С ростом использования алюминия в сварочном производстве и его признанием в качестве превосходной альтернативы стали во многих областях применения, к разработчикам проектов, связанных с алюминием, предъявляются всё более высокие требования по более глубокому изучению этой группы материалов. Чтобы полностью понять алюминий, рекомендуется начать с изучения системы его идентификации/обозначения, множества доступных алюминиевых сплавов и их характеристик.

Система обозначений и температур алюминиевых сплавовВ Северной Америке за распределение и регистрацию алюминиевых сплавов отвечает Алюминиевая ассоциация (The Aluminum Association Inc.). В настоящее время в Алюминиевой ассоциации зарегистрировано более 400 видов деформируемого алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов, а также более 200 видов алюминиевых сплавов в форме отливок и слитков. Предельные значения химического состава для всех этих зарегистрированных сплавов содержатся в нормативных документах Алюминиевой ассоциации.Бирюзовая книгапод названием «Международные обозначения сплавов и пределы химического состава для деформируемого алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов» и в ихРозовая книга«Обозначения и пределы химического состава алюминиевых сплавов в форме отливок и слитков». Эти публикации могут быть чрезвычайно полезны инженерам-сварщикам при разработке сварочных процессов, а также в случаях, когда важно учитывать химический состав и его связь с чувствительностью к трещинам.

Алюминиевые сплавы можно разделить на несколько групп в зависимости от характеристик материала, таких как его способность реагировать на термическую и механическую обработку, а также от основного легирующего элемента, добавляемого в алюминиевый сплав. При рассмотрении системы нумерации/идентификации, используемой для алюминиевых сплавов, вышеперечисленные характеристики являются очевидными. Деформируемый и литой алюминий имеют разные системы идентификации. Деформируемый алюминий имеет четырёхзначную систему, а литой – трёхзначную с одним десятичным знаком.

Система обозначения деформируемых сплавов- Сначала рассмотрим четырёхзначную систему идентификации деформируемых алюминиевых сплавов. Первая цифра (Xxxx) указывает основной легирующий элемент, который был добавлен в алюминиевый сплав, и часто используется для описания серии алюминиевого сплава, т. е. серия 1000, серия 2000, серия 3000 и до серии 8000 (см. таблицу 1).

Вторая однозначная цифра (xXxx), если отличается от 0, указывает на модификацию конкретного сплава, а третья и четвертая цифры (xxXX) — это произвольные числа, используемые для обозначения конкретного сплава в серии. Пример: в сплаве 5183 цифра 5 указывает на то, что он относится к магниевой серии, а 1 — на то, что это первый сплав.^stмодификация оригинального сплава 5083, а цифра 83 идентифицирует его в серии 5xxx.

Единственным исключением из этой системы нумерации сплавов являются алюминиевые сплавы серии 1xxx (чистый алюминий), в этом случае последние 2 цифры указывают минимальный процент алюминия выше 99%, т. е. сплав 13.(50)(минимум 99,50% алюминия).

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЯ ДЕФОРМИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Таблица 1

Обозначение литейного сплава- Система обозначения литейных сплавов основана на трёхзначном десятичном коде xxx.x (например, 356.0). Первая цифра (Xxx.x) указывает основной легирующий элемент, который был добавлен в алюминиевый сплав (см. таблицу 2).

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЯ ЛИТЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Таблица 2

Вторая и третья цифры (xXX.x) — это произвольные числа, обозначающие конкретный сплав в серии. Число после десятичной точки указывает, является ли сплав отливкой (.0) или слитком (.1 или .2). Заглавная буква в префиксе указывает на модификацию конкретного сплава.
Пример: Сплав – А356.0 заглавная буква А (Axxx.x) обозначает модификацию сплава 356.0. Цифра 3 (А3xx.x) указывает на то, что он относится к серии кремний плюс медь и/или магний. 56 в (Ax56.0) идентифицирует сплав в серии 3xx.x, а .0 (Axxx.0) указывает на то, что это отливка окончательной формы, а не слиток.

Система обозначения закалки алюминия -Если рассмотреть различные серии алюминиевых сплавов, то можно увидеть существенные различия в их характеристиках и, соответственно, в области применения. Первое, что следует отметить после изучения системы идентификации, – это то, что в рамках упомянутой серии существуют два совершенно разных типа алюминия. Это термоупрочняемые алюминиевые сплавы (те, которые могут набирать прочность под воздействием тепла) и нетермоупрочняемые алюминиевые сплавы. Это различие особенно важно при рассмотрении влияния дуговой сварки на эти два типа материалов.

Деформируемые алюминиевые сплавы серий 1xxx, 3xxx и 5xxx не подлежат термической обработке и подвергаются только деформационному упрочнению. Деформируемые алюминиевые сплавы серий 2xxx, 6xxx и 7xxx подвергаются термической обработке, а серия 4xxx включает как термоупрочняемые, так и нетермоупрочняемые сплавы. Литейные сплавы серий 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x и 7xx.x подвергаются термической обработке. Деформационное упрочнение отливок, как правило, не применяется.

Термически обрабатываемые сплавы приобретают оптимальные механические свойства в процессе термической обработки, наиболее распространёнными из которых являются термическая обработка на твердый раствор и искусственное старение. Термическая обработка на твердый раствор — это процесс нагрева сплава до повышенной температуры (около 990°F) для перевода легирующих элементов или соединений в раствор. Затем следует закалка, обычно в воде, для получения пересыщенного раствора при комнатной температуре. После термической обработки на твердый раствор обычно следует старение. Старение — это осаждение части элементов или соединений из пересыщенного раствора для получения желаемых свойств.

Нетермообрабатываемые сплавы приобретают оптимальные механические свойства посредством деформационного упрочнения. Деформационное упрочнение – это метод повышения прочности посредством холодной обработки. T6, 6063-T4, 5052-Н32, 5083-H112.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЗАКАЛА

Таблица 3

Помимо основного обозначения отпуска, существуют две подкатегории: одна относится к отпуску «H» — деформационному упрочнению, а другая — к отпуску «T» — термической обработке.

Подразделения H-закалки – деформационно-упрочненной стали

Первая цифра после H обозначает базовую операцию:
H1– Только упрочненные.
H2– Упрочненная и частично отожженная.
H3– Упрочненный и стабилизированный.
H4– Закаленная и лакированная или окрашенная.

Вторая цифра после H указывает степень деформационного упрочнения:
HX2– Четверть твердого HX4– Полутвердый HX6– Три четверти твердости
HX8– Полный жесткий HX9– Экстра твердый

Подразделения T Temper – термически обработанные

T1- Естественно состаренный после охлаждения в процессе формования при повышенной температуре, например, экструзии.
T2- Холодная обработка после охлаждения в процессе формования при повышенной температуре, а затем естественное старение.
T3- Прошедшая термическую обработку на твердый раствор, холодную обработку и естественное старение.
T4- Прошедшее термическую обработку на твердый раствор и естественное старение.
T5- Искусственно состаренный после охлаждения в процессе формования при повышенной температуре.
T6- Термическая обработка на твердый раствор и искусственное старение.
T7- Раствор термообработан и стабилизирован (передержан).
T8- Прошедшие термическую обработку на твердый раствор, холодную обработку и искусственно состаренные.
T9- Термическая обработка на твердый раствор, искусственное старение и холодная обработка.
Т10- Холодная обработка после охлаждения после процесса формования при повышенной температуре, а затем искусственное старение.

Дополнительные цифры указывают на снятие стресса.
Примеры:
TX51или ТХХ51– Снятие стресса с помощью растяжки.
TX52или ТХХ52– Напряжение снимается сжатием.

Алюминиевые сплавы и их характеристики- Если мы рассмотрим семь серий деформируемых алюминиевых сплавов, мы оценим их различия и поймем их применение и характеристики.

Сплавы серии 1xxx– (нетермообрабатываемые – с пределом прочности на растяжение от 10 до 27 ksi) эту серию часто называют серией чистого алюминия, поскольку требуется, чтобы в ней содержалось не менее 99,0% алюминия. Они свариваемы. Однако из-за их узкого интервала плавления для обеспечения приемлемых процедур сварки требуются определенные соображения. При рассмотрении для изготовления эти сплавы выбирают в первую очередь из-за их превосходной коррозионной стойкости, например, в специализированных химических резервуарах и трубопроводах, или из-за их превосходной электропроводности, например, в шинах. Эти сплавы имеют относительно низкие механические свойства и редко рассматриваются для общих конструкционных применений. Эти базовые сплавы часто сваривают с соответствующим присадочным материалом или с присадочными сплавами 4xxx в зависимости от области применения и требований к эксплуатационным характеристикам.

Сплавы серии 2xxx– (термообрабатываемые – с пределом прочности на растяжение от 27 до 62 ksi) это алюминиево-медные сплавы (добавки меди от 0,7 до 6,8%), и являются высокопрочными, высокопроизводительными сплавами, которые часто используются в аэрокосмической и авиационной промышленности. Они обладают превосходной прочностью в широком диапазоне температур. Некоторые из этих сплавов считаются несвариваемыми дуговой сваркой из-за их восприимчивости к образованию горячих трещин и коррозионному растрескиванию под напряжением; однако другие очень успешно свариваются дуговой сваркой при правильных процедурах сварки. Эти основные материалы часто свариваются высокопрочными присадочными сплавами серии 2xxx, разработанными для соответствия их эксплуатационным характеристикам, но иногда их можно сваривать присадочными сплавами серии 4xxx, содержащими кремний или кремний и медь, в зависимости от области применения и требований к эксплуатации.

Сплавы серии 3xxx– (нетермообрабатываемые – с пределом прочности на растяжение от 16 до 41 ksi) Это алюминиево-марганцевые сплавы (добавки марганца от 0,05 до 1,8%), обладающие умеренной прочностью, хорошей коррозионной стойкостью, хорошей формуемостью и пригодные для использования при повышенных температурах. Одним из первых их применений было изготовление кастрюль и сковородок, а сегодня они являются основным компонентом теплообменников в транспортных средствах и на электростанциях. Однако их умеренная прочность часто препятствует их использованию в качестве конструкционных материалов. Эти базовые сплавы свариваются присадочными сплавами серий 1xxx, 4xxx и 5xxx в зависимости от их химического состава, а также конкретных требований к применению и эксплуатации.

Сплавы серии 4xxx– (термообрабатываемые и нетермообрабатываемые – с пределом прочности на растяжение от 25 до 55 ksi) Это алюминиево-кремниевые сплавы (добавки кремния от 0,6 до 21,5%), и это единственная серия, которая содержит как термообрабатываемые, так и нетермообрабатываемые сплавы. Кремний, при добавлении к алюминию, снижает его температуру плавления и улучшает его текучесть в расплавленном состоянии. Эти характеристики желательны для присадочных материалов, используемых как для сварки плавлением, так и для пайки. Следовательно, эта серия сплавов в основном используется в качестве присадочного материала. Кремний, независимо от алюминия, не является термообрабатываемым; однако, ряд этих кремниевых сплавов были разработаны с добавками магния или меди, что дает им возможность положительно реагировать на термообработку на твердый раствор. Обычно эти термообрабатываемые присадочные сплавы используются только в том случае, когда сварной компонент должен подвергаться термической обработке после сварки.

Сплавы серии 5xxx– (нетермообрабатываемые – с пределом прочности на растяжение от 18 до 51 ksi) Это алюминиево-магниевые сплавы (добавки магния от 0,2 до 6,2%), которые имеют самую высокую прочность из термообрабатываемых сплавов. Кроме того, эта серия сплавов легко сваривается, и по этим причинам они используются в самых разных областях, таких как судостроение, транспорт, сосуды под давлением, мосты и здания. Сплавы на основе магния часто свариваются присадочными сплавами, которые выбираются с учетом содержания магния в основном материале, а также условий применения и эксплуатации сварного компонента. Сплавы этой серии с содержанием магния более 3,0% не рекомендуются для эксплуатации при повышенных температурах выше 150 градусов по Фаренгейту из-за их потенциальной сенсибилизации и последующей восприимчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением. Базовые сплавы с содержанием магния менее приблизительно 2,5% часто успешно свариваются присадочными сплавами серий 5xxx или 4xxx. Базовый сплав 5052 общепризнанно считается базовым сплавом с максимальным содержанием магния, пригодным для сварки с присадочными сплавами серии 4xxx. Из-за проблем, связанных с эвтектическим плавлением и связанными с этим низкими механическими свойствами после сварки, не рекомендуется сваривать материалы этой серии, содержащие повышенное количество магния, с присадочными сплавами серии 4xxx. Материалы с более высоким содержанием магния свариваются только присадочными сплавами серии 5xxx, состав которых, как правило, соответствует составу основного сплава.

Сплавы серии 6XXX– (термообрабатываемые – с пределом прочности на растяжение от 18 до 58 ksi) Это алюминиево-магниево-кремниевые сплавы (добавки магния и кремния около 1,0%), которые широко используются в сварочном производстве, используются преимущественно в виде прессованных профилей и встраиваются во многие структурные компоненты. Добавление магния и кремния к алюминию дает соединение силицида магния, которое обеспечивает этому материалу способность подвергаться термообработке на твердый раствор для повышения прочности. Эти сплавы по своей природе чувствительны к кристаллизационным трещинам, и по этой причине их не следует сваривать автогенной дуговой сваркой (без присадочного материала). Добавление достаточного количества присадочного материала во время дуговой сварки необходимо для обеспечения разбавления основного материала, тем самым предотвращая проблему образования горячих трещин. Их сваривают присадочными материалами как 4xxx, так и 5xxx, в зависимости от области применения и требований к эксплуатации.

Сплавы серии 7XXX– (термообрабатываемые – с пределом прочности на растяжение от 32 до 88 ksi). Это алюминиево-цинковые сплавы (с добавлением цинка от 0,8 до 12,0%), одни из самых прочных алюминиевых сплавов. Эти сплавы часто используются в высокопроизводительных приложениях, таких как авиация, космонавтика и спортивное оборудование. Как и сплавы серии 2xxx, эта серия включает сплавы, которые считаются непригодными для дуговой сварки, и другие, которые часто успешно свариваются дуговой сваркой. Часто свариваемые сплавы этой серии, такие как 7005, преимущественно свариваются присадочными сплавами серии 5xxx.

Краткое содержаниеСовременные алюминиевые сплавы, наряду с их различными степенями закалки, представляют собой широкий и универсальный спектр производственных материалов. Для оптимальной конструкции изделия и успешной разработки сварочных процедур важно понимать различия между различными доступными сплавами, их эксплуатационными характеристиками и свариваемостью. При разработке процедур дуговой сварки для этих сплавов необходимо учитывать особенности свариваемого сплава. Часто говорят, что дуговая сварка алюминия не сложна, «она просто другая». Я считаю, что для понимания этих различий важно ознакомиться с различными сплавами, их характеристиками и системой идентификации.