Mit dem wachsenden Einsatz von Aluminium in der Schweißtechnik und seiner Akzeptanz als hervorragende Alternative zu Stahl für viele Anwendungen steigt der Bedarf an fundierten Kenntnissen über diese Werkstoffgruppe bei allen, die Aluminiumprojekte entwickeln. Um Aluminium umfassend zu verstehen, empfiehlt es sich, zunächst das Kennzeichnungssystem für Aluminium, die verschiedenen verfügbaren Aluminiumlegierungen und deren Eigenschaften kennenzulernen.

Das Härte- und Bezeichnungssystem für AluminiumlegierungenIn Nordamerika ist die Aluminum Association Inc. für die Zuteilung und Registrierung von Aluminiumlegierungen zuständig. Derzeit sind über 400 Aluminium-Knetlegierungen und über 200 Aluminiumlegierungen in Form von Gussteilen und Barren bei der Aluminum Association registriert. Die Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung all dieser registrierten Legierungen sind in den Richtlinien der Aluminum Association festgelegt.Türkisfarbenes Buchmit dem Titel „Internationale Legierungsbezeichnungen und Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung von Aluminiumknetlegierungen“ und in derenPinkes BuchDie Veröffentlichungen mit dem Titel „Bezeichnungen und Grenzwerte der chemischen Zusammensetzung für Aluminiumlegierungen in Form von Gussteilen und Blöcken“ sind für Schweißfachleute bei der Entwicklung von Schweißverfahren äußerst hilfreich, insbesondere wenn die chemische Zusammensetzung und deren Zusammenhang mit der Rissempfindlichkeit von Bedeutung sind.

Aluminiumlegierungen lassen sich anhand ihrer Materialeigenschaften, wie ihrer Reaktionsfähigkeit auf thermische und mechanische Behandlungen und dem primären Legierungselement, in verschiedene Gruppen einteilen. Diese Eigenschaften spiegeln sich auch im Nummerierungs- bzw. Identifikationssystem für Aluminiumlegierungen wider. Für gewalzte und gegossene Aluminiumlegierungen gelten unterschiedliche Kennzeichnungssysteme: Das System für gewalzte Legierungen besteht aus vier Ziffern, das für Gusslegierungen aus drei Ziffern mit einer Nachkommastelle.

Bezeichnungssystem für Knetlegierungen- Zunächst betrachten wir das 4-stellige Identifikationssystem für geschmiedete Aluminiumlegierungen. Die erste Ziffer (Xxxx) bezeichnet das wichtigste Legierungselement, das der Aluminiumlegierung hinzugefügt wurde, und wird oft zur Beschreibung der Aluminiumlegierungsreihe verwendet, z. B. 1000er-Reihe, 2000er-Reihe, 3000er-Reihe bis hin zur 8000er-Reihe (siehe Tabelle 1).

Die zweite einstellige Ziffer (xXxx), falls ungleich 0, kennzeichnet eine Modifikation der jeweiligen Legierung, und die dritte und vierte Ziffer (xxXXDie Ziffern ) sind willkürliche Nummern, die zur Kennzeichnung einer bestimmten Legierung innerhalb der Reihe vergeben werden. Beispiel: In der Legierung 5183 gibt die Ziffer 5 an, dass sie zur Magnesiumlegierungsreihe gehört, die Ziffer 1 gibt an, dass es sich um die erste Legierung handelt.^stModifikation der ursprünglichen Legierung 5083, wobei die 83 sie in die 5xxx-Serie einordnet.

Die einzige Ausnahme von diesem Legierungsnummerierungssystem bilden die Aluminiumlegierungen der 1xxx-Serie (Reinaluminium). In diesem Fall geben die letzten beiden Ziffern den minimalen Aluminiumanteil über 99 % an, z. B. Legierung 13.(50)(mindestens 99,50 % Aluminium).

Bezeichnungssystem für Aluminium-Schmiedelegierungen

Tabelle 1

Bezeichnung der Gusslegierung- Das Bezeichnungssystem für Gusslegierungen basiert auf einer dreistelligen Bezeichnung mit Dezimaltrennzeichen, z. B. xxx.x (z. B. 356,0). Die erste Ziffer (Xxx.x) bezeichnet das wichtigste Legierungselement, das der Aluminiumlegierung hinzugefügt wurde (siehe Tabelle 2).

Bezeichnungssystem für Aluminiumgusslegierungen

Tabelle 2

Die zweite und dritte Ziffer (xXXDie Ziffern .x sind willkürliche Nummern zur Kennzeichnung einer bestimmten Legierung innerhalb der Reihe. Die Zahl nach dem Komma gibt an, ob es sich um ein Gussteil (.0) oder einen Block (.1 oder .2) handelt. Ein vorangestellter Großbuchstabe kennzeichnet eine Modifikation der Legierung.
Beispiel: Legierung – A356.0 das große A (Axxx.x) kennzeichnet eine Modifikation der Legierung 356.0. Die Zahl 3 (A3xx.x) bedeutet, dass es sich um ein Element der Silizium-Kupfer- und/oder Magnesiumreihe handelt. Die Zahl 56 in (Ax)56.0) kennzeichnet die Legierung innerhalb der 3xx.x-Reihe, und die .0 (Axxx).0) bedeutet, dass es sich um ein fertiges Gussteil und nicht um einen Gussblock handelt.

Das System zur Kennzeichnung der Aluminiumhärtegrade -Betrachtet man die verschiedenen Reihen von Aluminiumlegierungen, so zeigen sich erhebliche Unterschiede in ihren Eigenschaften und den daraus resultierenden Anwendungsbereichen. Nach dem Verständnis des Kennzeichnungssystems ist zunächst zu erkennen, dass es innerhalb der genannten Reihen zwei deutlich unterschiedliche Aluminiumtypen gibt: wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen (die durch Wärmezufuhr an Festigkeit gewinnen) und nicht wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen. Diese Unterscheidung ist besonders wichtig, wenn man die Auswirkungen des Lichtbogenschweißens auf diese beiden Werkstofftypen betrachtet.

Die Knetlegierungen der Serien 1xxx, 3xxx und 5xxx sind nicht wärmebehandelbar und nur kaltverfestigbar. Die Knetlegierungen der Serien 2xxx, 6xxx und 7xxx sind wärmebehandelbar, während die Serie 4xxx sowohl wärmebehandelbare als auch nicht wärmebehandelbare Legierungen umfasst. Die Gusslegierungen der Serien 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x und 7xx.x sind wärmebehandelbar. Kaltverfestigung wird bei Gussteilen im Allgemeinen nicht angewendet.

Wärmebehandelbare Legierungen erlangen ihre optimalen mechanischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung. Die gängigsten Wärmebehandlungsverfahren sind Lösungsglühen und künstliche Alterung. Beim Lösungsglühen wird die Legierung auf eine erhöhte Temperatur (ca. 990 °F) erhitzt, um die Legierungselemente oder -verbindungen in Lösung zu bringen. Anschließend wird die Legierung abgeschreckt, üblicherweise in Wasser, um eine übersättigte Lösung bei Raumtemperatur zu erzeugen. Auf das Lösungsglühen folgt in der Regel die Alterung. Bei der Alterung scheidet sich ein Teil der Elemente oder Verbindungen aus der übersättigten Lösung ab, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

Nicht wärmebehandelbare Legierungen erreichen ihre optimalen mechanischen Eigenschaften durch Kaltverfestigung. Kaltverfestigung ist ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung durch Kaltumformung. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

DIE GRUNDLEGENDEN TEMPERATURBEZEICHNUNGEN

Tabelle 3

Zusätzlich zur grundlegenden Härtebezeichnung gibt es zwei Unterkategorien: Die eine befasst sich mit der Härtebezeichnung „H“ – Kaltverfestigung, die andere mit der Härtebezeichnung „T“ – Wärmebehandelt.

Unterteilungen von H-Zustand – Kaltverfestigt

Die erste Ziffer nach dem H kennzeichnet eine Grundoperation:
H1– Nur kaltverfestigt.
H2– Kaltverfestigt und teilgeglüht.
H3– Kaltverfestigt und stabilisiert.
H4– Kaltverfestigt und lackiert oder gestrichen.

Die zweite Ziffer nach dem H gibt den Grad der Kaltverfestigung an:
HX2– Quarter Hard HX4– Halbharter HX6– Dreiviertel hart
HX8– Vollständiger Hard HX9– Extra hart

Unterteilungen von T Temper – wärmebehandelt

T1- Natürlich gealtert nach dem Abkühlen nach einem Formgebungsprozess bei erhöhter Temperatur, wie z. B. dem Extrudieren.
T2- Kaltverformt nach dem Abkühlen vom Formgebungsprozess bei erhöhter Temperatur und anschließend natürlich gealtert.
T3- Lösungsgeglüht, kaltverformt und natürlich gealtert.
T4- Lösungsgeglüht und natürlich gealtert.
T5- Künstlich gealtert nach Abkühlung aus einem Formgebungsprozess bei erhöhter Temperatur.
T6- Lösungsgeglüht und künstlich gealtert.
T7- Lösungsgeglüht und stabilisiert (überaltert).
T8- Lösungsgeglüht, kaltverformt und künstlich gealtert.
T9- Lösungsgeglüht, künstlich gealtert und kaltverformt.
T10- Kaltverformt nach dem Abkühlen aus dem Formgebungsprozess bei erhöhter Temperatur und anschließend künstlich gealtert.

Zusätzliche Ziffern deuten auf Stressabbau hin.
Beispiele:
TX51oder TXX51– Stressabbau durch Dehnübungen.
TX52oder TXX52– Stressabbau durch Kompression.

Aluminiumlegierungen und ihre EigenschaftenWenn wir die sieben Reihen der Aluminiumknetlegierungen betrachten, werden wir ihre Unterschiede erkennen und ihre Anwendungen und Eigenschaften verstehen.

Legierungen der Serie 1xxxDiese Legierungen (nicht wärmebehandelbar, mit einer Zugfestigkeit von 10 bis 27 ksi) werden aufgrund ihres geforderten Aluminiumgehalts von mindestens 99,0 % oft als Reinaluminium bezeichnet. Sie sind schweißbar, erfordern jedoch aufgrund ihres engen Schmelzbereichs besondere Vorkehrungen für geeignete Schweißverfahren. Bei der Fertigung werden diese Legierungen primär wegen ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit, beispielsweise für spezielle Chemikalientanks und Rohrleitungen, oder ihrer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise für Stromschienen, ausgewählt. Aufgrund ihrer relativ schwachen mechanischen Eigenschaften eignen sie sich selten für allgemeine Konstruktionsanwendungen. Je nach Anwendung und Leistungsanforderungen werden diese Basislegierungen häufig mit passendem Zusatzwerkstoff oder mit 4xxx-Zusatzwerkstoffen verschweißt.

2xxx-Serien-Legierungen– (wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 27 bis 62 ksi) Hierbei handelt es sich um Aluminium-Kupfer-Legierungen (Kupferanteil 0,7 bis 6,8 %). Diese hochfesten und leistungsstarken Legierungen werden häufig in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Sie weisen über einen weiten Temperaturbereich eine ausgezeichnete Festigkeit auf. Einige dieser Legierungen gelten aufgrund ihrer Anfälligkeit für Heißrisse und Spannungsrisskorrosion als nicht lichtbogenschweißbar; andere hingegen lassen sich mit den richtigen Schweißverfahren sehr gut lichtbogenschweißen. Diese Grundwerkstoffe werden oft mit hochfesten Schweißzusatzwerkstoffen der 2xxx-Serie verschweißt, die auf ihre Eigenschaften abgestimmt sind. Je nach Anwendung und Betriebsanforderungen können jedoch auch Schweißzusatzwerkstoffe der 4xxx-Serie mit Silizium oder Silizium und Kupfer verwendet werden.

Legierungen der Serie 3xxx– (nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 16 bis 41 ksi) Diese Aluminium-Mangan-Legierungen (Mangangehalt von 0,05 bis 1,8 %) zeichnen sich durch mittlere Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und gute Umformbarkeit aus und eignen sich für den Einsatz bei hohen Temperaturen. Sie wurden ursprünglich für Töpfe und Pfannen verwendet und sind heute Hauptbestandteil von Wärmetauschern in Fahrzeugen und Kraftwerken. Aufgrund ihrer mittleren Festigkeit eignen sie sich jedoch häufig nicht für strukturelle Anwendungen. Diese Basislegierungen werden mit Schweißzusatzwerkstoffen der Serien 1xxx, 4xxx und 5xxx verschweißt, abhängig von ihrer spezifischen chemischen Zusammensetzung sowie den jeweiligen Anwendungs- und Betriebsanforderungen.

4xxx-Serien-Legierungen– (wärmebehandelbar und nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 25 bis 55 ksi) Dies sind Aluminium-Silizium-Legierungen (Siliziumzusätze von 0,6 bis 21,5 %), die als einzige sowohl wärmebehandelbare als auch nicht wärmebehandelbare Legierungen umfassen. Silizium senkt bei der Zugabe zu Aluminium dessen Schmelzpunkt und verbessert dessen Fließfähigkeit im geschmolzenen Zustand. Diese Eigenschaften sind für Schweißzusätze beim Schmelzschweißen und Hartlöten wünschenswert. Daher werden diese Legierungen überwiegend als Schweißzusatzwerkstoffe eingesetzt. Silizium allein in Aluminium ist nicht wärmebehandelbar; jedoch wurden einige dieser Siliziumlegierungen mit Zusätzen von Magnesium oder Kupfer entwickelt, wodurch sie sich gut für die Lösungsglühung eignen. Typischerweise werden diese wärmebehandelbaren Schweißzusätze nur dann verwendet, wenn ein geschweißtes Bauteil einer Nachbehandlung unterzogen werden soll.

5xxx-Serien-Legierungen– (nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 18 bis 51 ksi) Dies sind Aluminium-Magnesium-Legierungen (Magnesiumzusätze von 0,2 bis 6,2 %), die die höchste Festigkeit aller nicht wärmebehandelbaren Legierungen aufweisen. Darüber hinaus ist diese Legierungsreihe gut schweißbar und wird daher in vielfältigen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise im Schiffbau, im Transportwesen, bei Druckbehältern, Brücken und Gebäuden. Magnesiumbasierte Legierungen werden häufig mit Schweißzusatzwerkstoffen verschweißt, die unter Berücksichtigung des Magnesiumgehalts des Grundwerkstoffs sowie der Anwendung und der Betriebsbedingungen des Bauteils ausgewählt werden. Legierungen dieser Reihe mit mehr als 3,0 % Magnesium werden aufgrund ihrer Sensibilisierungsgefahr und der daraus resultierenden Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion nicht für den Einsatz bei Temperaturen über 66 °C (150 °F) empfohlen. Basislegierungen mit weniger als ca. 2,5 % Magnesium lassen sich häufig erfolgreich mit Schweißzusatzwerkstoffen der 5xxx- oder 4xxx-Reihe verschweißen. Die Basislegierung 5052 gilt allgemein als diejenige mit dem höchsten Magnesiumgehalt, die mit Schweißzusatzwerkstoffen der 4xxx-Serie verschweißt werden kann. Aufgrund von Problemen mit eutektischem Schmelzen und den damit verbundenen schlechten mechanischen Eigenschaften im Schweißzustand wird vom Schweißen von Werkstoffen dieser Legierungsreihe mit höherem Magnesiumgehalt mit Schweißzusatzwerkstoffen der 4xxx-Serie abgeraten. Magnesiumreichere Basiswerkstoffe werden ausschließlich mit Schweißzusatzwerkstoffen der 5xxx-Serie verschweißt, deren Zusammensetzung im Allgemeinen der der Basislegierung entspricht.

Legierungen der 6XXX-Serie– (wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 18 bis 58 ksi) Diese Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen (Magnesium- und Siliziumzusätze von ca. 1,0 %) finden breite Anwendung in der Schweißtechnik, vorwiegend in Form von Strangpressprofilen, und werden in vielen Bauteilen eingesetzt. Die Zugabe von Magnesium und Silizium zu Aluminium führt zu einer Magnesiumsilicid-Verbindung, die dem Werkstoff die Möglichkeit zur Lösungsglühung und damit zur Festigkeitssteigerung verleiht. Diese Legierungen neigen naturgemäß zu Erstarrungsrissen und sollten daher nicht autogen (ohne Zusatzwerkstoff) geschweißt werden. Die Zugabe ausreichender Mengen an Zusatzwerkstoff während des Lichtbogenschweißprozesses ist unerlässlich, um das Grundmaterial zu verdünnen und so Heißrisse zu vermeiden. Je nach Anwendung und Anforderungen werden sie mit 4xxx- oder 5xxx-Zusatzwerkstoffen geschweißt.

Legierungen der 7XXX-Serie– (wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 32 bis 88 ksi) Dies sind Aluminium-Zink-Legierungen (Zinkzusätze von 0,8 bis 12,0 %), die zu den hochfesten Aluminiumlegierungen zählen. Diese Legierungen werden häufig in Hochleistungsanwendungen wie der Luft- und Raumfahrt sowie im Leistungssport eingesetzt. Wie die Legierungen der 2xxx-Serie umfasst auch diese Serie Legierungen, die als ungeeignet für das Lichtbogenschweißen gelten, und andere, die sich häufig erfolgreich lichtbogenschweißen lassen. Die üblicherweise geschweißten Legierungen dieser Serie, wie z. B. 7005, werden überwiegend mit Schweißzusatzwerkstoffen der 5xxx-Serie verschweißt.

ZusammenfassungHeutige Aluminiumlegierungen und ihre verschiedenen Härtegrade bilden ein breites und vielseitiges Spektrum an Fertigungswerkstoffen. Für eine optimale Produktentwicklung und die erfolgreiche Herstellung von Schweißverfahren ist es wichtig, die Unterschiede zwischen den zahlreichen verfügbaren Legierungen sowie deren Leistungs- und Schweißeigenschaften zu verstehen. Bei der Entwicklung von Lichtbogenschweißverfahren für diese verschiedenen Legierungen muss die jeweilige Legierung berücksichtigt werden. Oft heißt es, das Lichtbogenschweißen von Aluminium sei nicht schwierig, „nur anders“. Ich bin überzeugt, dass die Kenntnis der verschiedenen Legierungen, ihrer Eigenschaften und ihrer Kennzeichnungssysteme ein wichtiger Bestandteil des Verständnisses dieser Unterschiede ist.