Mit dem Wachstum von Aluminium in der Schweißfertigungsindustrie und seiner Akzeptanz als hervorragende Alternative zu Stahl für viele Anwendungen besteht für diejenigen, die an der Entwicklung von Aluminiumprojekten beteiligt sind, ein zunehmender Bedarf, sich mit dieser Materialgruppe besser vertraut zu machen. Um Aluminium vollständig zu verstehen, ist es ratsam, sich zunächst mit dem Identifizierungs-/Bezeichnungssystem für Aluminium, den vielen verfügbaren Aluminiumlegierungen und ihren Eigenschaften vertraut zu machen.

Das System zur Härte und Bezeichnung von Aluminiumlegierungen- In Nordamerika ist die Aluminium Association Inc. für die Zuteilung und Registrierung von Aluminiumlegierungen verantwortlich. Derzeit sind über 400 Knetaluminium und Knetaluminiumlegierungen sowie über 200 Aluminiumlegierungen in Form von Gussteilen und Barren bei der Aluminium Association registriert. Die Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung aller dieser registrierten Legierungen sind in den Richtlinien der Aluminium Association enthaltenBlaugrünes Buchmit dem Titel „International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminium and Wrought Aluminium Alloys“ und in derenRosa Buchmit dem Titel „Bezeichnungen und chemische Zusammensetzungsgrenzen für Aluminiumlegierungen in Form von Gussteilen und Barren“. Diese Veröffentlichungen können für den Schweißingenieur bei der Entwicklung von Schweißverfahren und wenn die Berücksichtigung der Chemie und ihres Zusammenhangs mit der Rissempfindlichkeit von Bedeutung ist, äußerst nützlich sein.

Aluminiumlegierungen können basierend auf den Eigenschaften des jeweiligen Materials, wie z. B. seiner Fähigkeit, auf thermische und mechanische Behandlung zu reagieren, und dem der Aluminiumlegierung hinzugefügten primären Legierungselement in eine Reihe von Gruppen eingeteilt werden. Wenn wir das für Aluminiumlegierungen verwendete Nummerierungs-/Identifikationssystem betrachten, werden die oben genannten Merkmale identifiziert. Die geschmiedeten und gegossenen Aluminiumteile verfügen über unterschiedliche Kennzeichnungssysteme. Das Schmiedesystem ist ein 4-stelliges System und die Gussteile haben ein 3-stelliges und 1-stelliges System.

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

Die zweite einzelne Ziffer (xXxx), wenn sie von 0 verschieden ist, weist auf eine Modifikation der spezifischen Legierung hin, und die dritte und vierte Ziffer (xxXX) sind willkürliche Zahlen zur Identifizierung einer bestimmten Legierung in der Reihe. Beispiel: Bei der Legierung 5183 gibt die Zahl 5 an, dass es sich um die Magnesiumlegierungsreihe handelt, die 1 gibt an, dass es sich um die 1 handelt^stModifikation der ursprünglichen Legierung 5083, und die 83 identifiziert sie in der 5xxx-Serie.

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

BEZEICHNUNGSSYSTEM AUS GESCHMIEDETER ALUMINIUMLEGIERUNG

Tabelle 1

Bezeichnung der Gusslegierung- Das Bezeichnungssystem für Gusslegierungen basiert auf einer dreistelligen Dezimalbezeichnung xxx.x (z. B. 356,0). Die erste Ziffer (Xxx.x) gibt das Hauptlegierungselement an, das der Aluminiumlegierung zugesetzt wurde (siehe Tabelle 2).

BEZEICHNUNGSSYSTEM FÜR GUSSALUMINIUMLEGIERUNGEN

Tabelle 2

Die zweite und dritte Ziffer (xXX.x) sind willkürliche Zahlen zur Identifizierung einer bestimmten Legierung in der Reihe. 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 Änderung einer bestimmten Legierung hin.
Beispiel: Legierung – A356.0 das große A (Axxx.x) weist auf eine Modifikation der Legierung 356.0 hin. Die Zahl 3 (A3xx.x) gibt an, dass es sich um die Silizium-plus-Kupfer- und/oder Magnesium-Reihe handelt. Die 56 Zoll (Ax56.0) identifiziert die Legierung innerhalb der 3xx.x-Reihe und die .0 (Axxx.0) weist darauf hin, dass es sich um einen Endformguss und nicht um einen Barren handelt.

Das Aluminium-Temperbezeichnungssystem –Wenn wir die verschiedenen Serien von Aluminiumlegierungen betrachten, werden wir feststellen, dass es erhebliche Unterschiede in ihren Eigenschaften und der daraus resultierenden Anwendung gibt. Der erste Punkt, den man erkennen muss, nachdem man das Identifizierungssystem verstanden hat, ist, dass es innerhalb der oben genannten Serie zwei deutlich unterschiedliche Arten von Aluminium gibt. Dies sind die wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen (solche, die durch die Zugabe von Wärme an Festigkeit gewinnen können) und die nicht wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen. Diese Unterscheidung ist besonders wichtig, wenn man die Auswirkungen des Lichtbogenschweißens auf diese beiden Materialtypen betrachtet.

Die Aluminiumknetlegierungen der Serien 1xxx, 3xxx und 5xxx sind nicht wärmebehandelbar und nur kalthärtbar. Die Aluminiumknetlegierungen der Serien 2xxx, 6xxx und 7xxx sind wärmebehandelbar und die Serie 4xxx besteht sowohl aus wärmebehandelbaren als auch 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 einen Prozess der Wärmebehandlung. Die gebräuchlichsten Wärmebehandlungen sind Lösungsglühen und künstliches Altern. Bei der Lösungsglühbehandlung wird die Legierung auf eine erhöhte Temperatur (ca. 990 °F) 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. An die Lösungsglühbehandlung schließt sich in der Regel eine Alterung an. Unter Alterung versteht man die Ausfällung eines Teils der Elemente oder Verbindungen aus einer übersättigten Lösung, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen.

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

DIE GRUNDLEGENDEN TEMPERATURBEZEICHNUNGEN

Tabelle 3

Zusätzlich zur Grundbezeichnung des Zustands gibt es zwei Unterteilungskategorien, eine für den „H“-Zustand – Kaltverfestigung und die andere für die Bezeichnung „T“-Zustand – thermisch behandelt.

Unterteilungen von H-Temper – Kaltverfestigt

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

Die zweite Ziffer nach dem H gibt den Grad der Kaltverfestigung an:
HX2– Quarter Hard HX4– Halbhartes HX6– Dreiviertel schwer
HX8– Vollhartes 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- Kaltverformung nach dem Abkühlen durch einen Formgebungsprozess bei erhöhter Temperatur und anschließende natürliche Alterung.
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 künstlich gealtert.
T7- Lösungsgeglüht und stabilisiert (überaltert).
T8- Lösungsgeglüht, kaltverformt und künstlich gealtert.
T9- Lösungsgeglüht, künstlich gealtert und kaltverformt.
T10- Kaltverformung nach Abkühlung durch einen Formgebungsprozess bei erhöhter Temperatur und anschließende künstliche Alterung.

Zusätzliche Ziffern weisen auf Stressabbau hin.
Beispiele:
TX51oder TXX51– Stressabbau durch Dehnung.
TX52oder TXX52– Stressabbau durch Komprimieren.

Aluminiumlegierungen und ihre Eigenschaften- Wenn wir die sieben Serien von Aluminiumknetlegierungen betrachten, werden wir ihre Unterschiede erkennen und ihre Anwendungen und Eigenschaften verstehen.

Legierungen der Serie 1xxx– (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 erfordern sie jedoch bestimmte Überlegungen, um akzeptable Schweißverfahren zu ermöglichen. Bei der Herstellung werden diese Legierungen in erster Linie aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit, beispielsweise in speziellen Chemietanks und Rohrleitungen, oder aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise bei Sammelschienenanwendungen, ausgewählt. Diese Legierungen weisen relativ schlechte mechanische Eigenschaften auf und kommen für allgemeine Strukturanwendungen selten in Betracht. Diese Basislegierungen werden je nach Anwendung und Leistungsanforderungen häufig mit passendem Füllmaterial oder mit 4xxx-Fülllegierungen geschweißt.

Legierungen der Serie 2xxx– (wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 27 bis 62 ksi) Dies sind Aluminium-/Kupferlegierungen (Kupferzusätze im Bereich von 0,7 bis 6,8 %), hochfeste Hochleistungslegierungen, die häufig für Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden. Sie weisen über einen weiten Temperaturbereich eine hervorragende Festigkeit auf. Einige dieser Legierungen gelten aufgrund ihrer Anfälligkeit für Heißrisse und Spannungsrisskorrosion als nicht schweißbar beim Lichtbogenschweißen. Andere lassen sich jedoch mit den richtigen Schweißverfahren sehr erfolgreich lichtbogenschweißen. Diese Grundmaterialien werden häufig mit hochfesten Zusatzlegierungen der Serie 2xxx geschweißt, die auf ihre Leistung abgestimmt sind. Manchmal können sie jedoch auch mit Zusatzlegierungen der Serie 4xxx geschweißt werden, die Silizium oder Silizium und Kupfer enthalten, abhängig von der Anwendung und den Serviceanforderungen.

Legierungen der Serie 3xxx– (nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 16 bis 41 ksi) Dies sind Aluminium-/Manganlegierungen (Manganzusätze im Bereich von 0,05 bis 1,8 %), die eine mäßige Festigkeit aufweisen, eine gute Korrosionsbeständigkeit und gute Formbarkeit aufweisen und geeignet sind für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen. Eine ihrer ersten Verwendungszwecke waren Töpfe und Pfannen, heute sind sie der Hauptbestandteil von Wärmetauschern in Fahrzeugen und Kraftwerken. Ihre mäßige Festigkeit schließt jedoch häufig ihre Berücksichtigung für strukturelle Anwendungen aus. Diese Basislegierungen werden mit Zusatzlegierungen der Serien 1xxx, 4xxx und 5xxx geschweißt, abhängig von ihrer spezifischen Chemie und besonderen Anwendungs- und Serviceanforderungen.

Legierungen der Serie 4xxx– (wärmebehandelbar und nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 25 bis 55 ksi) Dies sind Aluminium-/Siliziumlegierungen (Siliziumzusätze im Bereich von 0,6 bis 21,5 %) und die einzigen Serien, die sowohl wärmebehandelbare als auch nicht wärmebehandelbare Legierungen enthalten. wärmebehandelbare Legierungen. Wenn Silizium zu Aluminium hinzugefügt wird, verringert es seinen Schmelzpunkt und verbessert seine Fließfähigkeit im geschmolzenen Zustand. Diese Eigenschaften sind für Füllmaterialien wünschenswert, die sowohl zum Schmelzschweißen als auch zum Hartlöten verwendet werden. Daher wird diese Legierungsreihe überwiegend als Zusatzwerkstoff eingesetzt. Silizium, unabhängig von Aluminium, ist nicht wärmebehandelbar; Einige dieser Siliziumlegierungen wurden jedoch so konzipiert, dass sie Magnesium- oder Kupferzusätze enthalten, was ihnen die Fähigkeit verleiht, positiv auf die Lösungsglühbehandlung zu reagieren. Typischerweise werden diese wärmebehandelbaren Zusatzlegierungen nur dann verwendet, wenn eine geschweißte Komponente nach dem Schweißen einer Wärmebehandlung unterzogen werden soll.

Legierungen der Serie 5xxx– (nicht wärmebehandelbar – mit einer Zugfestigkeit von 18 bis 51 ksi) Dies sind die Aluminium-/Magnesiumlegierungen (Magnesiumzusätze im Bereich von 0,2 bis 6,2 %) und weisen die höchste Festigkeit der nicht wärmebehandelbaren Legierungen auf. Darüber hinaus ist diese Legierungsreihe gut schweißbar und wird daher für eine Vielzahl von Anwendungen wie Schiffbau, Transportwesen, Druckbehälter, Brücken und Gebäude eingesetzt. Die Legierungen auf Magnesiumbasis werden häufig mit Zusatzlegierungen geschweißt, die unter Berücksichtigung des Magnesiumgehalts des Grundmaterials sowie der Anwendungs- und Betriebsbedingungen des geschweißten Bauteils ausgewählt werden. Legierungen dieser Serie mit mehr als 3,0 % Magnesium werden wegen ihres Potenzials zur Sensibilisierung und der daraus resultierenden Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion nicht für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen über 150 °F empfohlen. Basislegierungen mit weniger als ca. 2,5 % Magnesium werden oft erfolgreich mit den Zusatzlegierungen der 5xxx- oder 4xxx-Serie geschweißt. Die Basislegierung 5052 gilt allgemein als die Basislegierung mit dem höchsten Magnesiumgehalt, die mit einer Zusatzlegierung der 4xxx-Serie geschweißt werden kann. Aufgrund der Probleme im Zusammenhang mit dem eutektischen Schmelzen und den damit verbundenen schlechten mechanischen Eigenschaften im Schweißzustand wird nicht empfohlen, Materialien dieser Legierungsserie, die höhere Mengen Magnesium enthalten, mit den Füllstoffen der 4xxx-Serie zu schweißen. Die höheren Magnesiumbasismaterialien werden nur mit 5xxx-Fülllegierungen geschweißt, die im Allgemeinen der Zusammensetzung der Basislegierung entsprechen.

Legierungen der Serie 6XXX– (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 gesamten Schweißindustrie weit verbreitet sind und überwiegend in Form von verwendet werden Extrusionen und in vielen Strukturbauteilen integriert. Durch die Zugabe von Magnesium und Silizium zu Aluminium entsteht eine Magnesium-Silizid-Verbindung, die diesem Material die Fähigkeit verleiht, einer Lösungswärmebehandlung unterzogen zu werden, um die Festigkeit zu verbessern. Diese Legierungen sind von Natur aus empfindlich gegenüber Erstarrungsrissen und sollten daher nicht autogen (ohne Zusatzwerkstoff) lichtbogengeschweißt werden. Die Zugabe ausreichender Mengen an Zusatzwerkstoff während des Lichtbogenschweißprozesses ist wichtig, um eine Verdünnung des Grundmaterials zu gewährleisten und so das Problem der Heißrissbildung zu verhindern. Sie werden je nach Anwendung und Serviceanforderungen 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-/Zinklegierungen (Zinkzusätze im Bereich von 0,8 bis 12,0 %) und umfassen einige der Aluminiumlegierungen mit der höchsten Festigkeit. Diese Legierungen werden häufig in Hochleistungsanwendungen wie Flugzeugen, Luft- und Raumfahrt und Wettkampfsportgeräten verwendet. Wie die Legierungsserie 2xxx umfasst diese Serie Legierungen, die als ungeeignete Kandidaten für das Lichtbogenschweißen gelten, und andere, die häufig erfolgreich mit Lichtbogen geschweißt werden. Die üblicherweise geschweißten Legierungen dieser Serie, wie z. B. 7005, werden überwiegend mit den Zusatzlegierungen der 5xxx-Serie geschweißt.

Zusammenfassung- Heutige Aluminiumlegierungen umfassen zusammen mit ihren verschiedenen Härtegraden ein breites und vielseitiges Spektrum an Fertigungsmaterialien. Für ein optimales Produktdesign und eine erfolgreiche Schweißverfahrensentwicklung ist es wichtig, die Unterschiede zwischen den vielen verfügbaren Legierungen und ihre unterschiedlichen Leistungs- und Schweißbarkeitseigenschaften zu verstehen. Bei der Entwicklung von Lichtbogenschweißverfahren für diese verschiedenen Legierungen muss die spezifische zu schweißende Legierung berücksichtigt werden. Es wird oft gesagt, dass das Lichtbogenschweißen von Aluminium nicht schwierig sei, „es ist einfach anders“. Ich glaube, dass ein wichtiger Teil des Verständnisses dieser Unterschiede darin besteht, sich mit den verschiedenen Legierungen, ihren Eigenschaften und ihrem Identifizierungssystem vertraut zu machen.