Với sự phát triển của nhôm trong ngành công nghiệp chế tạo hàn và sự chấp nhận rộng rãi của nó như một lựa chọn thay thế tuyệt vời cho thép trong nhiều ứng dụng, nhu cầu về việc hiểu biết sâu hơn về nhóm vật liệu này đối với những người tham gia phát triển các dự án liên quan đến nhôm ngày càng tăng cao. Để hiểu đầy đủ về nhôm, nên bắt đầu bằng việc làm quen với hệ thống nhận dạng/ký hiệu nhôm, nhiều hợp kim nhôm hiện có và các đặc tính của chúng.

Hệ thống ký hiệu và độ cứng của hợp kim nhôm- Tại Bắc Mỹ, Hiệp hội Nhôm (Aluminum Association Inc.) chịu trách nhiệm phân bổ và đăng ký các hợp kim nhôm. Hiện nay, có hơn 400 loại nhôm thành phẩm và hợp kim nhôm thành phẩm, cùng hơn 200 loại hợp kim nhôm ở dạng đúc và thỏi được đăng ký với Hiệp hội Nhôm. Giới hạn thành phần hóa học của tất cả các hợp kim đã đăng ký này được quy định trong tiêu chuẩn của Hiệp hội Nhôm.Sách màu xanh ngọccó tiêu đề “Các ký hiệu hợp kim quốc tế và giới hạn thành phần hóa học cho nhôm rèn và hợp kim nhôm rèn” và trong đóSách HồngTài liệu có tiêu đề “Các ký hiệu và giới hạn thành phần hóa học cho hợp kim nhôm ở dạng đúc và thỏi”. 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 nứt là rất quan trọng.

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

Hệ thống ký hiệu hợp kim rèn- Trước tiên, chúng ta sẽ xem xét hệ thống nhận dạng hợp kim nhôm rèn 4 chữ số. Chữ số đầu tiên (Xxxx) biểu thị nguyên tố hợp kim chính được thêm vào hợp kim nhôm và thường được sử dụng để mô tả các dòng hợp kim nhôm, ví dụ: dòng 1000, dòng 2000, dòng 3000, cho đến dòng 8000 (xem bảng 1).

Chữ số đơn thứ hai (x)Xxx), nếu khác 0, cho biết sự thay đổi của hợp kim cụ thể, và chữ số thứ ba và thứ tư (xx)XX(Số hiệu) là những con số tùy ý được dùng để xác định một hợp kim cụ thể trong chuỗi. Ví dụ: Trong hợp kim 5183, số 5 cho biết nó thuộc chuỗi hợp kim magie, số 1 cho biết nó là hợp kim loại 1.^stĐây là sự điều chỉnh đối với hợp kim 5083 ban đầu, và số 83 xác định nó thuộc dòng 5xxx.

Ngoại lệ duy nhất đối với hệ thống đánh số hợp kim này là đối với các hợp kim nhôm thuộc dòng 1xxx (nhôm nguyên chất), trong trường hợp đó, hai chữ số cuối cùng cho biết tỷ lệ phần trăm nhôm tối thiểu trên 99%, tức là Hợp kim 13.(50)(Hàm lượng nhôm tối thiểu 99,50%).

HỆ THỐNG KÝ HIỆU HỢP KIM NHÔM RÈN

Bảng 1

Ký hiệu hợp kim đúc- Hệ thống ký hiệu hợp kim đúc dựa trên ký hiệu 3 chữ số cộng thêm số thập phân xxx.x (ví dụ: 356.0). Chữ số đầu tiên (Xxx.x) biểu thị nguyên tố hợp kim chính 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 (x)XX.x) là những con số tùy ý được dùng để xác định một hợp kim cụ thể trong chuỗi. Con số sau dấu thập phân cho biết hợp kim đó là dạng đúc (.0) hay dạng thỏi (.1 hoặc .2). Chữ cái viết hoa đứng trước 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 (A)3xx.x) cho biết nó thuộc dãy silic cộng với đồng và/hoặc magie. Số 56 trong (Ax)56.0) xác định hợp kim trong chuỗi 3xx.x, và .0 (Axxx.0Ký hiệu này cho biết đó là sản phẩm đúc thành phẩm cuối cùng chứ không phải là thỏi kim loại.

Hệ thống ký hiệu độ cứng của nhôm -Nếu xem xét các loại hợp kim nhôm khác nhau, chúng ta sẽ thấy có sự khác biệt đáng kể về đặc tính và ứng dụng của chúng. Điểm đầu tiên cần nhận ra, sau khi hiểu hệ thống phân loại, là có hai loại nhôm khác biệt rõ rệt trong các loại đã đề cập ở trên. Đó là hợp kim nhôm có thể xử lý nhiệt (những loại có thể tăng độ bền thông qua việc gia nhiệt) và hợp kim nhôm không thể xử lý nhiệt. Sự phân biệt này đặc biệt quan trọng khi xem xét ảnh hưởng của hàn hồ quang lên hai loại vật liệu này.

Các hợp kim nhôm rèn thuộc серии 1xxx, 3xxx và 5xxx không thể xử lý nhiệt và chỉ có thể làm cứng bằng biến dạng. Các hợp kim nhôm rèn thuộc серии 2xxx, 6xxx và 7xxx có thể xử lý nhiệt, còn серии 4xxx bao gồm cả hợp kim có thể xử lý nhiệt và không thể xử lý nhiệt. Các hợp kim đúc thuộc серии 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x và 7xx.x có thể xử lý nhiệt. Làm cứng bằng biến dạng thường không được áp dụng cho các sản phẩm đúc.

Các hợp kim có thể xử lý nhiệt đạt được các tính chất cơ học tối ưu thông qua quá trình xử lý nhiệt, trong đó các phương pháp xử lý nhiệt phổ biến nhất là xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa nhân tạo. Xử lý nhiệt dung dịch là quá trình nung nóng hợp kim đến nhiệt độ cao (khoảng 990 độ F) để hòa tan các nguyên tố hoặc hợp chất hợp kim. Sau đó là quá trình làm nguội nhanh, thường là trong nước, để tạo ra dung dịch bão hòa quá mức ở nhiệt độ phòng. Xử lý nhiệt dung dịch thường được tiếp theo bằng quá trình lão hóa. Lão hóa là quá trình kết tủa một phần các nguyên tố hoặc hợp chất từ ​​dung dịch bão hòa quá mức để đạt được các tính chất mong muốn.

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

CÁC ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN VỀ ĐỘ NHẠY

Bảng 3

Ngoài ký hiệu độ cứng cơ bản, còn có hai loại phân loại phụ, một loại dành cho độ cứng “H” – Làm cứng bằng biến dạng, và loại kia dành cho độ cứng “T” – Xử lý nhiệt.

Phân loại H Temper – Tôi cứng bằng biến dạng

Chữ số đầu tiên sau chữ H biểu thị một phép toán cơ bản:
H1– Chỉ áp dụng cho loại đã được tôi cứng bằng biến dạng.
H2– Được tôi cứng bằng biến dạng và ủ một phần.
H3– Được tôi cứng và ổn định bằng ứng suất.
H4– Được tôi cứng và phủ sơn mài hoặc sơn màu.

Chữ số thứ hai sau chữ H biểu thị mức độ biến dạng dẻo:
HX2– Quarter Hard HX4– Half Hard HX6– Ba phần tư cứng
HX8– Full Hard HX9– Cực Khó

Các phân loại của T Temper – Xử lý nhiệt

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

Các chữ số bổ sung cho thấy mức độ giảm căng thẳng.
Ví dụ:
TX51hoặc TXX51– Giảm căng thẳng bằng cách giãn cơ.
TX52hoặc TXX52– Giảm ứng suất bằng cách nén.

Hợp kim nhôm và đặc tính của chúng- Nếu xem xét bảy dòng hợp kim nhôm rèn, chúng ta sẽ thấy được sự khác biệt giữa chúng cũng như hiểu rõ hơn về ứng dụng và đặc tính của từng loại.

Hợp kim dòng 1xxx– (không thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo tối đa từ 10 đến 27 ksi) dòng hợp kim này thường được gọi là dòng nhôm nguyên chất vì yêu cầu phải có tối thiểu 99,0% nhôm. Chúng có thể hàn được. Tuy nhiên, do phạm vi nóng chảy hẹp, chúng cần được xem xét kỹ lưỡng để tạo ra các quy trình hàn đạt yêu cầu. Khi được xem xét để chế tạo, các hợp kim này được lựa chọn chủ yếu vì khả năng chống ăn mòn vượt trội, chẳng hạn như trong các bể chứa hóa chất và đường ống chuyên dụng, hoặc vì khả năng dẫn điện tuyệt vời như trong các ứng dụng thanh dẫn điện. Các hợp kim này có tính chất cơ học tương đối kém và hiếm khi được xem xét cho các ứng dụng kết cấu thông thường. Các hợp kim cơ bản này thường được hàn với vật liệu phụ phù hợp hoặc với các hợp kim phụ 4xxx tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu 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 (hàm lượng đồng bổ sung từ 0,7 đến 6,8%), là các hợp kim có độ bền cao, hiệu suất cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và máy bay. Chúng có độ bền tuyệt vời trên một phạm vi nhiệt độ rộng. Một số hợp kim này được coi là không thể hàn được bằng các quy trình hàn hồ quang do dễ bị nứt nóng và nứt ăn mòn do ứng suất; tuy nhiên, một số khác lại được hàn hồ quang rất thành công với các quy trình hàn thích hợp. Các vật liệu cơ bản này thường được hàn bằng các hợp kim phụ có độ bền cao thuộc dòng 2xxx được thiết kế để phù hợp với hiệu suất của chúng, nhưng đôi khi cũng có thể được hàn bằng các hợp kim phụ dòng 4xxx chứa silic hoặc silic và đồng, tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu sử dụng.

Hợp kim dòng 3xxx– (không thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo tối đa từ 16 đến 41 ksi) Đây là các hợp kim nhôm/mangan (hàm lượng mangan từ 0,05 đến 1,8%) có độ bền trung bình, khả năng chống ăn mòn tốt, khả năng tạo hình tốt và phù hợp để sử dụng ở nhiệt độ cao. Một trong những ứng dụng đầu tiên của chúng là làm 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 trung bình của chúng thường ngăn cản việc xem xét sử dụng chúng trong các ứng dụng kết cấu. Các hợp kim cơ bản này được hàn với các hợp kim phụ thuộc dòng 1xxx, 4xxx và 5xxx, tùy thuộc vào thành phần hóa học cụ thể và các yêu cầu ứng dụng và sử dụng cụ thể.

Hợp kim dòng 4xxx– (có thể xử lý nhiệt và không thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo tối đa từ 25 đến 55 ksi) Đây là các hợp kim nhôm/silicon (hàm lượng silicon từ 0,6 đến 21,5%) và là dòng hợp kim duy nhất chứa cả hợp kim có thể xử lý nhiệt và không thể xử lý nhiệt. Khi thêm silicon vào nhôm, nó làm giảm điểm nóng chảy và cải thiện độ chảy khi nóng chảy. Những đặc tính này rất cần thiết cho vật liệu hàn dùng trong cả hàn nóng chảy và hàn thiếc. Do đó, dòng hợp kim này chủ yếu được tìm thấy làm vật liệu hàn. Silicon, khi ở dạng riêng lẻ trong nhôm, không thể xử lý nhiệt; tuy nhiên, một số hợp kim silicon này đã được thiết kế để bổ sung magie hoặc đồng, giúp chúng có khả năng phản ứng thuận lợi với xử lý nhiệt dung dịch. Thông thường, các hợp kim hàn có thể xử lý nhiệt này chỉ được sử dụng khi chi tiết hàn cần được xử lý nhiệt sau hàn.

Hợp kim dòng 5xxx– (không xử lý nhiệt – với độ bền kéo tối đa từ 18 đến 51 ksi) Đây là các hợp kim nhôm/magiê (hàm lượng magiê từ 0,2 đến 6,2%) và có độ bền cao nhất trong số các hợp kim không 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 khác nhau như đóng tàu, vận tải, bình áp lực, cầu và nhà cửa. Các hợp kim gốc magiê thường được hàn bằng các hợp kim phụ, được lựa chọn sau khi xem xét hàm lượng magiê của vật liệu nền, cũng như ứng dụng và điều kiện sử dụng của chi tiết hàn. Các hợp kim trong dòng này có hàm lượng magiê trên 3,0% không được khuyến cáo sử dụng ở nhiệt độ cao trên 150 độ F vì khả năng nhạy cảm và dễ bị nứt ăn mòn do ứng suất. Các hợp kim nền có hàm lượng magiê dưới khoảng 2,5% thường được hàn thành công với các hợp kim phụ dòng 5xxx hoặc 4xxx. Hợp kim nền 5052 thường được công nhận là hợp kim nền có hàm lượng magie tối đa có thể hàn được với hợp kim phụ серии 4xxx. Do các vấn đề liên quan đến sự nóng chảy eutectic và các tính chất cơ học kém sau khi hàn, không nên hàn các vật liệu thuộc серии hợp kim này, vốn chứa hàm lượng magie cao hơn, với các chất phụ gia серии 4xxx. Các vật liệu nền có hàm lượng magie cao hơn chỉ được hàn với hợp kim phụ 5xxx, thường có thành phần tương đương với hợp kim nền.

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/magiê-silicon (có hàm lượng magiê và silicon khoảng 1,0%) và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo hàn, chủ yếu ở dạng đùn ép, và được tích hợp trong nhiều cấu kiện kết cấu. Việc thêm magiê và silicon vào nhôm tạo ra hợp chất magiê-siliconua, giúp vật liệu này có khả năng được xử lý nhiệt dung dịch để cải thiện độ bền. Các hợp kim này dễ bị nứt do đông đặc, và vì lý do này, chúng không nên được hàn hồ quang tự động (không có vật liệu phụ). Việc thêm đủ lượng vật liệu phụ trong quá trình hàn hồ quang là rất cần thiết để pha loãng vật liệu cơ bản, do đó ngăn ngừa vấn đề nứt nóng. Chúng được hàn bằng cả vật liệu phụ 4xxx và 5xxx, tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu sử dụng.

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 (hàm lượng kẽm từ 0,8 đến 12,0%) và bao gồm một số hợp kim nhôm có độ bền cao nhất. Các 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 chuyên nghiệp. Giống như dòng hợp kim 2xxx, dòng này bao gồm các hợp kim được coi là không phù hợp cho hàn hồ quang, và các hợp kim khác thường được hàn hồ quang thành công. Các hợp kim thường được hàn trong dòng này, chẳng hạn như 7005, chủ yếu được hàn bằng các hợp kim phụ thuộc dòng 5xxx.

Bản tóm tắt- Các hợp kim nhôm hiện nay, cùng với các trạng thái tôi luyện khác nhau, tạo nên một loạt các vật liệu sản xuất rộng rãi và đa dụng. 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 loại hợp kim hiện có và các đặc tính về hiệu suất và khả năng hàn của chúng. Khi phát triển các quy trình hàn hồ quang cho các loại hợp kim khác nhau này, cần phải xem xét đến loại hợp kim cụ thể đang được hàn. Người ta thường nói rằng hàn hồ quang nhôm không khó, “chỉ là khác biệt”. Tôi tin rằng một phần quan trọng của việc hiểu những khác biệt này là làm quen với các loại hợp kim khác nhau, đặc tính của chúng và hệ thống nhận dạng của chúng.