastructure – YouTube