Z rastjo aluminija v industriji izdelave varil in njegovim sprejemanjem kot odlične alternative jeklu za številne aplikacije se povečujejo zahteve za tiste, ki se ukvarjajo z razvojem aluminijastih projektov, da se bolje seznanijo s to skupino materialov. Da bi popolnoma razumeli aluminij, je priporočljivo začeti tako, da se seznanite s sistemom identifikacije/označevanja aluminija, številnimi razpoložljivimi aluminijevimi zlitinami in njihovimi značilnostmi.

Sistem kaljenja in označevanja aluminijeve zlitine- V Severni Ameriki je za dodeljevanje in registracijo aluminijevih zlitin odgovorno The Aluminium Association Inc. Trenutno je pri Združenju aluminija registriranih več kot 400 kovanega aluminija in kovanih aluminijevih zlitin ter več kot 200 aluminijevih zlitin v obliki ulitkov in ingotov. Mejne vrednosti kemične sestave zlitin za vse te registrirane zlitine so navedene v Združenju za aluminijTeal knjigaz naslovom »Mednarodne oznake zlitin in omejitve kemijske sestave za obdelan aluminij in obdelane aluminijeve zlitine« in v njihovihRožnata knjigaz naslovom »Oznake in omejitve kemijske sestave za aluminijeve zlitine v obliki ulitkov in ingotov. Te publikacije so lahko izjemno koristne za inženirje varilstva pri razvoju varilnih postopkov in kadar je pomembno upoštevati kemijo in njeno povezavo z občutljivostjo na razpoke.

Aluminijeve zlitine je mogoče razvrstiti v številne skupine glede na značilnosti posameznega materiala, kot je njegova sposobnost odzivanja na toplotno in mehansko obdelavo ter primarni legirni element, dodan aluminijevi zlitini. Ko upoštevamo sistem številčenja/identifikacije, ki se uporablja za aluminijeve zlitine, so zgornje značilnosti identificirane. Kovani in liti aluminij imata različne sisteme identifikacije. Kovani sistem je 4-mestni sistem, ulitki pa imajo 3-mestni sistem z 1 decimalko.

Sistem označevanja kovanih zlitin- Najprej bomo preučili 4-mestni identifikacijski sistem kovane aluminijeve zlitine. Prva številka (Xxxx) označuje glavni legirni element, ki je bil dodan aluminijevi zlitini in se pogosto uporablja za opis serije aluminijevih zlitin, tj. serije 1000, serije 2000, serije 3000, do serije 8000 (glejte tabelo 1).

Druga enomestna številka (xXxx), če se razlikuje od 0, označuje modifikacijo določene zlitine, tretja in četrta številka (xxXX) so poljubne številke za identifikacijo določene zlitine v seriji. Primer: v zlitini 5183 številka 5 označuje, da je iz serije magnezijeve zlitine, 1 označuje, da je 1^stmodifikacija originalne zlitine 5083, 83 pa jo identificira v seriji 5xxx.

Edina izjema pri tem sistemu številčenja zlitin so aluminijeve zlitine serije 1xxx (čisti aluminij), v tem primeru zadnji 2 števki zagotavljata najmanjši odstotek aluminija nad 99 %, tj. zlitina 13(50)(najmanj 99,50 % aluminija).

SISTEM OZNAČEVANJA KOVANE ALUMINIJEVE ZLITINE

Tabela 1

Oznaka lite zlitine- Sistem označevanja lite zlitine temelji na trimestni in plus decimalni oznaki xxx.x (tj. 356.0). Prva številka (Xxx.x) označuje glavni legirni element, ki je bil dodan aluminijevi zlitini (glej tabelo 2).

SISTEM OZNAČEVANJA LITE ALUMINIJEVE ZLITINE

Tabela 2

Druga in tretja številka (xXX.x) so poljubne številke za identifikacijo določene zlitine v seriji. Številka za decimalno vejico označuje, ali je zlitina ulitek (.0) ali ingot (.1 ali .2). Predpona z veliko začetnico označuje modifikacijo določene zlitine.
Primer: zlitina – A356.0 velika A (Axxx.x) označuje modifikacijo zlitine 356.0. Številka 3 (A3xx.x) pomeni, da je iz serije silicij plus baker in/ali magnezij. 56 in (Ax56.0) identificira zlitino v seriji 3xx.x, .0 (Axxx.0) pomeni, da gre za ulitek končne oblike in ne za ingot.

Sistem označevanja kaljenja aluminija -Če upoštevamo različne serije aluminijevih zlitin, bomo videli, da obstajajo precejšnje razlike v njihovih značilnostih in posledični uporabi. Prva točka, ki jo je treba prepoznati, po razumevanju identifikacijskega sistema, je, da obstajata dve izrazito različni vrsti aluminija znotraj zgoraj omenjene serije. To so aluminijeve zlitine, ki jih je mogoče toplotno obdelati (tiste, ki lahko pridobijo trdnost z dodajanjem toplote) in aluminijeve zlitine, ki jih ni mogoče toplotno obdelati. To razlikovanje je še posebej pomembno, če upoštevamo vplive obločnega varjenja na ti dve vrsti materialov.

Kovane aluminijeve zlitine serije 1xxx, 3xxx in 5xxx niso toplotno obdelane in jih je mogoče samo utrditi. Kovane aluminijeve zlitine serije 2xxx, 6xxx in 7xxx je mogoče toplotno obdelati, serija 4xxx pa je sestavljena iz zlitin, ki jih je mogoče toplotno obdelati, in zlitin, ki jih ni mogoče toplotno obdelati. Zlitine serije 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x in 7xx.x so toplotno obdelane. Deformacijsko utrjevanje se običajno ne uporablja za ulitke.

Zlitine, ki jih je mogoče toplotno obdelati, pridobijo svoje optimalne mehanske lastnosti s postopkom termične obdelave, pri čemer sta najpogostejši termični obdelavi toplotna obdelava z raztopino in umetno staranje. Toplotna obdelava z raztopino je postopek segrevanja zlitine na povišano temperaturo (približno 990 stopinj F), da se zlitinski elementi ali spojine raztopijo. Temu sledi kaljenje, običajno v vodi, da nastane prenasičena raztopina pri sobni temperaturi. Toplotni obdelavi raztopine običajno sledi staranje. Staranje je obarjanje dela elementov ali spojin iz prenasičene raztopine, da se pridobijo želene lastnosti.

Zlitine, ki jih ni mogoče toplotno obdelovati, pridobijo svoje optimalne mehanske lastnosti z deformacijskim utrjevanjem. Deformacijsko utrjevanje je metoda povečanja trdnosti z uporabo hladne obdelave. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

OSNOVNE OZNAKE TEMPER

Tabela 3

Poleg osnovne oznake za stanje obstajata še dve podrazdelitveni kategoriji, ena se nanaša na »H« kaljenje – kaljenje, druga pa se nanaša na oznako »T« kaljenje – termično obdelano.

Pododdelki H temper – Strain Hardened

Prva številka za H označuje osnovno operacijo:
H1– Samo utrjeno.
H2– Utrjeno in delno žarjeno.
H3– Utrjeno in stabilizirano.
H4– Utrjen in lakiran ali pobarvan.

Druga številka za H označuje stopnjo deformacijske utrjenosti:
HX2– Quarter Hard HX4– Pol trda HX6– Tričetrt trde
HX8– Full Hard HX9– Zelo trda

Pododdelki T temper – termično obdelani

T1- Naravno starano po ohlajanju zaradi procesa oblikovanja pri povišani temperaturi, kot je ekstrudiranje.
T2- Hladno obdelan po ohlajanju iz procesa oblikovanja pri povišani temperaturi in nato naravno staran.
T3- Raztopina toplotno obdelana, hladno obdelana in naravno starana.
T4- Raztopina toplotno obdelana in naravno starana.
T5- Umetno starano po ohlajanju zaradi procesa oblikovanja pri povišani temperaturi.
T6- Raztopina toplotno obdelana in umetno starana.
T7- Raztopina toplotno obdelana in stabilizirana (preveč).
T8- Raztopina toplotno obdelana, hladno obdelana in umetno starana.
T9- Toplotno obdelana raztopina, umetno starana in hladno obdelana.
T10- Hladno obdelan po ohlajanju iz procesa oblikovanja pri povišani temperaturi in nato umetno staran.

Dodatne številke označujejo zmanjšanje stresa.
Primeri:
TX51ali TXX51– Stres razbremeni z raztezanjem.
TX52ali TXX52– Stres razbremenjen s stiskanjem.

Aluminijeve zlitine in njihove lastnosti- Če upoštevamo sedem serij kovanih aluminijevih zlitin, bomo cenili njihove razlike in razumeli njihove uporabe in značilnosti.

Zlitine serije 1xxx– (brez toplotne obdelave – s končno natezno trdnostjo od 10 do 27 ksi) se ta serija pogosto imenuje serija čistega aluminija, ker mora vsebovati minimalno 99,0 % aluminija. Varljivi so. Vendar pa zaradi njihovega ozkega talilnega območja zahtevajo določene premisleke, da bi izdelali sprejemljive varilne postopke. Ko se upoštevajo pri izdelavi, so te zlitine izbrane predvsem zaradi njihove vrhunske odpornosti proti koroziji, na primer v specializiranih rezervoarjih za kemikalije in ceveh, ali zaradi njihove odlične električne prevodnosti, kot na primer pri uporabi vodil. Te zlitine imajo razmeroma slabe mehanske lastnosti in bi jih le redko upoštevali za splošno strukturno uporabo. Te osnovne zlitine so pogosto varjene z ustreznim dodajnim materialom ali z dodajnimi zlitinami 4xxx, odvisno od uporabe in zahtev glede zmogljivosti.

Zlitine serije 2xxx– (toplotno obdelane – s končno natezno trdnostjo od 27 do 62 ksi) so aluminijeve/bakrove zlitine (dodatki bakra v razponu od 0,7 do 6,8 %) in so zlitine visoke trdnosti z visoko zmogljivostjo, ki se pogosto uporabljajo v vesoljskih in letalskih aplikacijah. Imajo odlično trdnost v širokem razponu temperatur. Nekatere od teh zlitin veljajo za nevarljive v postopkih obločnega varjenja zaradi njihove dovzetnosti za vroče razpoke in razpoke zaradi napetostne korozije; drugi pa so zelo uspešno obločno varjeni s pravilnimi varilnimi postopki. Ti osnovni materiali so pogosto varjeni z visoko trdnimi polnilnimi zlitinami serije 2xxx, oblikovanimi tako, da se ujemajo z njihovo zmogljivostjo, včasih pa jih je mogoče variti s polnili serije 4xxx, ki vsebujejo silicij ali silicij in baker, odvisno od uporabe in zahtev glede storitev.

Zlitine serije 3xxx– (brez toplotne obdelave – s končno natezno trdnostjo od 16 do 41 ksi) To so aluminijeve/manganove zlitine (dodatki mangana v razponu od 0,05 do 1,8 %) in so zmerne trdnosti, imajo dobro odpornost proti koroziji, dobro sposobnost oblikovanja in so primerne za uporabo pri povišanih temperaturah. Ena od njihovih prvih uporab so bili lonci in ponve, danes pa so glavni sestavni del toplotnih izmenjevalcev v vozilih in elektrarnah. Njihova zmerna moč pa pogosto onemogoča njihovo upoštevanje pri strukturnih aplikacijah. Te osnovne zlitine so varjene s polnilnimi zlitinami serije 1xxx, 4xxx in 5xxx, odvisno od njihove specifične kemije ter posebne uporabe in zahtev glede storitev.

Zlitine serije 4xxx– (toplotno obdelane in netoplotno obdelane – s končno natezno trdnostjo od 25 do 55 ksi) To so aluminijeve/silicijeve zlitine (dodatki silicija v razponu od 0,6 do 21,5 %) in so edina serija, ki vsebuje toplotno obdelane in neobdelane toplotno obdelane zlitine. Silicij, ko je dodan aluminiju, zmanjša njegovo tališče in izboljša njegovo tekočnost, ko je taljen. Te lastnosti so zaželene za dodajne materiale, ki se uporabljajo za varjenje s taljenjem in trdo spajkanje. Posledično se ta serija zlitin večinoma uporablja kot polnilni material. Silicij, neodvisno v aluminiju, ni toplotno obdelan; vendar pa je bilo veliko teh silicijevih zlitin zasnovanih tako, da imajo dodatke magnezija ali bakra, kar jim daje možnost, da se ugodno odzovejo na toplotno obdelavo raztopine. Običajno se te polnilne zlitine, ki jih je mogoče toplotno obdelati, uporabljajo le, ko je treba varjeno komponento podvrči termični obdelavi po varjenju.

Zlitine serije 5xxx– (brez toplotne obdelave – s končno natezno trdnostjo od 18 do 51 ksi) To so aluminijeve/magnezijeve zlitine (dodatki magnezija v razponu od 0,2 do 6,2 %) in imajo največjo trdnost med zlitinami, ki jih ni mogoče toplotno obdelati. Poleg tega je ta serija zlitin enostavno varljiva in iz teh razlogov se uporabljajo za široko paleto aplikacij, kot so ladjedelništvo, transport, tlačne posode, mostovi in ​​zgradbe. Zlitine na osnovi magnezija so pogosto varjene z zlitinami za polnjenje, ki so izbrane po upoštevanju vsebnosti magnezija v osnovnem materialu ter pogojev uporabe in delovanja varjene komponente. Zlitine v tej seriji z več kot 3,0 % magnezija niso priporočljive za uporabo pri povišanih temperaturah nad 150 stopinj F zaradi njihovega potenciala za preobčutljivost in posledično dovzetnosti za napetostno korozijsko razpokanje. Osnovne zlitine z manj kot približno 2,5 % magnezija se pogosto uspešno varijo z dodajnimi zlitinami serije 5xxx ali 4xxx. Osnovna zlitina 5052 je na splošno priznana kot osnovna zlitina z največjo vsebnostjo magnezija, ki jo je mogoče variti s polnilno zlitino serije 4xxx. Zaradi težav, povezanih z evtektičnim taljenjem in s tem povezanih slabih mehanskih lastnosti pri varjenju, ni priporočljivo variti materiala v tej seriji zlitin, ki vsebujejo večje količine magnezija s polnili serije 4xxx. Osnovni materiali z višjo vsebnostjo magnezija se varijo le z zlitinami 5xxx, ki se na splošno ujemajo s sestavo osnovne zlitine.

Zlitine serije 6XXX– (toplotno obdelane – s končno natezno trdnostjo od 18 do 58 ksi) To so zlitine aluminija/magnezija in silicija (dodatki magnezija in silicija okoli 1,0 %), ki jih najdemo v povsod v industriji varjenja in se uporabljajo predvsem v obliki ekstruzije in vključeni v številne strukturne komponente. Dodatek magnezija in silicija k aluminiju proizvede spojino magnezijevega silicida, ki temu materialu zagotovi sposobnost, da postane toplotno obdelan v raztopini za izboljšano trdnost. Te zlitine so naravno občutljive na razpoke pri strjevanju, zato jih ne smemo variti avtogeno (brez dodajnega materiala). Dodatek ustreznih količin dodajnega materiala med postopkom obločnega varjenja je bistvenega pomena, da se zagotovi redčenje osnovnega materiala in s tem prepreči problem vročih razpok. Varjeni so z dodajnimi materiali 4xxx in 5xxx, odvisno od uporabe in zahtev glede storitev.

Zlitine serije 7XXX– (možnost toplotne obdelave – s končno natezno trdnostjo od 32 do 88 ksi) To so aluminijeve/cinkove zlitine (dodatki cinka v razponu od 0,8 do 12,0 %) in vključujejo nekatere najtrdnejše aluminijeve zlitine. Te zlitine se pogosto uporabljajo v visokozmogljivih aplikacijah, kot so letala, vesoljska in tekmovalna športna oprema. Tako kot serija zlitin 2xxx tudi ta serija vključuje zlitine, ki veljajo za neprimerne kandidate za obločno varjenje, in druge, ki so pogosto uspešno obločno varjene. Običajno varjene zlitine v tej seriji, kot je 7005, so pretežno varjene z polnilnimi zlitinami serije 5xxx.

Povzetek- Današnje aluminijeve zlitine skupaj z njihovimi različnimi temperamenti obsegajo široko in vsestransko paleto proizvodnih materialov. Za optimalno zasnovo izdelka in uspešen razvoj varilnega postopka je pomembno razumeti razlike med številnimi razpoložljivimi zlitinami ter njihovimi različnimi lastnostmi delovanja in varljivosti. Pri razvoju postopkov obločnega varjenja za te različne zlitine je treba upoštevati posebno zlitino, ki jo varimo. Pogosto se reče, da obločno varjenje aluminija ni težko, “samo drugače je”. Menim, da je pomemben del razumevanja teh razlik seznanitev z različnimi zlitinami, njihovimi značilnostmi in sistemom identifikacije.