Wraz z rozwojem aluminium w przemyśle spawalniczym i jego przyjęciem jako doskonałej alternatywy dla stali w wielu zastosowaniach, rosną wymagania wobec osób zajmujących się opracowywaniem projektów aluminiowych, aby lepiej zaznajomiły się z tą grupą materiałów. Aby w pełni zrozumieć aluminium, warto zacząć od zapoznania się z systemem identyfikacji/oznaczania aluminium, wieloma dostępnymi stopami aluminium i ich właściwościami.

System hartowania i oznaczania stopów aluminium- W Ameryce Północnej za przydział i rejestrację stopów aluminium odpowiada firma Aluminium Association Inc. Obecnie w Stowarzyszeniu Aluminium zarejestrowanych jest ponad 400 przerobionych aluminium i przerobionych stopów aluminium oraz ponad 200 stopów aluminium w postaci odlewów i wlewków. Limity składu chemicznego stopów dla wszystkich zarejestrowanych stopów zawarte są w dokumentach Stowarzyszenia AluminiumKsiążka Turkusowazatytułowanym „Międzynarodowe oznaczenia stopów i limity składu chemicznego przerobionego aluminium i przerobionych stopów aluminium” oraz w ichRóżowa Książkapt. „Oznaczenia i granice składu chemicznego stopów aluminium w postaci odlewów i wlewków. Publikacje te mogą być niezwykle przydatne dla inżyniera spawacza przy opracowywaniu procedur spawania oraz gdy istotne jest uwzględnienie chemii i jej związku z wrażliwością na pęknięcia.

Stopy aluminium można podzielić na kilka grup w oparciu o właściwości konkretnego materiału, takie jak jego zdolność do reagowania na obróbkę cieplną i mechaniczną oraz główny pierwiastek stopowy dodany do stopu aluminium. Kiedy weźmiemy pod uwagę system numeracji/identyfikacji stosowany w stopach aluminium, można zidentyfikować powyższe cechy. Aluminium kute i odlewane mają różne systemy identyfikacji. System kuty jest systemem 4-cyfrowym, a odlewy systemem 3-cyfrowym i 1-miejscowym po przecinku.

System oznaczania stopów kutych- Najpierw rozważymy 4-cyfrowy system identyfikacji kutego stopu aluminium. Pierwsza cyfra (Xxxx) wskazuje główny pierwiastek stopowy, który został 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), jeśli jest różne od 0, oznacza modyfikację konkretnego stopu, a trzecia i czwarta cyfra (xxXX) to dowolne liczby podawane w celu identyfikacji konkretnego stopu w serii. Przykład: W stopie 5183 liczba 5 oznacza, że ​​jest to seria stopów magnezu, 1 oznacza, że ​​jest to seria 1^stmodyfikacja oryginalnego stopu 5083, a 83 identyfikuje go w serii 5xxx.

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

SYSTEM OZNACZANIA KUTYCH STOPÓW ALUMINIUM

Tabela 1

Oznaczenie stopu odlewanego- System oznaczeń stopów odlewniczych opiera się na 3-cyfrowym oznaczeniu dziesiętnym xxx.x (tj. 356,0). Pierwsza cyfra (Xxx.x) wskazuje główny pierwiastek stopowy dodany do stopu aluminium (patrz tabela 2).

SYSTEM OZNACZANIA ODLEWÓW STOPÓW ALUMINIUM

Tabela 2

Druga i trzecia cyfra (xXX.x) to dowolne liczby nadawane w celu identyfikacji konkretnego stopu w serii. Liczba po przecinku wskazuje, czy stop jest odlewem (0), czy wlewkiem (0,1 lub 0,2). Przedrostek z dużej litery oznacza modyfikację określonego stopu.
Przykład: Stop – A356.0 przez duże A (Axxx.x) wskazuje na modyfikację stopu 356.0. Liczba 3 (A3xx.x) wskazuje, że jest to seria krzem plus miedź i/lub magnez. 56 cali (Ax56.0) identyfikuje stop w serii 3xx.x, a .0 (Axxx.0) wskazuje, że jest to ostateczny odlew, a nie wlewek.

System oznaczania stanu aluminium -Jeśli weźmiemy pod uwagę różne serie stopów aluminium, zobaczymy, że istnieją znaczne różnice w ich właściwościach i w konsekwencji zastosowaniu. Pierwszą kwestią, którą należy rozpoznać po zrozumieniu systemu identyfikacji, jest to, że w ramach wspomnianej powyżej serii istnieją dwa wyraźnie różne rodzaje aluminium. Są to stopy aluminium poddawane obróbce cieplnej (te, które mogą zyskać wytrzymałość poprzez dodanie ciepła) i stopy aluminium nieobrabiane cieplnie. To rozróżnienie jest szczególnie ważne, gdy rozważa się wpływ spawania łukowego na te dwa rodzaje materiałów.

Stopy aluminium serii 1xxx, 3xxx i 5xxx do obróbki plastycznej nie nadają się do obróbki cieplnej i można je utwardzać jedynie przez odkształcenie. Stopy aluminium do obróbki plastycznej serii 2xxx, 6xxx i 7xxx nadają się do obróbki cieplnej, a seria 4xxx obejmuje stopy zarówno nadające się do obróbki cieplnej, jak i niepoddawane obróbce cieplnej. Stopy odlewnicze serii 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x i 7xx.x nadają się do obróbki cieplnej. Utwardzanie przez naprężenie nie jest powszechnie stosowane w przypadku odlewów.

Stopy nadające się do obróbki cieplnej uzyskują optymalne właściwości mechaniczne w procesie obróbki cieplnej, przy czym najczęstszymi obróbkami cieplnymi są obróbka cieplna rozpuszczająca i sztuczne starzenie. Obróbka cieplna rozpuszczająca to proces podgrzewania stopu do podwyższonej temperatury (około 990 stopni F) w celu wprowadzenia pierwiastków lub związków stopowych do roztworu. Następnie następuje hartowanie, zwykle w wodzie, w celu wytworzenia przesyconego roztworu w temperaturze pokojowej. Po obróbce cieplnej rozpuszczającej zwykle następuje starzenie. Starzenie to wytrącanie się części pierwiastków lub związków z roztworu przesyconego w celu uzyskania pożądanych właściwości.

Stopy niepoddawane obróbce cieplnej uzyskują optymalne właściwości mechaniczne poprzez hartowanie przez naprężenie. Hartowanie przez zgniot jest metodą 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 podkategorie podziału, jedna dotycząca stanu „H” – hartowanie przez naprężenie, a druga dotycząca oznaczenia „T” – po obróbce cieplnej.

Podziały gatunku H – hartowane przez zgniot

Pierwsza cyfra po H oznacza operację podstawową:
H1– Tylko utwardzane przez naprężenie.
H2– Hartowane przez odkształcenie i częściowo wyżarzane.
H3– Utwardzane i stabilizowane.
H4– Hartowane przez naprężenie i lakierowane lub malowane.

Druga cyfra po H wskazuje stopień umocnienia przez odkształcenie:
HX2– Ćwierć-twardy HX4– Półtwardy HX6– Trzy czwarte trudne
HX8– Pełny twardy HX9– Bardzo trudne

Podziały T Temper – poddane obróbce cieplnej

T1- Naturalnie starzone po schłodzeniu w procesie kształtowania w podwyższonej temperaturze, takim jak wytłaczanie.
T2- Obrabiane na zimno po schłodzeniu z procesu kształtowania w podwyższonej temperaturze, a następnie naturalnie starzone.
T3- Obróbka cieplna w kąpieli, hartowanie i naturalne starzenie.
T4- Obrobione cieplnie w kąpieli i naturalnie starzone.
T5- Sztucznie starzone po schłodzeniu w procesie kształtowania w podwyższonej temperaturze.
T6- Obrobione cieplnie w kąpieli i sztucznie starzone.
T7- Obrobione cieplnie w kąpieli i stabilizowane (przestarzane).
T8- Obróbka cieplna w kąpieli, hartowanie i sztuczne starzenie.
T9- Obróbka cieplna w kąpieli, sztuczne starzenie i obróbka na zimno.
T10- Obrobione na zimno po schłodzeniu z procesu kształtowania w podwyższonej temperaturze, a następnie sztucznie starzone.

Dodatkowe cyfry oznaczają odprężenie.
Przykłady:
TX51lub TXXX51– Stres łagodzony poprzez rozciąganie.
TX52lub TXXX52– Zmniejszenie naprężeń poprzez ściskanie.

Stopy aluminium i ich charakterystyka- Jeśli weźmiemy pod uwagę siedem serii kutych stopów aluminium, docenimy ich różnice i zrozumiemy ich zastosowania i właściwości.

Stopy serii 1xxx– (niepoddawane obróbce cieplnej – o maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie od 10 do 27 ksi) ta seria jest często określana jako seria z czystego aluminium, ponieważ wymagana jest zawartość aluminium co najmniej 99,0%. Można je spawać. Jednakże, ze względu na wąski zakres topnienia, wymagają one pewnych rozważań, aby uzyskać akceptowalne procedury spawania. Kiedy rozważa się produkcję, stopy te wybiera się przede wszystkim ze względu na ich doskonałą odporność na korozję, np. w specjalistycznych zbiornikach chemicznych i rurociągach, lub ze względu na doskonałą przewodność elektryczną, jak w zastosowaniach w szynach zbiorczych. Stopy te mają stosunkowo słabe właściwości mechaniczne i rzadko są brane pod uwagę w ogólnych zastosowaniach konstrukcyjnych. Te stopy podstawowe są często spawane z odpowiednim materiałem wypełniającym lub stopami wypełniającymi 4xxx, w zależności od zastosowania i wymagań eksploatacyjnych.

Stopy serii 2xxx– (poddawane obróbce cieplnej – o maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie od 27 do 62 ksi) są to stopy aluminium/miedź (dodatki miedzi w zakresie od 0,7 do 6,8%) i są to stopy o wysokiej wytrzymałości i wysokiej wydajności, które są często używane w zastosowaniach lotniczych i kosmicznych. Mają doskonałą wytrzymałość w szerokim zakresie temperatur. Niektóre z tych stopów są uważane za niespawalne w procesach spawania łukowego ze względu na ich podatność na pękanie na gorąco i pękanie korozyjne naprężeniowe; jednakże inne są bardzo skutecznie spawane łukowo przy zastosowaniu odpowiednich procedur spawania. Te materiały podstawowe są często spawane ze stopami wypełniającymi serii 2xxx o wysokiej wytrzymałości, zaprojektowanymi tak, aby odpowiadały ich właściwościom, ale czasami można je spawać z wypełniaczami serii 4xxx zawierającymi krzem lub krzem i miedź, w zależności od zastosowania i wymagań serwisowych.

Stopy serii 3xxx– (niepoddawane obróbce cieplnej – o wytrzymałości na rozciąganie od 16 do 41 ksi) Są to stopy aluminium/mangan (dodatki manganu od 0,05 do 1,8%), charakteryzujące się umiarkowaną wytrzymałością, dobrą odpornością na korozję, dobrą odkształcalnością i nadają się do do stosowania w podwyższonych temperaturach. Jednym z ich pierwszych zastosowań były garnki i patelnie, a obecnie stanowią one główny element wymienników ciepła w pojazdach i elektrowniach. Jednak ich umiarkowana wytrzymałość często wyklucza ich uwzględnienie w zastosowaniach konstrukcyjnych. Te stopy bazowe są spawane ze stopami wypełniającymi serii 1xxx, 4xxx i 5xxx, w zależności od ich specyficznego składu chemicznego oraz konkretnych wymagań dotyczących zastosowań i usług.

Stopy serii 4xxx– (poddawane obróbce cieplnej i niepoddawanej obróbce cieplnej – o maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie od 25 do 55 ksi) Są to stopy aluminium/krzem (dodatki krzemu od 0,6 do 21,5%) i są jedyną serią, która zawiera zarówno poddawane obróbce cieplnej, jak i nie- stopy nadające się do obróbki cieplnej. Krzem dodany do aluminium obniża jego temperaturę topnienia i poprawia 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 występuje głównie jako materiał wypełniający. Krzem, niezależnie od aluminium, nie podlega obróbce cieplnej; jednakże wiele z tych stopów krzemu zaprojektowano tak, aby zawierały dodatki magnezu lub miedzi, co zapewnia im zdolność do korzystnego reagowania na obróbkę cieplną przesycającą. Zazwyczaj te nadające się do obróbki cieplnej stopy wypełniaczy stosuje się tylko wtedy, gdy element spawany ma zostać poddany obróbce cieplnej po spawaniu.

Stopy serii 5xxx– (niepoddawane obróbce cieplnej – o wytrzymałości na rozciąganie od 18 do 51 ksi) Są to stopy aluminium/magnez (dodatki magnezu od 0,2 do 6,2%) i mają najwyższą wytrzymałość ze stopów niepoddawanych obróbce cieplnej. Ponadto ta seria stopów jest łatwo spawalna i z tych powodów są one wykorzystywane do wielu różnych zastosowań, takich jak przemysł stoczniowy, transport, zbiorniki ciśnieniowe, mosty i budynki. Stopy na bazie magnezu są często spawane ze stopami wypełniającymi, które wybiera się po uwzględnieniu zawartości magnezu w materiale podstawowym oraz warunków stosowania i eksploatacji spawanego elementu. Stopy tej serii zawierające więcej niż 3,0% magnezu nie są zalecane do pracy w podwyższonej temperaturze powyżej 150 stopni F ze względu na ich potencjał uczulania i wynikającą z tego podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe. Stopy podstawowe zawierające mniej niż około 2,5% magnezu są często z powodzeniem spawane ze stopami wypełniającymi serii 5xxx lub 4xxx. Stop bazowy 5052 jest powszechnie uznawany za stop bazowy o maksymalnej zawartości magnezu, który można spawać ze stopem wypełniającym serii 4xxx. Ze względu na problemy związane z topnieniem eutektyki i związaną z tym słabą właściwością mechaniczną po spawaniu, nie zaleca się spawania materiałów z tej serii stopów, które zawierają większe ilości magnezu, z wypełniaczami serii 4xxx. Materiały na bazie wyższego magnezu są spawane wyłącznie ze stopami wypełniającymi 5xxx, które generalnie odpowiadają składowi stopu podstawowego.

Stopy serii 6XXX– (poddawane obróbce cieplnej – o maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie od 18 do 58 ksi) Są to stopy aluminium/magnez – krzem (dodatki magnezu i krzemu w ilości około 1,0%), szeroko stosowane w przemyśle spawalniczym, stosowane głównie w postaci wytłoczki i włączone do wielu elementów konstrukcyjnych. Dodatek magnezu i krzemu do aluminium powoduje powstanie związku krzemku magnezu, który zapewnia temu materiałowi zdolność do poddawania się obróbce cieplnej przesycającej w celu zwiększenia wytrzymałości. Stopy te są naturalnie wrażliwe na pęknięcia podczas krzepnięcia i z tego powodu nie powinny być spawane łukowo samoczynnie (bez materiału dodatkowego). Dodatek odpowiedniej ilości materiału wypełniającego podczas procesu spawania łukowego jest niezbędny, aby zapewnić rozcieńczenie materiału podstawowego, zapobiegając w ten sposób problemowi pękania na gorąco. Są spawane zarówno z materiałami wypełniającymi 4xxx, jak i 5xxx, w zależności od zastosowania i wymagań serwisowych.

Stopy serii 7XXX– (obrabiane cieplnie – o maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie od 32 do 88 ksi) Są to stopy aluminium/cynk (dodatki cynku w zakresie od 0,8 do 12,0%) i obejmują jedne ze stopów aluminium o najwyższej wytrzymałości. Stopy te są często stosowane w zastosowaniach o wysokiej wydajności, takich jak samoloty, przemysł lotniczy i sprzęt sportowy wyczynowy. Podobnie jak seria stopów 2xxx, seria ta obejmuje stopy uważane za nieodpowiednie do spawania łukowego oraz inne, które często są spawane łukowo z powodzeniem. Powszechnie spawane stopy z tej serii, takie jak 7005, są głównie spawane ze stopami wypełniającymi serii 5xxx.

Streszczenie- Dzisiejsze stopy aluminium, wraz z ich różnymi stanami, stanowią szeroką i wszechstronną gamę materiałów produkcyjnych. Aby uzyskać optymalny projekt produktu i pomyślny rozwój procedur spawania, ważne jest zrozumienie różnic pomiędzy wieloma dostępnymi stopami oraz ich różnymi właściwościami użytkowymi i spawalnością. Opracowując procedury spawania łukowego dla tych różnych stopów, należy wziąć pod uwagę konkretny spawany stop. Często mówi się, że spawanie łukowe aluminium nie jest trudne, „jest po prostu inne”. Uważam, że ważną częścią zrozumienia tych różnic jest zapoznanie się z różnymi stopami, ich charakterystyką i systemem identyfikacji.