Wraz z rozwojem aluminium w przemyśle spawalniczym i jego uznaniem za doskonałą alternatywę dla stali w wielu zastosowaniach, rosną wymagania wobec osób zajmujących się projektami aluminiowymi, aby lepiej poznać tę grupę materiałów. Aby w pełni zrozumieć aluminium, zaleca się zapoznanie się z systemem identyfikacji/oznaczeń aluminium, wieloma dostępnymi stopami aluminium i ich właściwościami.

System oznaczania i oznaczania stopów aluminium- W Ameryce Północnej za alokację i rejestrację stopów aluminium odpowiada The Aluminum Association Inc. Obecnie w Aluminum Association zarejestrowanych jest ponad 400 rodzajów aluminium i stopów aluminium oraz ponad 200 stopów aluminium w postaci odlewów i wlewków. Limity składu chemicznego stopów dla wszystkich tych zarejestrowanych stopów są określone w wytycznych Aluminum Association.Książka turkusowazatytułowanym „Międzynarodowe oznaczenia stopów i limity składu chemicznego dla aluminium przetworzonego plastycznie i stopów aluminium przetworzonego plastycznie” oraz w ichRóżowa Książkazatytułowane „Oznaczenia i limity składu chemicznego stopów aluminium w postaci odlewów i wlewków”. Publikacje te mogą być niezwykle przydatne dla inżynierów spawalników przy opracowywaniu procedur spawania, a także w sytuacjach, gdy istotne jest uwzględnienie składu chemicznego i jego związku z podatnością na pęknięcia.

Stopy aluminium można podzielić na szereg grup w oparciu o właściwości danego materiału, takie jak odporność na obróbkę cieplną i mechaniczną oraz główny składnik stopowy dodany do stopu aluminium. Biorąc pod uwagę system numeracji/identyfikacji stosowany dla stopów aluminium, powyższe cechy są identyfikowane. Stopy aluminium przerabiane plastycznie i odlewane mają różne systemy identyfikacji. System przerabiany plastycznie jest 4-cyfrowy, a odlewy – 3-cyfrowy z jednym miejscem po przecinku.

System oznaczania stopów kutych- Najpierw rozważymy 4-cyfrowy system identyfikacji stopów aluminium kutego. Pierwsza cyfra (Xxxx) oznacza główny pierwiastek stopowy dodany do stopu aluminium i jest często używany do opisu serii stopów aluminium, tj. serii 1000, serii 2000, serii 3000, aż do serii 8000 (patrz tabela 1).

Druga pojedyncza cyfra (xXxx), jeżeli różni się od 0, oznacza modyfikację konkretnego stopu, a trzecia i czwarta cyfra (xxXX) to dowolne liczby identyfikujące konkretny stop w serii. Przykład: W stopie 5183 liczba 5 oznacza, że ​​należy on do serii stopów magnezu, a 1 oznacza, że ​​jest to stop nr 1.^stmodyfikacja oryginalnego stopu 5083, a liczba 83 identyfikuje go w serii 5xxx.

Jedynym wyjątkiem od tego systemu numeracji stopów są stopy aluminium serii 1xxx (czyste aluminium), w których przypadku ostatnie 2 cyfry oznaczają minimalną zawartość aluminium powyżej 99%, tj. stop 13(50)(minimum 99,50% aluminium).

SYSTEM OZNACZANIA STOPÓW ALUMINIUM KUTEGO

Tabela 1

Oznaczenie stopu odlewanego- System oznaczania stopów odlewanych opiera się na oznaczeniu xxx.x (tj. 356.0) składającym się z 3 cyfr i więcej. Pierwsza cyfra (Xxx.x) oznacza główny pierwiastek stopowy dodany do stopu aluminium (patrz tabela 2).

SYSTEM OZNACZANIA ODLEWANEGO STOPU ALUMINIUM

Tabela 2

Druga i trzecia cyfra (xXX.x) to dowolne liczby identyfikujące konkretny stop w serii. Liczba po przecinku wskazuje, czy stop jest odlewem (.0), czy sztabką (.1 lub .2). Prefiks w postaci wielkiej litery oznacza modyfikację konkretnego stopu.
Przykład: Stop – A356.0 wielka litera A (Axxx.x) oznacza modyfikację stopu 356.0. Liczba 3 (A3xx.x) oznacza, że ​​jest to seria krzemu z miedzią i/lub magnezem. 56 cali (Ax)56.0) identyfikuje stop w serii 3xx.x, a .0 (Axxx.0) oznacza, że ​​jest to odlew o ostatecznym kształcie, a nie wlewek.

System oznaczania stopnia twardości aluminium -Rozważając różne serie stopów aluminium, zauważymy znaczne różnice w ich właściwościach i wynikającym z nich zastosowaniu. Pierwszą rzeczą, którą należy zauważyć po zrozumieniu systemu identyfikacji, jest to, że w ramach wyżej wymienionych serii istnieją dwa wyraźnie różne rodzaje aluminium. Są to stopy aluminium obrabialne cieplnie (stopy, które można uzyskać wytrzymałość poprzez dodanie ciepła) oraz stopy aluminium niepodlegające obróbce cieplnej. To rozróżnienie jest szczególnie istotne, biorąc pod uwagę wpływ spawania łukowego na te dwa rodzaje materiałów.

Stopy aluminium do obróbki plastycznej serii 1xxx, 3xxx i 5xxx nie nadają się do obróbki cieplnej i są jedynie utwardzane przez zgniot. Stopy aluminium do obróbki plastycznej serii 2xxx, 6xxx i 7xxx nadają się do obróbki cieplnej, a seria 4xxx obejmuje zarówno stopy nadające się do obróbki cieplnej, jak i nieulegające obróbce cieplnej. Stopy odlewnicze serii 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x i 7xx.x nadają się do obróbki cieplnej. Utwardzanie przez zgniot zazwyczaj nie jest stosowane w przypadku odlewów.

Stopy nadające się do obróbki cieplnej uzyskują optymalne właściwości mechaniczne poprzez proces obróbki cieplnej, z których najpopularniejszymi są obróbka cieplna w roztworze i starzenie sztuczne. Obróbka cieplna w roztworze to proces nagrzewania stopu do podwyższonej temperatury (około 470°C) w celu rozpuszczenia pierwiastków lub związków stopowych. Następnie następuje hartowanie, zazwyczaj w wodzie, w celu uzyskania roztworu przesyconego w temperaturze pokojowej. Po obróbce cieplnej w roztworze zazwyczaj następuje starzenie. Starzenie polega na wytrącaniu części pierwiastków lub związków z roztworu przesyconego w celu uzyskania pożądanych właściwości.

Stopy niepodlegające obróbce cieplnej uzyskują optymalne właściwości mechaniczne poprzez utwardzanie zgniotowe. Utwardzanie zgniotowe to metoda zwiększania wytrzymałości poprzez zastosowanie obróbki plastycznej na zimno. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

PODSTAWOWE OZNACZENIA TEMPERATURY

Tabela 3

Oprócz podstawowego oznaczenia stanu istnieją dwie kategorie podziału: jedna dotycząca stanu „H” – umocnienia przez zgniot, a druga dotycząca stanu „T” – obróbki cieplnej.

Podziały H Temper – Utwardzone przez zgniot

Pierwsza cyfra po H oznacza operację podstawową:
H1– Tylko umocnione przez zgniot.
H2– Umocnione przez zgniot i częściowo wyżarzone.
H3– Utwardzone i ustabilizowane.
H4– Utwardzone metodą walcowania i lakierowane lub malowane.

Druga cyfra po H wskazuje stopień umocnienia odkształceniowego:
HX2– ćwierćtwardy HX4– Półtwardy HX6– Twardy w trzech czwartych
HX8– Pełny twardy HX9– Extra Hard

Podziały T Temper – Obróbka termiczna

T1- Starzone naturalnie po schłodzeniu w procesie kształtowania w podwyższonej temperaturze, np. wytłaczaniu.
T2- Obróbka plastyczna na zimno po schłodzeniu w procesie kształtowania w podwyższonej temperaturze, a następnie naturalne starzenie.
T3- Poddane obróbce cieplnej w kąpieli, przerobione na zimno i starzone w sposób naturalny.
T4- Poddane obróbce cieplnej w kąpieli i starzone w sposób naturalny.
T5- Sztucznie starzone po schłodzeniu w procesie kształtowania w podwyższonej temperaturze.
T6- Poddane obróbce cieplnej w kąpieli i sztucznie starzone.
T7- Poddane obróbce cieplnej w roztworze i stabilizowane (przestarzone).
T8- Obrobione cieplnie w kąpieli, przerobione na zimno i sztucznie starzone.
T9- Obrobione cieplnie w kąpieli, sztucznie starzone i przerobione na zimno.
T10- Obrobione na zimno po schłodzeniu w procesie kształtowania w podwyższonej temperaturze, a następnie sztucznie starzone.

Dodatkowe cyfry oznaczają redukcję stresu.
Przykłady:
TX51lub TXX51– Rozciąganie pozwala złagodzić stres.
TX52lub TXX52– Łagodzenie stresu poprzez kompresję.

Stopy aluminium i ich właściwości- Jeśli przyjrzymy się siedmiu typom stopów aluminium do obróbki plastycznej, docenimy różnice między nimi oraz zrozumiemy ich zastosowania i właściwości.

Stopy serii 1xxx– (niepodlegające obróbce cieplnej – o wytrzymałości na rozciąganie od 10 do 27 ksi) – tę serię często określa się mianem czystego aluminium, ponieważ wymaga się, aby zawierała co najmniej 99,0% aluminium. Stopy te są spawalne. Jednak ze względu na wąski zakres temperatur topnienia, wymagają one spełnienia pewnych warunków, aby zapewnić akceptowalne procedury spawania. Rozważane do produkcji, stopy te są wybierane przede wszystkim ze względu na ich doskonałą odporność na korozję, np. w specjalistycznych zbiornikach na chemikalia i rurociągach, lub ze względu na ich doskonałą przewodność elektryczną, np. w zastosowaniach na szyny zbiorcze. Stopy te mają stosunkowo słabe właściwości mechaniczne i rzadko są brane pod uwagę w ogólnych zastosowaniach konstrukcyjnych. Te stopy bazowe są często spawane z dopasowanym materiałem spoiwa lub ze stopami spoiwa 4xxx, w zależności od zastosowania i wymagań eksploatacyjnych.

Stopy serii 2xxx– (do obróbki cieplnej – o wytrzymałości na rozciąganie od 27 do 62 ksi) to stopy aluminium i miedzi (z dodatkiem miedzi od 0,7 do 6,8%), o wysokiej wytrzymałości i wysokiej wydajności, często stosowane w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Charakteryzują się doskonałą wytrzymałością w szerokim zakresie temperatur. Niektóre z tych stopów są uważane za niespawalne w procesach spawania łukowego ze względu na podatność na pękanie na gorąco i korozję naprężeniową; jednak inne są bardzo skutecznie spawane łukowo przy zastosowaniu odpowiednich procedur spawania. Te materiały bazowe są często spawane z wysokowytrzymałymi spoiwami serii 2xxx, zaprojektowanymi tak, aby odpowiadały ich właściwościom, ale czasami można je spawać z spoiwami serii 4xxx zawierającymi krzem lub krzem i miedź, w zależności od zastosowania i wymagań eksploatacyjnych.

Stopy serii 3xxx– (niepodlegające obróbce cieplnej – o wytrzymałości na rozciąganie od 16 do 41 ksi) Są to stopy aluminium i manganu (z dodatkiem manganu od 0,05 do 1,8%) o umiarkowanej wytrzymałości, dobrej odporności na korozję, dobrej odkształcalności i nadają się do stosowania w podwyższonych temperaturach. Jednym z ich pierwszych zastosowań były garnki i patelnie, a obecnie stanowią główny element wymienników ciepła w pojazdach i elektrowniach. Ich umiarkowana wytrzymałość często jednak uniemożliwia ich zastosowanie w konstrukcjach. Te stopy bazowe są spawane z dodatkami z serii 1xxx, 4xxx i 5xxx, w zależności od ich specyficznego składu chemicznego oraz konkretnych wymagań dotyczących zastosowania i eksploatacji.

Stopy serii 4xxx– (obrabialne cieplnie i nieobrabialne cieplnie – o wytrzymałości na rozciąganie od 25 do 55 ksi) Są to stopy aluminium/krzemu (dodatki krzemu w zakresie od 0,6 do 21,5%) i stanowią jedyną serię, która zawiera zarówno stopy obrabialne cieplnie, jak i nieobrabialne cieplnie. Krzem dodany do aluminium obniża jego temperaturę topnienia i poprawia jego płynność po stopieniu. Te cechy są pożądane w przypadku materiałów wypełniających stosowanych zarówno do spawania, jak i lutowania twardego. W związku z tym ta seria stopów jest głównie stosowana jako materiał wypełniający. Krzem, niezależnie w aluminium, nie jest obrabialny cieplnie; jednak wiele z tych stopów krzemu zostało zaprojektowanych z dodatkiem magnezu lub miedzi, co zapewnia im zdolność do korzystnego reagowania na obróbkę cieplną w roztworze. Zazwyczaj te obrabialne cieplnie stopy wypełniające są stosowane tylko wtedy, gdy spawany element ma być poddany obróbce cieplnej po spawaniu.

Stopy serii 5xxx– (nieutwardzalne – o wytrzymałości na rozciąganie od 18 do 51 ksi) Są to stopy aluminium/magnezu (dodatki magnezu w zakresie od 0,2 do 6,2%) i mają najwyższą wytrzymałość spośród stopów nieutwardzalnych. Ponadto ta seria stopów jest łatwo spawalna i z tego powodu są one wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, takich jak budowa statków, transport, zbiorniki ciśnieniowe, mosty i budynki. Stopy na bazie magnezu są często spawane ze stopami wypełniającymi, które są dobierane po uwzględnieniu zawartości magnezu w materiale podstawowym oraz zastosowania i warunków pracy spawanego elementu. Stopy z tej serii z zawartością magnezu większą niż 3,0% nie są zalecane do pracy w podwyższonej temperaturze powyżej 150 °F ze względu na ich potencjał do uczuleń i późniejszej podatności na pękanie korozyjne naprężeniowe. Stopy podstawowe z zawartością magnezu mniejszą niż około 2,5% są często spawane z powodzeniem ze stopami wypełniającymi serii 5xxx lub 4xxx. Stop bazowy 5052 jest powszechnie uznawany za stop bazowy o maksymalnej zawartości magnezu, który można spawać z materiałem wypełniającym serii 4xxx. Ze względu na problemy związane z topnieniem eutektycznym i związane z tym słabe właściwości mechaniczne po spawaniu, nie zaleca się spawania materiałów z tej serii stopów, które zawierają większe ilości magnezu z materiałem wypełniającym serii 4xxx. Materiały o wyższej zawartości magnezu są spawane wyłącznie z materiałem wypełniającym serii 5xxx, który zazwyczaj odpowiada składowi stopu bazowego.

Stopy serii 6XXX– (do obróbki cieplnej – o wytrzymałości na rozciąganie od 18 do 58 ksi) Są to stopy aluminium/magnezu i krzemu (dodatki magnezu i krzemu około 1,0%), powszechnie stosowane w przemyśle spawalniczym, stosowane głównie w formie wytłoczek i wbudowywane w wiele elementów konstrukcyjnych. Dodatek magnezu i krzemu do aluminium tworzy związek krzemku magnezu, który nadaje temu materiałowi zdolność do obróbki cieplnej w celu zwiększenia wytrzymałości. Stopy te są z natury wrażliwe na pęknięcia podczas krzepnięcia i z tego powodu nie powinny być spawane łukowo (bez materiału dodatkowego). Dodanie odpowiedniej ilości materiału dodatkowego podczas spawania łukowego jest niezbędne w celu zapewnienia rozcieńczenia materiału bazowego, zapobiegając w ten sposób problemowi pękania na gorąco. Spawa się je zarówno z materiałami dodatkowymi 4xxx, jak i 5xxx, w zależności od zastosowania i wymagań serwisowych.

Stopy serii 7XXX– (do obróbki cieplnej – o wytrzymałości na rozciąganie od 32 do 88 ksi) Są to stopy aluminium/cynku (z dodatkiem cynku od 0,8 do 12,0%), należące do stopów aluminium o najwyższej wytrzymałości. Stopy te są często stosowane w zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności, takich jak produkcja samolotów, sprzętu kosmicznego i sprzętu sportowego. Podobnie jak stopy serii 2xxx, seria ta obejmuje stopy uważane za nieodpowiednie do spawania łukowego, a także inne, które często są spawane łukowo z powodzeniem. Najczęściej spawane stopy z tej serii, takie jak 7005, są spawane głównie z dodatkiem spoiwa serii 5xxx.

Streszczenie- Dzisiejsze stopy aluminium, wraz z ich różnymi stanami utwardzenia, stanowią szeroką i wszechstronną gamę materiałów produkcyjnych. Dla optymalnego projektowania produktów i skutecznego opracowywania procedur spawania, ważne jest zrozumienie różnic między wieloma dostępnymi stopami oraz ich zróżnicowanymi właściwościami i spawalnością. Opracowując procedury spawania łukowego dla tych różnych stopów, należy wziąć pod uwagę specyfikę spawanego stopu. Często mówi się, że spawanie łukowe aluminium nie jest trudne, „jest po prostu inne”. Uważam, że ważnym elementem zrozumienia tych różnic jest zapoznanie się z różnymi stopami, ich właściwościami i systemem ich identyfikacji.