В связи с ростом использования алюминия в сварочно-монтажной промышленности и его признанием в качестве отличной альтернативы стали во многих областях применения, возрастает потребность в более глубоком изучении этой группы материалов для тех, кто занимается разработкой проектов с использованием алюминия. Для полного понимания алюминия целесообразно начать с ознакомления с системой идентификации/обозначения алюминия, многочисленными доступными алюминиевыми сплавами и их характеристиками.

Система термообработки и обозначения алюминиевых сплавовВ Северной Америке Ассоциация производителей алюминия (The Aluminum Association Inc.) отвечает за распределение и регистрацию алюминиевых сплавов. В настоящее время в Ассоциации зарегистрировано более 400 видов кованого алюминия и кованых алюминиевых сплавов, а также более 200 видов алюминиевых сплавов в виде отливок и слитков. Предельные значения химического состава всех этих зарегистрированных сплавов содержатся в документах Ассоциации производителей алюминия.Книга Бирюзпод названием «Международные обозначения сплавов и предельные значения химического состава кованого алюминия и кованых алюминиевых сплавов», а также в ихРозовая книгаЭти публикации, озаглавленные «Обозначения и предельные значения химического состава алюминиевых сплавов в виде отливок и слитков», могут быть чрезвычайно полезны инженеру-сварщику при разработке сварочных процедур, особенно когда учет химического состава и его связи с чувствительностью к образованию трещин имеет важное значение.

Алюминиевые сплавы можно разделить на несколько групп в зависимости от характеристик конкретного материала, таких как его способность реагировать на термическую и механическую обработку, а также основной легирующий элемент, добавляемый в алюминиевый сплав. При рассмотрении системы нумерации/идентификации, используемой для алюминиевых сплавов, определяются вышеуказанные характеристики. Для кованых и литых алюминиевых сплавов используются разные системы идентификации. Для кованых сплавов используется 4-значная система, а для литых — 3-значная система с одним десятичным знаком.

Система обозначения кованых сплавов— Сначала рассмотрим 4-значную систему идентификации кованых алюминиевых сплавов. Первая цифра (Xxxx) обозначает основной легирующий элемент, добавленный в алюминиевый сплав, и часто используется для описания серии алюминиевых сплавов, например, серия 1000, серия 2000, серия 3000, вплоть до серии 8000 (см. таблицу 1).

Вторая однозначная цифра (x)Xxx), если отличается от 0, указывает на модификацию конкретного сплава, а третья и четвертая цифры (xx)XX) — это произвольные числа, используемые для идентификации конкретного сплава в серии. Например: в сплаве 5183 число 5 указывает на то, что он относится к серии магниевых сплавов, а 1 — на то, что это 1-й сплав.^stМодификация исходного сплава 5083, и обозначение 83 используется для его идентификации в серии 5xxx.

Единственное исключение из этой системы нумерации сплавов — алюминиевые сплавы серии 1xxx (чистый алюминий), в этом случае последние две цифры указывают минимальное содержание алюминия выше 99%, то есть сплав 13.(50)(минимум 99,50% алюминия).

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЯ КОВАНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Таблица 1

Обозначение литого сплава- Система обозначения литых сплавов основана на трехзначном десятичном обозначении xxx.x (например, 356.0). Первая цифра (Xxx.x) обозначает основной легирующий элемент, добавленный в алюминиевый сплав (см. таблицу 2).

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЯ ЛИТЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Таблица 2

Вторая и третья цифры (x)XX.x) — это произвольные числа, используемые для идентификации конкретного сплава в серии. Число после десятичной точки указывает, является ли сплав отливкой (.0) или слитком (.1 или .2). Буквенный префикс указывает на модификацию конкретного сплава.
Пример: Сплав – A356.0, заглавная буква А (Axxx.x) обозначает модификацию сплава 356.0. Число 3 (A)3xx.x) указывает на то, что это соединение относится к серии кремния, меди и/или магния. 56 в (Ax)56.0) обозначает сплав в серии 3xx.x, а .0 (Axxx.0) указывает на то, что это отливка окончательной формы, а не слиток.

Система обозначения степени закалки алюминия -Если мы рассмотрим различные серии алюминиевых сплавов, то увидим, что существуют значительные различия в их характеристиках и, следовательно, в применении. Первое, что следует отметить после понимания системы идентификации, это то, что в упомянутых выше сериях существуют два совершенно разных типа алюминия. Это термообрабатываемые алюминиевые сплавы (те, которые могут набирать прочность за счет нагрева) и нетермообрабатываемые алюминиевые сплавы. Это различие особенно важно при рассмотрении влияния дуговой сварки на эти два типа материалов.

Деформационные алюминиевые сплавы серий 1xxx, 3xxx и 5xxx не подвергаются термообработке и упрочняются только за счет деформации. Деформационные алюминиевые сплавы серий 2xxx, 6xxx и 7xxx поддаются термообработке, а серия 4xxx включает в себя как термообрабатываемые, так и нетермообрабатываемые сплавы. Литейные сплавы серий 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x и 7xx.x поддаются термообработке. Упрочнение за счет деформации обычно не применяется к отливкам.

Термообрабатываемые сплавы приобретают свои оптимальные механические свойства в процессе термической обработки, наиболее распространенными из которых являются термическая обработка в растворе и искусственное старение. Термическая обработка в растворе — это процесс нагревания сплава до высокой температуры (около 990 °F) для того, чтобы легирующие элементы или соединения перешли в раствор. За этим следует закалка, обычно в воде, для получения пересыщенного раствора при комнатной температуре. После термической обработки в растворе обычно следует старение. Старение — это осаждение части элементов или соединений из пересыщенного раствора для получения желаемых свойств.

Нетермообрабатываемые сплавы приобретают свои оптимальные механические свойства за счет упрочнения при деформации. Упрочнение при деформации — это метод повышения прочности путем холодной обработки. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

ОСНОВНЫЕ НАЗНАЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Таблица 3

Помимо основного обозначения состояния закалки, существуют две подкатегории: одна относится к закалке типа «H» — упрочнению при деформации, а другая — к закалке типа «T» — термической обработке.

Подразделения H-термообработки – упрочнение при деформации

Первая цифра после буквы H обозначает базовую операцию:
H1– Только упрочненные деформацией материалы.
H2– Упрочненный деформацией и частично отожженный.
H3– Упрочнено и стабилизировано.
H4– Упрочнено под воздействием деформации и покрыто лаком или краской.

Вторая цифра после буквы H указывает на степень упрочнения при деформации:
HX2– Quarter Hard HX4– Полутвердый HX6– Три четверти жёсткий
HX8– Полный жесткий HX9– Очень сложно

Подразделения T Temper – Термически обработанные

T1- Естественное старение после охлаждения в процессе формования при повышенной температуре, например, экструзии.
T2- Изделие подвергалось холодной обработке после охлаждения в процессе формования при повышенной температуре, а затем естественному старению.
T3- Прошел термическую обработку раствором, холодную обработку и естественное старение.
T4- Прошел термическую обработку и естественное старение.
T5- Искусственно состарено после охлаждения в процессе формования при повышенной температуре.
T6- Прошедший термообработку и искусственное старение.
T7- Раствор подвергнут термической обработке и стабилизации (передержан).
T8- Прошел термическую обработку раствором, холодную обработку и искусственное старение.
T9- Термическая обработка раствором, искусственное старение и холодная обработка.
Т10- Изделие подвергалось холодной обработке после охлаждения в процессе формования при повышенной температуре, а затем искусственному старению.

Дополнительные цифры указывают на снятие стресса.
Примеры:
TX51или TXX51– Снятие стресса с помощью растяжки.
TX52или TXX52– Снятие напряжения путем сжатия.

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– (не поддающиеся термообработке – с пределом прочности на растяжение от 10 до 27 ksi) Эта серия часто называется серией чистого алюминия, поскольку требуется содержание алюминия не менее 99,0%. Они свариваемы. Однако из-за узкого диапазона плавления для обеспечения приемлемых сварочных процедур необходимо учитывать определенные факторы. При изготовлении изделий эти сплавы выбираются в первую очередь из-за их превосходной коррозионной стойкости, например, в специализированных химических резервуарах и трубопроводах, или из-за их отличной электропроводности, как в шинопроводах. Эти сплавы имеют относительно плохие механические свойства и редко рассматриваются для общего применения в конструкционных материалах. Эти основные сплавы часто свариваются с использованием соответствующего присадочного материала или присадочных сплавов 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%), высокопрочные и высокоэффективные сплавы, часто используемые в аэрокосмической и авиационной промышленности. Они обладают превосходной прочностью в широком диапазоне температур. Некоторые из этих сплавов считаются не поддающимися сварке дуговой сваркой из-за их склонности к горячему растрескиванию и коррозионному растрескиванию под напряжением; однако другие успешно свариваются дуговой сваркой при правильном выполнении сварочных работ. Эти основные материалы часто свариваются высокопрочными присадочными сплавами серии 2xxx, разработанными для соответствия их характеристикам, но иногда могут свариваться присадочными сплавами серии 4xxx, содержащими кремний или кремний и медь, в зависимости от области применения и требований к эксплуатации.

Сплавы серии 3xxx– (не поддающиеся термообработке – с пределом прочности на растяжение от 16 до 41 ksi) Это алюминиево-марганцевые сплавы (с добавлением 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 применений этих сплавов была посуда, а сегодня они являются основным компонентом теплообменников в транспортных средствах и электростанциях. Однако их умеренная прочность часто исключает их использование в конструкционных целях. Эти основные сплавы свариваются присадочными сплавами серий 1xxx, 4xxx и 5xxx в зависимости от их химического состава, а также конкретных требований к применению и условиям эксплуатации.

Сплавы серии 4xxx– (термообрабатываемые и нетермообрабатываемые – с пределом прочности на растяжение от 25 до 55 ksi) Это алюминиево-кремниевые сплавы (с добавлением кремния от 0,6 до 21,5%), и это единственная серия, содержащая как термообрабатываемые, так и нетермообрабатываемые сплавы. Добавление кремния 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 преимущественно используется в качестве присадочного материала. Кремний, сам по себе содержащийся в алюминии, не подвергается термообработке; однако ряд этих кремниевых сплавов был разработан с добавлением магния или меди, что обеспечивает им способность благоприятно реагировать на термическую обработку раствором. Как правило, эти термообрабатываемые присадочные сплавы используются только тогда, когда свариваемый 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 (с добавлением магния от 0,2 до 6,2%), обладающие самой высокой прочностью среди нетермообрабатываемых 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. Магниевые сплавы часто свариваются с использованием присадочных материалов, которые выбираются с учетом содержания магния в основном материале, а также условий применения и эксплуатации свариваемого компонента. Сплавы этой серии с содержанием магния более 3,0% не рекомендуются для эксплуатации при повышенных температурах выше 150 °F из-за их потенциальной сенсибилизации и последующей восприимчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением. Основные сплавы с содержанием магния менее примерно 2,5% часто успешно свариваются с использованием присадочных материалов серий 5xxx или 4xxx. Основной сплав 5052 общепризнан как сплав с максимальным содержанием магния, который можно сваривать присадочными материалами серии 4xxx. Из-за проблем, связанных с эвтектическим плавлением и, как следствие, плохими механическими свойствами сварного шва, не рекомендуется сваривать материалы этой серии сплавов, содержащие большее количество магния, присадочными материалами серии 4xxx. Материалы с более высоким содержанием магния свариваются только присадочными материалами 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-магниевые кремниевые сплавы (добавки магния и кремния около 1,0%), широко используемые в сварочно-монтажной промышленности, преимущественно в виде экструзионных профилей и во многих конструкционных элементах. Добавление магния и кремния к алюминию приводит к образованию соединения силицида магния, что обеспечивает этому материалу возможность термообработки для повышения прочности. Эти сплавы по своей природе чувствительны к образованию трещин при затвердении, и по этой причине их не следует сваривать автогенной дуговой сваркой (без присадочного материала). Добавление достаточного количества присадочного материала в процессе дуговой сварки необходимо для разбавления основного материала, что предотвращает проблему горячего растрескивания. Сварка производится как с присадочными материалами 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%), входящие в число самых прочных алюминиевых сплавов. Эти сплавы часто используются в высокоэффективных областях применения, таких как авиация, аэрокосмическая промышленность и спортивное оборудование. Как и серия сплавов 2xxx, эта серия включает сплавы, которые считаются непригодными для дуговой сварки, и другие, которые часто успешно свариваются дуговой сваркой. Сплавы этой серии, обычно свариваемые, такие как 7005, преимущественно свариваются с использованием присадочных сплавов серии 5xxx.

Краткое содержание— Современные алюминиевые сплавы, наряду с различными вариантами их термообработки, представляют собой широкий и универсальный спектр материалов для производства. Для оптимального проектирования изделий и успешной разработки сварочных процедур важно понимать различия между многочисленными доступными сплавами, а также их различные эксплуатационные характеристики и свариваемость. При разработке процедур дуговой сварки для этих различных сплавов необходимо учитывать особенности конкретного свариваемого сплава. Часто говорят, что дуговая сварка алюминия несложна, «просто она другая». Я считаю, что важной частью понимания этих различий является ознакомление с различными сплавами, их характеристиками и системой их идентификации.