S rastom aluminija u industriji zavarivanja i njegovim prihvaćanjem kao izvrsne alternative čeliku za mnoge primjene, sve su veći zahtjevi da se oni koji su uključeni u razvoj aluminijskih projekata bolje upoznaju s ovom skupinom materijala. Kako biste u potpunosti razumjeli aluminij, preporučljivo je započeti s upoznavanjem sa sustavom identifikacije/označavanja aluminija, mnogim dostupnim aluminijskim legurama i njihovim karakteristikama.

Sustav označavanja i temperature aluminijske legure- U Sjevernoj Americi, Udruga aluminija (The Aluminum Association Inc.) odgovorna je za dodjelu i registraciju aluminijskih legura. Trenutno je kod Udruge aluminija registrirano preko 400 vrsta kovanog aluminija i kovanih aluminijskih legura te preko 200 vrsta aluminijskih legura u obliku odljevaka i ingota. Ograničenja kemijskog sastava legura za sve ove registrirane legure sadržana su u dokumentu Udruge aluminija...Tirkizna knjigapod nazivom „Međunarodne oznake legura i ograničenja kemijskog sastava za kovani aluminij i kovane aluminijske legure“ i u njihovimRužičasta knjigapod nazivom „Oznake i ograničenja kemijskog sastava za aluminijske legure u obliku odljevaka i ingota“. Ove publikacije mogu biti izuzetno korisne inženjeru zavarivanja pri razvoju postupaka zavarivanja i kada je važno uzeti u obzir kemiju i njezinu povezanost s osjetljivošću na pukotine.

Aluminijske legure mogu se kategorizirati u nekoliko skupina na temelju karakteristika određenog materijala, kao što su njegova sposobnost reagiranja na toplinsku i mehaničku obradu te primarni legirajući element dodan aluminijskoj leguri. Kada uzmemo u obzir sustav numeriranja/identifikacije koji se koristi za aluminijske legure, identificiramo gore navedene karakteristike. Kovani i lijevani aluminij imaju različite sustave identifikacije. Kovani sustav je 4-znamenkasti sustav, a odljevci imaju 3-znamenkasti sustav s 1 decimalom.

Sustav označavanja kovanih legura- Prvo ćemo razmotriti sustav identifikacije kovane aluminijske legure s 4 znamenke. Prva znamenka (Xxxx) označava glavni legirajući element koji je dodan aluminijskoj leguri i često se koristi za opis serije aluminijskih legura, tj. serije 1000, serije 2000, serije 3000, do serije 8000 (vidi tablicu 1).

Druga jednoznamenkasta znamenka (xXxx), ako je različit od 0, označava modifikaciju specifične legure, a treća i četvrta znamenka (xxXX) su proizvoljni brojevi dani za identifikaciju određene legure u seriji. Primjer: U leguri 5183, broj 5 označava da je iz serije magnezijeve legure, a 1 označava da je to 1^stmodifikacija originalne legure 5083, a 83 je identificira u seriji 5xxx.

Jedina iznimka od ovog sustava numeriranja legura su aluminijske legure serije 1xxx (čisti aluminij), u kojem slučaju posljednje dvije znamenke označavaju minimalni postotak aluminija iznad 99%, tj. legura 13.(50)(minimalno 99,50% aluminija).

SUSTAV OZNAČAVANJA KOVANIH ALUMINIJSKIH LEGURA

Tablica 1

Oznaka lijevane legure- Sustav označavanja lijevanih legura temelji se na oznaci xxx.x s 3 znamenke i decimalom (tj. 356.0). Prva znamenka (Xxx.x) označava glavni legirajući element koji je dodan aluminijskoj leguri (vidi tablicu 2).

SUSTAV OZNAČAVANJA LIJEVANIH ALUMINIJSKIH LEGURA

Tablica 2

Druga i treća znamenka (xXX.x) su proizvoljni brojevi koji se daju za identifikaciju određene legure u seriji. Broj iza decimalne točke označava je li legura odljevak (.0) ili ingot (.1 ili .2). Prefiks s velikim slovom označava modifikaciju određene legure.
Primjer: Legura – A356.0 veliko A (Axxx.x) označava modifikaciju legure 356.0. Broj 3 (A3xx.x) označava da je iz serije silicija plus bakra i/ili magnezija. Broj od 56 u (Ax56.0) označava leguru unutar serije 3xx.x, a .0 (Axxx.0) označava da se radi o odljevku konačnog oblika, a ne o ingotu.

Sustav označavanja temperature aluminija -Ako uzmemo u obzir različite serije aluminijskih legura, vidjet ćemo da postoje značajne razlike u njihovim karakteristikama i posljedičnoj primjeni. Prva stvar koju treba prepoznati, nakon razumijevanja sustava identifikacije, jest da postoje dvije izrazito različite vrste aluminija unutar gore spomenutih serija. To su toplinski obradive aluminijske legure (one koje mogu dobiti čvrstoću dodavanjem topline) i toplinski neobradive aluminijske legure. Ova razlika je posebno važna kada se razmatraju učinci elektrolučnog zavarivanja na ove dvije vrste materijala.

Kovane aluminijske legure serija 1xxx, 3xxx i 5xxx nisu toplinski obradive i mogu se samo ojačati naprezanjem. Kovane aluminijske legure serija 2xxx, 6xxx i 7xxx su toplinski obradive, a serija 4xxx sastoji se od toplinski obradivih i toplinski neobrađenih legura. Lijevane legure serija 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x i 7xx.x su toplinski obradive. Očvršćavanje naprezanjem se općenito ne primjenjuje na odljevke.

Termički obradive legure postižu svoja optimalna mehanička svojstva postupkom toplinske obrade, a najčešći toplinski tretmani su toplinska obrada otopinom i umjetno starenje. Toplinska obrada otopinom je postupak zagrijavanja legure na povišenu temperaturu (oko 990°F) kako bi se legirajući elementi ili spojevi stavili u otopinu. Nakon toga slijedi kaljenje, obično u vodi, kako bi se dobila prezasićena otopina na sobnoj temperaturi. Nakon toplinske obrade otopinom obično slijedi starenje. Starenje je taloženje dijela elemenata ili spojeva iz prezasićene otopine kako bi se dobila željena svojstva.

Legure koje se ne mogu toplinski obraditi postižu svoja optimalna mehanička svojstva očvršćavanjem pod naponom. Očvršćavanje pod naponom je metoda povećanja čvrstoće primjenom hladne obrade. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

OSNOVNE OZNAKE TEMPERATURE

Tablica 3

Uz osnovnu oznaku stanja, postoje dvije podkategorije, jedna koja se odnosi na stanje "H" - očvršćavanje naprezanjem, a druga na stanje "T" - termički obrađeno.

Podjela H stanja – očvršćavanje naprezanjem

Prva znamenka nakon slova H označava osnovnu operaciju:
H1– Samo ojačano naprezanjem.
H2– Očvrsnuto naprezanjem i djelomično žareno.
H3– Očvrsnuto i stabilizirano naprezanjem.
H4– Očvrsnuto naprezanjem i lakirano ili obojeno.

Druga znamenka nakon slova H označava stupanj očvršćavanja pod naponom:
HX2– Četvrtina tvrdog HX-a4– Pola tvrdog HX-a6– Tri četvrtine teško
HX8– Potpuno tvrdi HX9– Ekstra tvrdo

Podjela T stanja – termički obrađeno

T1- Prirodno odležano nakon hlađenja postupkom oblikovanja na povišenoj temperaturi, kao što je ekstruzija.
T2- Hladno obrađeno nakon hlađenja postupkom oblikovanja na povišenoj temperaturi, a zatim prirodno odležano.
T3- Toplinski obrađeno u otopini, hladno obrađeno i prirodno odležano.
T4- Toplinski obrađeno i prirodno odležano.
T5- Umjetno odležano nakon hlađenja postupkom oblikovanja na povišenoj temperaturi.
T6- Toplinski obrađeno i umjetno ostarjelo.
T7- Toplinski obrađeno i stabilizirano (predostarjelo).
T8- Toplinski obrađeno, hladno obrađeno i umjetno stareno.
T9- Toplinski obrađeno, umjetno starenje i hladno obrađeno.
T10- Hladno obrađeno nakon hlađenja postupkom oblikovanja na povišenoj temperaturi, a zatim umjetno starenje.

Dodatne znamenke označavaju ublažavanje stresa.
Primjeri:
TX51ili TXX51– Stres se ublažava istezanjem.
TX52ili TXX52– Naprezanje se ublažava kompresijom.

Aluminijske legure i njihove karakteristike- Ako uzmemo u obzir sedam serija kovanih aluminijskih legura, cijenit ćemo njihove razlike i razumjeti njihovu primjenu i karakteristike.

Legure serije 1xxx– (ne toplinski se ne obrađuje – s konačnom vlačnom čvrstoćom od 10 do 27 ksi) ova se serija često naziva serijom čistog aluminija jer se zahtijeva minimalno 99,0% aluminija. Zavarljive su. Međutim, zbog uskog raspona taljenja, zahtijevaju određena razmatranja kako bi se proizveli prihvatljivi postupci zavarivanja. Kada se razmatraju za izradu, ove se legure odabiru prvenstveno zbog svoje vrhunske otpornosti na koroziju, kao što je to slučaj u specijaliziranim kemijskim spremnicima i cijevima, ili zbog svoje izvrsne električne vodljivosti kao u primjeni sabirnica. Ove legure imaju relativno loša mehanička svojstva i rijetko bi se razmatrale za opće konstrukcijske primjene. Ove osnovne legure često se zavaruju s odgovarajućim dodatnim materijalom ili s 4xxx dodatnim legurama, ovisno o primjeni i zahtjevima performansi.

Legure serije 2xxx– (termički obradive – s graničnom vlačnom čvrstoćom od 27 do 62 ksi) to su legure aluminija/bakra (dodaci bakra u rasponu od 0,7 do 6,8%), te su legure visoke čvrstoće i visokih performansi koje se često koriste u zrakoplovnoj industriji i zrakoplovstvu. Imaju izvrsnu čvrstoću u širokom rasponu temperatura. Neke od ovih legura smatraju se nezavarljivima postupcima elektrolučnog zavarivanja zbog svoje osjetljivosti na vruće pucanje i pucanje od korozije pod naponom; međutim, druge se vrlo uspješno elektrolučno zavaruju uz ispravne postupke zavarivanja. Ovi osnovni materijali često se zavaruju s visokočvrstim legurama za punjenje serije 2xxx dizajniranim da odgovaraju njihovim performansama, ali ponekad se mogu zavariti s punilima serije 4xxx koja sadrže silicij ili silicij i bakar, ovisno o primjeni i zahtjevima usluge.

Legure serije 3xxx– (ne toplinski se ne obrađuje – s vlačnom čvrstoćom od 16 do 41 ksi) To su legure aluminija/mangana (dodaci mangana u rasponu od 0,05 do 1,8%) i umjerene su čvrstoće, imaju dobru otpornost na koroziju, dobru oblikovljivost i prikladne su za upotrebu na povišenim temperaturama. Jedna od njihovih prvih primjena bili su lonci i tave, a danas su glavna komponenta za izmjenjivače topline u vozilima i elektranama. Međutim, njihova umjerena čvrstoća često isključuje njihovo razmatranje za konstrukcijske primjene. Ove osnovne legure zavaruju se s dodatnim legurama serije 1xxx, 4xxx i 5xxx, ovisno o njihovoj specifičnoj kemiji i posebnim zahtjevima primjene i usluge.

Legure serije 4xxx– (termički obradive i toplinski neobradive – s konačnom vlačnom čvrstoćom od 25 do 55 ksi) To su aluminijske/silicijske legure (dodaci silicija u rasponu od 0,6 do 21,5%) i jedine su serije koje sadrže i toplinski obradive i toplinski neobradive legure. Silicij, kada se doda aluminiju, smanjuje njegovu točku taljenja i poboljšava njegovu fluidnost kada je rastaljen. Ove su karakteristike poželjne za dodatne materijale koji se koriste i za zavarivanje taljenjem i za lemljenje. Posljedično, ova serija legura se pretežno nalazi kao dodatni materijal. Silicij, neovisno o aluminiju, nije toplinski obradiv; međutim, brojne od ovih silicijskih legura dizajnirane su s dodacima magnezija ili bakra, što im omogućuje povoljnu reakciju na toplinsku obradu otopinom. Obično se ove toplinski obradive dodatne legure koriste samo kada se zavareni dio podvrgava toplinskoj obradi nakon zavarivanja.

Legure serije 5xxx– (neobradive toplinom – s graničnom vlačnom čvrstoćom od 18 do 51 ksi) To su aluminijske/magnezijeve legure (dodaci magnezija u rasponu od 0,2 do 6,2%) i imaju najveću čvrstoću od legura koje se ne obrađuju toplinom. Osim toga, ova serija legura lako se zavaruje i iz tih razloga koristi se za širok raspon primjena kao što su brodogradnja, transport, tlačne posude, mostovi i zgrade. Legure na bazi magnezija često se zavaruju s dodatnim legurama, koje se odabiru nakon razmatranja sadržaja magnezija u osnovnom materijalu te uvjeta primjene i rada zavarene komponente. Legure u ovoj seriji s više od 3,0% magnezija ne preporučuju se za rad na povišenim temperaturama iznad 150°F zbog njihovog potencijala za senzibilizaciju i posljedične osjetljivosti na pucanje od korozije uslijed napona. Osnovne legure s manje od približno 2,5% magnezija često se uspješno zavaruju s dodatnim legurama serije 5xxx ili 4xxx. Osnovna legura 5052 općenito se prepoznaje kao osnovna legura s maksimalnim sadržajem magnezija koja se može zavariti s dodatnim legurama serije 4xxx. Zbog problema povezanih s eutektičkim taljenjem i s tim povezanim lošim mehaničkim svojstvima nakon zavarivanja, ne preporučuje se zavarivanje materijala u ovoj seriji legura, koje sadrže veće količine magnezija, s punilima serije 4xxx. Osnovni materijali s višim udjelom magnezija zavaruju se samo s punilima serije 5xxx, koja općenito odgovaraju sastavu osnovne legure.

Legure serije 6XXX– (toplinski obradive – s konačnom vlačnom čvrstoćom od 18 do 58 ksi) To su legure aluminija / magnezija i silicija (dodatak magnezija i silicija oko 1,0%) i široko se nalaze u industriji zavarivanja, pretežno se koriste u obliku ekstruzija i ugrađene su u mnoge konstrukcijske komponente. Dodatak magnezija i silicija aluminiju stvara spoj magnezijevog silicida, koji ovom materijalu daje sposobnost toplinske obrade u otopini radi poboljšane čvrstoće. Ove legure su prirodno osjetljive na pukotine pri skrućivanju i zbog toga se ne smiju autogeno zavarivati ​​​​lučno (bez dodatnog materijala). Dodavanje odgovarajućih količina dodatnog materijala tijekom procesa elektrolučnog zavarivanja bitno je kako bi se osiguralo razrjeđivanje osnovnog materijala, čime se sprječava problem vrućih pukotina. Zavaruju se s dodatnim materijalima 4xxx i 5xxx, ovisno o primjeni i zahtjevima usluge.

Legure serije 7XXX– (termički obradivo – s konačnom vlačnom čvrstoćom od 32 do 88 ksi) To su legure aluminija/cinka (dodaci cinka u rasponu od 0,8 do 12,0%) i čine neke od aluminijskih legura najveće čvrstoće. Ove se legure često koriste u visokoučinkovitim primjenama kao što su zrakoplovi, zrakoplovna industrija i natjecateljska sportska oprema. Poput serije legura 2xxx, ova serija uključuje legure koje se smatraju neprikladnim kandidatima za elektrolučno zavarivanje i druge koje se često uspješno elektrolučno zavaruju. Uobičajeno zavarene legure u ovoj seriji, poput 7005, pretežno se zavaruju s dodatnim legurama serije 5xxx.

Sažetak- Današnje aluminijske legure, zajedno s njihovim različitim uvjetima, čine širok i svestran raspon proizvodnih materijala. Za optimalan dizajn proizvoda i uspješan razvoj postupka zavarivanja važno je razumjeti razlike između mnogih dostupnih legura i njihovih različitih performansi i karakteristika zavarljivosti. Prilikom razvoja postupaka elektrolučnog zavarivanja za ove različite legure, mora se uzeti u obzir specifična legura koja se zavaruje. Često se kaže da elektrolučno zavarivanje aluminija nije teško, „samo je drugačije“. Vjerujem da je važan dio razumijevanja tih razlika upoznavanje s različitim legurama, njihovim karakteristikama i njihovim sustavom identifikacije.