Với sự phát triển của nhôm trong ngành chế tạo hàn và việc nó được chấp nhận như một sự thay thế tuyệt vời cho thép trong nhiều ứng dụng, ngày càng có nhiều yêu cầu đối với những người tham gia phát triển các dự án nhôm để làm quen nhiều hơn với nhóm vật liệu này. Để hiểu đầy đủ về nhôm, nên bắt đầu bằng cách làm quen với hệ thống nhận dạng/ký hiệu nhôm, nhiều hợp kim nhôm hiện có và đặc tính của chúng.

Hệ thống ký hiệu và nhiệt độ hợp kim nhôm- Tại Bắc Mỹ, Hiệp hội Nhôm Inc. chịu trách nhiệm phân bổ và đăng ký hợp kim nhôm. Hiện nay có trên 400 loại nhôm rèn và hợp kim nhôm rèn và trên 200 loại hợp kim nhôm ở dạng đúc và thỏi đã đăng ký với Hiệp hội Nhôm. Giới hạn thành phần hóa học của hợp kim đối với tất cả các hợp kim đã đăng ký này đều có trong tài liệu của Hiệp hội Nhôm.Sách màu xanh mòng kétcó tựa đề “Chỉ định hợp kim quốc tế và giới hạn thành phần hóa học đối với nhôm rèn và hợp kim nhôm rèn” và trongSổ Hồngcó tựa đề “Chỉ định và giới hạn thành phần hóa học đối với hợp kim nhôm ở dạng đúc và phôi. Những ấn phẩm này có thể cực kỳ hữu ích cho kỹ sư hàn khi phát triển các quy trình hàn và khi việc xem xét thành phần hóa học và mối liên hệ của nó với độ nhạy vết nứt là quan trọng.

Hợp kim nhôm có thể được phân loại thành một số nhóm dựa trên đặc tính của vật liệu cụ thể như khả năng đáp ứng với xử lý nhiệt và cơ học cũng như nguyên tố hợp kim chính được thêm vào hợp kim nhôm. Khi chúng ta xem xét hệ thống đánh số/nhận dạng được sử dụng cho hợp kim nhôm, các đặc điểm trên sẽ được xác định. Nhôm rèn và nhôm đúc có hệ thống nhận dạng khác nhau. Hệ thống rèn là hệ thống 4 chữ số và vật đúc có hệ thống 3 chữ số và 1 chữ số thập phân.

Hệ thống chỉ định hợp kim rèn- Đầu tiên chúng ta xét đến hệ thống nhận dạng hợp kim nhôm rèn 4 chữ số. Chữ số đầu tiên (Xxxx) cho biết nguyên tố hợp kim chính đã được thêm vào hợp kim nhôm và thường được sử dụng để mô tả các dãy hợp kim nhôm, tức là dãy 1000, dãy 2000, dãy 3000, cho đến dãy 8000 (xem bảng 1).

Chữ số đơn thứ hai (xXxx), nếu khác 0, biểu thị sự biến đổi của hợp kim cụ thể và chữ số thứ ba và thứ tư (xxXX) là các số tùy ý được đưa ra để xác định một hợp kim cụ thể trong chuỗi. Ví dụ: Trong hợp kim 5183, số 5 chỉ ra rằng nó thuộc dòng hợp kim magiê, số 1 chỉ ra rằng đó là 1^stsửa đổi thành hợp kim ban đầu 5083 và số 83 xác định nó trong chuỗi 5xxx.

Ngoại lệ duy nhất đối với hệ thống đánh số hợp kim này là với hợp kim nhôm dòng 1xxx (nhôm nguyên chất), trong trường hợp đó, 2 chữ số cuối cung cấp tỷ lệ phần trăm nhôm tối thiểu trên 99%, tức là Hợp kim 13(50)(nhôm tối thiểu 99,50%).

HỆ THỐNG KÝ HIỆU HỢP KIM NHÔM

Bảng 1

Ký hiệu hợp kim đúc- Hệ thống ký hiệu hợp kim đúc dựa trên ký hiệu thập phân gồm 3 chữ số xxx.x (tức là 356.0). Chữ số đầu tiên (Xxx.x) cho biết nguyên tố hợp kim chính đã được thêm vào hợp kim nhôm (xem bảng 2).

HỆ THỐNG KÝ HIỆU HỢP KIM NHÔM ĐÚC

Bảng 2

Chữ số thứ hai và thứ ba (xXX.x) là các số tùy ý được đưa ra để xác định một hợp kim cụ thể trong chuỗi. Số theo sau dấu thập phân cho biết hợp kim là đúc (.0) hay phôi (.1 hoặc .2). Tiền tố chữ in hoa biểu thị sự sửa đổi đối với một hợp kim cụ thể.
Ví dụ: Hợp kim – A356.0 chữ A viết hoa (Axxx.x) biểu thị sự sửa đổi của hợp kim 356.0. Số 3 (A3xx.x) chỉ ra rằng nó thuộc chuỗi silicon cộng với đồng và/hoặc magiê. 56 in (Rìu56.0) xác định hợp kim trong chuỗi 3xx.x và .0 (Axxx.0) chỉ ra rằng đây là vật đúc hình dạng cuối cùng chứ không phải phôi.

Hệ thống chỉ định nhiệt độ nhôm -Nếu chúng ta xem xét các loại hợp kim nhôm khác nhau, chúng ta sẽ thấy rằng có sự khác biệt đáng kể về đặc tính và ứng dụng của chúng. Điểm đầu tiên cần nhận biết, sau khi tìm hiểu hệ thống nhận dạng, đó là có hai loại nhôm khác nhau rõ rệt trong dãy nêu trên. Đây là các hợp kim Nhôm có thể xử lý nhiệt (những hợp kim có thể tăng cường sức mạnh thông qua việc bổ sung nhiệt) và các hợp kim Nhôm không thể xử lý nhiệt. Sự khác biệt này đặc biệt quan trọng khi xem xét ảnh hưởng của hàn hồ quang lên hai loại vật liệu này.

Hợp kim nhôm rèn dòng 1xxx, 3xxx và 5xxx không thể xử lý nhiệt và chỉ có thể làm cứng theo biến dạng. Các hợp kim nhôm rèn dòng 2xxx, 6xxx và 7xxx có thể xử lý nhiệt và dòng 4xxx bao gồm cả hợp kim có thể xử lý nhiệt và không xử lý nhiệt. Hợp kim đúc dòng 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x và 7xx.x có khả năng xử lý nhiệt. Việc làm cứng do biến dạng thường không được áp dụng cho vật đúc.

Các hợp kim có thể xử lý nhiệt có được các đặc tính cơ học tối ưu thông qua quá trình xử lý nhiệt, các phương pháp xử lý nhiệt phổ biến nhất là Xử lý nhiệt bằng dung dịch và Lão hóa nhân tạo. Xử lý nhiệt giải pháp là quá trình nung hợp kim đến nhiệt độ cao (khoảng 990 độ F) để đưa các nguyên tố hoặc hợp chất hợp kim vào dung dịch. Tiếp theo là làm nguội, thường là trong nước, để tạo ra dung dịch siêu bão hòa ở nhiệt độ phòng. Xử lý nhiệt dung dịch thường được theo sau bởi quá trình lão hóa. Lão hóa là sự kết tủa của một phần nguyên tố hoặc hợp chất từ ​​dung dịch siêu bão hòa để mang lại các đặc tính mong muốn.

Các hợp kim không thể xử lý nhiệt có được đặc tính cơ học tối ưu thông qua quá trình làm cứng biến dạng. Làm cứng biến dạng là phương pháp tăng cường độ thông qua ứng dụng gia công nguội.T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

CÁC CHỈ ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CƠ BẢN

Bảng 3

Ngoài ký hiệu nhiệt độ cơ bản, còn có hai loại phân khu, một loại đề cập đến “H” Temper – Làm cứng sức căng, và loại còn lại đề cập đến ký hiệu “T” Temper – Đã xử lý nhiệt.

Các phân khu của H Temper – Strain Hardened

Chữ số đầu tiên sau chữ H biểu thị thao tác cơ bản:
H1- Chỉ căng cứng.
H2– Căng cứng và ủ một phần.
H3– Căng cứng và ổn định.
H4– Chủng cứng và sơn mài hoặc sơn.

Chữ số thứ hai sau chữ H biểu thị mức độ cứng của biến dạng:
HX2– Quý cứng HX4– Nửa cứng HX6– Ba phần tư cứng
HX8– HX cứng hoàn toàn9- Cực kỳ khó

Các phân khu của T Temper – Đã Xử Lý Nhiệt

T1- Lão hóa tự nhiên sau khi làm nguội từ quá trình tạo hình ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như ép đùn.
T2- Gia công nguội sau khi làm nguội từ quá trình tạo hình ở nhiệt độ cao và lão hóa tự nhiên.
T3- Dung dịch được xử lý nhiệt, gia công nguội và lão hóa tự nhiên.
T4- Dung dịch được xử lý nhiệt và lão hóa tự nhiên.
T5- Lão hóa nhân tạo sau khi làm nguội từ quá trình tạo hình ở nhiệt độ cao.
T6- Dung dịch được xử lý nhiệt và lão hóa nhân tạo.
T7- Dung dịch được xử lý nhiệt và ổn định (quá tuổi).
T8- Dung dịch được xử lý nhiệt, gia công nguội và lão hóa nhân tạo.
T9- Dung dịch được xử lý nhiệt, lão hóa nhân tạo và gia công nguội.
T10- Gia công nguội sau khi làm nguội từ quá trình tạo hình ở nhiệt độ cao và sau đó được lão hóa nhân tạo.

Các chữ số bổ sung cho biết giảm căng thẳng.
Ví dụ:
TX51hoặc TX51– Giảm căng thẳng bằng cách giãn cơ.
TX52hoặc TX52– Giảm căng thẳng bằng cách nén.

Hợp kim nhôm và đặc điểm của chúng- Nếu xem xét bảy loạt hợp kim nhôm rèn, chúng ta sẽ đánh giá cao sự khác biệt của chúng và hiểu được ứng dụng cũng như đặc điểm của chúng.

Hợp kim dòng 1xxx– (không thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo tối đa từ 10 đến 27 ksi) dòng này thường được gọi là dòng nhôm nguyên chất vì yêu cầu hàm lượng nhôm tối thiểu là 99,0%. Chúng có thể hàn được. Tuy nhiên, do phạm vi nóng chảy hẹp nên chúng cần có những cân nhắc nhất định để tạo ra quy trình hàn có thể chấp nhận được. Khi được xem xét để chế tạo, các hợp kim này được chọn chủ yếu vì khả năng chống ăn mòn vượt trội như trong các bể chứa hóa chất và đường ống chuyên dụng hoặc vì tính dẫn điện tuyệt vời của chúng như trong các ứng dụng thanh cái. Các hợp kim này có tính chất cơ học tương đối kém và hiếm khi được xem xét cho các ứng dụng kết cấu chung. Các hợp kim cơ bản này thường được hàn với vật liệu phụ phù hợp hoặc với hợp kim phụ 4xxx tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng và hiệu suất.

Hợp kim dòng 2xxx– (có thể xử lý nhiệt– với độ bền kéo tối đa từ 27 đến 62 ksi) đây là các hợp kim nhôm / đồng (bổ sung đồng từ 0,7 đến 6,8%) và là các hợp kim có độ bền cao, hiệu suất cao thường được sử dụng cho các ứng dụng hàng không vũ trụ và máy bay. Chúng có sức mạnh tuyệt vời trong một phạm vi nhiệt độ rộng. Một số hợp kim này được coi là không hàn được trong quá trình hàn hồ quang vì chúng dễ bị nứt nóng và nứt ăn mòn do ứng suất; tuy nhiên, một số khác được hàn hồ quang rất thành công với quy trình hàn chính xác. Những vật liệu cơ bản này thường được hàn bằng hợp kim độn dòng 2xxx có độ bền cao được thiết kế để phù hợp với hiệu suất của chúng, nhưng đôi khi có thể được hàn bằng chất độn dòng 4xxx có chứa silicon hoặc silicon và đồng, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng và dịch vụ.

Hợp kim dòng 3xxx– (không thể xử lý nhiệt – có độ bền kéo tối đa từ 16 đến 41 ksi) Đây là các hợp kim nhôm / mangan (bổ sung mangan từ 0,05 đến 1,8%) và có độ bền vừa phải, có khả năng chống ăn mòn tốt, khả năng định dạng tốt và phù hợp để sử dụng ở nhiệt độ cao. Một trong những ứng dụng đầu tiên của chúng là nồi và chảo, và ngày nay chúng là thành phần chính của bộ trao đổi nhiệt trong xe cộ và nhà máy điện. Tuy nhiên, độ bền vừa phải của chúng thường cản trở việc xem xét sử dụng chúng cho các ứng dụng kết cấu. Các hợp kim cơ bản này được hàn với các hợp kim phụ dòng 1xxx, 4xxx và 5xxx, tùy thuộc vào thành phần hóa học cụ thể cũng như các yêu cầu ứng dụng và dịch vụ cụ thể của chúng.

Hợp kim dòng 4xxx– (có thể xử lý nhiệt và không xử lý nhiệt – với độ bền kéo cuối cùng từ 25 đến 55 ksi) Đây là các hợp kim nhôm / silicon (bổ sung silicon từ 0,6 đến 21,5%) và là dòng duy nhất chứa cả hợp kim có thể xử lý nhiệt và không thể xử lý nhiệt. hợp kim có thể xử lý nhiệt. Silicon, khi thêm vào nhôm, sẽ làm giảm điểm nóng chảy của nó và cải thiện tính lưu loát của nó khi nóng chảy. Những đặc tính này là mong muốn đối với vật liệu độn được sử dụng cho cả hàn nhiệt hạch và hàn đồng thau. Do đó, loạt hợp kim này chủ yếu được tìm thấy làm vật liệu độn. Silicon, độc lập với nhôm, không thể xử lý nhiệt; tuy nhiên, một số hợp kim silicon này đã được thiết kế để bổ sung thêm magie hoặc đồng, giúp chúng có khả năng đáp ứng thuận lợi với quá trình xử lý nhiệt dung dịch. Thông thường, các hợp kim độn có thể xử lý nhiệt này chỉ được sử dụng khi một bộ phận hàn phải chịu xử lý nhiệt sau hàn.

Hợp kim dòng 5xxx– (không thể xử lý nhiệt - có độ bền kéo tối đa từ 18 đến 51 ksi) Đây là các hợp kim nhôm / magiê (bổ sung magie từ 0,2 đến 6,2%) và có độ bền cao nhất trong số các hợp kim không thể xử lý nhiệt. Ngoài ra, dòng hợp kim này dễ hàn và vì những lý do này, chúng được sử dụng cho nhiều ứng dụng như đóng tàu, vận tải, bình áp lực, cầu và tòa nhà. Các hợp kim cơ bản magiê thường được hàn với các hợp kim phụ, được lựa chọn sau khi xem xét hàm lượng magiê của vật liệu cơ bản cũng như ứng dụng và điều kiện sử dụng của bộ phận hàn. Các hợp kim trong dòng này có hàm lượng magie trên 3,0% không được khuyến khích sử dụng ở nhiệt độ cao trên 150 độ F vì chúng có khả năng bị nhạy cảm và sau đó dễ bị nứt ăn mòn do ứng suất. Các hợp kim cơ bản có hàm lượng magiê ít hơn khoảng 2,5% thường được hàn thành công với các hợp kim phụ dòng 5xxx hoặc 4xxx. Hợp kim cơ bản 5052 thường được công nhận là hợp kim cơ bản có hàm lượng magiê tối đa có thể được hàn bằng hợp kim phụ dòng 4xxx. Do các vấn đề liên quan đến sự nóng chảy eutectic và các đặc tính cơ học kém liên quan đến mối hàn, nên không nên hàn vật liệu trong loạt hợp kim này, có chứa lượng magiê cao hơn với chất độn loạt 4xxx. Các vật liệu cơ bản có hàm lượng magiê cao hơn chỉ được hàn bằng hợp kim phụ 5xxx, thường phù hợp với thành phần hợp kim cơ bản.

Hợp kim dòng 6XXX– (có thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo tối đa từ 18 đến 58 ksi) Đây là các hợp kim nhôm / magie - silicon (bổ sung magie và silicon khoảng 1,0%) và được tìm thấy rộng rãi trong ngành chế tạo hàn, được sử dụng chủ yếu ở dạng ép đùn, và kết hợp trong nhiều thành phần cấu trúc. Việc bổ sung magie và silicon vào nhôm tạo ra hợp chất magie-silicide, giúp vật liệu này có khả năng trở thành dung dịch được xử lý nhiệt để cải thiện độ bền. Các hợp kim này nhạy cảm với vết nứt khi đông đặc một cách tự nhiên và vì lý do này, chúng không nên được hàn hồ quang tự sinh (không có vật liệu độn). Việc bổ sung đủ lượng vật liệu phụ trong quá trình hàn hồ quang là điều cần thiết để tạo ra sự pha loãng của vật liệu cơ bản, từ đó ngăn ngừa vấn đề nứt nóng. Chúng được hàn bằng cả vật liệu độn 4xxx và 5xxx, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng và dịch vụ.

Hợp kim dòng 7XXX– (có thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo tối đa từ 32 đến 88 ksi) Đây là các hợp kim nhôm / kẽm (bổ sung kẽm từ 0,8 đến 12,0%) và bao gồm một số hợp kim nhôm có độ bền cao nhất. Những hợp kim này thường được sử dụng trong các ứng dụng hiệu suất cao như máy bay, hàng không vũ trụ và thiết bị thể thao cạnh tranh. Giống như loạt hợp kim 2xxx, loạt hợp kim này bao gồm các hợp kim được coi là không phù hợp để hàn hồ quang và các hợp kim khác thường được hàn hồ quang thành công. Các hợp kim được hàn phổ biến trong dòng này, chẳng hạn như 7005, chủ yếu được hàn với các hợp kim phụ dòng 5xxx.

Bản tóm tắt- Hợp kim nhôm ngày nay, cùng với các loại nhiệt độ khác nhau, bao gồm nhiều loại vật liệu sản xuất đa dạng và linh hoạt. Để thiết kế sản phẩm tối ưu và phát triển quy trình hàn thành công, điều quan trọng là phải hiểu sự khác biệt giữa nhiều hợp kim hiện có cũng như các đặc tính về hiệu suất và khả năng hàn khác nhau của chúng. Khi phát triển các quy trình hàn hồ quang cho các hợp kim khác nhau này, phải xem xét đến hợp kim cụ thể được hàn. Người ta thường nói hàn hồ quang nhôm không khó, “chỉ là khác biệt thôi”. Tôi tin rằng một phần quan trọng để hiểu những khác biệt này là làm quen với các hợp kim khác nhau, đặc điểm và hệ thống nhận dạng của chúng.