S růstem hliníku v průmyslu svařovací výroby a jeho přijetím jako vynikající alternativa k oceli pro mnoho aplikací se zvyšují požadavky na ty, kteří se zabývají vývojem hliníkových projektů, aby se s touto skupinou materiálů lépe seznámili. Pro úplné pochopení hliníku je vhodné začít seznámením se systémem identifikace/označování hliníku, množstvím dostupných hliníkových slitin a jejich charakteristikami.

Systém temperování a označování hliníkových slitin- V Severní Americe je za přidělování a registraci hliníkových slitin odpovědná společnost The Aluminium Association Inc. V současné době je u Aluminium Association registrováno přes 400 tvářeného hliníku a tvářených hliníkových slitin a přes 200 hliníkových slitin ve formě odlitků a ingotů. Limity chemického složení slitin pro všechny tyto registrované slitiny jsou obsaženy v Aluminium Association'sTeal knihas názvem „Mezinárodní označení slitin a limity chemického složení pro tvářený hliník a tvářené hliníkové slitiny“ a v jejichRůžová knihas názvem „Označení a limity chemického složení pro hliníkové slitiny ve formě odlitků a ingotů. Tyto publikace mohou být mimořádně užitečné pro svářečského inženýra při vývoji svařovacích postupů a když je důležité vzít v úvahu chemii a její spojení s citlivostí na trhliny.

Slitiny hliníku lze kategorizovat 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. Když vezmeme v úvahu systém číslování / identifikace používaný pro hliníkové slitiny, jsou identifikovány výše uvedené charakteristiky. Tvářené a lité hliníky mají různé systémy identifikace. Tvářený systém je 4místný a odlitky mají systém 3místný a 1místný.

Systém označování tvářených slitin- Nejprve zvážíme 4místný identifikační systém z tvářené hliníkové slitiny. První číslice (Xxxx) označuje hlavní legující prvek, který byl přidán do hliníkové slitiny a často se používá k popisu řady hliníkových slitin, tj. řady 1000, 2000, 3000 až 8000 (viz tabulka 1).

Druhá jediná číslice (xXxx), pokud se liší od 0, označuje modifikaci konkrétní slitiny a třetí a čtvrtá číslice (xxXX) jsou libovolná čísla určená k identifikaci konkrétní slitiny v sérii. Příklad: Ve slitině 5183 číslo 5 označuje, že se jedná o řadu slitin hořčíku, 1 označuje, že jde o 1^stmodifikace původní slitiny 5083 a 83 ji identifikuje v řadě 5xxx.

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

SYSTÉM OZNAČENÍ TRÁVANÉ HLINÍKOVÉ SLITINY

Tabulka 1

Označení lité slitiny- Systém označení litých slitin je založen na třímístném 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 ZNAČENÍ LITÉ HLINÍKOVÉ SLITINY

Tabulka 2

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

Systém označení teploty hliníku -Pokud vezmeme v úvahu různé řady hliníkových slitin, uvidíme, že existují značné rozdíly v jejich vlastnostech a následné aplikaci. Prvním bodem, který je třeba po pochopení identifikačního systému rozpoznat, je, že ve výše uvedené řadě existují dva výrazně odlišné typy hliníku. Jedná se o tepelně zpracovatelné hliníkové slitiny (ty, které mohou získat pevnost přidáním tepla) a tepelně neupravitelné hliníkové slitiny. Toto rozlišení je zvláště důležité při zvažování vlivů obloukového svařování na tyto dva typy materiálů.

Tvářené hliníkové slitiny řady 1xxx, 3xxx a 5xxx nejsou tepelně zpracovatelné a jsou pouze deformovatelné. Tvářené hliníkové slitiny řady 2xxx, 6xxx a 7xxx jsou tepelně zpracovatelné a řada 4xxx se skládá z tepelně zpracovatelných i tepelně neupravitelných slitin. Odlévané slitiny řady 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x a 7xx.x jsou tepelně zpracovatelné. Deformační zpevnění se u odlitků obecně nepoužívá.

Tepelně zpracovatelné slitiny získávají své optimální mechanické vlastnosti procesem tepelného zpracování, přičemž nejběžnějšími tepelnými úpravami jsou roztokové tepelné zpracování a umělé stárnutí. Roztokové tepelné zpracování je proces zahřívání slitiny na zvýšenou teplotu (kolem 990 °F), aby se legující prvky nebo sloučeniny převedly do roztoku. Poté následuje zchlazení, obvykle ve vodě, za vzniku přesyceného roztoku při pokojové teplotě. Po tepelném zpracování roztokem obvykle následuje stárnutí. Stárnutí je vysrážení části prvků nebo sloučenin z přesyceného roztoku za účelem získání požadovaných vlastností.

Tepelně neupravitelné slitiny získávají své optimální mechanické vlastnosti prostřednictvím deformačního tvrzení. Kmenové zpevnění je metoda zvyšování pevnosti aplikací tváření za studena.T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

ZÁKLADNÍ OZNAČENÍ TEPLOTY

Tabulka 3

Kromě základního označení temperování existují dvě pododdělovací kategorie, jedna se týká označení „H“ Temper – Strain Hardening a druhá „T“ Temper – Thermally Treated.

Pododdělení H Temper – Strain Hardened

První číslice za H označuje základní operaci:
H1– Pouze zpevněné napětím.
H2– Kmenově zpevněné a částečně žíhané.
H3– Zpevněný a stabilizovaný.
H4– Zpevněné a lakované nebo natřené.

Druhá číslice za H označuje stupeň deformačního zpevnění:
HX2– Quatter Hard HX4– Polotvrdý HX6– Tři čtvrtiny těžké
HX8– Full Hard HX9– Extra tvrdý

Pododdělení T Temper – Tepelně ošetřené

T1- Přirozeně stárnoucí po ochlazení z procesu tvarování při zvýšené teplotě, jako je vytlačování.
T2- Zpracování za studena po ochlazení z procesu tvarování za zvýšené teploty a poté přirozené stárnutí.
T3- Tepelně zpracované roztokem, opracované za studena a přirozeně stárnuté.
T4- Roztok tepelně ošetřený a přirozeně stárnutý.
T5- Umělé stárnutí po ochlazení z procesu tvarování při zvýšené teplotě.
T6- Roztok tepelně zpracovaný a uměle stárnutý.
T7- Roztokově tepelně zpracováno a stabilizováno (přestárnuto).
T8- Tepelně zpracované roztokem, opracované za studena a uměle stárnuté.
T9- Tepelně zpracované roztokem, uměle stárnuté a opracované za studena.
T10- Zpracování za studena po ochlazení z procesu tvarování při zvýšené teplotě a poté umělého stárnutí.

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

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

Slitiny řady 1xxx– (netepelně zpracovatelná – s konečnou pevností v tahu 10 až 27 ksi) tato řada je často označována jako řada z čistého hliníku, protože se požaduje, aby měla minimálně 99,0 % hliníku. Jsou svařitelné. Vzhledem k jejich úzkému rozmezí tavení však vyžadují určitá uvážení, aby bylo možné vytvořit přijatelné postupy svařování. Při zvažování výroby jsou tyto slitiny vybírány především pro svou vynikající odolnost proti korozi, jako jsou speciální chemické nádrže a potrubí, nebo pro jejich vynikající elektrickou vodivost jako v aplikacích s přípojnicemi. Tyto slitiny mají relativně špatné mechanické vlastnosti a jen zřídka by byly zvažovány pro obecné konstrukční aplikace. Tyto základní slitiny jsou často svařovány s odpovídajícím přídavným materiálem nebo s přídavnými slitinami 4xxx v závislosti na požadavcích aplikace a výkonu.

Slitiny řady 2xxx– (tepelně zpracovatelné – s konečnou pevností v tahu 27 až 62 ksi) jedná se o slitiny hliníku / mědi (příměsi mědi v rozmezí od 0,7 do 6,8 %) a jsou to vysoce pevné a vysoce výkonné slitiny, které se často používají pro letecké a letecké aplikace. Mají vynikající pevnost v širokém rozsahu teplot. Některé z těchto slitin jsou považovány za nesvařitelné procesy obloukového svařování, protože jsou náchylné k praskání za tepla a praskání korozí pod napětím; jiné jsou však svařovány obloukem velmi úspěšně se správnými svařovacími postupy. Tyto základní materiály jsou často svařovány s vysoce pevnými přídavnými slitinami řady 2xxx navrženými tak, aby odpovídaly jejich výkonu, ale někdy je lze svařovat s výplněmi řady 4xxx obsahujícími křemík nebo křemík a měď, v závislosti na požadavcích aplikace a služby.

Slitiny řady 3xxx– (netepelně zpracovatelné – s mezní pevností v tahu 16 až 41 ksi) Jedná se o slitiny hliník / mangan (příměs manganu v rozmezí 0,05 až 1,8 %) a jsou středně pevné, mají dobrou odolnost proti korozi, dobrou tvarovatelnost 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 zvážení pro konstrukční aplikace. Tyto základní slitiny jsou svařovány s přídavnými slitinami řady 1xxx, 4xxx a 5xxx v závislosti na jejich specifické chemii a konkrétních požadavcích na aplikaci a služby.

Slitiny řady 4xxx– (tepelně zpracovatelné a tepelně neupravitelné – s konečnou pevností v tahu 25 až 55 ksi) Jedná se o slitiny hliník / křemík (příměsi křemíku v rozmezí od 0,6 do 21,5 %) a jsou jedinou řadou, která obsahuje tepelně zpracovatelné i ne tepelně zpracovatelné slitiny. Křemík, když je přidán k hliníku, snižuje jeho bod tání a zlepšuje jeho tekutost při roztavení. Tyto vlastnosti jsou žádoucí pro přídavné materiály používané jak pro tavné svařování, tak pro tvrdé pájení. V důsledku toho se tato řada slitin nachází převážně jako výplňový materiál. Křemík, nezávisle na hliníku, není tepelně zpracovatelný; avšak řada těchto slitin křemíku byla navržena tak, aby obsahovala přísady hořčíku nebo mědi, což jim poskytuje schopnost příznivě reagovat na tepelné zpracování v roztoku. Tyto tepelně zpracovatelné výplňové slitiny se typicky používají pouze tehdy, když má být svařovaná součást podrobena tepelnému zpracování po svařování.

Slitiny řady 5xxx– (netepelně zpracovatelné – s mezní pevností v tahu 18 až 51 ksi) Jedná se o slitiny hliník / hořčík (přísada hořčíku v rozmezí od 0,2 do 6,2 %) a mají nejvyšší pevnost ze slitin tepelně nezpracovatelných. Kromě toho je tato řada slitin snadno svařitelná az těchto důvodů se používají pro širokou škálu 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, protože mají potenciál pro senzibilizaci a následnou náchylnost ke koroznímu praskání pod napětím. Základní slitiny s méně než přibližně 2,5 % hořčíku jsou často úspěšně svařovány s přídavnými slitinami řady 5xxx nebo 4xxx. Základní slitina 5052 je obecně uznávána jako základní slitina s maximálním obsahem hořčíku, kterou lze svařit s přídavnou slitinou řady 4xxx. Kvůli problémům spojeným s eutektickým tavením a souvisejícími špatnými mechanickými vlastnostmi při svařování se nedoporučuje svařovat materiál v této řadě slitin, které obsahují vyšší množství hořčíku s plnivy řady 4xxx. Základní materiály s vyšším obsahem hořčíku jsou svařovány pouze s přídavnými slitinami 5xxx, které obecně odpovídají složení základní slitiny.

Slitiny řady 6XXX– (tepelně zpracovatelné – s konečnou pevností v tahu 18 až 58 ksi) Jedná se o slitiny hliník/hořčík – křemík (přídavky hořčíku a křemíku kolem 1,0 %) a nacházejí se široce v celém průmyslu svařovací výroby a používají se převážně ve formě extruze a začleněné do mnoha konstrukčních součástí. Přidáním hořčíku a křemíku k hliníku vzniká sloučenina křemičitanu hořčíku, která dává tomuto materiálu schopnost stát se roztokovým tepelným zpracováním pro zlepšení pevnosti. Tyto slitiny jsou přirozeně citlivé na trhliny při tuhnutí a z tohoto důvodu by neměly být svařovány obloukem autogenně (bez přídavného materiálu). Přidání adekvátního množství přídavného materiálu během procesu obloukového svařování je nezbytné pro zajištění zředění základního materiálu, čímž se zabrání problému praskání za tepla. Jsou svařovány s přídavnými materiály 4xxx i 5xxx v závislosti na aplikaci a požadavcích na servis.

Slitiny řady 7XXX– (tepelně zpracovatelné – s mezní pevností v tahu 32 až 88 ksi) Jedná se o slitiny hliník / zinek (přísada zinku v rozmezí od 0,8 do 12,0 %) a zahrnují některé z nejpevnějších hliníkových slitin. Tyto slitiny se často používají ve vysoce výkonných aplikacích, jako jsou letadla, letectví a sportovní vybavení. Stejně jako řada slitin 2xxx obsahuje tato řada slitiny, které jsou považovány za nevhodné kandidáty pro obloukové svařování, a další, které jsou často úspěšně svařovány obloukem. Běžně svařované slitiny této řady, jako je 7005, jsou převážně svařovány s přídavnými slitinami řady 5xxx.

Shrnutí- Dnešní hliníkové slitiny spolu s jejich různými zpevňováními představují širokou a všestrannou škálu výrobních materiálů. Pro optimální návrh výrobku a úspěšný vývoj svařovacích postupů je důležité porozumět rozdílům mezi mnoha dostupnými slitinami a jejich různými charakteristikami výkonu a svařitelnosti. 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 to jen jiné“. Věřím, že důležitou součástí pochopení těchto rozdílů je seznámit se s různými slitinami, jejich charakteristikami a systémem jejich identifikace.