Với sự phát triển của nhôm trong ngành chế tạo hàn và việc nó được chấp nhận như một lựa chọn thay thế tuyệt vời cho thép trong nhiều ứng dụng, nhu cầu làm quen với nhóm vật liệu này ngày càng tăng đối với những người tham gia phát triển các dự án nhôm. Để hiểu đầy đủ về nhôm, nên bắt đầu bằng việc làm quen với hệ thống nhận dạng/ký hiệu nhôm, các 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 có hơn 400 loại nhôm rèn và hợp kim nhôm rèn, cùng hơn 200 loại hợp kim nhôm dưới dạng đúc và thỏi được đăng ký với Hiệp hội Nhôm. Giới hạn thành phần hóa học của hợp kim cho tất cả các hợp kim đã đăng ký này được nêu trong Quy định của Hiệp hội Nhôm.Sách Tealcó tiêu đề “Chỉ định hợp kim quốc tế và giới hạn thành phần hóa học cho nhôm rèn và hợp kim nhôm rèn” và trongSách hồngcó tựa đề “Ký hiệu và Giới hạn Thành phần Hóa học cho Hợp kim Nhôm dạng Đúc và Thỏi”. Những ấn phẩm này có thể cực kỳ hữu ích cho kỹ sư hàn khi xây dựng quy trình hàn, và khi việc xem xét 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 một số nhóm dựa trên các đặc tính cụ thể của vật liệu, chẳng hạn như khả năng đáp ứng với xử lý nhiệt và cơ học, và 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 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, còn nhôm đúc là 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 dùng để mô tả các loại hợp kim nhôm, tức là loại 1000, loại 2000, loại 3000, lên đến loại 8000 (xem bảng 1).

Chữ số đơn thứ hai (xXxx), nếu khác 0, biểu thị sự thay 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 dãy. Ví dụ: Trong hợp kim 5183, số 5 chỉ ra rằng nó thuộc dãy hợp kim magiê, số 1 chỉ ra rằng nó là số 1^stsửa đổi đối với hợp kim gốc 5083 và 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)(tối thiểu 99,50% nhôm).

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 thập phân cộng thêm 3 chữ số xxx.x (tức là 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 (xXX.x) là các số tùy ý được chỉ định để xác định một hợp kim cụ thể trong chuỗi. Số theo sau dấu thập phân cho biết hợp kim đó là hợp kim đúc (.0) hay hợp kim thỏi (.1 hoặc .2). Tiền tố chữ cái in hoa biểu thị sự biến đổi của một hợp kim cụ thể.
Ví dụ: Hợp kim – A356.0 chữ A viết hoa (Axxx.x) biểu thị sự biến đổi của hợp kim 356.0. Số 3 (A3xx.x) cho biết nó thuộc nhóm silicon cộng với đồng và/hoặc magiê. 56 in (Ax56.0) xác định hợp kim trong chuỗi 3xx.x và .0 (Axxx.0) cho biết đây là hình dạng đúc cuối cùng chứ không phải là thỏi.

Hệ thống chỉ định nhiệt độ nhôm -Nếu xem xét các nhóm 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 biết, sau khi hiểu hệ thống nhận dạng, là có hai loại nhôm hoàn toàn khác biệt trong nhóm được đề cập ở trên. Đó là hợp kim nhôm có thể xử lý nhiệt (loại có thể tăng cường độ thông qua việc bổ sung nhiệt) và 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 tôi biến dạng. 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 thể xử lý nhiệt. Hợp kim đúc dòng 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x và 7xx.x có thể xử lý nhiệt. Tôi biến dạng thường không được áp dụng cho vật đúc.

Hợp kim có thể xử lý nhiệt đạt được các tính chất cơ học tối ưu thông qua quá trình xử lý nhiệt, 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 đưa các nguyên tố hoặc hợp chất hợp kim vào dung dịch. Tiếp theo là quá trình tôi, thường là trong nước, để tạo ra dung dịch quá bão hòa ở nhiệt độ phòng. Xử lý nhiệt dung dịch thường được thực hiện sau quá trình lão hóa. Lão hóa là quá trình kết tủa một phần các nguyên tố hoặc hợp chất từ ​​dung dịch quá bão hòa để tạo ra các tính chất mong muốn.

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

CÁC KẾT QUẢ TÍNH NĂNG CƠ BẢN

Bảng 3

Ngoài ký hiệu nhiệt độ cơ bản, còn có hai phân loại, một là loại nhiệt độ “H” – Làm cứng bằng ứng suất, và loại còn lại là loại nhiệt độ “T” – Được xử lý nhiệt.

Phân loại của H Temper – Strain Hardened

Chữ số đầu tiên sau chữ H biểu thị một phép toán cơ bản:
H1– Chỉ gia cường độ cứng.
H2– Làm cứng và ủ một phần.
H3– Được làm cứng và ổn định.
H4– Được làm cứng và sơn mài hoặc sơn màu.

Chữ số thứ hai sau chữ H biểu thị mức độ cứng hóa của ứng suất:
HX2– 1/4 Hard HX4– Nửa cứng HX6– Ba phần tư khó
HX8– Full Hard HX9– Cực kỳ khó

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

Các chữ số bổ sung biểu thị sự giảm căng thẳng.
Ví dụ:
TX51hoặc TXX51– Giảm căng thẳng bằng cách kéo giãn.
TX52hoặc TXX52– Giảm căng thẳng bằng cách nén.

Hợp kim nhôm và đặc điểm của chúng- Nếu chúng ta xem xét bảy loại hợp kim nhôm rèn, chúng ta sẽ đánh giá được 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 cực đại từ 10 đến 27 ksi) loại này thường được gọi là loại nhôm nguyên chất vì nó yêu cầu phải có tối thiểu 99,0% nhôm. Chúng có thể hàn được. Tuy nhiên, do phạm vi nóng chảy hẹp nên chúng cần một số cân nhắc nhất định để tạo ra các quy trình hàn chấp nhận được. Khi được xem xét để chế tạo, các hợp kim này được lựa chọn chủ yếu vì khả năng chống ăn mòn vượt trội như trong các bồn chứa hóa chất và đường ống chuyên dụng hoặc vì độ dẫn điện tuyệt vời như trong các ứng dụng thanh cái. Các hợp kim này có các đặc tính 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 bằng vật liệu độn phù hợp hoặc bằng hợp kim độn 4xxx tùy thuộc vào yêu cầu về ứng dụng và hiệu suất.

Hợp kim dòng 2xxx– (có thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo cực đại từ 27 đến 62 ksi) đây là hợp kim nhôm/đồng (lượng đồng bổ sung từ 0,7 đến 6,8%) và là 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 độ bền tuyệt vời trong 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 ứng suất; tuy nhiên, một số khác được hàn hồ quang rất thành công với các quy trình hàn chính xác. Các vật liệu cơ bản này thường được hàn bằng hợp kim hàn phụ loại 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 hàn phụ loại 4xxx chứa silic hoặc silic và đồng, tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu dịch vụ.

Hợp kim dòng 3xxx– (không thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo cực đại từ 16 đến 41 ksi) Đây là hợp kim nhôm/mangan (hàm lượng mangan bổ sung từ 0,05 đến 1,8%) và có độ bền trung bình, khả năng chống ăn mòn tốt, khả năng định 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 hiện nay chúng là thành phần chính trong bộ trao đổi nhiệt trong xe cộ và nhà máy điện. Tuy nhiên, độ bền trung bình của chúng thường không được xem xét cho các ứng dụng kết cấu. Các hợp kim cơ bản này được hàn bằng hợp kim độn sê-ri 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 thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo cực đại từ 25 đến 55 ksi) Đây là hợp kim nhôm/silicon (lượng silicon bổ sung từ 0,6 đến 21,5%) và là loại duy nhất chứa cả hợp kim có thể xử lý nhiệt và không thể xử lý nhiệt. Silicon, khi được thêm vào nhôm, làm giảm điểm nóng chảy và cải thiện tính lưu động khi nóng chảy. Những đặc tính này là mong muốn đối với vật liệu độn được sử dụng cho cả hàn nóng chảy và hàn đồng. Do đó, loại hợp kim này chủ yếu được tìm thấy làm vật liệu độn. Silicon, độc lập trong nhôm, không thể xử lý nhiệt; tuy nhiên, một số hợp kim silicon này đã được thiết kế để có thể bổ sung magiê hoặc đồng, giúp chúng có khả năng phản ứng thuận lợi với 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 khi hàn.

Hợp kim dòng 5xxx– (không thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo cực đại từ 18 đến 51 ksi) Đây là hợp kim nhôm/magiê (lượng bổ sung magiê dao động từ 0,2 đến 6,2%) và có độ bền cao nhất trong các hợp kim không thể xử lý nhiệt. Ngoài ra, loại 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 chịu áp lực, cầu và tòa nhà. Hợp kim nền magiê thường được hàn bằng hợp kim độn, được lựa chọn sau khi xem xét hàm lượng magiê của vật liệu nền và điều kiện ứng dụng và dịch vụ của bộ phận được hàn. Hợp kim trong loại này có hơn 3,0% magiê không được khuyến nghị sử dụng ở nhiệt độ cao trên 150 độ F do khả năng gây nhạy cảm và dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất sau đó. Hợp kim nền có hàm lượng magiê dưới khoảng 2,5% thường được hàn thành công bằng hợp kim độn loại 5xxx hoặc 4xxx. Hợp kim cơ sở 5052 thường được công nhận là hợp kim cơ sở có hàm lượng magiê tối đa có thể hàn bằng hợp kim hàn phụ loại 4xxx. Do các vấn đề liên quan đến hiện tượng nóng chảy eutectic và các tính chất cơ học kém khi hàn, không nên hàn vật liệu trong loại hợp kim này, vì chúng có hàm lượng magiê cao hơn với vật liệu hàn phụ loại 4xxx. Vật liệu cơ sở có hàm lượng magiê cao hơn chỉ được hàn bằng hợp kim hàn phụ loại 5xxx, thường phù hợp với thành phần hợp kim cơ sở.

Hợp kim dòng 6XXX– (có thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo cực đại từ 18 đến 58 ksi) Đây là hợp kim nhôm/magiê – silic (bổ sung magie và silic khoảng 1,0%) và được tìm thấy rộng rãi trong ngành chế tạo hàn, chủ yếu được sử dụng dưới dạng đùn và được kết hợp trong nhiều thành phần cấu trúc. Việc bổ sung magie và silic vào nhôm tạo ra hợp chất magie-silic, 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 đông đặc tự nhiên và vì lý do này, chúng không nên được hàn hồ quang tự phát (không có vật liệu độn). Việc bổ sung một lượng vật liệu độn thích hợp trong quá trình hàn hồ quang là điều cần thiết để pha loãng vật liệu cơ bản, do đó ngăn ngừa vấn đề nứt nóng. Chúng được hàn bằng cả vật liệu độn 4xxx và 5xxx, tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu dịch vụ.

Hợp kim dòng 7XXX– (có thể xử lý nhiệt – với độ bền kéo cực đại từ 32 đến 88 ksi) Đây là hợp kim nhôm/kẽm (lượng kẽm bổ sung 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 thi đấu. 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 hợp kim hàn phụ dòng 5xxx.

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