با رشد آلومینیوم در صنعت ساخت جوشکاری و پذیرش آن به عنوان جایگزینی عالی برای فولاد در بسیاری از کاربردها، الزامات فزاینده‌ای برای کسانی که در توسعه پروژه‌های آلومینیومی مشارکت دارند، وجود دارد تا با این گروه از مواد بیشتر آشنا شوند. برای درک کامل آلومینیوم، توصیه می‌شود با آشنایی با سیستم شناسایی/نامگذاری آلومینیوم، آلیاژهای مختلف آلومینیوم موجود و ویژگی‌های آنها شروع کنید.

سیستم تعیین دما و دمای آلیاژ آلومینیوم- در آمریکای شمالی، انجمن آلومینیوم (The Aluminum Association Inc.) مسئول تخصیص و ثبت آلیاژهای آلومینیوم است. در حال حاضر بیش از ۴۰۰ نوع آلومینیوم کارشده و آلیاژهای آلومینیوم کارشده و بیش از ۲۰۰ نوع آلیاژ آلومینیوم به شکل ریخته‌گری و شمش در انجمن آلومینیوم ثبت شده‌اند. محدودیت‌های ترکیب شیمیایی آلیاژ برای همه این آلیاژهای ثبت‌شده در فهرست انجمن آلومینیوم موجود است.کتاب فیروزه‌ایبا عنوان «نامگذاری‌های بین‌المللی آلیاژ و محدودیت‌های ترکیب شیمیایی برای آلومینیوم کارشده و آلیاژهای آلومینیوم کارشده» و در آنهاکتاب صورتیبا عنوان «نام‌گذاری‌ها و محدودیت‌های ترکیب شیمیایی برای آلیاژهای آلومینیوم به شکل ریخته‌گری و شمش». این نشریات می‌توانند برای مهندس جوش هنگام توسعه رویه‌های جوشکاری و هنگامی که بررسی شیمی و ارتباط آن با حساسیت به ترک از اهمیت برخوردار است، بسیار مفید باشند.

آلیاژهای آلومینیوم را می‌توان بر اساس ویژگی‌های خاص مواد مانند توانایی آن در پاسخ به عملیات حرارتی و مکانیکی و عنصر آلیاژی اولیه اضافه شده به آلیاژ آلومینیوم، به چندین گروه طبقه‌بندی کرد. وقتی سیستم شماره‌گذاری/شناسایی مورد استفاده برای آلیاژهای آلومینیوم را در نظر می‌گیریم، ویژگی‌های فوق مشخص می‌شوند. آلومینیوم‌های کارشده و ریخته‌گری‌شده دارای سیستم‌های شناسایی متفاوتی هستند. سیستم کارشده یک سیستم ۴ رقمی و آلومینیوم‌های ریخته‌گری‌شده دارای سیستم ۳ رقمی و ۱ رقمی اعشاری هستند.

سیستم نامگذاری آلیاژ کارشده- ابتدا سیستم شناسایی آلیاژ آلومینیوم کارشده با عدد چهار رقمی را بررسی خواهیم کرد. رقم اول (Xxxx) عنصر آلیاژی اصلی را نشان می‌دهد که به آلیاژ آلومینیوم اضافه شده است و اغلب برای توصیف سری آلیاژهای آلومینیوم، یعنی سری ۱۰۰۰، سری ۲۰۰۰، سری ۳۰۰۰، تا سری ۸۰۰۰ استفاده می‌شود (به جدول ۱ مراجعه کنید).

دومین رقم تک رقمی (x)Xxx)، اگر با ۰ متفاوت باشد، نشان دهنده اصلاح آلیاژ خاص است و رقم سوم و چهارم (xx)XX) اعداد دلخواهی هستند که برای شناسایی یک آلیاژ خاص در این سری داده می‌شوند. مثال: در آلیاژ ۵۱۸۳، عدد ۵ نشان می‌دهد که از سری آلیاژهای منیزیم است، عدد ۱ نشان می‌دهد که ۱ است.^stاصلاح آلیاژ اصلی ۵۰۸۳، و عدد ۸۳ آن را در سری ۵xxx مشخص می‌کند.

تنها استثنا در این سیستم شماره‌گذاری آلیاژ، آلیاژهای آلومینیوم سری 1xxx (آلومینیوم خالص) هستند که در این حالت، دو رقم آخر حداقل درصد آلومینیوم بالای 99٪ را نشان می‌دهند، یعنی آلیاژ 13(50)(حداقل ۹۹.۵۰٪ آلومینیوم).

سیستم نامگذاری آلیاژ آلومینیوم کارشده

جدول ۱

نامگذاری آلیاژ ریخته‌گری شده- سیستم نامگذاری آلیاژ ریخته‌گری بر اساس یک نامگذاری اعشاری سه رقمی به علاوه xxx.x (یعنی 356.0) است. رقم اول (Xxx.x) عنصر آلیاژی اصلی را نشان می‌دهد که به آلیاژ آلومینیوم اضافه شده است (به جدول 2 مراجعه کنید).

سیستم نامگذاری آلیاژ آلومینیوم ریخته‌گری شده

جدول ۲

رقم دوم و سوم (x)XX.x) اعداد دلخواهی هستند که برای شناسایی یک آلیاژ خاص در سری داده می‌شوند. عدد بعد از نقطه اعشار نشان می‌دهد که آیا آلیاژ ریخته‌گری (.0) است یا شمش (.1 یا .2). پیشوند با حرف بزرگ نشان‌دهنده اصلاح یک آلیاژ خاص است.
مثال: آلیاژ – A356.0 حرف بزرگ A (Axxx.x) نشان دهنده اصلاح آلیاژ ۳۵۶.۰ است. عدد ۳ (A)3xx.x) نشان می‌دهد که از سری سیلیکون به علاوه مس و/یا منیزیم است. ۵۶ اینچ (Ax)56.0) آلیاژ را در سری 3xx.x و .0 (Axxx.) را مشخص می‌کند.0) نشان می‌دهد که این یک ریخته‌گری شکل نهایی است و نه یک شمش.

سیستم تعیین دما (یا دمای پخت) آلومینیوم -اگر سری‌های مختلف آلیاژهای آلومینیوم را در نظر بگیریم، خواهیم دید که تفاوت‌های قابل توجهی در مشخصات و کاربرد متعاقب آنها وجود دارد. اولین نکته‌ای که پس از درک سیستم شناسایی باید تشخیص داد این است که دو نوع آلومینیوم کاملاً متفاوت در سری‌های ذکر شده در بالا وجود دارد. اینها آلیاژهای آلومینیوم قابل عملیات حرارتی (آنهایی که می‌توانند از طریق افزودن گرما استحکام پیدا کنند) و آلیاژهای آلومینیوم غیر قابل عملیات حرارتی هستند. این تمایز به ویژه هنگام بررسی تأثیرات جوشکاری قوسی بر روی این دو نوع ماده اهمیت دارد.

آلیاژهای آلومینیوم کارشده سری 1xxx، 3xxx و 5xxx قابل عملیات حرارتی نیستند و فقط قابلیت کرنش سختی دارند. آلیاژهای آلومینیوم کارشده سری 2xxx، 6xxx و 7xxx قابل عملیات حرارتی هستند و سری 4xxx شامل آلیاژهای قابل عملیات حرارتی و غیر قابل عملیات حرارتی است. آلیاژهای ریخته‌گری سری 2xx.x، 3xx.x، 4xx.x و 7xx.x قابل عملیات حرارتی هستند. کرنش سختی معمولاً برای قطعات ریخته‌گری اعمال نمی‌شود.

آلیاژهای قابل عملیات حرارتی، خواص مکانیکی بهینه خود را از طریق فرآیند عملیات حرارتی به دست می‌آورند که رایج‌ترین عملیات حرارتی، عملیات حرارتی انحلالی و پیرسازی مصنوعی هستند. عملیات حرارتی انحلالی فرآیند گرم کردن آلیاژ تا دمای بالا (حدود ۹۹۰ درجه فارنهایت) به منظور قرار دادن عناصر یا ترکیبات آلیاژی در محلول است. پس از آن، کوئنچ، معمولاً در آب، برای تولید محلول فوق اشباع در دمای اتاق انجام می‌شود. عملیات حرارتی انحلالی معمولاً پس از پیرسازی انجام می‌شود. پیرسازی، رسوب بخشی از عناصر یا ترکیبات از محلول فوق اشباع به منظور دستیابی به خواص مطلوب است.

آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی، خواص مکانیکی بهینه خود را از طریق سخت‌کاری کرنشی به دست می‌آورند. سخت‌کاری کرنشی روشی برای افزایش استحکام از طریق اعمال کار سرد است. T6، 6063-T4، ۵۰۵۲-اچ۳۲، ۵۰۸۳-اچ۱۱۲.

نامگذاری‌های اساسی دما

جدول ۳

علاوه بر نامگذاری اولیه‌ی تمپر، دو دسته‌ی فرعی وجود دارد، یکی به تمپر «H» - سخت‌کاری کرنشی، و دیگری به تمپر «T» - عملیات حرارتی شده اشاره دارد.

زیربخش‌های H Temper – Strain Hardened

اولین رقم بعد از H نشان دهنده یک عملیات اساسی است:
H۱- فقط سخت‌کاری شده با کرنش.
H2- سخت‌کاری کرنشی و آنیل جزئی.
H3- کرنش سخت شده و تثبیت شده.
H۴- سخت‌کاری شده با کرنش و لاک‌کاری یا رنگ‌آمیزی شده.

رقم دوم بعد از H نشان دهنده میزان سخت شدن کرنش است:
HX2– ربع سخت HX4– نیمه سخت HX6– سه چهارم سخت
HX8– هارد کامل HX9- فوق العاده سخت

زیربخش‌های T Temper - عملیات حرارتی شده

T1- پس از خنک شدن از یک فرآیند شکل‌دهی در دمای بالا، مانند اکسترود کردن، به طور طبیعی پیر شده است.
T2- پس از خنک شدن از یک فرآیند شکل‌دهی در دمای بالا، کار سرد انجام شده و سپس به طور طبیعی پیر شده است.
T3- عملیات حرارتی محلولی، کار سرد و پیرسازی طبیعی.
T4- عملیات حرارتی محلولی و پیرسازی طبیعی.
T5- پس از سرد شدن در اثر فرآیند شکل‌دهی در دمای بالا، به صورت مصنوعی پیرسازی شده است.
T6- عملیات حرارتی محلولی و پیرسازی مصنوعی.
T7- عملیات حرارتی محلولی و پایدارسازی شده (بیش از حد پیر شده).
T8- عملیات حرارتی محلولی، کار سرد و پیرسازی مصنوعی.
T9- عملیات حرارتی محلولی، پیرسازی مصنوعی و کار سرد.
تی۱۰- پس از سرد شدن از یک فرآیند شکل‌دهی در دمای بالا، کار سرد انجام شده و سپس به صورت مصنوعی پیر شده است.

ارقام اضافی نشان‌دهنده‌ی کاهش استرس هستند.
مثال‌ها:
TX51یا TXX51- استرس با حرکات کششی تسکین می‌یابد.
TX52یا TXX52- استرس با فشرده‌سازی کاهش می‌یابد.

آلیاژهای آلومینیوم و ویژگی‌های آنها- اگر هفت سری آلیاژهای آلومینیوم کارشده را در نظر بگیریم، تفاوت‌های آنها را درک کرده و کاربردها و ویژگی‌های آنها را خواهیم فهمید.

آلیاژهای سری 1xxx– (غیرقابل عملیات حرارتی – با استحکام کششی نهایی ۱۰ تا ۲۷ ksi) این سری اغلب به عنوان سری آلومینیوم خالص شناخته می‌شود زیرا حداقل ۹۹٪ آلومینیوم در آن مورد نیاز است. آنها قابل جوشکاری هستند. با این حال، به دلیل محدوده ذوب باریک آنها، برای ایجاد رویه‌های جوشکاری قابل قبول، به ملاحظات خاصی نیاز دارند. هنگامی که این آلیاژها برای ساخت در نظر گرفته می‌شوند، در درجه اول به دلیل مقاومت در برابر خوردگی برتر مانند مخازن و لوله‌های شیمیایی تخصصی یا به دلیل رسانایی الکتریکی عالی مانند کاربردهای باس بار انتخاب می‌شوند. این آلیاژها خواص مکانیکی نسبتاً ضعیفی دارند و به ندرت برای کاربردهای سازه‌ای عمومی در نظر گرفته می‌شوند. این آلیاژهای پایه اغلب با مواد پرکننده منطبق یا با آلیاژهای پرکننده ۴xxx بسته به کاربرد و الزامات عملکرد، جوشکاری می‌شوند.

آلیاژهای سری 2xxx– (قابل عملیات حرارتی – با استحکام کششی نهایی ۲۷ تا ۶۲ ksi) این آلیاژهای آلومینیوم/مس (با افزودن مس از ۰.۷ تا ۶.۸٪) هستند و آلیاژهای با استحکام و کارایی بالا هستند که اغلب برای کاربردهای هوافضا و هواپیما استفاده می‌شوند. آنها استحکام عالی در طیف وسیعی از دما دارند. برخی از این آلیاژها به دلیل حساسیت به ترک خوردگی داغ و ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی، توسط فرآیندهای جوشکاری قوسی غیرقابل جوش در نظر گرفته می‌شوند. با این حال، برخی دیگر با روش‌های صحیح جوشکاری قوسی با موفقیت بسیار خوبی جوش داده می‌شوند. این مواد پایه اغلب با آلیاژهای پرکننده سری ۲xxx با استحکام بالا که برای مطابقت با عملکرد آنها طراحی شده‌اند، جوشکاری می‌شوند، اما گاهی اوقات بسته به کاربرد و الزامات خدمات، می‌توان آنها را با پرکننده‌های سری ۴xxx حاوی سیلیکون یا سیلیکون و مس جوشکاری کرد.

آلیاژهای سری 3xxx– (غیرقابل عملیات حرارتی – با استحکام کششی نهایی ۱۶ تا ۴۱ ksi) این آلیاژهای آلومینیوم/منگنز (با افزودن منگنز از ۰.۰۵ تا ۱.۸٪) دارای استحکام متوسط، مقاومت در برابر خوردگی خوب، شکل‌پذیری خوب و مناسب برای استفاده در دماهای بالا هستند. یکی از اولین کاربردهای آنها قابلمه‌ها و ماهیتابه‌ها بود و امروزه جزء اصلی مبدل‌های حرارتی در وسایل نقلیه و نیروگاه‌ها هستند. با این حال، استحکام متوسط ​​آنها اغلب مانع از در نظر گرفتن آنها برای کاربردهای سازه‌ای می‌شود. این آلیاژهای پایه با آلیاژهای پرکننده سری ۱xxx، ۴xxx و ۵xxx جوش داده می‌شوند که بستگی به شیمی خاص و کاربرد و الزامات سرویس خاص آنها دارد.

آلیاژهای سری 4xxx– (قابل عملیات حرارتی و غیر قابل عملیات حرارتی – با استحکام کششی نهایی ۲۵ تا ۵۵ ksi) این آلیاژهای آلومینیوم/سیلیکون هستند (افزایش سیلیکون از ۰.۶ تا ۲۱.۵٪) و تنها سری‌هایی هستند که شامل آلیاژهای قابل عملیات حرارتی و غیر قابل عملیات حرارتی هستند. سیلیکون، هنگامی که به آلومینیوم اضافه می‌شود، نقطه ذوب آن را کاهش داده و سیالیت آن را در حالت مذاب بهبود می‌بخشد. این ویژگی‌ها برای مواد پرکننده مورد استفاده برای جوشکاری ذوبی و لحیم‌کاری مطلوب هستند. در نتیجه، این سری از آلیاژها عمدتاً به عنوان ماده پرکننده یافت می‌شوند. سیلیکون، به طور مستقل در آلومینیوم، قابل عملیات حرارتی نیست. با این حال، تعدادی از این آلیاژهای سیلیکون به گونه‌ای طراحی شده‌اند که دارای افزودنی‌های منیزیم یا مس باشند، که به آنها توانایی پاسخ مطلوب به عملیات حرارتی محلولی را می‌دهد. معمولاً، این آلیاژهای پرکننده قابل عملیات حرارتی فقط زمانی استفاده می‌شوند که یک قطعه جوش داده شده قرار است تحت عملیات حرارتی پس از جوشکاری قرار گیرد.

آلیاژهای سری 5xxx– (غیرقابل عملیات حرارتی – با استحکام کششی نهایی ۱۸ تا ۵۱ ksi) این آلیاژها، آلیاژهای آلومینیوم/منیزیم هستند (افزودن منیزیم از ۰.۲ تا ۶.۲٪) و بالاترین استحکام را در بین آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی دارند. علاوه بر این، این سری آلیاژ به راحتی جوش‌پذیر است و به همین دلایل برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مانند کشتی‌سازی، حمل و نقل، مخازن تحت فشار، پل‌ها و ساختمان‌ها استفاده می‌شوند. آلیاژهای پایه منیزیم اغلب با آلیاژهای پرکننده جوش داده می‌شوند که پس از بررسی میزان منیزیم ماده پایه و شرایط کاربرد و سرویس قطعه جوش داده شده انتخاب می‌شوند. آلیاژهای این سری با بیش از ۳.۰٪ منیزیم برای سرویس در دمای بالا بالاتر از ۱۵۰ درجه فارنهایت توصیه نمی‌شوند زیرا احتمال حساسیت و متعاقباً مستعد ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی هستند. آلیاژهای پایه با کمتر از تقریباً ۲.۵٪ منیزیم اغلب با آلیاژهای پرکننده سری ۵xxx یا ۴xxx با موفقیت جوش داده می‌شوند. آلیاژ پایه ۵۰۵۲ عموماً به عنوان آلیاژ پایه با حداکثر محتوای منیزیم شناخته می‌شود که می‌تواند با آلیاژ پرکننده سری ۴xxx جوشکاری شود. به دلیل مشکلات مرتبط با ذوب یوتکتیک و خواص مکانیکی ضعیف پس از جوشکاری، جوشکاری مواد این سری آلیاژی که حاوی مقادیر بیشتری منیزیم هستند با پرکننده‌های سری ۴xxx توصیه نمی‌شود. مواد پایه منیزیم بالاتر فقط با آلیاژهای پرکننده ۵xxx جوشکاری می‌شوند که عموماً با ترکیب آلیاژ پایه مطابقت دارند.

آلیاژهای سری 6XXX– (قابل عملیات حرارتی – با استحکام کششی نهایی ۱۸ تا ۵۸ ksi) این آلیاژها، آلیاژهای آلومینیوم/منیزیم-سیلیکون (با افزودن حدود ۱.۰٪ منیزیم و سیلیکون) هستند و به طور گسترده در صنعت ساخت جوشکاری یافت می‌شوند، که عمدتاً به صورت اکستروژن استفاده می‌شوند و در بسیاری از اجزای ساختاری گنجانده شده‌اند. افزودن منیزیم و سیلیکون به آلومینیوم، ترکیبی از منیزیم-سیلیساید تولید می‌کند که به این ماده قابلیت تبدیل شدن به عملیات حرارتی محلولی برای بهبود استحکام را می‌دهد. این آلیاژها به طور طبیعی در برابر ترک خوردگی ناشی از انجماد حساس هستند و به همین دلیل، نباید به صورت خودجوش (بدون ماده پرکننده) جوشکاری قوسی شوند. افزودن مقادیر کافی ماده پرکننده در طول فرآیند جوشکاری قوسی برای رقیق کردن ماده پایه و در نتیجه جلوگیری از مشکل ترک خوردگی داغ ضروری است. آنها بسته به کاربرد و الزامات خدمات، با مواد پرکننده ۴xxx و ۵xxx جوشکاری می‌شوند.

آلیاژهای سری 7XXX– (قابل عملیات حرارتی – با استحکام کششی نهایی ۳۲ تا ۸۸ ksi) این آلیاژها، آلیاژهای آلومینیوم/روی هستند (افزودن روی از ۰.۸ تا ۱۲.۰٪) و برخی از آلیاژهای آلومینیوم با بالاترین استحکام را تشکیل می‌دهند. این آلیاژها اغلب در کاربردهای با کارایی بالا مانند هواپیما، هوافضا و تجهیزات ورزشی رقابتی استفاده می‌شوند. مانند سری آلیاژهای ۲xxx، این سری شامل آلیاژهایی است که کاندیداهای نامناسبی برای جوشکاری قوسی در نظر گرفته می‌شوند و آلیاژهای دیگری که اغلب با موفقیت جوشکاری قوسی می‌شوند. آلیاژهای جوشکاری شده رایج در این سری، مانند ۷۰۰۵، عمدتاً با آلیاژهای پرکننده سری ۵xxx جوشکاری می‌شوند.

خلاصه- آلیاژهای آلومینیوم امروزی، همراه با تمپرهای مختلفشان، طیف وسیعی از مواد تولیدی را تشکیل می‌دهند. برای طراحی بهینه محصول و توسعه موفق رویه‌های جوشکاری، درک تفاوت‌های بین آلیاژهای متعدد موجود و ویژگی‌های مختلف عملکرد و جوش‌پذیری آنها مهم است. هنگام توسعه رویه‌های جوشکاری قوسی برای این آلیاژهای مختلف، باید به آلیاژ خاص مورد جوشکاری توجه شود. اغلب گفته می‌شود که جوشکاری قوسی آلومینیوم دشوار نیست، "فقط متفاوت است". من معتقدم که بخش مهمی از درک این تفاوت‌ها، آشنایی با آلیاژهای مختلف، ویژگی‌های آنها و سیستم شناسایی آنهاست.