Mit der zunehmenden Verbreitung von Aluminium in der Schweißindustrie und seiner Akzeptanz als hervorragende Alternative zu Stahl für viele Anwendungen steigt der Bedarf an Entwicklern von Aluminiumprojekten, sich mit dieser Materialgruppe besser vertraut zu machen. Um Aluminium umfassend zu verstehen, ist es ratsam, sich zunächst mit dem Aluminium-Identifikations-/Bezeichnungssystem, den verschiedenen verfügbaren Aluminiumlegierungen und ihren Eigenschaften vertraut zu machen.

Das Härte- und Bezeichnungssystem für Aluminiumlegierungen- In Nordamerika ist die Aluminum Association Inc. für die Vergabe 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 aller dieser registrierten Legierungen sind in der Aluminium Association aufgeführt.Blaugrünes Buchmit dem Titel „Internationale Legierungsbezeichnungen und Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung von Aluminium und Aluminium-Knetlegierungen“ und in ihrenRosa Buchmit dem Titel „Bezeichnungen und Grenzwerte der chemischen Zusammensetzung für Aluminiumlegierungen in Form von Gussstücken und Barren“. Diese Veröffentlichungen können für den Schweißtechniker bei der Entwicklung von Schweißverfahren äußerst nützlich sein, wenn die Berücksichtigung der Chemie und ihrer Verbindung mit der Rissempfindlichkeit von Bedeutung ist.

Aluminiumlegierungen lassen sich anhand ihrer jeweiligen Materialeigenschaften, wie z. B. ihrer Reaktionsfähigkeit auf thermische und mechanische Behandlung und dem der Aluminiumlegierung zugesetzten primären Legierungselement, in verschiedene Gruppen einteilen. Die oben genannten Eigenschaften werden durch das Nummerierungs-/Identifikationssystem für Aluminiumlegierungen identifiziert. Für geschmiedetes und gegossenes Aluminium gelten unterschiedliche Identifikationssysteme. Das geschmiedete System ist vierstellig, das Gussaluminium dreistellig und hat eine Dezimalstelle.

Bezeichnungssystem für Knetlegierungen- Wir betrachten zunächst das 4-stellige Identifikationssystem für Aluminium-Knetlegierungen. Die erste Ziffer (Xxxx) gibt das Hauptlegierungselement an, das der Aluminiumlegierung hinzugefügt wurde, und wird häufig zur Beschreibung der Aluminiumlegierungsserie verwendet, d. h. 1000er-Serie, 2000er-Serie, 3000er-Serie bis hin zur 8000er-Serie (siehe Tabelle 1).

Die zweite einzelne Ziffer (xXxx), wenn ungleich 0, zeigt eine Modifikation der spezifischen Legierung an, und die dritte und vierte Ziffer (xxXX) sind willkürliche Zahlen, die zur Identifizierung einer bestimmten Legierung in der Serie vergeben werden. Beispiel: Bei der Legierung 5183 gibt die Zahl 5 an, dass sie zur Magnesiumlegierungsreihe gehört, die 1 gibt an, dass es sich um die 1.^stModifikation der Originallegierung 5083, und die 83 kennzeichnet sie in der 5xxx-Serie.

Die einzige Ausnahme von diesem Legierungsnummerierungssystem sind die Aluminiumlegierungen der Serie 1xxx (reines Aluminium). In diesem Fall geben die letzten beiden Ziffern den Mindestaluminiumanteil über 99 % an, d. h. Legierung 13(50)(mindestens 99,50 % Aluminium).

Bezeichnungssystem für Aluminium-Schmiedelegierungen

Tabelle 1

Bezeichnung der Gusslegierung- Das Bezeichnungssystem für Gusslegierungen basiert auf einer dreistelligen Dezimalbezeichnung xxx.x (dh 356.0). Die erste Ziffer (Xxx.x) gibt das Hauptlegierungselement an, das der Aluminiumlegierung hinzugefügt wurde (siehe Tabelle 2).

Bezeichnungssystem für Aluminiumgusslegierungen

Tabelle 2

Die zweite und dritte Ziffer (xXX.x) sind willkürliche Zahlen zur Identifizierung einer bestimmten Legierung in der Serie. Die Zahl nach dem Dezimalpunkt gibt an, ob es sich bei der Legierung um einen Guss (.0) oder einen Barren (.1 oder .2) handelt. Ein Großbuchstabe als Präfix weist auf eine Modifikation einer bestimmten Legierung hin.
Beispiel: Legierung – A356.0 das große A (Axxx.x) bezeichnet eine Modifikation der Legierung 356.0. Die Zahl 3 (A3xx.x) zeigt an, dass es sich um Silizium plus Kupfer und/oder Magnesium handelt. Die 56 in (Ax56.0) identifiziert die Legierung innerhalb der 3xx.x-Reihe und die .0 (Axxx.0) weist darauf hin, dass es sich um einen Formguss und nicht um einen Barren handelt.

Das Aluminium-Temper-Bezeichnungssystem -Betrachtet man die verschiedenen Aluminiumlegierungen, so erkennt man deutliche Unterschiede in ihren Eigenschaften und deren Anwendung. Nach dem Verständnis des Identifikationssystems ist zunächst zu erkennen, dass es innerhalb der oben genannten Aluminiumlegierungen zwei deutlich unterschiedliche Arten gibt: die wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen (die durch Wärmezufuhr an Festigkeit gewinnen) und die nicht wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen. Diese Unterscheidung ist besonders wichtig, wenn man die Auswirkungen des Lichtbogenschweißens auf diese beiden Materialien betrachtet.

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

Die wärmebehandelbaren Legierungen erhalten ihre optimalen mechanischen Eigenschaften durch eine Wärmebehandlung. Die gängigsten Wärmebehandlungen sind das Lösungsglühen und die künstliche Alterung. Beim Lösungsglühen wird die Legierung auf eine erhöhte Temperatur (ca. 560 °C) erhitzt, um die Legierungselemente oder -verbindungen in Lösung zu bringen. Anschließend erfolgt ein Abschrecken, üblicherweise in Wasser, um bei Raumtemperatur eine übersättigte Lösung zu erzeugen. Auf das Lösungsglühen folgt üblicherweise eine Alterung. Bei der Alterung werden Teile der Elemente oder Verbindungen aus einer übersättigten Lösung ausgefällt, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

Die nicht wärmebehandelbaren Legierungen erhalten ihre optimalen mechanischen Eigenschaften durch Kaltverfestigung. Kaltverfestigung ist die Methode zur Erhöhung der Festigkeit durch Kaltverformung.T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

DIE GRUNDLEGENDEN BEZEICHNUNGEN DER ZEIT

Tabelle 3

Zusätzlich zur grundlegenden Bezeichnung des Härtezustands gibt es zwei Unterteilungskategorien, eine für den Härtezustand „H“ (Verfestigung) und die andere für den Härtezustand „T“ (Wärmebehandlung).

Unterteilungen des H-Zustands – Kaltverfestigt

Die erste Ziffer nach dem H gibt eine Grundoperation an:
H1– Nur kaltverfestigt.
H2– Kaltverfestigt und teilweise geglüht.
H3– Kaltverfestigt und stabilisiert.
H4– Kaltverfestigt und lackiert oder bemalt.

Die zweite Ziffer nach dem H gibt den Grad der Kaltverfestigung an:
HX2– Viertelhart HX4– Halbhart HX6– Dreiviertel hart
HX8– Volles Hard HX9– Extra hart

Unterteilungen von T Temper – Thermisch behandelt

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

Zusätzliche Ziffern zeigen Stressabbau an.
Beispiele:
TX51oder TXX51– Stressabbau durch Dehnen.
TX52oder TXX52– Spannungsabbau durch Komprimieren.

Aluminiumlegierungen und ihre Eigenschaften- Wenn wir die sieben Serien der Aluminium-Knetlegierungen betrachten, werden wir ihre Unterschiede erkennen und ihre Anwendungen und Eigenschaften verstehen.

Legierungen der 1xxx-Serie– (nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 10 bis 27 ksi). Diese Serie wird oft als reine Aluminiumserie bezeichnet, da sie mindestens 99,0 % Aluminium enthalten muss. Sie sind schweißbar. Aufgrund ihres engen Schmelzbereichs sind jedoch bestimmte Überlegungen erforderlich, um akzeptable Schweißverfahren zu erzielen. Bei der Herstellung werden diese Legierungen hauptsächlich aufgrund ihrer überlegenen Korrosionsbeständigkeit ausgewählt, beispielsweise in speziellen Chemikalientanks und Rohrleitungen, oder aufgrund ihrer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise in Sammelschienenanwendungen. Diese Legierungen haben relativ schlechte mechanische Eigenschaften und würden selten für allgemeine Strukturanwendungen in Betracht gezogen. Diese Basislegierungen werden je nach Anwendung und Leistungsanforderungen häufig mit passendem Füllmaterial oder mit 4xxx-Fülllegierungen geschweißt.

Legierungen der 2xxx-Serie– (wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 27 bis 62 ksi). Dies sind Aluminium-/Kupferlegierungen (mit Kupferzusätzen von 0,7 bis 6,8 %). Es handelt sich um hochfeste Hochleistungslegierungen, die häufig in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Sie verfügen über eine ausgezeichnete Festigkeit über einen weiten Temperaturbereich. Einige dieser Legierungen gelten aufgrund ihrer Anfälligkeit für Heißrisse und Spannungsrisskorrosion als nicht schweißbar im Lichtbogenschweißverfahren; andere lassen sich jedoch mit den richtigen Schweißverfahren sehr gut lichtbogenschweißen. Diese Grundmaterialien werden häufig mit hochfesten, auf ihre Leistung abgestimmten Fülllegierungen der 2xxx-Reihe geschweißt, können aber je nach Anwendung und Betriebsanforderungen manchmal auch mit Fülllegierungen der 4xxx-Reihe geschweißt werden, die Silizium oder Silizium und Kupfer enthalten.

Legierungen der 3xxx-Serie– (nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 16 bis 41 ksi). Dies sind Aluminium-Mangan-Legierungen (Manganzusätze von 0,05 bis 1,8 %) mit mittlerer Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit, guter Formbarkeit und Eignung für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen. Sie wurden ursprünglich für Töpfe und Pfannen verwendet und sind heute die Hauptkomponente für Wärmetauscher in Fahrzeugen und Kraftwerken. Aufgrund ihrer mittleren Festigkeit kommen sie jedoch oft nicht für strukturelle Anwendungen infrage. Diese Basislegierungen werden je nach chemischer Zusammensetzung und den jeweiligen Anwendungs- und Betriebsanforderungen mit Fülllegierungen der Serien 1xxx, 4xxx und 5xxx verschweißt.

Legierungen der 4xxx-Serie– (wärmebehandelbar und nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 25 bis 55 ksi). Dies sind die Aluminium-/Siliziumlegierungen (Siliziumzusätze von 0,6 bis 21,5 %) und sie sind die einzige Reihe, die sowohl wärmebehandelbare als auch nicht wärmebehandelbare Legierungen enthält. Wenn Aluminium Silizium zugesetzt wird, verringert dies dessen Schmelzpunkt und verbessert seine Fließfähigkeit im geschmolzenen Zustand. Diese Eigenschaften sind für Füllmaterialien erwünscht, die sowohl zum Schmelzschweißen als auch zum Hartlöten verwendet werden. Folglich wird diese Reihe von Legierungen überwiegend als Füllmaterial verwendet. Silizium ist, unabhängig von Aluminium, nicht wärmebehandelbar; einige dieser Siliziumlegierungen wurden jedoch mit Zusätzen von Magnesium oder Kupfer entwickelt, wodurch sie gut auf Lösungsglühen reagieren. Typischerweise werden diese wärmebehandelbaren Fülllegierungen nur verwendet, wenn ein geschweißtes Bauteil nach dem Schweißen einer Wärmebehandlung unterzogen werden soll.

Legierungen der 5xxx-Serie– (nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 18 bis 51 ksi). Dies sind die Aluminium-/Magnesiumlegierungen (Magnesiumzusätze von 0,2 bis 6,2 %) und sie haben die höchste Festigkeit der nicht wärmebehandelbaren Legierungen. Außerdem ist diese Legierungsreihe gut schweißbar und wird aus diesen Gründen für eine große Bandbreite von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise im Schiffsbau, Transportwesen, für Druckbehälter, Brücken und Gebäude. Die Magnesiumbasislegierungen werden oft mit Fülllegierungen geschweißt, die unter Berücksichtigung des Magnesiumgehalts des Basismaterials und der Anwendungs- und Betriebsbedingungen des geschweißten Bauteils ausgewählt werden. Legierungen dieser Reihe mit mehr als 3,0 % Magnesium werden wegen ihres Sensibilisierungspotenzials und der daraus resultierenden Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion nicht für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen über 150 °F empfohlen. Basislegierungen mit weniger als etwa 2,5 % Magnesium werden oft erfolgreich mit Fülllegierungen der Reihen 5xxx oder 4xxx geschweißt. Die Basislegierung 5052 gilt allgemein als die Basislegierung mit dem höchsten Magnesiumgehalt, die mit einer 4xxx-Reihenzusatzlegierung geschweißt werden kann. Aufgrund von Problemen im Zusammenhang mit dem eutektischen Schmelzen und den damit verbundenen schlechten mechanischen Eigenschaften im geschweißten Zustand wird das Schweißen von Materialien dieser Legierungsreihe, die höhere Magnesiummengen enthalten, mit den 4xxx-Reihenzusatzlegierungen nicht empfohlen. Die höher magnesiumhaltigen Basismaterialien werden nur mit 5xxx-Zusatzlegierungen geschweißt, die im Allgemeinen der Zusammensetzung der Basislegierung entsprechen.

Legierungen der 6XXX-Serie– (wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 18 bis 58 ksi). Dies sind Aluminium-/Magnesium-Silizium-Legierungen (Magnesium- und Siliziumzusätze von etwa 1,0 %), die in der Schweißindustrie weit verbreitet sind, vorwiegend in Form von Strangpressprofilen verwendet und in viele Strukturkomponenten eingebaut werden. Durch die Zugabe von Magnesium und Silizium zu Aluminium entsteht eine Magnesiumsilicid-Verbindung, die diesem Material die Fähigkeit verleiht, zur Verbesserung der Festigkeit lösungsgeglüht zu werden. Diese Legierungen sind von Natur aus rissempfindlich bei der Erstarrung und sollten daher nicht autogen (ohne Zusatzwerkstoff) lichtbogengeschweißt werden. Die Zugabe ausreichender Mengen Zusatzwerkstoff während des Lichtbogenschweißvorgangs ist wichtig, um das Grundmaterial zu verdünnen und somit das Problem der Heißrissbildung zu vermeiden. Sie werden je nach Anwendung und Betriebsanforderungen sowohl mit 4xxx- als auch mit 5xxx-Zusatzwerkstoffen geschweißt.

Legierungen der Serie 7XXX– (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 Flugzeugen, der Luft- und Raumfahrt und Wettkampfsportgeräten eingesetzt. Wie die Legierungsreihe 2xxx enthält auch diese Reihe Legierungen, die als ungeeignet für das Lichtbogenschweißen gelten, und andere, die häufig erfolgreich lichtbogengeschweißt werden. Die üblicherweise geschweißten Legierungen dieser Reihe, wie z. B. 7005, werden überwiegend mit Fülllegierungen der Reihe 5xxx geschweißt.

ZusammenfassungModerne Aluminiumlegierungen mit ihren unterschiedlichen Härtegraden bilden ein breites und vielseitiges Spektrum an Werkstoffen. Für ein optimales Produktdesign und die erfolgreiche Entwicklung von Schweißverfahren ist es wichtig, die Unterschiede zwischen den vielen verfügbaren Legierungen und ihre unterschiedlichen Leistungs- und Schweißeigenschaften zu verstehen. Bei der Entwicklung von Lichtbogenschweißverfahren für diese verschiedenen Legierungen muss die jeweilige zu schweißende Legierung berücksichtigt werden. Oft heißt es, Lichtbogenschweißen von Aluminium sei nicht schwierig, „es ist nur anders“. Ich bin überzeugt, dass es zum Verständnis dieser Unterschiede wichtig ist, sich mit den verschiedenen Legierungen, ihren Eigenschaften und ihrer Kennzeichnung vertraut zu machen.