S rastom hliníka v odvetví zváračských prác a jeho prijatím ako vynikajúcej alternatívy k oceli pre mnohé aplikácie sa zvyšujú požiadavky na to, aby sa tí, ktorí sa podieľajú na vývoji hliníkových projektov, lepšie oboznámili s touto skupinou materiálov. Pre úplné pochopenie hliníka je vhodné začať oboznámením sa so systémom identifikácie/označovania hliníka, mnohými dostupnými hliníkovými zliatinami a ich vlastnosťami.

Systém označovania a stupňovania hliníkových zliatin- V Severnej Amerike je za prideľovanie a registráciu hliníkových zliatin zodpovedná spoločnosť The Aluminum Association Inc. V súčasnosti je v Aluminum Association registrovaných viac ako 400 druhov tvárneného hliníka a tvárnených hliníkových zliatin a viac ako 200 druhov hliníkových zliatin vo forme odliatkov a ingotov. Limity chemického zloženia zliatin pre všetky tieto registrované zliatiny sú uvedené v dokumente Aluminum Association.Tyrkysová knihas názvom „Medzinárodné označenia zliatin a limity chemického zloženia pre tvárnený hliník a tvárne hliníkové zliatiny“ a v ichRužová knihas názvom „Označenia a limity chemického zloženia hliníkových zliatin vo forme odliatkov a ingotov“. Tieto publikácie môžu byť mimoriadne užitočné pre zváračského inžiniera pri vývoji zváracích postupov a vtedy, keď je dôležité zohľadniť chemické zloženie a jeho súvislosť s citlivosťou na trhliny.

Hliníkové zliatiny možno rozdeliť do niekoľkých skupín na základe charakteristík konkrétneho materiálu, ako je jeho schopnosť reagovať na tepelné a mechanické spracovanie a primárny legujúci prvok pridaný do hliníkovej zliatiny. Ak vezmeme do úvahy systém číslovania/identifikácie používaný pre hliníkové zliatiny, identifikujeme vyššie uvedené charakteristiky. Tvárnené a liate hliníkové zliatiny majú odlišné systémy identifikácie. Tvárnené hliníkové zliatiny majú 4-miestny systém a odliatky majú 3-miestny systém s 1 desatinným miestom.

Systém označovania tvárnených zliatin- Najprv sa pozrieme na 4-miestny systém identifikácie tvárnenej hliníkovej zliatiny. Prvá číslica (Xxxx) označuje hlavný legujúci prvok, ktorý bol pridaný do hliníkovej zliatiny a často sa používa na opis radu hliníkových zliatin, t. j. rad 1000, rad 2000, rad 3000 až po rad 8000 (pozri tabuľku 1).

Druhá jednociferná číslica (xXxx), ak sa líši od 0, označuje modifikáciu konkrétnej zliatiny a tretia a štvrtá číslica (xxXX) sú ľubovoľné čísla priradené na identifikáciu konkrétnej zliatiny v sérii. Príklad: V zliatine 5183 číslo 5 označuje, že patrí do série horčíkových zliatin, číslo 1 označuje, že ide o číslo 1.^stmodifikácia pôvodnej zliatiny 5083 a číslo 83 ju označuje v sérii 5xxx.

Jedinou výnimkou z tohto systému číslovania zliatin sú hliníkové zliatiny série 1xxx (čistý hliník), v takom prípade posledné 2 číslice predstavujú minimálne percento hliníka nad 99 %, t. j. zliatina 13.(50)(minimálne 99,50 % hliníka).

SYSTÉM OZNAČOVANIA TVAROVANÝCH HLINÍKOVÝCH ZLIATIN

Tabuľka 1

Označenie liatej zliatiny- Systém označovania liatych zliatin je založený na trojcifernom označení plus desatinné číslo xxx.x (t. j. 356,0). Prvá číslica (Xxx.x) označuje hlavný legujúci prvok, ktorý bol pridaný do hliníkovej zliatiny (pozri tabuľku 2).

SYSTÉM OZNAČOVANIA LIATÝCH HLINÍKOVÝCH ZLIATIN

Tabuľka 2

Druhá a tretia číslica (xXX.x) sú ľubovoľné čísla priradené na identifikáciu konkrétnej zliatiny v sérii. Číslo za desatinnou čiarkou označuje, či je zliatina odliatok (.0) alebo ingot (.1 alebo .2). Predpona s veľkým písmenom označuje modifikáciu konkrétnej zliatiny.
Príklad: Zliatina – A356.0, veľké A (Axxx.x) označuje modifikáciu zliatiny 356.0. Číslo 3 (A3xx.x) označuje, že ide o kremíkovo-meďnatý a/alebo horčíkový rad. Číslo 56 v (Ax56.0) označuje zliatinu v rámci série 3xx.x a .0 (Axxx.0) označuje, že ide o odliatok konečného tvaru a nie o ingot.

Systém označovania tvrdosti hliníka -Ak vezmeme do úvahy rôzne rady hliníkových zliatin, zistíme, že existujú značné rozdiely v ich vlastnostiach a následnom použití. Prvým bodom, ktorý treba po pochopení systému identifikácie rozpoznať, je, že v rámci vyššie uvedených radov existujú dva výrazne odlišné typy hliníka. Sú to tepelne spracovateľné hliníkové zliatiny (tie, ktoré môžu získať pevnosť pridaním tepla) a tepelne nespracovateľné hliníkové zliatiny. Toto rozlíšenie je obzvlášť dôležité pri posudzovaní vplyvu oblúkového zvárania na tieto dva typy materiálov.

Tvárnené hliníkové zliatiny radov 1xxx, 3xxx a 5xxx nie sú tepelne spracovateľné a sú iba deformačne spevnené. Tvárnené hliníkové zliatiny radov 2xxx, 6xxx a 7xxx sú tepelne spracovateľné a rad 4xxx pozostáva zo tepelne spracovateľných aj tepelne nespracovateľných zliatin. Odlievané zliatiny radov 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x a 7xx.x sú tepelne spracovateľné. Deformačné spevnenie sa na odliatky vo všeobecnosti nepoužíva.

Tepelne spracovateľné zliatiny získavajú svoje optimálne mechanické vlastnosti procesom tepelného spracovania, pričom najbežnejšími tepelnými spracovaniami sú rozpúšťacie tepelné spracovanie a umelé starnutie. Rozpúšťacie tepelné spracovanie je proces ohrevu zliatiny na zvýšenú teplotu (okolo 990 stupňov Fahrenheita), aby sa legujúce prvky alebo zlúčeniny dostali do roztoku. Nasleduje kalenie, zvyčajne vo vode, za účelom vytvorenia presýteného roztoku pri izbovej teplote. Po rozpúšťacom tepelnom spracovaní zvyčajne nasleduje starnutie. Starnutie je vyzrážanie časti prvkov alebo zlúčenín z presýteného roztoku, aby sa dosiahli požadované vlastnosti.

Zliatiny nespracovateľné teplom získavajú svoje optimálne mechanické vlastnosti deformačným spevnením. Deformačné spevnenie je metóda zvyšovania pevnosti aplikáciou tvárnenia za studena. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

ZÁKLADNÉ OZNAČENIA TEPLOTY

Tabuľka 3

Okrem základného označenia stavu existujú dve kategórie podradení, jedna sa týka stavu „H“ – spevnenia deformáciou a druhá sa týka stavu „T“ – tepelne spracovaného.

Pododdelenia H-temperatúry – spevnené deformáciou

Prvá číslica za H označuje základnú operáciu:
H1– Iba spevnené deformáciou.
H2– Spevnené napätím a čiastočne žíhané.
H3– Spevnené a stabilizované.
H4– Spevnené a lakované alebo natierané.

Druhá číslica za H označuje stupeň spevnenia deformáciou:
HX2– Štvrťtvrdý HX4– Polotvrdý HX6– Tri štvrtiny tvrdosti
HX8– Plne tvrdý HX9– Extra tvrdý

Pododdiely T Temper – tepelne spracované

T1- Prirodzene starnuté po ochladení z procesu tvarovania pri zvýšenej teplote, ako je napríklad extrúzia.
T2- Tvárnenie za studena po ochladení z procesu tvarovania pri zvýšenej teplote a následné prirodzené starnutie.
T3- Tepelne spracované v roztoku, tvárnené za studena a prirodzene starnuté.
T4- Tepelne upravené v roztoku a prirodzene starnuté.
T5- Umelo starnuté po ochladení z procesu tvarovania pri zvýšenej teplote.
T6- Tepelne upravené v roztoku a umelo starnuté.
T7- Rozpúšťacie tepelne upravené a stabilizované (prestarnuté).
T8- Tepelne upravené v roztoku, tvárnené za studena a umelo starnuté.
T9- Tepelne upravené v roztoku, umelo starnuté a tvárnené za studena.
T10- Tvárnené za studena po ochladení z procesu tvarovania pri zvýšenej teplote a následne umelo starnuté.

Ďalšie číslice označujú úľavu od stresu.
Príklady:
TX51alebo TXX51– Stres sa uvoľňuje strečingom.
TX52alebo TXX52– Zmiernenie napätia kompresiou.

Hliníkové zliatiny a ich vlastnosti- Ak vezmeme do úvahy sedem sérií tvárnených hliníkových zliatin, oceníme ich rozdiely a pochopíme ich použitie a vlastnosti.

Zliatiny série 1xxx– (nespracovateľné tepelne – s medzou pevnosti v ťahu 10 až 27 ksi) táto séria sa často označuje ako séria čistého hliníka, pretože sa vyžaduje minimálne 99,0 % hliníka. Sú zvárateľné. Vzhľadom na ich úzky rozsah tavenia si však vyžadujú určité opatrenia na dosiahnutie prijateľných zváracích postupov. Pri výrobe sa tieto zliatiny vyberajú predovšetkým pre svoju vynikajúcu odolnosť voči korózii, napríklad v špeciálnych chemických nádržiach a potrubiach, alebo pre svoju vynikajúcu elektrickú vodivosť, napríklad v aplikáciách s prípojnicami. Tieto zliatiny majú relatívne zlé mechanické vlastnosti a zriedkavo by sa zvažovali pre všeobecné konštrukčné aplikácie. Tieto základné zliatiny sa často zvárajú so zodpovedajúcim prídavným materiálom alebo s prídavnými zliatinami triedy 4xxx v závislosti od aplikácie a požiadaviek na výkon.

Zliatiny série 2xxx– (tepelne spracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 27 až 62 ksi) ide o zliatiny hliníka a medi (s prídavkom medi od 0,7 do 6,8 %), ktoré sú vysoko pevné a výkonné a často sa používajú v leteckom priemysle a kozmickom priemysle. Majú vynikajúcu pevnosť v širokom rozsahu teplôt. Niektoré z týchto zliatin sa považujú za nezvárateľné oblúkovým zváraním kvôli ich náchylnosti na praskanie za tepla a korózne praskanie pod napätím; iné sa však pri správnych zváracích postupoch veľmi úspešne zvárajú oblúkom. Tieto základné materiály sa často zvárajú s vysokopevnostnými prídavnými zliatinami radu 2xxx, ktoré sú navrhnuté tak, aby zodpovedali ich výkonu, ale niekedy sa dajú zvárať s prídavnými zliatinami radu 4xxx obsahujúcimi kremík alebo kremík a meď, v závislosti od aplikácie a prevádzkových požiadaviek.

Zliatiny série 3xxx– (tepelne nespracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 16 až 41 ksi) Ide o zliatiny hliníka a mangánu (s prídavkom mangánu od 0,05 do 1,8 %), ktoré majú strednú pevnosť, dobrú odolnosť proti korózii, dobrú tvárnosť a sú vhodné na použitie pri zvýšených teplotách. Jedným z ich prvých použití boli hrnce a panvice a dnes sú hlavnou súčasťou výmenníkov tepla vo vozidlách a elektrárňach. Ich stredná pevnosť však často vylučuje ich použitie v konštrukčných aplikáciách. Tieto základné zliatiny sa zvárajú s prídavnými zliatinami radu 1xxx, 4xxx a 5xxx v závislosti od ich špecifického chemického zloženia a konkrétnych požiadaviek na aplikáciu a prevádzku.

Zliatiny série 4xxx– (tepelne spracovateľné a tepelne nespracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 25 až 55 ksi) Ide o zliatiny hliníka a kremíka (s prídavkom kremíka od 0,6 do 21,5 %) a sú jedinou sériou, ktorá obsahuje tepelne spracovateľné aj tepelne nespracovateľné zliatiny. Kremík, keď sa pridá do hliníka, znižuje jeho bod topenia a zlepšuje jeho tekutosť v roztavenom stave. Tieto vlastnosti sú žiaduce pre prídavné materiály používané na tavné zváranie aj spájkovanie. V dôsledku toho sa táto séria zliatin prevažne vyskytuje ako prídavný materiál. Kremík, nezávisle od hliníka, nie je tepelne spracovateľný; avšak množstvo týchto kremíkových zliatin bolo navrhnutých tak, aby obsahovali prídavky horčíka alebo medi, čo im umožňuje priaznivo reagovať na tepelné spracovanie v roztoku. Tieto tepelne spracovateľné prídavné zliatiny sa zvyčajne používajú iba vtedy, keď má byť zváraný komponent podrobený tepelnému spracovaniu po zváraní.

Zliatiny série 5xxx– (nespracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 18 až 51 ksi) Ide o zliatiny hliníka a horčíka (s prídavkom horčíka od 0,2 do 6,2 %), ktoré majú najvyššiu pevnosť spomedzi nespracovateľných zliatin. Okrem toho je táto séria zliatin ľahko zvárateľná, a preto sa používa v širokej škále aplikácií, ako je stavba lodí, doprava, tlakové nádoby, mosty a budovy. Zliatiny na báze horčíka sa často zvárajú s prídavnými zliatinami, ktoré sa vyberajú po zvážení obsahu horčíka v základnom materiáli a podmienok použitia a prevádzky zváraného komponentu. Zliatiny v tejto sérii s viac ako 3,0 % horčíka sa neodporúčajú na prevádzku pri zvýšených teplotách nad 150 stupňov Fahrenheita kvôli ich potenciálu pre senzibilizáciu a následnú náchylnosť na praskanie v dôsledku korózie pod napätím. Základné zliatiny s menej ako približne 2,5 % horčíka sa často úspešne zvárajú s prídavnými zliatinami série 5xxx alebo 4xxx. Základná zliatina 5052 je všeobecne uznávaná ako základná zliatina s maximálnym obsahom horčíka, ktorú je možné zvárať s prídavnou zliatinou série 4xxx. Kvôli problémom spojeným s eutektickým tavením a s tým spojeným zlým mechanickým vlastnostiam po zváraní sa neodporúča zvárať materiál z tejto série zliatin, ktorý obsahuje vyššie množstvo horčíka, s prídavnými zliatinami série 4xxx. Základné materiály s vyšším obsahom horčíka sa zvárajú iba s prídavnými zliatinami série 5xxx, ktoré vo všeobecnosti zodpovedajú zloženiu základnej zliatiny.

Zliatiny série 6XXX– (tepelne spracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 18 až 58 ksi) Ide o zliatiny hliníka, horčíka a kremíka (s prídavkom horčíka a kremíka približne 1,0 %), ktoré sa hojne vyskytujú v priemysle zvárania, používajú sa prevažne vo forme extrúzií a sú súčasťou mnohých konštrukčných komponentov. Pridaním horčíka a kremíka do hliníka vzniká zlúčenina silicidu horečnatého, ktorá tomuto materiálu umožňuje rozpúšťaciu tepelnú úpravu pre zlepšenie pevnosti. Tieto zliatiny sú prirodzene citlivé na praskanie pri tuhnutí, a preto by sa nemali zvárať autogénne oblúkom (bez prídavného materiálu). Pridanie dostatočného množstva prídavného materiálu počas procesu oblúkového zvárania je nevyhnutné na zriedenie základného materiálu, čím sa zabráni problému s praskaním za tepla. Zvárajú sa s prídavnými materiálmi triedy 4xxx aj 5xxx v závislosti od aplikácie a prevádzkových požiadaviek.

Zliatiny série 7XXX– (tepelne spracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 32 až 88 ksi) Ide o zliatiny hliníka a zinku (s prídavkom zinku od 0,8 do 12,0 %), ktoré patria medzi najpevnejšie hliníkové zliatiny. Tieto zliatiny sa často používajú vo vysokovýkonných aplikáciách, ako sú lietadlá, letecký priemysel a športové vybavenie. Podobne ako séria zliatin 2xxx, aj táto séria zahŕňa zliatiny, ktoré sa považujú za nevhodné na oblúkové zváranie, a iné, ktoré sa často úspešne zvárajú oblúkom. Bežne zvárané zliatiny v tejto sérii, ako napríklad 7005, sa prevažne zvárajú s prídavnými zliatinami série 5xxx.

Zhrnutie- Dnešné hliníkové zliatiny spolu s ich rôznymi tvrdosťami tvoria širokú a všestrannú škálu výrobných materiálov. Pre optimálny návrh výrobku a úspešný vývoj postupov zvárania je dôležité pochopiť rozdiely medzi mnohými dostupnými zliatinami a ich rôznymi výkonnostnými a zvariteľnými vlastnosťami. Pri vývoji postupov oblúkového zvárania pre tieto rôzne zliatiny je potrebné zvážiť konkrétnu zliatinu, ktorá sa zvára. Často sa hovorí, že oblúkové zváranie hliníka nie je náročné, „je len iné“. Verím, že dôležitou súčasťou pochopenia týchto rozdielov je oboznámenie sa s rôznymi zliatinami, ich vlastnosťami a ich systémom identifikácie.