2.20 Aluminijum 2012

ATB:

Naziv predmeta:

MATERIJALI I NJIHOVO PONAŠANJE PRI ZAVARIVANJU

Broj doc.: 2.23.

Autori:

Milica Antić, dipl. Ing. Mirjana Smiljanić, dipl. Ing.

Aluminijum i legure aluminijuma

Revizija: 1

septembar, 2010.

Neovlašćeno umnožavanje nije dozvoljeno

PROGRAM

Pregled aluminijuma i njegovih legura (čist aluminijum, legure koje ojačavaju i neojačavaju), zavarljivost priprema spoja, primenjivi postupci zavarivanja, dodatni materijali (izbor, skladištenje i rukovanje), zaštitni gasovi, problemi zavarivanja (poroznost i vruće prsline dijagrami nastanka prslina i njihovo sprečavanje), detalji projektovanja, primena i posebni problemi (lake konstrukcije, kriogena primena)

ATB:

Naziv dokumenta:

Aluminijum i Al legure Broj dok. 2.23.

Strana 1 od 26


UVOD Posle železa, aluminijum je najviše korišćen osnovni metal za zavarene konstrukcije i proizvode. Razlličitosti primene ova dva metala zasnivaju se na izrazitim razlikama njihovih osobina (tab.1). Posebno značajne osobine za primenu aluminijuma su:

dobra električna i toplotna provodljivost; dobra livkost; dobra zavarljivost i lemljivost; dobra sposobnost oblikovanja; zadovoljavajuća koroziona otpornost; dobri dekorativni efekti.

Tabela 1. Uporedne osobine aluminijuma i železa Osobine Al Fe

Atomska težina (g/mol) 26,98 55,84 Kristalna rešetka pov.c.k prost.c.k. Gustina (g/cm3) 2,70 7,87 Modul elastičnosti E (MPa) 67⋅103 210⋅103 Koeficijent trenja (1/K) 24⋅10-6 12⋅10-6 Rp0,2 (MPa) ≈ 10 ≈ 100 Rm (MPa) ≈ 50 ≈ 200 Specifična toplota (J/kg⋅K) ≈ 890 ≈ 460 Toplota topljenja (J/g) ≈ 390 ≈ 272 Tačka topljenja (°C) 660 1536 Toplotna provodljivost (W/m K) 235 75 Električna provodljivost (m/ Ω⋅mm2) 38 10 Oksidi Al2O3 FeO/Fe2O3/Fe3O4 →Tačka topljenja oksida (°C) 2050 1400/1455/1600

Povećanje niske čvrstoće aluminijuma moguće je: legiranjem; hladnom deformacijom; termičkom obradom, i kombinacijom ovih mogućnosti.

Značajno veliki broj, većinom dvokomponentnih i trokomponentnih, legura aluminijuma primenjenim procesom prerade i dodatne obrade postiže relativno zadovoljavajuću čvrstoću u odnosu na masu, što pruža mogućnost za njihovu primenu kao konstrukcionih materijala. Zbog specifičnih osobina, i pored veće proizvodne cene u odnosu na čelik, aluminijumski materijali našli su povoljnu primenu u elektroindustriji, za mašine, aparate i transportna sredstva, za konstrukcije u građevinarstvu, za proizvode široke potrošnje u domaćinstvu i za pakovanje. Takođe, porast primene je u hemijskoj industriji, u izradi uređaja, cevovoda, rezervoara i posuda. U poslednjoj deceniji prošloga veka posebno je povećana primena u automobilskoj industriji (putnički automobili i komercijalna vozila). KLASIFIKACIJA LEGURA ALUMINIJUMA Aluminijumski materijali su većinom legure čistog aluminijuma sa jednim ili više od glavnih pet (5) legirajućih elemenata: Cu, Si, Mg, Zn, i Mn (sl.1), i manjim učešćem Fe, Cr, Ti, a u novije vreme i Sc (skandijuma). Za posebno legiranje dodaju se legirajući elementi: Ni, Co, Ag, Li, V, Zr, Sn, Pb, Cd i Bi, i u tragovima: Be, B i Na. U odnosu na vrstu i stepen legiranosti, kao i način proizvodnje, razlikuju se legure za livenje i legure za plastičnu preradu (gnječenje). Granica između legura za livenje i legura za gnječenje nije potpuno povučena. Neke legure za gnječenje pogodne su i za livenje. Odlivci od legura za livenje se proizvode livenjem u peščanim i kokilnim kalupima i livenjem pritiskom.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 2 od 26


Slika 1: Uobičajeni sistemi legura aluminijuma Legure za gnječenje se proizvode livenjem u ingote koji se obrađuju hladnom ili toplom deformacijom, kovanjem, valjanjem ili izvlačenjem, u odgovarajuće poluproizvode: otkovke, limove, trake, vučene profile... Nadalje, legure se klasifikuju u termički neobradive i termički obradive. Termički neobradive Al legure ojačavaju rastvaranjem legirajućih elemenata u čvrstom rastvoru i plastičnom preradom (deformaciono ojačavanje), dok termički obradive legure otvrdnjavaju taloženjem legirajućih elemenata iz presićenog čvrstog rastvora (taložno otvrdnjavanje). Šematski prikaz klasifikacije dat je na slici 2.

Slika 2: Klasifikacija legura aluminijuma

Najviše korišćene legure za gnječenje mogu se podeliti u pet grupa. Unutar njih je još i podela na legure koje nemaju sposobnost otvrdnjavanja termičkom obradom taloženjem (nisu termički

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 3 od 26


obradive) i legure koje imaju sposobnost otvrdnjavanja termičkom obradom taloženjem (termički obradive) (tab.2). U praksi, termički neobradive legure za gnječenje, preko različitog stepena hladnog deformisanja, proizvode se u tri stepena čvrstoće: meko, polutvrdo i tvrdo. Tabela 2. Hemijski sastav uobičajenih grupa legura za gnječenje( mas%)

Grupa Mg Si Cu Zn Mn Ti Sposobnost termičkog otvrdnjavanja

AlMn - 1,0 Termički neobradive AlMg 1...5 Termički neobradive AlMgSi 0,5...1,5 0,5...1,5 Termički obradive AlZnMg 2,5 3,5 0,2 Termički obradive AlZnMg 2,5 1,5 6,0 Termički obradive AlCuMg 0,3...1,5 2...5 0...0,8 Termički obradive

Označavanje aluminijumskih materijala Analogno označavanju čelika, za standardizovano označavanje aluminijumskih materijala primenjuje se numerički sistem označavanja (EN 573-1) i alfa-numerički sistem označavanja (EN 573-2). Kod oba sistema označavanju legure prethodi naznaka za standard (EN), naznaka za bazni metal - aluminijum (A) i način proizvodnje; za legure za gnječenje ova naznaka je W (wrought- gnječeno). Kod numeričkog sistema označavanje legura sastoji se od četiri broja; prva dva broja označavaju broj grupe legure glavnog legirajućeg elementa i legirajuću promenu, a zatim slede brojevi glavne grupe sledećeg legirajućeg elemenata po značaju i legirajuća promena. Za čisti aluminujum, stepena čistoće min. 99% oznaka je EN AW-1x% a za legure: EN AW-2nxx: za glavni legirajući element Cu EN AW-3nxx: za glavni legirajući element Mn EN AW-4nxx: za glavni legirajući element Si EN AW-5nxx: za glavni legirajući element Mg EN AW-6nxx: za glavne legirajuće elemente Mg i Si EN AW-7nxx: za glavni legirajući element Zn EN AW-8nxx: za ostale glavne legirajuće elemente EN AW-9nxx: za neutvrđene legirajuće grupe. Kod legirajućih grupa 2-8 »n« označava legirajuću promenu (modifikaciju). Broj »xx« služi za slednu numeraciju legiranosti. Kod alfa numeričkog sistema označavanje legure je preko hemijskih simbola: prvo za bazni metal Al, a zatim sledi simbol najvažnijeg legirajućeg elementa, njegov nominalni sadržaj, sledeći po važnosti legirajući elemenat, njegov nominalni sadržaj i dalje oznaka modifikacije.

LEGURE KOJE NE OTVRDNJAVAJU TERMIČKOM OBRADOM (TERMIČKI NEOBRADIVE LEGURE) Kod termički neobradivih aluminijumskih legura, čvrstoća se uglavnom postiže: - ojačavanjem preko čvrstog rastvora, - ojačavanjem preko konstituenata sekundarnih faza, i - deformacionim ojačavanjem, odnosno žarenjem radi smanjenja čvrstoće. Dodatkom legirajućih elemenata, i ugradnjom stranih atoma u rešetku baznog metala stvaranjem čvrstog rastvora, uglavnom se povećavaju tvrdoća, zatezna čvrstoća i napon tečenja, dok se izduženje i kontrakcija smanjuju (sl.3). Legirajući elementi Fe, Ni, Ti, Mn, i Cr, i kombinacije nekih od njih, dominantno grade sekundarne faze sa relativno malom rastvorljivošću u čvrstom stanju. Prisustvo većih zapreminskih udela intermetalnih jedinjenja ovih elemenata takođe povećava čvrstoću i tvrdoću.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 4 od 26


Talozi u čvrstom stanju kompleksnih faza stvorenih dodatkom Mn i/ili Cr usporavaju ili sprečavaju rekristalizaciju i rast zrna tokom zagrevanja i potpomažu rafinaciju zrna tokom valjanja. Rafinacijom zrna pomoću disperznih taloga takođe dolazi do povećanja čvrstoće. Hladnom deformacijom, povećanjem gustine dislokacija dolazi do povećanja deformacione otpornosti materijala, odnosno povećanja čvrstoće i tvrdoće (sl.4). Veličina ojačavanja hladnom deformacijom zavisi od različitih faktora, od kojih su najvažniji hemijski sastav i stepen hladne deformacije.

Slika 3: Povećanje čvrstoće legiranjem Slika 4: Povećanje čvrstoće hladnom deformacijom

Ojačavanje hladnom deformacijom Mehanizam plastične deformacije se povezuje sa premeštanjem nesavršenosti kristalne građe metala, pre svega dislokacija. Premeštanje dislokacija ometaju različite prepreke, kao što su energetski čvorovi, nakupine atoma nečistoća, ili različita disperziona izlučivanja, koji su raspoređeni upravno ili pod uglom u odnosu na pravac kretanja dislokacija. Susrećući se sa greškom dislokacija je obilazi, ostavljajući na njoj dislokacionu petlju, koja odgovarajuće povećava otpornost kretanju narednih dislokacija i povećava gustinu dislokacija. Uvećanje otpora kretanju narednih dislokacija zahteva uvećanje sila za njihovo pokretanje. Na taj način, zavisno od premeštanja dislokacija i u saglasnosti sa rastom veličine plastične deformacije, raste sila potrebna za dalje njihovo kretanje, za dalju plastičnu deformaciju, tj. metal sa uvećanjem stepena plastične deformacije ojačava. Pored uvećanja gustine dislokacija i povećanja otpornosti njihovom premeštanju, pri hladnoj deformaciji proizilaze i procesi usitnjenja zrna drobljenjem, i zaokretanje kristalnih ravni u pravcu dejstva spoljne, delujuće sile (obrazovanje teksture). Zagrevanjem hladno deformisanog materijala nastaje opadanje postignute vrednosti ojačanja. U prvoj fazi zagrevanja, koja se označava kao relaksacija, čvrstoća opada, a žilavost raste, bez prekristalizacije strukture nastale deformacijom. Temperatura relaksacionog žarenja aluminijumskih materijala, zavisno od legiranosti, je na 150 do 350° C, a vreme držanja na teperaturi je 4-8 časova. Relaksacija može da nastupi pri dugom vremenu držanja i na nižoj temperaturi, kod čistog aluminijuma već od 50 °C. Žarenjem u području viših temperatura nastaje dalji pad čvrstoće, a iznad određene temperature i prekristalizacija zrna, te gubljenje deformisane strukture. Proces prekristalizacije odgovara poznatom načinu kristalizacije iz rastopa, obrazovanjem klica i rastom novih, nedeformisanih zrna. Temperaturno područje rekristalizacije metala ili legure zavisi od stepena čistoće, legiranosti, stepena hladnog deformisanja, od vremena žarenja i od prethodne obrade.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 5 od 26


Povezanost između temperature topljenja TS i temperature rekristalizacije TR legure je u odnosu:

TR=0,42 xTS (u stepenima K). (1) Za aluminijum sa TS od 660 °C=933 K dobija se TR = 0,42x933 =392K, odnosno ≈ 120 °C. Prekoračenjem TR nastaje rekristalizovana struktura, čija veličina zrna zavisi pre svega od stepena hladne deformacije i vremena žarenja. U opštem slučaju, što je niži stepen hladne deformacije i viša temperatura žarenja nastaje grublje zrno. Zato, za izbegavanje grubog zrna treba izbegavati manje stepene deformacije i visoke temperature žarenja. Područje rekristalizacionog žarenja aluminijumskih legura je od 300 do 450 °C. Za izbegavanje ogrubljenja zrna stepen hladne deformacije ovih legura treba da je >20%. Za smanjenje čvrstoće aluminijumskih materijala postignute deformacionim ojačavanjem primenjuje se potpuno ili delimično žarenje. U slučaju potpunog žarenja materijal se žari do mekog stanja, odnosno do potpune rekristalizacije, a delimičnom rekristalizacijom ili oporavljanjem postiže se izvesno smanjenje čvrstoće. Cilj primene delimičnog žarenja je postizanje bolje deformabilnosti pri istoj zateznoj čvrstoći (sl.5). Na nekim materijalima, u cilju postizanja stanja manje osetljivog na međukristalnu koroziju, primenjuje se stabilizaciono žarenje (oporavljanje). Ovi aluminijumski materijali su potpuno determinisani, pored oznake za leguru, i oznakom stanja obrade: F -sirovo; O-žareno; H- deformaciono otvrdnuto; H1x- samo deformaciono otvrdnuto, bez dodatne termičke obrade; H2x – deformaciono otvrdnuto i delimično žareno;blago bolje deformaciono ponašanje; H3x – deformaciono otvrdnuto i stabilizovano; H4x- deformaciono otvrdnuto i završno žareno.

Slika 5: a) Ojačavanje hladnom deformacijom; b) smanjenje čvrstoće žarenjem

OSNOVNE GRUPE MATERIJALA ZA OBRADU DEFORMACIJOM Nelegirani aluminijum (1000) Nelegirani aluminijum se razlikuje po čistoći, t.j. po učešću pojedinih nečistoća (Fe,Si) u aluminijumu. Poseduje izvanrednu otpornost prema atmosferilijama, odličnu toplotnu i električnu provodljivost i izvanrednu plastičnost. Mehaničke osobine su mu skromne.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 6 od 26


Legure sa manganom (3000) Mangan je osnovni legirajući elemenat u ovoj familiji Al legura. Legura AlMn (3003) je najčešći i pravi predstavnik ove familije. Ona ima izvrsnu plastičnost i korozionu otpornost na atmosferilije. Često upotrebljavana legura iz ove familije je AlMgMn (3004) od koje se proizvode sva pakovanja za piće kao i cevi proizvedene iz trake, zavarivanjem. Legure sa magnezijumom (5000) U ovoj familiji, osnovni legirajući elemenat je magnezijum (Mg) a ponekad se dodaje mangan i hrom. Poseduju osrednje mehaničke osobine, imaju znatno poboljšanje mehaničkih osobina pri niskim temperaturama. Plastičnost je dobra ali opada sa dodatkom magnezijuma. Primena je vrlo raznovrsna: građevinarstvo, brodogradnja - posebno nadgrađe ali i celi trup (ratni brodovi), uređaji za desalinizaciju morske vode, posuđe, različite cisterne i stabilni rezervoari. LEGURE KOJE OTVRDNJAVAJU TERMIČKOM OBRADOM (TERMIČKI OBRADIVE LEGURE Osobine termički obradivih aluminijumskih legura postižu se uglavnom preko posebne termičke obrade - otvrdnjavanja starenjem, koja obuhvata (sl.6): 1. Rastvarajuće žarenje kojim se, na povišenim temperaturama, neophodni legirajući elementi

rastvaraju u Al matrici, stvarajući mešane kristale. Cilj je da se na povišenim temperaturama (od 450 do 5500C) u čvrstom rastvoru aluminijuma rastvori bar jedan legirajući elemenat; Rastvarajuće žarenje omogućava da se čvrsti rastvor obogati legirajućim komponentama koji utiču na otvrdnjavanje. Uz dovoljno brzo hlađenje (kaljenje), obogaćeni čvrsti rastvor se transformiše u superpresićeno stanje.

2. Kaljenje (gašenje), direktnim hlađenjem sa temperature rastvarajućeg žarenja; potrebna brzina hlađenja se podešava zavisno od tipa legure, najčešće umakanjem u vodu. Gašenjem se omogućava zadržavanje na temperaturi okoline one strukture koju metal ima u zagrejanom stanju u kojem su legirajući elementi „zarobljeni“ u presićenom čvrstom rastvoru taloga. Ova pojava je propraćena povećanjem čvrstoće i nazvana je strukturno ojačanje. Naglo hlađen metal je u nestabilnom stanju i pri sobnim temperaturama teži stabilnijem stanju. Metal postepeno prirodno stari..

3. Treća faza termičke obrade može se odvijati pri normalnim-sobnim temperaturama i tada je reč o prirodnom starenju, a može se odvijati i pri nešto povišenim temperaturama (između 120 i 180 °C) i tada je reč o veštačkom starenju (sl.7).

1.Rastvaranje 2. Kaljenje 3. Starenje –prirodno – veštačko (1000C)

Slika 6: Princip postupka termičke obrade otvrdnjavanja starenjem u sistemu Al-Al2Cu

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 7 od 26


Slika 7: Termički ciklus obrade otvrdnjavanja starenjem (šematski)

Tokom starenja počinje stvaranje taloga iz superpresićenog čvrstog rastvora. Kod prirodnog starenja nastaju koherentni talozi (GPI zone), što znači da ostaju neporemećeni odnosi između kristalnih rešetki mešanih kristala i taloga, i nastaje samo elastično deformisanje rešetki. Kod veštačkog starenja nastaju metastabilne faze čija građa kristalne rešetke odstupa od građe rešetke mešanih kristala (GPII zone), ali koja pokazuje određenu koherentnost u odnosu na ravni rešetke matrice. Razlike u međuatomskom rastojanju dovode do tzv. koherentnih napona. Koherentnost između rešetki i delimično koherentnih taloga je ograničena. Nekoherentni talozi uvek imaju građu rešetke značajno različitu od legirajuće matrice. Na slici 8 prikazana je shema nastajanja tipova taloga.

Slika 8: Tipovi taloženja: a) čvrsti rastvor, b) koherentno taloženje, c) delimično koherentno taloženje,

d) nekoherentno taloženje (• atom aluminijuma; ο strani atom) I rastvoreni atomi i različiti tipovi taloga ometaju kretanje dislokacija, što dovodi do povećanja čvrstoće. Uticaj na vrednosti mehaničke otpornosti materijala je u zavisnosti od sistema legiranja. Tipovi taloga sistema Al-Cu legura U sistemu Al-Cu, zavisno od koncentracije bakra, brzine kaljenja i uslova starenja, javljaju se sledeći tipovi taloga (sl.9). a) GP-I zone (nazvane po imenima onih koji su ih otkrili, Guinier i Preston) su ploče nakupina Cu

atoma u jednoatomskim slojevima. Ovo su koherentni talozi.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 8 od 26


b) GP-II zone su sledeći stadijumi taloženja jednoatomnih slojeva aluminijuma i bakra, što dovodi do tetragonalnog krivljenja rešetke. Ovi talozi su takođe koherentni sa legirajućom matricom.

c) GP-I i GP-II zone su vrlo fino raspoređene i veoma uspešno sprečavaju kretanje dislokacija. Zbog toga, one dovode do relativno velikog povećanja čvrstoće. GP-I zone su efektivnije od GP-II zona.

d) Faza Q′ je ploča neravnotežne faze sa tetragonalnom strukturom intermetalnog jedinjenja Al2Cu, koja stvara delimično koherentni talog. Njena raspodela u legirajućoj matrici je nešto grublja, tako da ne postoje koherentni naponi u matrici α čvrstog rastvora.

e) Faza θ je stabilna tetragonalna faza Al2Cu.

Kod legure aluminijuma sa približno 4% Cu, GP-I zone se stvaraju na sobnoj temperaturi tokom nekoliko minuta posle kaljenja. Starenje, na približno 160 °C u trajanju od nekoliko sati, dovodi do stvaranja GP-II zona. Starenje na višim temperaturama dovodi do stvaranja opisanih faza.

1. koherentni talog (GP I zona)

2. koherentni talog (GP II –zona

3. delimično koherentni talog

4. nekoherentni talog

Slika 9. Šema otvrdnjavanja starenjem Al-Cu legura Radi ostvarenja procesa taloženja nephodna je dovoljno velika koncentracija praznina, da bi se omogućila difuzija atoma na relativno visokim temperaturama. Odgovarajućom brzinom hlađenja koncentracija praznina na temperaturi rastvarajućeg žarenja ostaje »zamrznuta«. Povećanjem vremena starenja, kod bilo kojeg tipa taloga, raste i veličina i srednja vrednost rastojanja, tako da se menja mehanizam kod kojeg dislokacije prelaze prepreke. Dislokacije mogu da seku ili preskoče taloge, tj. da se smeste između taloga. Sa vremenom starenja raste otpornost presecanja, a time i veličina čestica, a smanjuje se otpornost prema gomilanju, kao i rastojanja čestica. Svako dalje povećanje vremena starenja ima za posledicu smanjenje čvrstoće (sl.10.). Ovaj proces se naziva prekomerno starenje. Kombinacija termičkih obrada koje omogućavaju otvrdnjavanje materijala hladnom i toplom deformacijom, su od velikog praktičnog značaja kod termički obradivih legura. S obzirom da se termomehaničkim obradama čvrstoća još može povećavati, na ponašanje pri starenju se može uticati i smanjivati unutrašnji napon i povećavati tačnost dimenzija.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 9 od 26


Slika 10. Zavisnost otvrdnjavanja od temperature i vremena starenja

Prema karakterizaciji termičkog stanja obrade, termički obradive legure mogu da budu: T1 - Kaljene sa povišenih temperatura pri procesu oblikovanja i prirodno starene; T2 - Kaljene sa povišenih temperatura pri procesu oblikovanja, hladno deformisane i prirodno

starene; T3 - Rastvarajuće žarene, hladno deformisane i prirodno starene; T4 - Rastvarajuće žarene i prirodno starene; T5 - Kaljene sa povišenih temperatura pri procesu oblikovanja i veštački starene; T6 - Rastvarajuće žarene i veštački starene; T7 - Rastvarajuće žarene i stabilizovane; T8 - Rastvarajuće žarene, hladno deformisane i veštački starene; T9 - Rastvarajuće žarene, veštački starene i hladno deformisane; Tx 51 - Otpuštene od napona razvlačenjem u Tx stanju; Tx 52 - Otpuštene od napona pritiskivanjem u Tx stanju; W - Rastvarajuće žarene (nestabilizovane).

LEGURE SA STRUKTURNIM OJAČAVANJEM (KALJIVE LEGURE) Familije Al legura koje imaju mogućnost strukturnog ojačavanja. sadrže bakar, silicijum, magnezijum i cink . Legure sa bakrom (2000) Bakar je glavni legirajući elemenat u ovoj familiji čije mehaničke osobine dostižu one kod ugljeničnih čelika. Inače popularni naziv za ove legure je DURALI. Nemaju dobra antikoroziona svojstva i po pravilu imaju lošu zavarljivost. Radi antikorozione zaštite često se prevlače (plakiraju) čistim aluminijumom. Upotrebljavaju se najčešće za radne-nosive delove. Masovno se upotrebljavaju u aeroindustriji, naoružanju i mehaničkim delovima (zakovice, vijci). Najčešeće su legure 2011, 2017, 2024. Legure sa silicijumom i magnezijumom (6000) Legirajući elementi u ovoj familiji su silicijum i magnezijum koji stvaraju intermetalno jedinjenje Mg2Si koje doprinosi ojačanju. Popularan naziv za ovu familiju Al-legura je PANTALI. Familija se može podeliti na dva dela: 1. Legure bogatije silicijumom i magnezijumom uz dodatak mangana i cirkonijuma. Imaju bolje

(veće) mehaničke osobine. To su najčešće legure 6005, 6061, 6082 i 6351. Upotrebljavaju se u nosivim elementima.

2. Legure siromašnije silicijumom i magnezijumom što im omogućava velike brzine presovanja i odličnu plastičnost uz nešto lošije mehaničke osobine. Izvanredno dobro se oblikuju – predstavljaju odlične legure za presovanje. Tipičan prestavnik je 6060.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 10 od 26


Poseduju osrednje mehaničke osobine; dobre su zavarljivosti i imaju dobra antikoroziona svojstva. Široko se primenjuju u dekoraciji, za prozore, vrata, fasade, zavarene konstrukcije, cevi, transportnu opremu i delove (karoserije, vagonski i profili za metro), jarboli i slično. Legure sa cinkom i magnezijumom (7000) Cink zajedno sa magnezijumom predstavlja glavni legirajući element ove familije čiji predstavnici uz dodatak bakra imaju najveće mehaničke osobine od svih Al-legura. Njihov popularni naziv je KONSTRUKTALI. Legure se dele na dve grupe zavisno od toga da li, ili ne sadrže bakar.

1. Legure sa bakrom imaju najveće mehaničke osobine. Zavaruju se samo pod specijalnim uslovima. Loša su im antikoroziona svojstva. Tipičan predstavnik ove podgrupe je legura 7075. Najčešće se koriste u avio i svemirskoj tehnici, naoružanju.

2. Legure bez bakra imaju nešto lošije mehaničke osobine u odnosu na prethodnu podgrupu. Po pravilu su otpornije na koroziju od legura sa bakrom. Upotreba im je u naoružanju, nosivim elementima i sičnol. Tipičan predstavnik je legura 7020.

KOROZIJA ALUMINIJUMSKIH MATERIJALA Aluminijum je pokriven gustim, čvrsto prijanjajućim slojem oksida Al2O3 koji je zaštita postojanosti protiv korozije. Što je aluminijum veće čistoće, to je i koroziona postojanost bolja (tab.3 i 4.). Intermetalne faze umanjuju postojanost. Ako su ove faze neplemenitije od mešanih kristala i nisu međusobno povezane, doći će do njihovog rastvaranja, a korozija se zaustavlja. Ako su faze plemenitije od mešanih kristala korozija će se dalje razvijati, naročito ako je prisutna međusobna povezanost izlučenih faza. Aluminijum je veoma neplemenit metal (naponski red:-1,67V). Međutim, zaštitni oksidni sloj čini ga otpornim na koroziono razaranje.

Tabela 3.Koroziona postojanost aluminijumskih materijala

Materijal Postojanost Značajne faze Razlika potencijala (mV)

Al99,98 veoma dobra - O AlMn veoma dobra Al6(MnFe) +90 AlMg veoma dobra Al6(MnFe) +30 Al99,5 dobra Al3Fe −200 AlMgSi srednje Si −250 AlSi srednje Si −280 AlZnMg loša Al3Fe −380 AlCuMg veoma loša Cu −470

Tabela 4.Uticaj malih količina primesa na korozionu postojanost

Materijal Ni Cu Fe Si Zn Mn Al99,5 - - - -/o o + AlMg - - - -/o o + AlMgSi - - - o + AlZnMg - -/o o + AlCuMg - -/o o o + Napomena:-negativan uticaj; +pozitivan uticaj; o bez uticaja

Naponska korozija Kretanje prslina usled naponske korozije kod aluminijumskih materijala je uvek interkristalno. One se rasprostiru kroz taloge, naročito međusobno povezane taloge na granicama zrna. Sklonost ka prslinama usled naponske korozije imaju legure: AlZnMg, AlZnMgCu, AlCuMg, AlMg5.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 11 od 26


Interkristalna korozija Interkristalna korozija je prisutna kod postojanja povezanih taloga po granicama zrna koji su manje plemeniti od mešanih kristala. Razgraničenje između interkristalne korozije i prslina usled naponske korozije nije uvek potpuno jednoznačno. Sklonost ka interkristalnoj koroziji imaju legure: AlCuMg kod polaganijeg hlađenja; AlMg sa većim Mg sadržajem (AlMg5); AlMgSi, samo kod presićenosti na Si; AlZnMg samo kod povišenog Zn i Mg sadržaja, ali ne AlZnMg1. Slojevita korozija Ovaj oblik korozije se posebno sreće u zavarenom spoju legure AlZn4,5Mg1. Osnovni materijal pored šava razara se lisnato-slojevito. Razlozi su postojanje niza segregacija i izlučevina po granicama zrna.

ZAVARLJIVOST ALUMINIJUMSKIH MATERIJALA Zavarljivost Al i njegovih legura različitim postupcima određena je stanjem razvoja i tehnike procesa i materijala, koji se i nadalje unapređuju. Od posebnog značaja za zavarivanje Al materijala su neke od fizičkih osobina koje čine razlike u uslovima zavarivanja u poređenju sa čelikom: - Visoka toplotna provodljivost, koja za Al iznosi 2,3 W/cm K, a kod različitih Al legura dostiže do

1,60 W/cm K. Mada je temperatura topljenja od 660 °C niska, zbog visoke toplotne provodljivosti za zavarivanje je potrebna velika količina toplote.

- Zavisno od legure, širi je interval topljenja. - Veliko toplotno širenje, dvostruko veće od železa. Koeficijenat linearnog izduženja čistog

aluminijuma iznosi 24 10 –6 1/K, što se odražava većim naponima pri skupljanju. Zato se za sprečavanje jakog vitoperenja pri zavarivanju moraju da preduzmu određene specijalne mere.

- Ima veliki afinitet prema kiseoniku što dovodi do stvaranja oksidnog sloja ili pak uključaka. Prisutan površinski oksidni sloj - Al2O3, visoke tačke topljenja, mora se kod zavarivanja ukloniti i sprečiti njegovo ponovno nastajanje.

- Ima veliku rastvorljivost vodonika u tečnoj fazi, koja se tokom očvršćavanja brzo smanjuje. Kao rezultat termičkog ciklusa pri procesu zavarivanja (sl.11), zavaren spoj karakterišu međusobno metalurški različita područja: ♦ Područje metala šava (MŠ), nastalo očvrščavanjem zavarivačke kupke i delimično pretopljenog

osnovnog materijala, čije osobine zavise od legure dodatnog materijala, legura nastalih mešanjem dodatnog i osnovnog materijala, i načina njihove kristalizacije (očvršćavanja).

♦ Područje uticaja toplote pri zavarivanju na osnovni materijala (ZUT), čija širina zavisi od količine unete toplote, a osobine od uticaja toplote na promene strukturnog stanja, a time mehaničkih osobina, posebno čvrstoće osnovnog materijala.

Sa stanovišta topljenja, u zoni pretapanja moguće je smanjenje sadržaja legirajućih elemenata niske tačke topljenja. Mera za sprečavanje je primena dodatnog materijala povećane legiranosti sa onim elementima koji odgorevaju (isparavaju). Sa stanovišta očvršćavanja, moguć je nastanak kristalizacionih prslina, a u području delimičnog pretapanja nastanak likvacijskih prslina. U zoni uticaja toplote usled zavarivanja (ZUT) uneta toplota tokom zavarivanja dovodi do rastvarajućeg žarenja, rekristalizacije ili oporavljanja ili starenja, zavisno od materijala i rastojanja od zone stapanja, kao i od količine unete toplote. Kod većine legura posledice su sniženje čvrstoće osnovnog materijala.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 12 od 26


Slika 11. Termički ciklus zavarivanja aluminijumskih materijala

Zahtevi za zavarljivost materijala i zavarenih spojeva Osnovni zahtev za aluminijumski materijal za zavarivanje je da ne sme imati sklonost ka nastajanju prslina. Opšti zahtevi za zavareni spoj se odnose na zahtevanu čvrstoću, potrebnu deformabilnost, dovoljnu korozionu otpornost, i što je moguće bolji efekat obojenosti tokom anodizacije. Pore ili uključci se mogu prihvatiti u ograničenom obimu, samo ako se ispoštuju prethodni zahtevi. Kod termički otvrdnutih i hladno ojačanih aluminijumskih materijala u ZUT zavarenog spoja nastaje opadanje čvrstoće. Zbog toga, za zavarene spojeve konstrukcija od aluminijumskih materijala ne može se računati na vrednosti čvrstoće osnovnih materijala. Konstruktivno, zavareni spojevi mogu da budu u okviru područja sa nižim opterećenjima. Treba reći da opšte priznata pravila za određivanje i zahtevane vrednosti deformabilnosti još ne postoje. Često se postavlja zahtev za određenom minimalnom vrednošću izduženja ili savijanja, na šta veoma utiče poroznost. Problem je što se i u šavu i u ZUT deformabilnost oštro menja. Takođe, žilavost aluminijumskih materijala i u nezavarenom stanju je tako mala da ovo ispitivanje, bez potvrde o sposobnosti nema svrhe. Svi aliminijumski materijali, posebno oni sa povišenom čvrstoćom, kod statičkih i dinamičkih naprezanja su veoma osetljivi na zarez. Osetljivost na zarez, posebno kod statičkih naprezanja, srazmerno je veća nego kod čelika. Zato se zarezi u zavarenim konstrukcijama apsolutno moraju izbegavati. Kod Al materijala nastanak krtog loma, kao kod čelika, ne sreće se. OCENA ZAVARLJIVOSTI ALUMINIJUMSKIH MATERIJALA Sa metalurškog aspekta zavarljivost aluminijumskih materijala se ocenjuju prema: ♦ osetljivosti ka nastanku vrućih prslina, i sklonosti ka nastajanju drugih grešaka u zavarenom

spoju; ♦ promenama, posebno smanjenju čvrstoće, u ZUT.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 13 od 26


Obrazovanje prslina Kao sklonost nastajanju prslina pri zavarivanju označava se razdvajanje materijala u metalu šava i ZUT. Obrazovanje prslina u odgovornim zavarenim spojevima može se umanjiti primenom odgovarajućih mera predviđenih tehnologijom zavarivanja. Najveću mogućnost pruža izbor dodatnih materijala. Zavisno od mehanizma nastajanja i lokacije, razlikuju se dva tipa vrućih prslina: 1. solidifikacione i 2. likvacione prsline. Solidifikacione prsline su kristalizacijske, a obrazuju se kod očvršćavanja i hlađenja metala šava i zone stapanja. Kod aluminijumskih materijala postoji povezanost između sklonosti ka nastajanju solidifikacionih prslina i intervala topljenja legure određenog hemijskog sastava (sl.12).

a) Čisti aluminijum. Nema kritičnog temperaturnog intervala; očvrsli kristali aluminijuma se čvrsto povezuju posle očvršćavanja; tendencija stvaranja pora.

b) Mali eutektikum. Kritični temperaturni interval; tendencija »vrućih suza« jer je masa čvrsta, ali nije povezana.

c) Značajan eutektikum; nema kritičnog temperaturnog intervala; nema tendencije nastajanja prslina, jer čvrsti kristali aluminijuma plivaju u eutektikumu, ali postoji rizik od skupljanja po granicama zrna.

Slika 12: Osetljivost na soldifikacione prsline aluminijumovih legura različitih tipova očvršćavanja i Likvacione prsline su poligonalne i uglavnom se javljaju u zoni uticaja toplote (ZUT). Uzrokovane su topljenjem ili likvacijom eutektičkih faza ili konstituenata sa niskom tačkom topljenja (tačke topljenja ispod tačke topljenja glavnine materijala), uz istovremeno pojavljivanje termičkih napona. Uticaj sadržaja legirajućih elemenata na sklonost nastajanju prslina u nekim binarnim legurama istraživana je od strane više autora (sl.13 i 14). Veoma nisku sklonost nastajanju vrućih prslina imaju legure sa 1%Mn. U tabeli 5. navode se legirajući elementi koji ih čine maksimalno osetljivim na prsline. Viši ili niži sadržaj elemenata smanjuje osetljivost legure na prsline.

Tabela 5: Legure posebno osetljive na prsline

Legura Element osetljivosti

AlSi Si AlMg Mg AlMgSi Mg, Si

Najveća sklonost nastajanju vrućih prslina je kod Al-ZnMg legura visoke čvrstoće.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 14 od 26


Slika 13: Uticaj sadržaja legirajućeg elementa na relativnu osetljivost prema prslinama

Slika 13a: – Relativna osetljivost na prsline dve četvorne (Al-Mg-Zn-Cu i Al-Mg-Si-Cu) i jedne trojne (Al-Cu-

Mg) aluminijumske legure

Na relativnu osetljivost prema prslinama pri zavarivanju utiče dodatni materijal. Pogodnim kombinacijama osnovnih i dodatnih materijala može se umanjiti osetljivost prema prslinama.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 15 od 26


Slika 14 Slika 14.Relativna osetljivost aluminijumskih materijala na prsline izabranih kombinacija

osnovni materijal / dodatni materijal Ukupni uticajni faktori na sklonost nastajanju vrućih prslina su: hemijski sastav osnovnog i dodatnog materijala, termički ciklus zavarivanja i veličina termičkih napona usled skupljanja pri očvršćavanju, odnosno hlađenju. Mere za smanjenje rizika nastajanja su: - izbor dodatnog materijala koji će sa pretopljenim osnovnim materijalom obezbediti metal šava

neosetljiv na prsline; - dodatni materijal treba da sadrži i elemente za usitnjenje zrna, kao Ti, Zr i B; - izbor kombinacije parametara zavarivanja koji će obezbediti povoljno mešanje osnovnog i

dodatnog materijala, uz smanjeno pregrevanje metalne kupke; - predgrevanje, za smanjenje napona usled skupljanja. Za ocenu zavarljivosti , posebno sa aspekta osetljivosti materijala na obrazovanje vrućih prslina pri zavarivanju, koriste se probe: za ispitivanje napona usled zavarivanja (po Mileru i egleska proba); proba navarivanja; krstasta proba, i prstenasta proba. Sve ove probe su jednostavne, izvode se brzo i daju relativne pokazatelje sklonosti ka obrazovanju prslina u određenim spojevima, određenim postupkom zavarivanja, za određene kombinacije osnovnog i dodatnog materijala. Obrazovanje pora Obrazovanje pora pri zavarivanju aluminijumskih materijala je znatno veće nego u slučaju čelika. Pri tome, sklonost ka poroznosti je veća kod čistog aluminijuma, nego kod Al legura. Uzrok pojavi pora može da bude sama priroda očvršćavanja zavarenog aluminijumskog materijala, ili što je češći slučaj, pore su gasnog porekla. Metalurške pore se uglavnom javljaju u čistom aluminijumu, gde je prelaz čvrsto-tečno tako brz da se šupljine, nastale usled skupljanja pri očvršćavanju, nakon proticanja tečnog metala ne mogu ponovo ispuniti. Ovaj fenomen se javlja i kod legura koje imaju interval očvršćavanja, ako protiče zaostali rastop koji je uvučen u dendritne grane.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 16 od 26


Gasni uključci nastaju iz gasa koji ne uspe da izađe pre očvršćavanja, tako da ostaje zarobljen u rastopu. Ovi gasovi na primer, mogu da nastanu iz zaštitnog gasa ili iz vazduha, zarobljavanjem u rastopu pri kretanju tečne kupke. Glavni razlog gasnih pora u aluminijumu je vodonik rastvoren u rastopu (sl.15).

Slika 15: Rastvorljivost vodonika u čistom aluminijumu

Zbog velikog afiniteta metala prema kiseoniku postojeća voda se redukuje, i vodonik se rastvara u rastopu. Pošto rastvorljivost vodonika opada sa temperaturom, tokom očvršćavanja javljaju se neuniformno raspoređene pore. Više ili manje definisani kanali pora (vrući lunkeri) mogu da nastanu pri skupljanju materijala pri očvršćavanju, kao i na kraju šava (završni krater). Ako nisu jako duboki, mogu se u potpunosti ukloniti pretapanjem kraja šava. U cilju sprečavanja dubokih kanala pora, poželjna je primena uređaja za zavarivanje sa programom za popunu kratera. Poroznost šava, prema nekim autorima i rezultatima njihovih ispitivanja, zavisno od materijala utiče na statičku i dinamučku čvrstoću zavarenih spojeva. Tako, kod čistog aluminijuma, AlMn (ENAW ALMn1), AlMg3 (ENAW AlMg3) i otvrdnutih starenjem legura AlMgSi1 (ENAW AlSi1MgMn) uticaj je manji, nego kod drugih aluminijumskih materijala. Ako je šav neobrađen i pore se nalaze na površini lica šava, deluju kao i druge površinske greške, i snižavaju trajnu čvrstoću. Kao protivmere nastajanju pora pomažu: čistoća zaštitnog gasa, odnosno upotreba suvog gasa, uklanjanje oksida i odmašćivanje stranica žljeba spoja i dodatnog materijala, mala kupka rastopljenog metala, veće brzine zavarivanja. Oksidni uključci Bitan uticaj pri zavarivanju ima oksid na površini aluminijuma sa tačkom topljenja oko 2000 °C. Ako oksidni sloj pri zavarivanju nije zdrobljen (lukom) ili rastvoren (topiteljem), nastaju greške vezivanja. Sem toga, kod TIG i gasnog zavarivanja oksid se unosi u kupku i preko žice. Zarobljeni oksidni uključci deluju kao uključci troske kod čelika. Kod ugaonih spojeva mali oksidni uključci i pore u korenu šava ne mogu se sa sigurnošču izbeći. Oksidni uključci u korenu sučeonog spoja se mogu izbeći odgovarajućom pripremom spoja.To važi samo za slučaj ako je priprema žljeba bez zazora. Zazori, naročito kod velikih delova u praksi se ne mogu u potpunosti izbeći, pa je besprekorno zavarivanje samo moguće primenom žljebljenja korena i zavarivanjem korene strane šava. Poboljšanje je moguće i premazivanjem korene strane sa topiteljem. Preporučeno odstranjivanje čišćenjem čeličnom četkom ili vunom (od nerđajućeg čelika) većinom nije jednostavno i mora se primeniti neposredno pre zavarivanja.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 17 od 26


Čvrstoća zavarenih spojeva Kod termički neobradivih i hladno deformisanih materijala, usled zagrevanja tokom zavarivanja u ZUT se javlja rekristalizacijom i oporavljanjem omekšavanje materijala. Šta više, može doći i do rasta zrna. Na O-termičko stanje zavarivanje manje utiče. Termički obradive legure gube čvrstoću usled rasta ili rastvaranja taloga. Za povećanje gubitka čvrstoće od značaja je sposobnost zakaljivanja, koja zavisi od legiranosti i količine unešene toplote pri zavarivanju (sl.16 i sl.17). Kod većine materijala za uslove starenja ne može se postići potrebna brzina hlađenja, tako da se na očuvanje čvrstoće osnovnog materijala ne može značajnije uticati.

Slika 16:. Tvrdoća po preseku ZUT spojeva materijala 6061-T6 izvedenihTIG postupkom

pri različitim unosima toplote

Slika 17: Tvrdoća po preseku ZUT različitih materijala debljine 3,2 mm, izvedenih TIG postupkom pri konstantnoj unetoj toploti

U odnosu na sklonost ka zakaljivanju izuzetak su legure tipa AlZnMg. Ove legure nisu osetljive na zakaljivanje. Na primer, kod legure EN EW-7020 praktično se dobijaju iste vrednosti Rp0,2 pri hlađenju na vazduhu i pri kaljenju u vodi (sl.18).

Slika 18: Vrednosti Rp0,2 legure EN AW-ALZn4,5Mg1 kaljene u vodi sa 480 °C i hlađene na vazduhu, posle

veštačkog i prirodnog starenja

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 18 od 26


Ovo znači da je posle zavarivanja takvog materijala dovoljno hlađenje na vazduhu, i bez naknadnog veštačkog starenja same po sebi ponovo otvrdnjavaju. Ovaj tip legura naziva se samostareći. Iz navedenih razloga posebno su povoljne za izradu zavarenih konstrukcija. U principu, termička obrada posle zavarivanja radi ostvarenja konačne čvrstoće, može se izvesti na samom radnom komadu (sl.19).

Slika 19: Tvrdoća po preseku ZUT na EN AW-6061-T4 i T6 materijalima u polaznom stanju (AW) i u

uslovima obrade posle zavarivanja (PWA). Ovo znači da se materijal može zavarivati u prirodno starenom stanju, a posle završetka zavarivanja se može veštački stariti ili čak ponovo rastvarajuće žariti. Ovo, s jedne strane, zahteva pogodnu opremu, a sa druge strane, može se uočiti da moguće potrebno kaljenje posle rastvarajuće termičke obrade dovodi do određenih problema, odnosno do ograničenja primene u praksi. KOROZIONA OTPORNOST ZAVARENIH SPOJEVA Kod zavarenih spojeva od čistog aluminijuma i termički neobradivih legura koroziona otpornost je blago smanjena. Kod materijala sa većim sadržajem Mg (>3,5% Mg) može se zapaziti da, iako nema strukturnih promena koje utiču na smanjenje korozione otpornosti, do toga dolazi usled unosa toplote pri zavarivanju. U temperaturnom opsegu od 100-230 °C, mogu nastati anodni produkti (β-faza) po granicama zrna, koji umanjuju otpornost na prsline usled naponske korozije i međukristalnu koroziju. Promene ovog tipa ne treba očekivati pri uobičajenom procesu zavarivanja, jer su za to potrebna relativno duga vremena žarenja u kritičnom temperaturnom opsegu. Kod mnoštva termički obradivih legura aluminijuma, najveća otpornost prema prslinama usled naponske korozije zapaža se kod primene veštačkog starenja ili čak kod prestarevanja. Koroziona otpornost ovih legura u ZUT se umanjuje sa količinom unete toplote tokom zavarivanja. Dalje pogoršanje korozione otpornosti se može dešavati pri razlici potencijala između osnovnog i dodatnog materijala. Na primer, kod materijala oznake 7000, odgovarajuće indukovana ZUT reaguje kao anoda prema osnovnom materijalu, kao i u odnosu na dodatni materijal 5000. Posledica je povećana lokalna koroziona osetljivost. Anodizirajuće ponašanje zavarenih spojeva Razlike u veličini zrna i segregacije legirajućih komponenti mogu da dovedu do razlika u boji tokom anodizacije. S obzirom da na materijal zavarenog spoja utiče dodatni materijal i uneta toplota

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 19 od 26


tokom zavarivanja, moraju se preduzeti pogodne mere predostrožnosti, posebno ako je potrebno ispuniti zahtev za dekorativnim izgledom. Kod legura tipa AlMgSi prilagođenom količinom unosa toplote mora se izbeći preveliko taloženje Mg2Si u ZUT, a dodatni materijal S-AlSi5 treba zameniti elektrodnom žicom koja sadrži Mg. Sadržaj legirajućih i pratećih elemenata u dodatnom materijalu mora biti što je moguće manji. Zaštitni efekat anodiziranog sloja se ne umanjuje razlikama u boji.

ZAVARIVANJE I MERE ZA POVEĆANJE ZAVARLJIVOSTI Alumijum i njegove legure u principu se mogu zavarivati svim uobičajenim postupcima zavarivanja topljenjem. Sposobnost zavarivanja za različite postupke bitno zavisi od sadržaja legirajućih elemenata. Ona je određena merom uticajnih faktora i sklonošću ka nastajanju grešaka u području zavarenog spoja. Od postupaka topljenjem najčešće se koristi TIG i MIG. Za određene zahteve zavarivanja koristi se elektronski snop i zavarivanje laserom. Od postupaka zavarivanja pritiskom najčešće je zastupljeno elektrootporno zavarivanje. Relativno često se sreće i zavarivanje hladnim pritiskom, trenjem, ultrazvučno i difuziono zavarivanje. Povećanje zavarljivosti, i time obezbeđenje zahtevanih osobina zavarenog spoja se postiže odgovarajućim tehnološkim rešenjima zavarivanja: - izborom dodatnog materijala; - pripremom žljeba spoja; - primenom predgrevanja, i - izborom zaštitnog gasa. IZBOR DODATNOG MATERIJALA Kao i na zavarljivost i na čvrstoću spoja utiče dodatni materijal. Osetljivost na prsline i čvrstoća su obično u suprotnosti jedna u odnosu na drugu. Opšte preporuke za izbor kombinacija osnovni / dodatni materijal za zavarivanje topljenjem gnječenih legura, prevashodno u cilju smanjenja sklonosti ka nastajanju prslina, date su u tabeli 6. Tabela 6. Preporuke za kombinacije osnovni / dodatni materijal Osnovni materijal Al99,9 Al99,8 Al99,7

S-Al99,8

Al99,5 Al99

S-Al99,5 S-Al99,5Ti

S-Al99,5 S-Al99,5Ti

AlMn S-Al99,5Ti S-AlMn

S-Al99,5Ti S-AlMn

S-AlMn S-AlSi5

AlMg1 AlMg2Mno,3 AlMg3

(S-AlMg5)1) (S-AlMg5)1) (S-AlMg5)1) S-AlMg3 S-AlMg5

AlMg4,5Mn AlMg5

(S-AlMg5)1) (S-AlMg5)1) (S-AlMg5)1) S-AlMg5 S-AlMg4,5Mn

S-AlMg5 S-AlMg4,5Mn

AlMg2Mn0,8 (S-AlMg5)1) (S-AlMg5)1) (S-AlMg5)1) S-AlMg3 S-AlMg5 S-AlMg4,5Mn

S-AlMg5 S-AlMg4,5Mn

S-AlMg4,5Mn S-AlMg5 S-AlMg3

AlMgSi0,5 AlMgSi1 AlMgSi0,7

S-AlSi5 S-AlSi5 S-AlSi5 S-AlMg32) S-AlMg5

S-AlMg5 S-AlMg4,5Mn

S-AlMg5 S-AlMg4,5Mn

S-AlMg5 S-AlMg32) S-AlMg52)

AlZn4,5Mn1 S-AlSi5 S-AlSi5 S-AlSi5 S-AlMg4,5Mn S-AlMg5

S-AlMg4,5Mn S-AlMg5

S-AlMg4,5Mn S-AlMg5

S-AlMg4,5Mn S-AlSi5 S-AlMg5

S-AlMg4,5Mn S-AlMg5

Osnovni materijal B

Al99,9 Al99,8 Al99,7

Al99,5 Al99

AlMn AlMg1 AlMg2 AlMg3

S-AlMg4,5Mn AlMg5

AlMg2Mn0,8 AlMgSi0,5 AlMgSi1 AlMgSi0,7

AlZn4,5Mg1

1) Kombinacija materijala se ne preporučuje; ručno TIG zavarivanje moguće je sa istim dodatnim materijalom. 2) Uz odgovarajuću dekorativnu anodizaciju Opšte pravilo: Više legirani dodatni materijal u većini slučajeva obezbeđuje manju osetljivost na prsline;ako je materijal koji se zavaruje legiran sa Mg, mora se izabrati dodatni materijal prema zahtevu. Materijal S-AlSi5 je pogodniji za legure AlMgSi sa aspekta zavarivosti; daje manju čvrstoću nego S-AlMg i stvara veću koncentraciju ozona.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 20 od 26


Alternative izbora, zavisno od zahtevanih osobina zavarenog spoja, pokazane su na primeru za materijal EN AW-5083 (EN AW-AlMg4,5Mn0,7) i EN AW 6082 (EN AW-AlSi1MgMn) u tabeli 7. Tabela 7. Izbor dodatnog materijala zavisno od zahtevanih osobina zavarenog spoja

Karakteristike dodatnog materijala Osnovni materijal Dodatni materijal W S D C M

EN AW-5083

S-AlMg4,5Mn S-AlMg5 S-AlMg5Mn

A A A

A --- A

B A B

A A A

A A A

EN AW-6082

S-AlSi5 S-AlMg4,5Mn S-AlMg5 S-AlMg3Mn S-AlMg5Mn S-AlMg3,5

A B C C B C

C A B B A B

B A A A A A

A C B B C B

-- B B B B B

W=zavarivost (sklonost nastanku prslina) S=čvrstoća ; D=plastičnost C=koroziona otpornost M=promena boja posle anodizacije Gradacija karakteristika je od A=najpovoljnije do D=najnepovoljnije; za navedene legure prisutne su gradacije A, B i C (izvor ACA)

ZAŠTITNI GASOVI Dobra zaštita zavarivačke kupke kod aluminijumskih materijala se obezbeđuje korišćenjem zaštitnih gasova jednoatomnog argona i mešavina argon / helijum. Uticaj povećanja helijuma specificiran je u tabeli 8. Kod upotrebe helijuma pri istoj jačini struje veća je snaga luka, a samim tim i uvarivanje i brzina nanošenja sloja. Tabela 8.Uticaj povećanja sadržaja helijuma u zaštitnom gasu argonu

Sastav zaštitnog gasa 100% Ar 100% He

Ponašanje luka Manje stabilan Širina šava Povećanje, šav postaje ravniji

Izgled šava Daje finiju talasavost; kod Mg-žice ⇒ sivo-braon depozit, bez pogoršanja

Uvarivanje Dublje i zaobljenije Brzina zavarivanja Može se povećati Sklonost ka nalepljivanju Smanjuje se Osetljivost na nastajanje pora Smanjuje se Predgrevanje Može se smanjiti ili izostaviti

Temperatura Delovi postaju topliji ⇒ omogućava primenu većih brzina zavarivanja

Troškovi zaštitnog gasa Povećanje troškova (videti ukupne troškove!)

Korišćenjem helijuma u zaštitnom gasu, zbog manje gustine He, potrebna je 2,5-3 puta veća zapremina za postizanje efekta zaštite kao pri korišćenju samo argona. Efekat dodatka kiseonika u inertni zaštitni gas je kontraverzan, tj. ima i pozitivan i negativan uticaj. Ustanovljeno je da dodatak kiseonika značajno povećava uvarivanje, ali zavisno od njegovog sadržaja povećava se sagorevanje Mg i mogu se javiti crne mrlje na površini šava. Gasne mešavine sa daljim dodacima kao što su N2 ili NO su poželjne. Ovi dodaci u tragovima (< 500 vpm) imaju pozitivan efekat na oblik i kvalitet spoja (sl.20).

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 21 od 26


materijal EN AW -5083 (AlMg4.5Mn0.7) debljina 5,2 mm,

brzina zavarivanja 30 cm/min

ARGON HELIJUM + 300 vpm NO +70 vpm N2

ARGON 4.6

Slika 20: Uticaj dodataka u gasnoj mešavini na oblik spoja PRIPREMA SPOJA Za pripremu za zavarivanje može se koristiti DIN 8552, deo 1. Za zavarivanje sučeonih spojeva u jednom sloju, preporučuje se obaranje ivica žljeba na korenoj strani (sl.21). Tako je omogućeno bolje formiranje korena šava.

a) bez smaknuća

b) sa smaknućem

Slika 21: Uticaj obrade stranica korene strane šava na formiranje korena (šematski) Stranice žljeba i zone oko njih, moraju biti odmašćene i suve. Posle odmašćivanja, neposredno pre zavarivanja mora se ukloniti oksidni sloj; kod mehaničkog čišćenja moraju se koristiti četke od nerđajućeg materijala. Činjenica je da se odmah stvara novi oksidni sloj, ali taj sloj je relativno tanak i ujednačene debljine. Oblici žljebova pripreme spojeva za MIG i TIG zavarivanje dati su na slici 22.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 22 od 26


POSTUPAK 131 POSTUPAK 141

Ivični spoj bez dodatnog materijala

Slika 22: Oblici žljebova pripreme za zavarivanje MIG i TIG postupkom

PREDGREVANJE Povoljan utica predgrevanja na proces zavarivanja aluminijumskih materijala je prevashodno u kompenziranju nepovoljnosti preterano velike toplotne provodljivosti, kao što je nedovoljno uvarivanje i osetljivost na nastanak vrućih prslina. Predgrevanje je neophodno ako se unosom toplote, odnosno pogonskom energijom, ne može računati na pretapanje stranica žljeba i dobro vezivanje. Za određivanje temperature predgrevanja uzimaju se u obzir sledeći uticajni faktori: - Toplotnofizičke osobine osnovnog materijala: granične temperature područja topljenja i

očvršćavanja, specifična toplota, toplota topljenja, toplotna provodljivost i prenos toplote. - Proces zavarivanja: presudan značaj ima snaga zavarivačkog strujnog izvora. Što je snaga

luka veća to je potrebno manje predgrevanje. Kod procesa zavarivanja manje gustine snage luka i sa dodavanjem dodatnog materijala potrebno je češće i više predgrevanje, nego kod procesa sa visokim gustinama snage, uz jednovremeno topljenje dodatnog materijala.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 23 od 26


- Geometrija zavarivanog dela: kod delova velikih preseka, u zavisnosti od vrste i geometrije šava, neophodne su više temperature predgrevanja.

Preporuke za temperature i vreme predgrevanja U mnogo slučajeva dovoljno je predgrevanje pre početka zavarivanja (tab.9). Širina područja zagrevanja sa obe strane šava treba da je oko 10 x debljine radnog dela, najviše 250 mm. Tabela 9. Preporuke za predgrevanje aluminijumskih legura za gnječenje

Legura Debljina u mm Maksimalna temperatura predgrevanja

Maksimalno vreme predgrevanja

TIG MIG (°C) (min)

AlMgSi0,5 AlMgSi1 AlMgSi0,7

≥5 – 12 (>12) >20

180 200 220 250

60 30 20 10

AlZn4,5Mg11) ≥4 – 12 (>12) >16

140 160

30 20

AlMg4,5Mn2) AlMg3

≥6 – 12 (>12) >16 150 - 200 10

1) Predugo zadržavanje na temperaturama između 200°C i 300°C umanjuje mogućnost samostarenja.

2) Značajna osetljivost ka međukristalnoj koroziji! Zapaženo je da oksidni slojevi po ivicama šava ne postaju preterano debeli pri dovoljno dugim vremenima predgrevanja ili pri višku O2 u gasu za zagrevanje. Pri tome, nastali film oksida je suv i neće uticati na povećanje poroznosti. Uticaj temperature i vremena predgrevanja na osobine materijala je značajan kod termički obradivih legura i hladno deformisanih materijala, zbog uticaja na promene termičkog stanja u širem području predgrevanja. ZAVARIVANJE LIVENIH LEGURA Aluminijumski liveni materijali, zbog prisustva mikrolunkera, imaju nižu deformabilnost od odgovarajućih legura za gnječenje. Zavarivanje se uglavnom primenjuje kao reparaturno zavarivanje u popravci grešaka livenja, ili zbog oštećenja u eksploataciji. Odlivci liveni pritiskom većinom sadrže veliku količinu gasova koji kod zavarivanja stvaraju kipuću zavarivačku kupku. Najbolju zavarljivost imaju AlSi legure sa 7-12%Si, sa ili bez dodatka Mg. Sa dodatkom Cu zavarljivost se umanjuje. Zbog čestog prisustva skupina nečistoća, naročito u području lunkera, povoljna je primena ručnog elektrolučnog zavarivanja obloženom elektrodom, sa funkcijom obloge kao topitelja. Ove elektrode su veoma higroskopne, te je upotreba ograničena vremenom uskladištenja. Zbog komplikovane geometrije odlivaka različitih debljina zida, za smanjenje pojave prslina pri zavarivanju preporučuje se primena predgrevanja na temperaturama 150-250 °C. Ostali uslovi su kao i kod valjanih metalurških proizvoda.

STANDARDI ZA ALUMINIJUMSKE MATERIJALE U procesu SRPS standardizacije preuzimaju se EN standardi čiji je pregled dat u tabeli 10. Za potpunu identifikaciju EN materijala preko dopunskog označavanja termičkog stanja isporuke ( EN 515) u tabeli 11. dat je pregled ovih oznaka.

U tabeli 12. dat je uporedni pregled aluminijumskih oznaka prema EN i starim JUS oznakama.

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 24 od 26


PREGLED EN STANDARDA LEGURA ALUMINIJUMA ZA GNJEČENJE Tabela 10.

Sadržaj standarda EN standard Poluproizvodi;termini i definicije - Materijali - Oblici za dalju obradu - Poluproizvodi

23134-1 23134-2 23134-3

Sistematika - Numerički sistem označavanja - Alfanumerički sistem označavanja

573-1 573-2

Hemijski sastav - Sve legure - Aluminijum visoke čvrstoće - Dodatni materijali - Materijali za tvrdo lemljenje

573-3 573-3 573-3 573-3

Označavanje termičkog stanja 515 Oblici proizvoda 573-4 Tehnički uslovi za kontrolu i isporuku Limovi, ploče i trake (> 0,02 do 200 mm)

485-1

Uobičajene primene - Opšte - Hrana

573-4 602

Mehaničke osobine - Limovi, ploče i trake (> 0,02 do 200 mm - Otkovci

485-2 586-2

Specijalni zahtevi - Poluproizvodi u kontaktu sa hranom

602

Specifikacije - Šipke - Valjani ingoti - Valjani proizvodi za limenke, zaptivke, vratanca - Kružni proizvodi za korišćenje u kuhinjama - Kružni proizvodi za opštu namenu - Platirani limovi i trake opšte namene - Reljefni limovi i trake - Otpresci (napravljeni od poluproizvoda) za izvlačenje

486 487 541 851 941

pr1396 pr1386

570

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 25 od 26


OZNAČAVANJE TERMIČKOG STANJA ALUMINIJUMSKIH MATERIJALA ( EN 515) Tabela 11.

Simbol Značenje simbola F O O1 O2 O3 H1n H2n H3n H4n W W5n T1 T2 T3 T3n T4 T4n T5 T5n T6 T6n T7 T7n T8 T8n T9

Stanje načina proizvodnje Meko žareno stanje u toku oblikovanja toplom deformacijom Toplooblikovano na temperaturi rastvarajućeg žarenja Termomehanički ™ obrađeno za superelastično oblikovanje Homogenizacija Hladno ojačano (npr. n=2→ ¼ tvrdo;n=4→1/2 tvrdo) Hladno ojačano i povratno žareno Hladno ojačano i stabilizovano Hladno ojačano i lakirano plamenom Rastvarajuće žareno Rastvarajuće žareno i ispravljano, ravnano ili sabijano Kaljeno sa toplog oblikovanja i prirodno stareno Kaljeno sa toplog oblikovanja, hladno oblikovano i prirodno stareno Rastvarajuće žareno i prirodno stareno Rastvarajuće žareno, završeno, hladno oblikovano, ispravljano, ravnano ili sabijano i prirodno stareno Rastvarajuće žareno i prirodno stareno Rastvarajuće žareno, završeno, hladno oblikovano, ispravljano, ravnano ili sabijano i veštački stareno Kaljeno sa toplog oblikovanja i veštački stareno Kaljeno sa toplog oblikovanja i veštački stareno za poboljšanje osobina Rastvarajuće žareno, veštački stareno Rastvarajuće žareno, završeno, ispravljano, ravnano ili sabijano i veštački stareno za poboljšanje osobina Rastvarajuće žareno i otvrdnuto (veštački stareno) Rastvarajuće žareno, završeno, ispravljano ili sabijano i otvrdnuto (veštački stareno) za poboljšanje osobina Rastvarajuće žareno, hladno oblikovano i veštački stareno Rastvarajuće žareno, završeno, ispravljano, ravnano ili sabijano i veštački stareno Rastvarajuće žareno, veštački stareno i hladno oblikovano

ATB:

Naziv dokumenta:


Strana 26 od 26


UPOREDNE EN - JUS OZNAKE ALUMINIJUMSKIH MATERIJALA Tabela 12.

EN-573-3 JUS C.C2.100/1986* Numeričke oznake Alfanumeričke oznake Alfanumeričke oznake

1098 1080A 1070A 1050a 1200 1350A

Al99,98 Al99,8(A) Al99,7 Al99,5 Al99,0 EAl99,5(A)

Al99,98 R* Al99,8 Al99,7 Al99,5 Al99 E-Al

2007 2011 2014 2017A 2117 2024

AlCu4PbMgMn AlCu6BiPb AlCu4SiMg AlCu4MgSi(a) AlCu2,5Mg AlCu4Mg1

AlCuMgPb AlCuBiPb AlCuSiMn AlCuMg1 AlCu2,5Mg0,5 AlCuMg2

3003 3103 3004 3005 3105 3207

AlMn1Cu AlMn1 AlMn1Mg1 AlMn1Mg0,5 AlMn0,5Mg0,5 AlMn0,6

AlMnCu AlMn1 AlMn1Mg1 AlMn1Mg0,5 AlMn0,5Mg0,5 AlMn0,6

5005A 5505 5305 5605 5110 5310 5019 5049 5051A 5251 5052 5454 5754 5082 5182 5083 5086

AlMg1© Al99,9Mg1 Al99,85Mg1 Al99,98Mg1 Al99,85Mg0,5 Al99,98Mg0,5 AlMg5 AlMg2Mn0,8 AlMg2(B) AlMg2 AlMg2,5 AlMg3Mn AlMg3 AlMg4,5 AlMg4,5Mn0,4 AlMg4,5Mn0,7 AlMg4

AlMg1 Al99,9Mg0,5 Al99,85Mg1 Al99,98Mg1 Al99,85Mg0,5 AlMg0,5 AlMg5 AlMg2Mn0,8 AlMg1,8 AlMg2Mn0,3 AlMg2,5 AlMg2,7Mn AlMg3 AlMg4,5 AlMg5Mn AlMg4,5Mn AlMg4Mn

6101B 6401 6005A 6012 6060 6061 6082

E-AlMgSi(B) Al99,9MgSi AlSiMg(A) AlMgSiPb AlMgSi AlMg1SiCu AlSi1MgMn

E-AlMgSi0,5 Al99,9MgSi AlMgSi0,7 AlMgSiCPb AlMgSi0,5 AlMg1SiCu AlMgSi1

*mala neusaglašenost hemijskog sastava, naročito sadržaja nečistoća

LITERATURA: [1] С.М.Гуревич:Справочник по сварке цветнЫх металлов;Наукова думка, 1981, Киев, Украина [2] GS SLV-The welding engineer′s current knowledge-CD ROM; DVS, 2000, Berlin, Nemačka [3] H.Klock, H.Schoer: Schweissen und Löten von Aluminiumwerkstoffen; DVS,1977, Düsseldorf, Nemačka [4] Beckert: Kompendium der Schweisstechnik, Band 3: Eignung metallischer Werkstoffe zum Schweissen;DVS,1997, Düsseldorf, Nemačka [5] SLV, München: Schweisseignung von Aluminium; Skripta,1999 [6] SLV, München: Schweisseignung von Aluminium; Skripta,2009, Nemačka

Documents

2.20 Aluminijum 2012