Aluminiu si aliajele sale
Aluminiul este un element chimic, care reprezinta aproximativ 8% din scoarta terestra, facandu-l cel mai abundent metal si al treilea element ca abundenta dupa oxigen si siliciu. Aluminiul este bine cunoscut pentru ca are o densitate mica (aproximativ 2,7 g / cm3) si, prin fenomenul de pasivare, o rezistenta excelenta la coroziune.
Deoarece aluminiul pur este relativ moale, se adauga cantitati mici de elemente de aliere pentru a produce o serie de proprietati mecanice. Aliajele sunt grupate in functie de principalele elemente de aliere. Aliajele comerciale specifice au o denumire din patru cifre in conformitate cu specificatiile internationale pentru aliajele forjate sau sistemul alfa-numeric ISO. Tabelul 1 ofera detalii suplimentare cu privire la compunerea acestor clasificari.
Prima cifra a seriei indica elementul principal de aliere adaugat la aliajul de aluminiu si este utilizata pentru a descrie seria, adica seria 1000 sau seria 5000 etc. A doua cifra reprezinta modificarea aliajului specific din serie; adica x1xx reprezinta prima modificare a aliajului specificat, in timp ce x2xx reprezinta a doua modificare. A treia si a patra cifra identifica aliajul intr-o anumita serie. Pentru a rezuma, aliajul 2024 face parte din seria 2000 de aliaje, are zero modificari si este specificat tipul de aliaj 24.
Exista, totusi, o exceptie de la acest sistem de numerotare si care este pentru aluminiu din seria 1000; ultimele doua cifre furnizeaza procentul minim de aluminiu peste 99%. De exemplu, 1050 inseamna 99,50% continut minim de aluminiu.
Aliajele de aluminiu vor include, de asemenea, o denumire de temperament, acestea definind etape de procesare suplimentare (daca sunt implementate). Denumirile de temperament sunt detaliate in tabelul 2. In plus fata de denumirile de baza de temperament detaliate in tabelul 2, exista doua sub-denumiri pentru „H” - intarire la deformare si „T” - tratate termic. Tabelele 3 si 4 descriu aceste denumiri „H” si respectiv „T”.
Tabelul 1 - Seria aliajelor de aluminiu forjat
| Seria |
Element de aliere de principiu |
Rezistență la tracțiune
(Mpa)*1 |
Tratabil termic |
Aplicatii |
| 1xxx |
99% minimum aluminiu (pure) |
70 - 185 |
X |
Rezistență la coroziune, conducte, conductivitate electrică |
| 2xxx |
cupru |
185 - 430 |
✔ |
Universale, aerospațiale, forjate |
| 3xxx |
Mangan |
110 - 280 |
X |
Oale și tigăi, schimbătoare de căldură, rezistență la coroziune |
| 4xxx |
Silicon |
170 - 380 |
X/✔ |
Sârmă de umplere (sudare) |
| 5xxx |
Magneziu |
125 - 350 |
X |
Marine, auto, presiune, poduri, clădiri |
| 6xxx |
Magneziu si silicon |
125 - 400 |
✔ |
Extrudări, decorative, auto, universale |
| 7xxx |
Zinc |
220 - 750 |
✔ |
Universal, aerospațial, placă blindată, echipament sportiv competitiv |
*1 Depinde de compoziție și de etapele ulterioare de procesare
Tabelul 2 - Denumiri de temperament
| Adnotare |
Sens |
| F |
Fabricat - Se aplică produselor dintr-un proces de formare în care nu este utilizat un control special asupra condiției de întărire termică sau de deformare |
| O |
Recocit - Se aplică produsului care a fost încălzit pentru a produce cea mai mică rezistență pentru a îmbunătăți ductilitatea |
| H |
Tulpina întărită - Se aplică produselor care sunt întărite prin prelucrarea la rece. Întărirea tulpinii poate fi urmată de un tratament termic suplimentar, care produce o oarecare reducere a rezistenței. Două sau mai multe cifre urmează întotdeauna „H” |
| W |
Soluție tratată termic - Un temperament instabil aplicabil numai aliajelor care îmbătrânesc spontan la temperatura camerei după tratamentul termic cu soluție |
| T |
Tratat termic - Pentru a produce temperaturi stabile, altele decât F, O sau H. Se aplică produsului care a fost tratat termic, uneori cu întărire suplimentară a tulpinii pentru a produce un temperament stabil. Una sau mai multe cifre urmează întotdeauna „T” |
Tabelul 3 - Subdiviziuni ale denumirilor „H” Temper
| H - adnotari*2 |
Sens |
| H1x |
Tulpina întărită |
| H2x |
Tulpina întărită și parțial recoaptă |
| H3x |
Tulpina întărită și stabilizată |
| H4x |
Tulpina întărită și lăcuită sau vopsită |
*2 Cea de-a doua cifră „x” indică gradul de întărire a deformării: x2 - sfert tare, x4 - jumătate tare, x6 - trei sferturi tare, x8 - complet dur, x9 - extra dur
Tabelul 4 - Subdiviziuni ale denumirilor „T” Temper
| T - adnotari *3 | Sens |
|---|
| T1 |
Îmbătrânit natural după răcire după un proces de modelare a temperaturii ridicate |
|---|
| T2 |
La rece a funcționat după răcire dintr-un proces de modelare a temperaturii ridicate și apoi a îmbătrânit natural |
|---|
| T3 |
Soluție tratată termic, prelucrată la rece și îmbătrânită natural |
|---|
| T4 |
Soluție tratată termic și îmbătrânită natural |
|---|
| T5 |
Îmbătrânit artificial după răcire după un proces de modelare a temperaturii ridicate |
|---|
| T6 |
Soluție tratată termic și îmbătrânită artificial |
|---|
| T7 |
Soluție tratată termic și stabilizată (suprasolicitată) |
|---|
| T8 |
Soluție tratată termic, prelucrată la rece și îmbătrânită artificial |
|---|
| T9 |
Soluție tratată termic, îmbătrânită artificial și prelucrată la rece |
|---|
| T10 |
La rece a funcționat după răcire dintr-un proces de modelare a temperaturii ridicate și apoi a îmbătrânit artificial |
|---|
*3 Cifrele suplimentare pot fi adăugate la denumirea „Tx” și indică ameliorarea stresului. TX51 sau TXX51 - stresul ameliorat prin întindere, și TX52 sau TXX52 - stresul ameliorat prin comprimare
De ce sudam aluminiu?
Aliajele de aluminiu sunt omniprezente in aplicatiile de transport, deoarece ofera materiale tehnice cu rapoarte bune rezistenta / greutate la un cost rezonabil. Alte aplicatii utilizeaza rezistenta la coroziune si conductivitatea (atat termica, cat si electrica) a unor aliaje. Desi in mod normal au rezistenta redusa, unele dintre aliajele mai complexe pot avea proprietati mecanice echivalente cu otelurile. Datorita numeroaselor avantaje ale aliajelor de aluminiu oferite industriei, este necesar sa se identifice cele mai bune practici pentru aderarea la acestea.
Este dificila sudarea aluminiului?
Aliajele de aluminiu prezinta o serie de dificultati la sudare, inclusiv:
- Conductivitate termica ridicata. Acest lucru are ca rezultat o disipare excesiva a caldurii, ceea ce poate face sudarea dificila si / sau poate duce la distorsiuni nedorite ale pieselor, datorita necesitatii unei calduri mai mari.
- Solubilitatea in hidrogen. Hidrogenul este foarte solubil in aluminiu topit, rezultand absorbtia hidrogenului de catre bazinul de sudura in timpul prelucrarii. Odata ce materialul topit se solidifica, bulele de hidrogen devin prinse, creand porozitate.
- Stratul de oxid. Aluminiile au un strat de oxid (oxid de aluminiu), care are un punct de topire mult mai mare (2060 C °) decat aliajul de aluminiu parinte (660 C °). La sudare, acest lucru poate duce la includerea stratului de oxid in regiunea de sudura, provocand potential lipsa defectelor de fuziune si reducand rezistenta sudurii. In consecinta, piesele de prelucrat trebuie curatate cu o perie de sarma sau cu o gravura chimica inainte de sudare pentru a preveni includerea oxidului.
Cum poate fi sudat aluminiu?
Exista numeroase procese care pot fi utilizate pentru sudarea aluminiului si a aliajelor sale, care sunt detaliate mai jos:
Sudare cu arc
Sudarea cu arc este frecvent utilizata pentru imbinarea aliajelor de aluminiu. Majoritatea claselor forjate din seriile 1xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx si de rezistenta medie 7xxx (de ex. 7020) pot fi sudate prin fuziune cu procese bazate pe arc. Aliajele din seria 5xxx, in special, au o sudabilitate excelenta. Aliajele de inalta rezistenta (de exemplu, 7010 si 7050) si majoritatea seriilor 2xxx nu sunt recomandate pentru sudarea prin fuziune, deoarece sunt predispuse la lichidare si fisurare de solidificare.
- Poti sa sudezi aluminiu cu MIG? Sudarea MIG poate fi utilizata cu succes pentru imbinarea aliajelor de aluminiu. Procesul este cel mai potrivit pentru calibre mai subtiri de material, cum ar fi tabla de aluminiu, deoarece cantitatea de caldura necesara este mai mica in comparatie cu placile mai groase. Argonul pur este gazul de protectie preferat pentru acest proces, iar firul / tija de sudura utilizata trebuie sa fie compozitional cat mai similar posibil cu piesele sudate
- Poti sa sudezi aluminiu cu TIG? Sudarea TIG poate fi utilizata si pentru imbinarea aliajelor de aluminiu. Datorita conductivitatii termice ridicate a aluminiului in vrac, procesul TIG permite generarea suficienta de caldura pentru a mentine regiunea de sudura suficient de fierbinte pentru a crea o piscina de sudura. Sudarea TIG poate fi utilizata pentru unirea sectiunilor groase si subtiri. Similar cu sudarea MIG, argonul pur este gazul de protectie preferat, iar firul / tija de sudura utilizata ar trebui sa fie similara din punct de vedere compozitional cu piesele sudate.
Sudare cu laser
La fel ca alte procese bazate pe fuziune, inclusiv sudarea cu arc, fasciculele laser pot fi utilizate pentru sudarea multor serii de aliaje de aluminiu. Sudarea cu laser este de obicei un proces de sudare mai rapid comparativ cu alte procese de sudare datorita densitatii sale ridicate de putere la suprafata materialului. Sudarea cu gaura cu laser este capabila sa produca suduri cu raport de aspect ridicat (latime ingusta de sudura: adancime mare de sudura), rezultand zone inguste afectate de caldura. Sudarea cu fascicul laser poate fi utilizata cu materiale sensibile la fisuri, cum ar fi seria 6000 de aliaje de aluminiu atunci cand este combinata cu un material de umplere adecvat, cum ar fi aliajele de aluminiu 4032 sau 4047. Gazele de luciu utilizate sunt selectate in functie de gradul de aluminiu care urmeaza sa fie imbinat.
Sudare cu fascicul de electroni
In mod similar cu sudarea cu laser, fasciculele de electroni sunt bune la producerea sudurilor rapide si a bazinelor mici de sudura. Grinzile de electroni sunt, de asemenea, mai bune la producerea sudurilor in sectiuni foarte groase de aluminiu. Spre deosebire de alte procese bazate pe fuziune, sudarea cu fascicul de electroni are loc in vid, ceea ce inseamna ca nu este necesar un gaz de protectie, rezultand suduri foarte pure.
Selectia corecta a metalului de umplutura (sarma de umplere sau tija de umplutura), parametrii de sudare selectati cu atentie si proiectarea imbinarilor sunt esentiale pentru a minimiza riscul de fisurare la cald in aliajele de aluminiu atunci cand se utilizeaza procese de sudare prin fuziune precum arc, fascicul de electroni si sudare cu laser.
Aluminiu de sudura prin frecare
Sudare prin frecare
Sudarea prin frecare este un proces de imbinare in stare solida (adica nu se produce topirea metalului), care este deosebit de potrivit pentru imbinarea aliajelor de aluminiu. Sudarea prin frecare este capabila sa uneasca toate seriile de aliaje de aluminiu, inclusiv 2xxx si 7xxx, care sunt dificile cu procesele bazate pe fuziune. Mai mult, datorita naturii procesului in stare solida, este eliminata necesitatea unui gaz de protectie si se obtine performante mecanice superioare ale regiunii de sudura in comparatie cu procesele de sudare prin fuziune. Exista mai multe variante de procesare a frictiunii:
- Sudare prin frecare (FSW). FSW a fost dezvoltat la TWI Ltd in 1991. FSW functioneaza utilizand un instrument neconsumabil, care este rotit si cufundat in interfata a doua piese de prelucrat. Instrumentul este apoi deplasat prin interfata, iar caldura prin frecare face ca materialul sa se incalzeasca si sa se inmoaie. Instrumentul rotativ amesteca apoi mecanic materialul inmuiat pentru a produce o sudura. Procesul este de obicei utilizat pentru imbinarea materialului de tabla / placa de aluminiu
- Reumpleti sudarea punctului de frecare prin frecare (RFSSW). RFSSW este o dezvoltare a procesului FSW si este utilizat ca tehnica de sudare prin puncte pentru a inlocui niturile in aplicatiile din tabla de aluminiu
- Sudare prin frecare liniara (LFW). LFW functioneaza osciland o piesa de prelucrat fata de alta in timp ce se afla sub o forta mare de compresie. Frictiunea dintre suprafetele oscilante produce caldura, provocand plastifierea materialului de interfata. Materialul plastifiat este apoi expulzat din interfata, determinand scurtarea (arderea) pieselor in directia fortei de compresie. In timpul arderii, contaminantii interfetei, cum ar fi oxizii si particulele straine, care pot afecta proprietatile si, eventual, durata de viata a unei suduri, sunt expulzati in blit. Odata ce nu contine contaminanti, are loc contactul pur metal cu metal, rezultand o sudura. Procesul este utilizat pentru imbinarea componentelor de aluminiu in vrac pentru a produce forme aproape nete
- Sudare prin frecare rotativa (RFW). RFW este similar cu LFW, cu exceptia faptului ca piesele de aluminiu in vrac sunt cilindrice si rotite pentru a genera caldura de frecare in loc de oscilare liniara
Care este cea mai buna metoda de utilizat pentru sudarea aluminiului?
Cea mai buna metoda de sudare a aluminiului si a aliajelor sale depinde de aplicatia de imbinare de interes. Urmatoarele puncte ar trebui incluse pentru a fi luate in considerare inainte de a decide asupra unui proces de sudare:
- Cost (echipamente de sudura, consumabile, eliminarea deseurilor, costuri de operare etc.)
- Performanta dorita de sudura
- Constrangeri geometrice
- Disponibilitatea furnizorului
- Repetabilitate
- Toleranta la distorsiune
- Viteza de productie
- Sanatate si siguranta
Cum va poate ajuta TWI?
TWI are o lunga istorie de lucru cu membrii sai pentru a depasi provocarile legate de imbinarea aluminiului si aliajelor sale, inclusiv utilizarea sudarii prin frecare, sudare cu laser, sudare cu fascicul de electroni si lipire, printre multe alte procese.