S růstem hliníku ve svářečském průmyslu a jeho přijetím jako vynikající alternativy oceli pro mnoho aplikací rostou požadavky na to, aby se ti, kteří se podílejí na vývoji hliníkových projektů, s touto skupinou materiálů lépe seznámili. Pro úplné pochopení hliníku je vhodné začít seznámením se systémem identifikace/označování hliníku, mnoha dostupnými hliníkovými slitinami a jejich vlastnostmi.

Systém označování a tvrzení hliníkových slitin- V Severní Americe je za přidělování a registraci hliníkových slitin zodpovědná organizace The Aluminum Association Inc. V současné době je u Aluminum Association registrováno přes 400 druhů tvářeného hliníku a tvářených hliníkových slitin a přes 200 druhů hliníkových slitin ve formě odlitků a ingotů. Limity chemického složení slitin pro všechny tyto registrované slitiny jsou uvedeny v dokumentaci Aluminum Association.Tyrkysová knihas názvem „Mezinárodní označení slitin a limity chemického složení pro tvárný hliník a tvárné hliníkové slitiny“ a v jejichRůžová knihas názvem „Označení a limity chemického složení hliníkových slitin ve formě odlitků a ingotů“. Tyto publikace mohou být pro svářečského inženýra mimořádně užitečné při vývoji svařovacích postupů a v případech, kdy je důležité zohlednit chemické složení a jeho souvislost s citlivostí na trhliny.

Hliníkové slitiny lze rozdělit do několika skupin na základě vlastností konkrétního materiálu, jako je jeho schopnost reagovat na tepelné a mechanické zpracování a primární legující prvek přidaný do hliníkové slitiny. Pokud vezmeme v úvahu systém číslování / identifikace používaný pro hliníkové slitiny, identifikujeme výše uvedené vlastnosti. Tvářený a litý hliník mají odlišné systémy identifikace. Tvářený systém je čtyřmístný systém a odlitky mají třímístný systém s jedním desetinným místem.

Systém označování tvářených slitin- Nejprve se budeme zabývat čtyřmístným systémem identifikace tvářených hliníkových slitin. První číslice (Xxxx) označuje hlavní legující prvek, který byl přidán do hliníkové slitiny a často se používá k popisu řady hliníkových slitin, tj. řada 1000, řada 2000, řada 3000 až po řadu 8000 (viz tabulka 1).

Druhá jednočíslice (xXxx), pokud se liší od 0, označuje modifikaci konkrétní slitiny a třetí a čtvrtá číslice (xxXX) jsou libovolná čísla přiřazená k identifikaci konkrétní slitiny v sérii. Příklad: U slitiny 5183 číslo 5 označuje, že patří do řady hořčíkových slitin, 1 označuje, že se jedná o slitinu číslo 1.^stmodifikace původní slitiny 5083 a číslo 83 ji označuje v řadě 5xxx.

Jedinou výjimkou z tohoto systému číslování slitin jsou hliníkové slitiny řady 1xxx (čistý hliník), v takovém případě poslední 2 číslice udávají minimální procento hliníku nad 99 %, tj. slitina 13.(50)(minimálně 99,50 % hliníku).

SYSTÉM OZNAČOVÁNÍ TVAROVANÝCH HLINÍKOVÝCH SLITIN

Tabulka 1

Označení lité slitiny- Systém označování litých slitin je založen na trojmístném plus desetinném označení xxx.x (tj. 356,0). První číslice (Xxx.x) označuje hlavní legující prvek, který byl přidán do hliníkové slitiny (viz tabulka 2).

SYSTÉM OZNAČOVÁNÍ LITÝCH HLINÍKOVÝCH SLITIN

Tabulka 2

Druhá a třetí číslice (xXX.x) jsou libovolná čísla přiřazená k identifikaci konkrétní slitiny v sérii. Číslo za desetinnou čárkou označuje, zda se jedná o odlitek (.0) nebo ingot (.1 nebo .2). Předpona s velkým písmenem označuje modifikaci konkrétní slitiny.
Příklad: Slitina – A356.0, velké písmeno A (Axxx.x) označuje modifikaci slitiny 356.0. Číslo 3 (A3xx.x) označuje, že se jedná o křemík s mědí a/nebo hořčíkem. Číslo 56 v (Ax56.0) identifikuje slitinu v rámci řady 3xx.x a .0 (Axxx.0) označuje, že se jedná o odlitek konečného tvaru a nikoli o ingot.

Systém označování stavu hliníku -Pokud se podíváme na různé řady hliníkových slitin, zjistíme, že existují značné rozdíly v jejich vlastnostech a následném použití. První věc, kterou je třeba po pochopení systému identifikace rozpoznat, je, že v rámci výše uvedené řady existují dva zřetelně odlišné typy hliníku. Jsou to tepelně zpracovatelné hliníkové slitiny (ty, které mohou získat pevnost přidáním tepla) a tepelně nezpracovatelné hliníkové slitiny. Toto rozlišení je obzvláště důležité při zvažování vlivu obloukového svařování na tyto dva typy materiálů.

Tvářené hliníkové slitiny řad 1xxx, 3xxx a 5xxx nejsou tepelně zpracovatelné a lze je pouze zkalit deformací. Tvářené hliníkové slitiny řad 2xxx, 6xxx a 7xxx jsou tepelně zpracovatelné a řada 4xxx se skládá ze slitin zpracovatelných i nezpracovatelných. Lité slitiny řad 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x a 7xx.x jsou tepelně zpracovatelné. Zpevnění deformací se u odlitků obecně nepoužívá.

Tepelně zpracovatelné slitiny získávají své optimální mechanické vlastnosti procesem tepelného zpracování, přičemž nejběžnějšími tepelnými zpracováními jsou rozpouštěcí tepelné zpracování a umělé stárnutí. Rozpouštěcí tepelné zpracování je proces zahřívání slitiny na zvýšenou teplotu (kolem 990 °F) za účelem uvedení legujících prvků nebo sloučenin do roztoku. Poté následuje kalení, obvykle ve vodě, za vzniku přesyceného roztoku při pokojové teplotě. Po rozpouštěcím tepelném zpracování obvykle následuje stárnutí. Stárnutí je vysrážení části prvků nebo sloučenin z přesyceného roztoku za účelem dosažení požadovaných vlastností.

Nezpracovatelné slitiny získávají své optimální mechanické vlastnosti zpevňováním za studena. Zpevňování za studena je metoda zvyšování pevnosti aplikací tváření za studena. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

ZÁKLADNÍ OZNAČENÍ TEPLOTY

Tabulka 3

Kromě základního označení stavu popouštění existují dvě podkategorie, jedna se týká stavu „H“ – zpevnění a druhá stavu „T“ – tepelně zpracované.

Pododdělení stavu H – zpevnění deformací

První číslice za H označuje základní operaci:
H1– Pouze zpevněné deformací.
H2– Zpevněné a částečně žíhané.
H3– Zpevněné a stabilizované.
H4– Zpevněné a lakované nebo natřené.

Druhá číslice za H označuje stupeň zpevnění deformací:
HX2– Čtvrtletí tvrdé HX4– Polotvrdý HX6– Tři čtvrtiny těžké
HX8– Plně tvrdý HX9– Extra tvrdý

Pododdělení T Temper – Tepelně zpracované

T1- Přirozeně zestárlé po ochlazení z procesu tvarování při zvýšené teplotě, jako je například protlačování.
T2- Tvářeno za studena po ochlazení z procesu tvarování při vysoké teplotě a následném přirozeném stárnutí.
T3- Zpracováno rozpouštěcím teplem, tvářeno za studena a přirozeně stárnuto.
T4- Zpracováno rozpouštěcím teplem a přirozeně zestárnuto.
T5- Uměle zestárlé po ochlazení z procesu tvarování při zvýšené teplotě.
T6- Zpracováno rozpouštěcím teplem a uměle stárnuto.
T7- Zpracováno rozpouštěcím teplem a stabilizováno (přezrálo).
T8- Zpracováno rozpouštěcím teplem, tvářeno za studena a uměle stárnuto.
T9- Zpracováno rozpouštěcím teplem, uměle stárnuto a tvářeno za studena.
T10- Tvářeno za studena po ochlazení z procesu tvarování při zvýšené teplotě a následně uměle stárnuto.

Další číslice označují úlevu od stresu.
Příklady:
TX51nebo TXX51– Stres se uvolňuje protahováním.
TX52nebo TXX52– Uvolnění napětí stlačením.

Hliníkové slitiny a jejich vlastnosti- Pokud vezmeme v úvahu sedm řad tvářených hliníkových slitin, oceníme jejich rozdíly a pochopíme jejich použití a vlastnosti.

Slitiny řady 1xxx– (nezpracovatelné – s mezí pevnosti v tahu 10 až 27 ksi) tato řada se často označuje jako řada čistého hliníku, protože se požaduje minimálně 99,0 % hliníku. Jsou svařitelné. Vzhledem k jejich úzkému rozmezí tavení však vyžadují určité aspekty, aby bylo možné dosáhnout přijatelných svařovacích postupů. Při zvažování výroby se tyto slitiny vybírají především pro svou vynikající odolnost proti korozi, například ve specializovaných chemických nádržích a potrubích, nebo pro svou vynikající elektrickou vodivost, jako je tomu u sběrnic. Tyto slitiny mají relativně špatné mechanické vlastnosti a zřídka by se používaly v obecných konstrukčních aplikacích. Tyto základní slitiny se často svařují s odpovídajícím přídavným materiálem nebo s přídavnými slitinami třídy 4xxx v závislosti na aplikaci a požadavcích na výkon.

Slitiny řady 2xxx– (tepelně zpracovatelné – s mezí pevnosti v tahu 27 až 62 ksi) se jedná o slitiny hliníku a mědi (s přídavkem mědi od 0,7 do 6,8 %), což jsou vysoce pevné a výkonné slitiny, které se často používají v leteckém a kosmickém průmyslu. Mají vynikající pevnost v širokém teplotním rozsahu. Některé z těchto slitin jsou považovány za nesvařitelné obloukovým svařováním kvůli jejich náchylnosti k praskání za tepla a koroznímu praskání pod napětím; jiné se však při správných svařovacích postupech velmi úspěšně svařují obloukem. Tyto základní materiály se často svařují s vysokopevnostními přídavnými slitinami řady 2xxx, které jsou navrženy tak, aby odpovídaly jejich výkonu, ale někdy je lze svařovat s přídavnými slitinami řady 4xxx obsahujícími křemík nebo křemík a měď, v závislosti na aplikaci a požadavcích na provoz.

Slitiny řady 3xxx– (nezpracovatelné – s mezí pevnosti v tahu 16 až 41 ksi) Jedná se o slitiny hliníku a manganu (s přídavkem manganu od 0,05 do 1,8 %), které se vyznačují střední pevností, dobrou odolností proti korozi, dobrou tvárností a jsou vhodné pro použití při zvýšených teplotách. Jedním z jejich prvních použití byly hrnce a pánve a dnes jsou hlavní součástí výměníků tepla ve vozidlech a elektrárnách. Jejich střední pevnost však často vylučuje jejich použití v konstrukčních aplikacích. Tyto základní slitiny se svařují s přídavnými slitinami řady 1xxx, 4xxx a 5xxx v závislosti na jejich specifickém chemickém složení a konkrétních požadavcích na aplikaci a provoz.

Slitiny řady 4xxx– (tepelně zpracovatelné a nezpracovatelné – s mezí pevnosti v tahu 25 až 55 ksi) Jedná se o slitiny hliníku a křemíku (s přídavkem křemíku od 0,6 do 21,5 %) a jedná se o jedinou řadu, která obsahuje jak zpracovatelné, tak nezpracovatelné slitiny. Křemík přidaný do hliníku snižuje jeho bod tání a zlepšuje jeho tekutost v roztaveném stavu. Tyto vlastnosti jsou žádoucí pro přídavné materiály používané jak pro tavné svařování, tak pro pájení. V důsledku toho se tato řada slitin převážně vyskytuje jako přídavný materiál. Křemík, nezávisle na hliníku, není tepelně zpracovatelný; řada těchto křemíkových slitin však byla navržena s přídavkem hořčíku nebo mědi, což jim umožňuje příznivě reagovat na rozpouštěcí tepelné zpracování. Tyto tepelně zpracovatelné přídavné slitiny se obvykle používají pouze tehdy, má-li být svařovaný díl podroben tepelnému zpracování po svařování.

Slitiny řady 5xxx– (nezpracovatelné – s mezí pevnosti v tahu 18 až 51 ksi) Jedná se o slitiny hliníku a hořčíku (s přídavkem hořčíku od 0,2 do 6,2 %), které mají nejvyšší pevnost ze slitin nezpracovatelných. Tato řada slitin je navíc snadno svařitelná, a proto se používá v široké škále aplikací, jako je stavba lodí, doprava, tlakové nádoby, mosty a budovy. Slitiny na bázi hořčíku se často svařují s přídavnými slitinami, které se vybírají po zvážení obsahu hořčíku v základním materiálu a podmínek použití a provozu svařované součásti. Slitiny v této řadě s více než 3,0 % hořčíku se nedoporučují pro provoz při zvýšených teplotách nad 150 °F kvůli jejich potenciálu pro senzibilizaci a následnou náchylnost k praskání korozí v důsledku napětí. Základní slitiny s méně než přibližně 2,5 % hořčíku se často úspěšně svařují s přídavnými slitinami řady 5xxx nebo 4xxx. Základní slitina 5052 je obecně uznávána jako základní slitina s maximálním obsahem hořčíku, kterou lze svařovat s přídavnou slitinou řady 4xxx. Vzhledem k problémům spojeným s eutektickým tavením a s tím spojenými špatnými mechanickými vlastnostmi po svařování se nedoporučuje svařovat materiály z této řady slitin, které obsahují vyšší množství hořčíku, s přídavnými slitinami řady 4xxx. Základní materiály s vyšším obsahem hořčíku se svařují pouze s přídavnými slitinami řady 5xxx, které obecně odpovídají složení základní slitiny.

Slitiny řady 6XXX– (tepelně zpracovatelné – s mezí pevnosti v tahu 18 až 58 ksi) Jedná se o slitiny hliníku, hořčíku a křemíku (s přídavkem hořčíku a křemíku přibližně 1,0 %), které se hojně vyskytují ve svářečském průmyslu, používají se převážně ve formě extruzí a jsou součástí mnoha konstrukčních prvků. Přidáním hořčíku a křemíku do hliníku vzniká sloučenina silicidu hořečnatého, která tomuto materiálu umožňuje rozpouštěcí tepelné zpracování pro zvýšení pevnosti. Tyto slitiny jsou přirozeně citlivé na trhliny při tuhnutí, a proto by se neměly svařovat obloukem autogenně (bez přídavného materiálu). Přidání dostatečného množství přídavného materiálu během procesu obloukového svařování je nezbytné pro zředění základního materiálu, čímž se zabrání problému s trhlinami za tepla. Svařují se s přídavnými materiály třídy 4xxx i 5xxx v závislosti na aplikaci a požadavcích na provoz.

Slitiny řady 7XXX– (tepelně zpracovatelné – s mezí pevnosti v tahu 32 až 88 ksi) Jedná se o slitiny hliníku a zinku (s přídavkem zinku od 0,8 do 12,0 %), které patří k nejpevnějším hliníkovým slitinám. Tyto slitiny se často používají ve vysoce výkonných aplikacích, jako jsou letadla, letecký průmysl a sportovní vybavení. Stejně jako řada slitin 2xxx zahrnuje i tato řada slitiny, které jsou považovány za nevhodné pro obloukové svařování, a další, které se často úspěšně svařují obloukem. Běžně svařované slitiny v této řadě, jako například 7005, se svařují převážně s přídavnými slitinami řady 5xxx.

Shrnutí- Dnešní hliníkové slitiny spolu s jejich různými tvrdostmi tvoří širokou a všestrannou škálu výrobních materiálů. Pro optimální návrh výrobku a úspěšný vývoj svařovacích postupů je důležité pochopit rozdíly mezi mnoha dostupnými slitinami a jejich různými výkonnostními a svařitelnými vlastnostmi. Při vývoji postupů obloukového svařování pro tyto různé slitiny je třeba vzít v úvahu konkrétní svařovanou slitinu. Často se říká, že obloukové svařování hliníku není obtížné, „je jen jiné“. Věřím, že důležitou součástí pochopení těchto rozdílů je seznámení se s různými slitinami, jejich vlastnostmi a jejich identifikačním systémem.