S rastom hliníka v priemysle zvárania a jeho akceptovaním ako výbornej alternatívy k oceli pre mnohé aplikácie sa zvyšujú požiadavky na tých, ktorí sa podieľajú na vývoji hliníkových projektov, aby sa lepšie oboznámili s touto skupinou materiálov. Aby ste úplne porozumeli hliníku, odporúča sa začať oboznámením sa so systémom identifikácie/označovania hliníka, množstvom dostupných hliníkových zliatin a ich charakteristikami.

Systém temperovania a označovania hliníkových zliatin- V Severnej Amerike je za prideľovanie a registráciu hliníkových zliatin zodpovedná spoločnosť The Aluminium Association Inc. V súčasnosti je v Aluminium Association registrovaných viac ako 400 tvárneného hliníka a tvárnených hliníkových zliatin a vyše 200 hliníkových zliatin vo forme odliatkov a ingotov. Limity chemického zloženia zliatin pre všetky tieto registrované zliatiny sú uvedené v Aluminium Association'sTeal Books názvom „Medzinárodné označenia zliatin a limity chemického zloženia pre tvárnený hliník a tvárnené hliníkové zliatiny“ a v ichRužová knihas názvom „Označenia a limity chemického zloženia pre hliníkové zliatiny vo forme odliatkov a ingotov. Tieto publikácie môžu byť mimoriadne užitočné pre zváračského inžiniera pri vývoji zváracích postupov, a keď je dôležité zvážiť chémiu a jej spojenie s citlivosťou na trhliny.

Zliatiny hliníka možno kategorizovať do niekoľkých skupín na základe vlastností konkrétneho materiálu, ako je jeho schopnosť reagovať na tepelné a mechanické spracovanie a primárny legovací prvok pridaný do hliníkovej zliatiny. Keď vezmeme do úvahy systém číslovania/identifikácie používaný pre hliníkové zliatiny, identifikujeme vyššie uvedené charakteristiky. Kované a liate hliníky majú rôzne systémy identifikácie. Kovaný systém je 4-miestny systém a odliatky majú systém 3-miestne a 1-desatinné.

Systém označovania kovaných zliatin- Najprv zvážime 4-miestny identifikačný systém kovanej hliníkovej zliatiny. Prvá číslica (Xxxx) označuje hlavný legujúci prvok, ktorý bol pridaný do hliníkovej zliatiny a často sa používa na opis série hliníkových zliatin, tj série 1000, séria 2000, séria 3000 až po sériu 8000 (pozri tabuľku 1).

Druhá jediná číslica (xXxx), ak sa líši od 0, označuje modifikáciu špecifickej zliatiny a tretia a štvrtá číslica (xxXX) sú ľubovoľné čísla určené na identifikáciu konkrétnej zliatiny v sérii. Príklad: V zliatine 5183 číslo 5 znamená, že ide o sériu zliatin horčíka, číslo 1 znamená, že ide o 1^stmodifikácia pôvodnej zliatiny 5083 a 83 ju identifikuje v sérii 5xxx.

Jedinou výnimkou z tohto systému číslovania zliatin sú hliníkové zliatiny série 1xxx (čisté hliníky), v ktorých posledné 2 číslice poskytujú minimálne percento hliníka nad 99 %, tj zliatina 13(50)(minimálne 99,50 % hliníka).

SYSTÉM OZNAČOVANIA TOVANEJ HLINÍKOVEJ ZLIATINY

Tabuľka 1

Označenie odlievanej zliatiny- Systém označovania liatych zliatin je založený na 3-miestne plus desatinné označenie xxx.x (tj 356,0). Prvá číslica (Xxx.x) označuje hlavný legujúci prvok, ktorý bol pridaný do hliníkovej zliatiny (pozri tabuľku 2).

SYSTÉM OZNAČOVANIA ZLIATINY HLINÍKA

Tabuľka 2

Druhá a tretia číslica (xXX.x) sú ľubovoľné čísla určené na identifikáciu konkrétnej zliatiny v sérii. Číslo za desatinnou čiarkou udáva, či ide o odliatok (.0) alebo ingot (.1 alebo .2). Predpona s veľkým písmenom označuje modifikáciu špecifickej zliatiny.
Príklad: Zliatina – A356.0 veľké A (Axxx.x) označuje modifikáciu zliatiny 356.0. Číslo 3 (A3xx.x) označuje, že ide o kremík plus meď a/alebo horčík. 56 palcov (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 označenia teploty hliníka -Ak vezmeme do úvahy rôzne série hliníkových zliatin, uvidíme, že existujú značné rozdiely v ich charakteristikách a následnom použití. Prvým bodom, ktorý treba po pochopení identifikačného systému rozpoznať, je, že v rámci vyššie uvedenej série existujú dva zreteľne odlišné typy hliníka. Ide o tepelne spracovateľné hliníkové zliatiny (tie, ktoré môžu získať pevnosť pridaním tepla) a tepelne neupraviteľné hliníkové zliatiny. Toto rozlíšenie je obzvlášť dôležité pri zvažovaní účinkov oblúkového zvárania na tieto dva typy materiálov.

Tvárnené hliníkové zliatiny série 1xxx, 3xxx a 5xxx nie sú tepelne upraviteľné a sú len deformovateľné. Tvárnené hliníkové zliatiny série 2xxx, 6xxx a 7xxx sú tepelne spracovateľné a séria 4xxx pozostáva z tepelne spracovateľných aj tepelne nespracovaných zliatin. Liate zliatiny radu 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x a 7xx.x sú tepelne spracovateľné. Vytvrdzovanie deformáciou sa na odliatky vo všeobecnosti nepoužíva.

Tepelne spracovateľné zliatiny získavajú svoje optimálne mechanické vlastnosti procesom tepelného spracovania, pričom najbežnejšími tepelnými úpravami sú roztokové tepelné spracovanie a umelé starnutie. Roztokové tepelné spracovanie je proces zahrievania zliatiny na zvýšenú teplotu (okolo 990 °F), aby sa legujúce prvky alebo zlúčeniny rozpustili. Potom nasleduje ochladenie, zvyčajne vo vode, aby sa vytvoril presýtený roztok pri izbovej teplote. Po tepelnom spracovaní roztoku zvyčajne nasleduje starnutie. Starnutie je vyzrážanie časti prvkov alebo zlúčenín z presýteného roztoku s cieľom získať požadované vlastnosti.

Tepelne nespracovateľné zliatiny získavajú svoje optimálne mechanické vlastnosti kalením. Vytvrdzovanie deformáciou je metóda zvyšovania pevnosti pomocou spracovania za studena.T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

ZÁKLADNÉ OZNAČENIA TEPLOTY

Tabuľka 3

Okrem základného označenia temperovania existujú dve pododdielové kategórie, jedna sa vzťahuje na označenie „H“ temperovanie – deformačné tvrdenie a druhá na označenie „T“ temperovanie – tepelne upravené.

Rozdelenie H Temper – Strain Hardened

Prvá číslica po H označuje základnú operáciu:
H1– Len spevnený kmeňom.
H2– Spevnené a čiastočne žíhané.
H3– Spevnené a stabilizované napätím.
H4– Vytvrdené a lakované alebo natreté.

Druhá číslica za H označuje stupeň deformačného spevnenia:
HX2– Quarter Hard HX4- Polovičná tvrdosť HX6– Tri štvrtiny ťažké
HX8– Full Hard HX9- Extra ťažké

Pododdiely T Temper – Tepelne spracované

T1- Prirodzene starne po ochladení z procesu tvarovania pri zvýšenej teplote, ako je vytláčanie.
T2- Spracované za studena po ochladení z procesu tvarovania pri zvýšenej teplote a potom prirodzené starnutie.
T3- Roztok tepelne spracovaný, opracovaný za studena a prirodzene zrejúci.
T4- Roztok tepelne spracovaný a prirodzene starnutý.
T5- Umelo starne po ochladení z procesu tvarovania pri zvýšenej teplote.
T6- Roztok tepelne spracovaný a umelo starnutý.
T7- Roztok tepelne spracovaný a stabilizovaný (overaging).
T8- Roztokovo tepelne spracované, opracované za studena a umelo starnuté.
T9- Tepelne spracované roztokom, umelo starnuté a opracované za studena.
T10- Spracované za studena po ochladení z procesu tvarovania pri zvýšenej teplote a potom umelo starnúť.

Ďalšie číslice označujú úľavu od stresu.
Príklady:
TX51alebo TXX51- Strečing sa zmierňuje strečingom.
TX52alebo TXX52– Stres sa zmierňuje stláčaním.

Zliatiny hliníka a ich vlastnosti- Ak vezmeme do úvahy sedem sérií tvárnených hliníkových zliatin, oceníme ich rozdiely a pochopíme ich aplikácie a vlastnosti.

Zliatiny radu 1xxx– (netepelne spracovateľná – s medzou pevnosti v ťahu 10 až 27 ksi) táto séria sa často označuje ako séria z čistého hliníka, pretože sa vyžaduje, aby mala minimálne 99,0 % hliníka. Sú zvárateľné. Vzhľadom na ich úzky rozsah tavenia si však vyžadujú určité úvahy, aby sa vytvorili prijateľné postupy zvárania. Keď sa uvažuje o výrobe, tieto zliatiny sa vyberajú predovšetkým pre ich vynikajúcu odolnosť proti korózii, ako napríklad v špecializovaných chemických nádržiach a potrubiach, alebo pre ich vynikajúcu elektrickú vodivosť ako v aplikáciách zberníc. Tieto zliatiny majú relatívne zlé mechanické vlastnosti a len zriedka by sa uvažovali o všeobecných konštrukčných aplikáciách. Tieto základné zliatiny sú často zvárané so zodpovedajúcim prídavným materiálom alebo s prídavnými zliatinami 4xxx v závislosti od požiadaviek aplikácie a výkonu.

Zliatiny série 2xxx– (tepelne spracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 27 až 62 ksi) sú to zliatiny hliníka / medi (prímesy medi v rozsahu od 0,7 do 6,8 %) a sú to vysoko pevné a vysokovýkonné zliatiny, ktoré sa často používajú v leteckom a leteckom priemysle. Majú vynikajúcu pevnosť v širokom rozsahu teplôt. Niektoré z týchto zliatin sa pri oblúkovom zváraní považujú za nezvárateľné, pretože sú náchylné na praskanie za tepla a korózne praskanie pod napätím; iné sú však zvárané oblúkom veľmi úspešne so správnymi postupmi zvárania. Tieto základné materiály sú často zvárané s vysokopevnostnými prídavnými zliatinami série 2xxx, ktoré sú navrhnuté tak, aby zodpovedali ich výkonu, ale niekedy sa dajú zvárať s prídavnými materiálmi série 4xxx obsahujúcimi kremík alebo kremík a meď, v závislosti od požiadaviek aplikácie a služby.

Zliatiny radu 3xxx– (tepelne nespracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 16 až 41 ksi) Ide o zliatiny hliník/mangán (prímesy mangánu v rozsahu od 0,05 do 1,8 %) a 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 mierna pevnosť však často znemožňuje ich zváženie pre konštrukčné aplikácie. Tieto základné zliatiny sa zvárajú s prídavnými zliatinami radu 1xxx, 4xxx a 5xxx v závislosti od ich špecifickej chémie a konkrétnych požiadaviek na aplikáciu a servis.

Zliatiny radu 4xxx– (tepelne spracovateľné a tepelne neupraviteľné – s medzou pevnosti v ťahu 25 až 55 ksi) Ide o zliatiny hliníka/kremíka (prísady kremíka v rozsahu od 0,6 do 21,5 %) a sú jedinými sériami, ktoré obsahujú tepelne spracovateľné aj ne tepelne spracovateľné zliatiny. Kremík, keď sa pridá k hliníku, znižuje jeho teplotu topenia a zlepšuje jeho tekutosť pri roztavení. Tieto vlastnosti sú žiaduce pre prídavné materiály používané ako na tavné zváranie, tak aj na tvrdé spájkovanie. V dôsledku toho sa tento rad zliatin vyskytuje prevažne ako výplňový materiál. Kremík, nezávisle na hliníku, nie je tepelne spracovateľný; avšak množstvo týchto kremíkových zliatin bolo navrhnutých tak, aby obsahovali prídavok horčíka alebo medi, čo im poskytuje schopnosť priaznivo reagovať na tepelné spracovanie v roztoku. Typicky sa tieto tepelne spracovateľné zliatiny plniva používajú len vtedy, keď sa má zváraný komponent podrobiť tepelnému spracovaniu po zváraní.

Zliatiny radu 5xxx– (tepelne nespracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 18 až 51 ksi) Ide o zliatiny hliník/horčík (prídavky horčíka v rozsahu od 0,2 do 6,2 %) a majú najvyššiu pevnosť zo zliatin tepelne neupraviteľných. Okrem toho je táto séria zliatin ľahko zvárateľná az týchto dôvodov sa používajú 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 °F kvôli ich potenciálu senzibilizácie a následnej náchylnosti na korózne praskanie pod napätím. Základné zliatiny s menej ako približne 2,5 % horčíka sa často úspešne zvárajú s prídavnými zliatinami radu 5xxx alebo 4xxx. Základná zliatina 5052 je všeobecne uznávaná ako základná zliatina s maximálnym obsahom horčíka, ktorú možno zvárať s prídavnou zliatinou radu 4xxx. Kvôli problémom spojeným s eutektickým tavením a súvisiacimi zlými mechanickými vlastnosťami pri zváraní sa neodporúča zvárať materiál v tejto sérii zliatin, ktoré obsahujú vyššie množstvá horčíka s plnivami série 4xxx. Materiály na báze horčíka s vyšším obsahom horčíka sú zvárané iba zliatinami plniva 5xxx, ktoré vo všeobecnosti zodpovedajú zloženiu základnej zliatiny.

Zliatiny radu 6XXX– (tepelne spracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 18 až 58 ksi) Ide o zliatiny hliník/horčík – kremík (prídavky horčíka a kremíka okolo 1,0 %) a nachádzajú sa vo veľkej miere v celom zváracom priemysle, používajú sa prevažne vo forme extrúzie a začlenené do mnohých konštrukčných komponentov. Pridaním horčíka a kremíka k hliníku vzniká zlúčenina silicidu horčíka, ktorá dáva tomuto materiálu schopnosť stať sa tepelne spracovaným v roztoku na zlepšenie pevnosti. Tieto zliatiny sú prirodzene citlivé na trhliny pri tuhnutí a z tohto dôvodu by sa nemali oblúkovo zvárať autogénne (bez prídavného materiálu). Pridanie adekvátnych množstiev prídavného materiálu počas procesu oblúkového zvárania je nevyhnutné na zabezpečenie zriedenia základného materiálu, čím sa zabráni problémom s praskaním za tepla. Zvárajú sa s prídavnými materiálmi 4xxx aj 5xxx, v závislosti od aplikácie a požiadaviek na servis.

Zliatiny radu 7XXX– (tepelne spracovateľné – s medzou pevnosti v ťahu 32 až 88 ksi) Ide o zliatiny hliník/zinok (prídavky zinku v rozsahu od 0,8 do 12,0 %) a zahŕňajú niektoré z najpevnejších hliníkových zliatin. Tieto zliatiny sa často používajú vo vysokovýkonných aplikáciách, ako sú lietadlá, kozmonautika a súťažné športové vybavenie. Rovnako ako séria zliatin 2xxx, aj táto séria obsahuje zliatiny, ktoré sa považujú za nevhodných kandidátov na oblúkové zváranie, a iné, ktoré sa často úspešne oblúkovo zvárajú. Bežne zvárané zliatiny v tejto sérii, ako napríklad 7005, sa zvárajú prevažne s prídavnými zliatinami série 5xxx.

Zhrnutie- Dnešné hliníkové zliatiny spolu s ich rôznymi temperami tvoria širokú a všestrannú škálu výrobných materiálov. Pre optimálny dizajn produktu a úspešný vývoj zváracích postupov je dôležité pochopiť rozdiely medzi mnohými dostupnými zliatinami a ich rôznymi charakteristikami výkonu a zvárateľnosti. Pri vývoji postupov oblúkového zvárania pre tieto rôzne zliatiny je potrebné vziať do úvahy konkrétnu zliatinu, ktorá sa má zvárať. Často sa hovorí, že oblúkové zváranie hliníka nie je ťažké, „je len iné“. Verím, že dôležitou súčasťou pochopenia týchto rozdielov je zoznámenie sa s rôznymi zliatinami, ich charakteristikami a ich identifikačným systémom.