Ποια κράματα αλουμινίου είναι καλύτερα για συγκόλληση;

Το αλουμίνιο έχει γίνει ένα από τα σημαντικότερα υλικά μηχανικής των σύγχρονων ημερών με τις σπάνιες ιδιότητές του, όπως το μικρό βάρος και η αντοχή στη διάβρωση, σε συνδυασμό με την ευελιξία του. Αυτού του είδους τα φάσματα εφαρμογών καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα χρήσης, συμπεριλαμβανομένων των αεροδιαστημικών και αυτοκινητοβιομηχανικών κατασκευών, των θαλάσσιων σκαφών, των αγωγών και των καταναλωτικών προϊόντων, εφαρμογές όπου το αλουμίνιο είναι συχνά το μέταλλο επιλογής λόγω της αναλογίας αντοχής προς βάρος, της ανθεκτικότητας. Ένας από τους πολυάριθμους γνωστούς τρόπους κατασκευής περιλαμβάνει τη διαδικασία της συγκόλλησης και αυτό βοηθά σε οικονομικά αποδοτικές συναρμολογήσεις που είναι ισχυρές και διαρκείς στη φύση τους.

Παρ' όλα αυτά, σε σύγκριση με τον χάλυβα και άλλα μέταλλα, η συγκόλληση αλουμινίου δεν είναι τόσο εύκολη. Έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα, χαμηλό σημείο τήξης και ένα σκληρό διαφανές στρώμα, επομένως είναι δύσκολο να συγκολληθεί. Επιπλέον, οι μηχανικές ιδιότητες των κραμάτων αλουμινίου ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό και τα κράματα μπορεί είτε να συμπεριφέρονται καλά όσον αφορά τη συγκόλληση, είτε ακόμη και να είναι ιδιαίτερα επιρρεπή σε θερμή ρηγμάτωση, πορώδες ή αδύναμο HAZ. Έχει μεγάλη σημασία για τους μηχανικούς και τους κατασκευαστές να γνωρίζουν ποιοι τύποι αλουμινίου είναι οι καταλληλότεροι για συγκόλληση.

Τα κράματα αλουμινίου διακρίνονται σε σειρές π.χ. 1xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx και 7xxx και έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά. Ορισμένα από αυτά, όπως η σειρά 5xxx, είναι γνωστό ότι έχουν εξαιρετικές ιδιότητες συγκολλησιμότητας και αντοχής στη διάβρωση, ενώ άλλα, όπως οι σειρές 2xxx και 7xxx, είναι προβληματικά. Η επιλογή του κατάλληλου κράματος θα βελτιώσει την ποιότητα της συγκόλλησης καθώς και θα εξασφαλίσει τη δομική ακεραιότητα, την ανθεκτικότητα και ένα οικονομικά αποδοτικό τελικό προϊόν.

Το παρόν έγγραφο εξετάζει σε βάθος ποια είναι τα καλύτερα κράματα αλουμινίου για συγκόλληση, τις οικογένειες κραμάτων, το πρόβλημα και τις λύσεις, καθώς και τις εφικτές συστάσεις προς τη βιομηχανία.

1. Ταξινόμηση των κραμάτων αλουμινίου

Το αλουμίνιο χρησιμοποιείται σπάνια στην καθαρή του μορφή για δομικές εφαρμογές, επειδή το καθαρό αλουμίνιο, ενώ είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στη διάβρωση και όλκιμο, δεν έχει την αντοχή που απαιτείται για απαιτητικούς μηχανολογικούς σκοπούς. Για τη βελτίωση των μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων του, το αλουμίνιο συνδυάζεται με άλλα στοιχεία, όπως χαλκό, μαγνήσιο, πυρίτιο, μαγγάνιο και ψευδάργυρο, με αποτέλεσμα ένα ευρύ φάσμα κραμάτων αλουμινίου. Τα κράματα αυτά ταξινομούνται ανάλογα με τη μέθοδο παραγωγής τους, τον μηχανισμό ενίσχυσης και τη χημική τους σύνθεση.

Σφυρηλατημένα κράματα έναντι κραμάτων χύτευσης

Τα κράματα αλουμινίου χωρίζονται σε γενικές γραμμές σε δύο κατηγορίες:

• Σφυρήλατα κράματα - Αυτά επεξεργάζονται μηχανικά σε σχήματα όπως φύλλα, πλάκες, ράβδοι και εξώθηση μέσω διαδικασιών όπως η έλαση, η σφυρηλάτηση ή η εξώθηση. Είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα κράματα στη συγκόλληση και τη δομική κατασκευή.
• Κράματα χύτευσης - Τα κράματα αυτά, που παράγονται με τη χύτευση λιωμένου αλουμινίου σε καλούπια, χρησιμοποιούνται συνήθως για πολύπλοκα σχήματα σε εξαρτήματα αυτοκινήτων και αεροδιαστημικής. Τα κράματα χύτευσης είναι γενικά πιο δύσκολο να συγκολληθούν σε σύγκριση με τα κράματα σφυρηλάτησης, αλλά ορισμένα μπορούν να ενωθούν με επιτυχία με εξειδικευμένες διαδικασίες.

Θερμοεπεξεργαστέα έναντι μη θερμοεπεξεργαστέων κραμάτων

Τα σφυρηλατημένα κράματα ταξινομούνται περαιτέρω σε δύο ομάδες με βάση τον τρόπο με τον οποίο επιτυγχάνουν αντοχή:

• Μη θερμικά επεξεργάσιμα κράματα: Ενισχύεται κυρίως μέσω της σκλήρυνσης λόγω παραμόρφωσης (εργασιακή σκλήρυνση). Βασίζονται στη μηχανική παραμόρφωση για να αυξήσουν τη σκληρότητα και την αντοχή σε εφελκυσμό. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τις σειρές 1xxx, 3xxx και 5xxx. Αυτά τα κράματα διατηρούν γενικά τις ιδιότητές τους μετά τη συγκόλληση, καθιστώντας τα ιδιαίτερα συγκολλήσιμα.
• Κράματα που μπορούν να υποστούν θερμική επεξεργασία: Ενισχυμένη μέσω σκλήρυνσης με κατακρήμνιση (θερμική επεξεργασία διαλύματος ακολουθούμενη από γήρανση). Η θερμική επεξεργασία επιτρέπει το σχηματισμό λεπτών κατακρημνισμάτων που ενισχύουν την αντοχή. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τις σειρές 2xxx, 6xxx και 7xxx. Ενώ αυτά τα κράματα μπορούν να φτάσουν σε πολύ υψηλά επίπεδα αντοχής, συχνά χάνουν μηχανικές ιδιότητες στη ζώνη θερμικής επίδρασης κατά τη συγκόλληση.

Σειρά κραμάτων αλουμινίου (σφυρηλατημένα κράματα)

Το Ένωση Αλουμινίου (AA) χρησιμοποιεί ένα τετραψήφιο σύστημα αρίθμησης για την ταξινόμηση των σφυρηλατημένων κραμάτων:

• Σειρά 1xxx (ουσιαστικά καθαρό αλουμίνιο): περιεκτικότητα σε αλουμίνιο ≥99%, εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, καλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, αλλά χαμηλή αντοχή. Πολύ συγκολλήσιμο.
• Σειρά 2xxx (κράματα αλουμινίου-χαλκού): Υψηλή αντοχή, χρησιμοποιείται στην αεροδιαστημική, αλλά κακή συγκολλησιμότητα λόγω θερμής ρηγμάτωσης και απώλειας αντοχής.
• Σειρά 3xxx (κράματα αλουμινίου-μαγγανίου): Καλή αντίσταση στη διάβρωση και συγκολλησιμότητα, μέτρια αντοχή, χρησιμοποιείται σε στέγες, πλαϊνά και χημικό εξοπλισμό.
• Σειρά 4xxx (κράματα αλουμινίου-πυριτίου): Ανθεκτικό στη φθορά, μέτρια συγκολλησιμότητα, χρησιμοποιείται συχνά ως υλικό πλήρωσης παρά ως βασικό κράμα.
• Σειρά 5xxx (κράματα αλουμινίου-μαγνησίου): Εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, εξαιρετική συγκολλησιμότητα, χρησιμοποιείται ευρέως σε θαλάσσιες και δομικές εφαρμογές.
• Σειρά 6xxx (κράματα αλουμινίου-μαγνησίου-πυριτίου): Συνήθης στην αυτοκινητοβιομηχανία και στους αγωγούς.
• Σειρά 7xxx (κράματα αλουμινίου-ψευδαργύρου): Εξαιρετικά υψηλή αντοχή, χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, αλλά κακή συγκολλησιμότητα, εκτός από συγκεκριμένους βαθμούς όπως 7005 και 7039.
• Σειρά 8xxx (διάφορα κράματα): Οι εφαρμογές συγκόλλησης είναι περιορισμένες.

2. Γενικές προκλήσεις στη συγκόλληση αλουμινίου

Παρόλο που το αλουμίνιο χρησιμοποιείται ευρέως σε δομικές, αυτοκινητοβιομηχανικές και αεροδιαστημικές εφαρμογές, η συγκόλλησή του παρουσιάζει μοναδικές προκλήσεις σε σύγκριση με τον χάλυβα ή άλλα κοινά μηχανικά μέταλλα. Τα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά του αλουμινίου συχνά δημιουργούν δυσκολίες κατά τη διαδικασία συγκόλλησης, οι οποίες, αν δεν αντιμετωπιστούν σωστά, μπορούν να θέσουν σε κίνδυνο την ποιότητα της συγκόλλησης, τη μηχανική αντοχή και την απόδοση σε λειτουργία. Η κατανόηση αυτών των προκλήσεων είναι απαραίτητη πριν από την επιλογή κραμάτων, μετάλλων πλήρωσης και διαδικασιών συγκόλλησης.

Υψηλή θερμική αγωγιμότητα

Το αλουμίνιο άγει τη θερμότητα περίπου τέσσερις έως πέντε φορές ταχύτερα από τον χάλυβα. Αυτή η ιδιότητα προκαλεί την ταχεία διάχυση της θερμότητας της συγκόλλησης στο περιβάλλον μέταλλο βάσης. Ως αποτέλεσμα, οι ηλεκτροσυγκολλητές συχνά δυσκολεύονται να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν μια λιωμένη λίμνη συγκόλλησης, ειδικά σε λεπτά φύλλα όπου μπορεί να προκληθεί υπερθέρμανση και διάβρωση. Στα παχύτερα τμήματα, η ταχεία μεταφορά θερμότητας απαιτεί υψηλότερα ρεύματα συγκόλλησης και ακριβή έλεγχο της εισροής θερμότητας για να διασφαλιστεί η πλήρης διείσδυση και να αποφευχθεί η ψυχρή συγκόλληση ή η έλλειψη τήξης.

Χαμηλή θερμοκρασία τήξης

Το σημείο τήξης του καθαρού αλουμινίου είναι περίπου 660°C (1220°F), σημαντικά χαμηλότερο από εκείνο του χάλυβα (περίπου 1500°C / 2730°F). Αυτό το στενό περιθώριο μεταξύ της θερμοκρασίας τήξης του βασικού μετάλλου και της υψηλής εισροής θερμότητας που απαιτείται λόγω της θερμικής αγωγιμότητας καθιστά το αλουμίνιο ιδιαίτερα ευαίσθητο στην παραμόρφωση και τη στρέβλωση κατά τη συγκόλληση. Ο συγκολλητής πρέπει να εξισορροπήσει επαρκή ενέργεια για να επιτύχει τη σύντηξη χωρίς υπερθέρμανση ή κατάρρευση της ένωσης.

Σχηματισμός φιλμ οξειδίου

Το αλουμίνιο σχηματίζει φυσικά ένα λεπτό, σκληρό στρώμα οξειδίου (Al₂O₃) στην επιφάνειά του όταν εκτίθεται στον αέρα. Αυτό το οξείδιο έχει πολύ υψηλότερη θερμοκρασία τήξης (περίπου 2050°C / 3720°F) από το ίδιο το αλουμίνιο, το οποίο μπορεί να εμποδίσει το τόξο να διεισδύσει στο βασικό μέταλλο. Εάν δεν αφαιρεθεί ή διασπαστεί σωστά, το φιλμ οξειδίου προκαλεί κακή σύντηξη, εγκλείσματα και αδύναμες ενώσεις. Για το λόγο αυτό, η απομάκρυνση του οξειδίου με μηχανικό καθαρισμό, χημική χάραξη ή καθαρισμό τόξου (πόλωση εναλλασσόμενου ρεύματος στη συγκόλληση TIG) είναι κρίσιμη πριν από τη συγκόλληση.

Πορώδες

Το πορώδες είναι ένα κοινό ελάττωμα στις συγκολλήσεις αλουμινίου. Το λιωμένο αλουμίνιο έχει υψηλή διαλυτότητα σε υδρογόνο, αλλά καθώς στερεοποιείται, η διαλυτότητά του σε υδρογόνο μειώνεται απότομα. Τυχόν υδρογόνο που παγιδεύεται στη λιωμένη λίμνη σχηματίζει θύλακες αερίων (πορώδες) μέσα στο μέταλλο συγκόλλησης. Οι πηγές υδρογόνου περιλαμβάνουν την υγρασία, τα λιπαντικά, τα έλαια, τη βρωμιά και τα ενυδατωμένα οξείδια. Το πορώδες μειώνει τη μηχανική αντοχή, την αντοχή σε κόπωση και τη συνολική αξιοπιστία της συγκολλημένης κατασκευής. Τα προληπτικά μέτρα περιλαμβάνουν τον ενδελεχή καθαρισμό της επιφάνειας, την προθέρμανση και τη χρήση ξηρού προστατευτικού αερίου και σύρματος πλήρωσης.

Θερμή ρηγμάτωση (ρηγμάτωση στερεοποίησης)

Ορισμένα κράματα αλουμινίου, ιδίως εκείνα με υψηλή περιεκτικότητα σε χαλκό ή ψευδάργυρο (π.χ. σειρές 2xxx και 7xxx), είναι επιρρεπή σε θερμή ρηγμάτωση κατά τη στερεοποίηση. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας των μεγάλων περιοχών πήξης, του διαχωρισμού των κραματικών στοιχείων και των παραμενουσών τάσεων στη λίμνη συγκόλλησης. Οι θερμές ρωγμές συχνά ξεκινούν κατά μήκος των ορίων των κόκκων και είναι δύσκολο να ανιχνευθούν έως ότου η συγκόλληση δοκιμαστεί υπό φορτίο. Η σωστή επιλογή του μετάλλου πλήρωσης, ο σχεδιασμός της ένωσης και ο έλεγχος της διαδικασίας είναι απαραίτητα για τη μείωση των κινδύνων ρηγμάτωσης.

Απώλεια μηχανικών ιδιοτήτων στη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα (HAZ)

Για τα κράματα αλουμινίου που υπόκεινται σε θερμική επεξεργασία (όπως οι σειρές 6xxx και 7xxx), η συγκόλληση μπορεί να υποβαθμίσει τις μηχανικές ιδιότητες στο HAZ. Η εισερχόμενη θερμότητα διαλύει ή χονδροποιεί τα ιζήματα ενίσχυσης, οδηγώντας σε μείωση της αντοχής σε εφελκυσμό, του ορίου διαρροής και της σκληρότητας. Ενώ τα κράματα που δεν υπόκεινται σε θερμική επεξεργασία (π.χ. σειρά 5xxx) διατηρούν σε μεγάλο βαθμό τις ιδιότητές τους μετά τη συγκόλληση, τα κράματα που υπόκεινται σε θερμική επεξεργασία συχνά απαιτούν θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση ή υπερσχεδιασμό των δομών για να αντισταθμίσουν την αποδυνάμωση της HAZ.

Παραμόρφωση και παραμένουσα τάση

Λόγω του υψηλού συντελεστή θερμικής διαστολής του, το αλουμίνιο διαστέλλεται και συστέλλεται σημαντικά κατά τη θέρμανση και την ψύξη. Αυτό μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση, στρέβλωση και παραμένουσες τάσεις σε συγκολλημένα συγκροτήματα, ιδίως σε κατασκευές με λεπτά τοιχώματα. Για την ελαχιστοποίηση αυτών των ζητημάτων απαιτείται συχνά η τοποθέτηση εξαρτημάτων, η προθέρμανση, οι ελεγχόμενες ακολουθίες συγκόλλησης και οι τεχνικές χαμηλής εισροής θερμότητας.

3. Συγκολλησιμότητα της σειράς κραμάτων αλουμινίου

Σειρά 1xxx (ουσιαστικά καθαρό αλουμίνιο)

• Παραδείγματα: 1100, 1350.
• Χαρακτηριστικά: Εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, υψηλή ολκιμότητα, χαμηλή αντοχή.
• Συγκολλησιμότητα: Εξαιρετικό - Το καθαρό αλουμίνιο δεν έχει σχεδόν κανένα πρόβλημα με το ράγισμα. Συγκολλάται εύκολα με τη χρήση TIG ή MIG.
• Εφαρμογές: Χημικός εξοπλισμός, αρχιτεκτονικές προσόψεις, εξοπλισμός επεξεργασίας τροφίμων.
• Μειονέκτημα: Η χαμηλή αντοχή περιορίζει τη δομική χρήση.

Σειρά 2xxx (κράματα αλουμινίου-χαλκού)

• Παραδείγματα: 2024, 2219.
• Χαρακτηριστικά: Υψηλής αντοχής, χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική.
• Συγκολλησιμότητα: Φτωχό - Πολύ επιρρεπείς σε θερμή ρηγμάτωση και απώλεια μηχανικών ιδιοτήτων στο HAZ. Το 2219 είναι κάπως συγκολλήσιμο και χρησιμοποιείται σε αεροδιαστημικές δεξαμενές.
• Εφαρμογές: Αεροδιαστημική, άμυνα.
• Ετυμηγορία: Γενικά, δεν συνιστάται για συγκόλληση εκτός από ειδικές περιπτώσεις με το 2219 με ελεγχόμενες διαδικασίες.

Σειρά 3xxx (κράματα αλουμινίου-μαγγανίου)

• Παραδείγματα: 3003, 3105.
• Χαρακτηριστικά: Καλή αντοχή στη διάβρωση, μέτρια αντοχή.
• Συγκολλησιμότητα: Εξαιρετικό - Αυτά τα κράματα δεν είναι θερμικά κατεργασμένα, οπότε διατηρούν τις ιδιότητές τους μετά τη συγκόλληση.
• Εφαρμογές: Στέγες, πλαϊνά, κουτιά ποτών, χημικός εξοπλισμός.

Σειρά 4xxx (κράματα αλουμινίου-πυριτίου)

• Παραδείγματα: 4032, 4045.
• Χαρακτηριστικά: Ανθεκτικό στη φθορά, υψηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο μειώνει το συντελεστή θερμικής διαστολής.
• Συγκολλησιμότητα: Μέτρια - Συχνά χρησιμοποιείται ως υλικό πλήρωσης (π.χ. 4045) παρά ως βασικό κράμα. Το υψηλό Si μπορεί να μειώσει την ολκιμότητα.
• Εφαρμογές: Εξαρτήματα κινητήρων αυτοκινήτων, εξαρτήματα φθοράς.

Σειρά 5xxx (κράματα αλουμινίου-μαγνησίου)

• Παραδείγματα: 5052, 5083, 5754, 5456.
• Χαρακτηριστικά: Εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, καλή αντοχή, ειδικά σε θαλάσσια περιβάλλοντα.
• Συγκολλησιμότητα: Εξαιρετικό - Τα πιο συχνά συγκολλούμενα κράματα αλουμινίου. Μη θερμικά επεξεργάσιμο, οπότε το HAZ διατηρεί καλές ιδιότητες. Πρέπει να προσέχετε τη ρηγμάτωση από διάβρωση λόγω τάσης εάν η περιεκτικότητα σε Mg είναι >3%.
• Εφαρμογές: Ναυπηγική, δοχεία πίεσης, υπεράκτιες πλατφόρμες, κρυογονικές δεξαμενές.
• Ετυμηγορία: Μεταξύ των καλύτερων κραμάτων αλουμινίου για συγκόλληση.

Σειρά 6xxx (κράματα αλουμινίου-μαγνησίου-πυριτίου)

• Παραδείγματα: 6061, 6063, 6082.
• Χαρακτηριστικά: Μέση αντοχή, καλή αντοχή στη διάβρωση, πολύ κοινά δομικά κράματα.
• Συγκολλησιμότητα: Καλή - Θερμοκατεργασία, οπότε η συγκόλληση μειώνει την αντοχή στο HAZ. Ωστόσο, η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση ή ο υπερσχεδιασμός μπορούν να αντισταθμίσουν. Συχνά συγκολλούνται με χρήση πληρωτικών 4045 ή 5356.
• Εφαρμογές: Σωληνώσεις, δοχεία πίεσης, πλαίσια αυτοκινήτων, αεροδιαστημική, κατασκευές.
• Ετυμηγορία: Πολύ συγκολλήσιμο αλλά απαιτεί σχεδιαστική εξέταση για την αποδυνάμωση του HAZ.

Σειρά 7xxx (κράματα αλουμινίου-ψευδαργύρου)

• Παραδείγματα: 7075, 7475.
• Χαρακτηριστικά: Εξαιρετικά υψηλή αντοχή, χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική.
• Συγκολλησιμότητα: Φτωχό - Ευάλωτο σε θερμές ρωγμές, πορώδες και σοβαρή απώλεια αντοχής. Γενικά αποφεύγεται σε συγκολλητές κατασκευές. Οι εξαιρέσεις περιλαμβάνουν τα 7005 και 7039, τα οποία είναι μέτρια συγκολλήσιμα.
• Εφαρμογές: Αεροδιαστημική, άμυνα, αθλητικός εξοπλισμός.
• Ετυμηγορία: Δεν συνιστάται για συγκόλληση εκτός ειδικών περιπτώσεων.

4. Καλύτερα κράματα αλουμινίου για συγκόλληση

Με βάση την παραπάνω ανάλυση, τα καλύτερα κράματα αλουμινίου για συγκόλληση είναι:

1. Σειρά 1xxx (π.χ. 1100) - Εύκολη συγκόλληση, αλλά χαμηλής αντοχής.
2. Σειρά 3xxx (π.χ. 3003, 3105) - Μεγάλη αντοχή στη διάβρωση, καλή συγκολλησιμότητα.
3. Σειρά 5xxx (π.χ. 5052, 5083, 5754, 5456) - Εξαιρετική αντοχή και αντίσταση στη διάβρωση, ειδικά σε θαλάσσιες εφαρμογές.
4. Σειρά 6xxx (π.χ. 6061, 6063, 6082) - Ευρέως χρησιμοποιούμενα δομικά κράματα- καλή συγκολλησιμότητα με μέταλλα πλήρωσης.

Μεταξύ αυτών, τα κράματα 5xxx θεωρούνται συχνά τα πιο αξιόπιστα για συγκόλληση, ειδικά σε απαιτητικά περιβάλλοντα όπως οι θαλάσσιες και υπεράκτιες εφαρμογές.

5. Διαδικασίες συγκόλλησης για αλουμίνιο

Η συγκόλληση αλουμινίου απαιτεί εξειδικευμένες τεχνικές και έλεγχο της διαδικασίας λόγω των μοναδικών προκλήσεων που σχετίζονται με το υλικό. Σε αντίθεση με τον χάλυβα, το αλουμίνιο έχει χαμηλό σημείο τήξης, υψηλή θερμική αγωγιμότητα, πυρίμαχο φιλμ οξειδίου και ευαισθησία στο πορώδες και τη ρηγμάτωση. Για να ξεπεραστούν αυτά τα ζητήματα, οι διεργασίες συγκόλλησης για αλουμίνιο πρέπει να παρέχουν ακριβή εισαγωγή θερμότητας, αποτελεσματική θωράκιση και απομάκρυνση οξειδίων. Η επιλογή της διαδικασίας εξαρτάται από παράγοντες όπως ο τύπος του κράματος, το πάχος, ο σχεδιασμός της σύνδεσης, ο όγκος παραγωγής και η απαιτούμενη ποιότητα συγκόλλησης.

Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες διεργασίες συγκόλλησης για αλουμίνιο περιγράφονται παρακάτω.

Συγκόλληση με τόξο βολφραμίου αερίου (GTAW / TIG)

Η συγκόλληση τόξου με βολφράμιο αερίου, γνωστή και ως συγκόλληση TIG, χρησιμοποιείται ευρέως για αλουμίνιο λόγω της ικανότητάς της να παράγει συγκολλήσεις υψηλής ποιότητας, ακριβείας και καθαρότητας.

• Αρχή: Σχηματίζεται τόξο μεταξύ ενός μη καταναλώσιμου ηλεκτροδίου βολφραμίου και του τεμαχίου. Το μέταλλο πλήρωσης μπορεί να προστεθεί μεμονωμένα όπου είναι απαραίτητο Το αδρανές αέριο προστασίας που χρησιμοποιείται είναι αργό ή ήλιο που εμποδίζει την ατμοσφαιρική οξείδωση της λιωμένης λίμνης συγκόλλησης.
• Βασικά χαρακτηριστικά για το Αλουμίνιο:
  • Χρειάζεται εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) για την περιοδική απογύμνωση της μεμβράνης οξειδίου μέσω καθοδικού καθαρισμού.
  • Παρέχει εξαιρετικό έλεγχο της εισερχόμενης θερμότητας, καθιστώντας το κατάλληλο για λεπτά φύλλα αλουμινίου.
  • Παράγει συγκολλήσεις με ελάχιστο πορώδες και πιτσιλιές.
• Πλεονεκτήματα: Υψηλής ποιότητας συγκολλήσεις, ακριβής έλεγχος, εξαιρετική για κρίσιμες εφαρμογές.
• Περιορισμοί: Αργότερη από άλλες διαδικασίες, απαιτεί εξειδικευμένους χειριστές, λιγότερο οικονομική για παχιές διατομές.
• Προϊόντα Υποδιαίρεση εφαρμογής: Αεροδιαστημικά εξαρτήματα, παίκτης, δοχείο πίεσης, βοηθός σώματος αυτοκινήτου.

Συγκόλληση με αέριο μεταλλικό τόξο (GMAW / MIG)

Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος συγκόλλησης αλουμινίου στη βιομηχανία είναι η συγκόλληση με αέριο μεταλλικό τόξο ή κοινώς συγκόλληση MIG, η οποία έχει υψηλούς βαθμούς ταχύτητας, ευελιξίας και παραγωγικότητας.

• Αρχή: Ένα αναλώσιμο συρμάτινο ηλεκτρόδιο τροφοδοτεί συνεχώς τη λίμνη συγκόλλησης, με αδρανές αέριο (αργό ή μίγμα αργού-ηλίου) που προστατεύει τη συγκόλληση.
• Βασικά χαρακτηριστικά για το Αλουμίνιο:
  • Χρησιμοποιείται συχνά με θετικό ηλεκτρόδιο συνεχούς ρεύματος (DCEP) για σταθερό τόξο και καλή διείσδυση.
  • Απαιτεί πιστόλια μπομπίνας ή τροφοδότες push-pull για την αποφυγή προβλημάτων τροφοδοσίας σύρματος λόγω της μαλακότητας του αλουμινίου.
  • Αποτελεσματικό για μεσαίες έως παχιές τομές.
• Πλεονεκτήματα: Υψηλά ποσοστά εναπόθεσης, ταχύτερα από την TIG, καλά για συγκολλήσεις παραγωγής.
• Περιορισμοί: Λιγότερο ακριβής από την TIG, πιο επιρρεπής στο πορώδες εάν δεν ελέγχεται η καθαριότητα και η θωράκιση με αέριο.
• Εφαρμογές: Ναυπηγική, πλαίσια αυτοκινήτων, σιδηροδρομικά βαγόνια, αγωγοί, δομική κατασκευή.

Συγκόλληση αντίστασης (συγκόλληση σημείων & συγκόλληση ραφής)

Συγκόλληση αντίστασης, ιδίως σημειακή συγκόλληση, χρησιμοποιείται περιστασιακά για την ένωση φύλλων αλουμινίου.

• Αρχή: Η θερμότητα παράγεται στις επιφάνειες πυράκτωσης με τη διέλευση ρεύματος από ηλεκτρόδια ενώ ασκείται πίεση.
• Προκλήσεις με το αλουμίνιο:
  • Η υψηλή αγωγιμότητα του αλουμινίου απαιτεί πολύ υψηλά ρεύματα.
  • Τα ηλεκτρόδια φθείρονται γρήγορα λόγω της συγκόλλησης αλουμινίου.
• Εφαρμογές: Περιορισμένη χρήση σε πάνελ αμαξωμάτων αυτοκινήτων και ηλεκτρικές συνδέσεις όπου εμπλέκονται λεπτά φύλλα αλουμινίου.

Συγκόλληση με τριβή (FSW)

Η συγκόλληση με τριβή ανάδευσης είναι μια διαδικασία συγκόλλησης στερεάς κατάστασης που έχει μεταμορφώσει την τεχνολογία σύνδεσης αλουμινίου, ειδικά για την αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και τη ναυπηγική βιομηχανία.

• Αρχή: Ένα περιστρεφόμενο μη αναλώσιμο εργαλείο με πείρο και ώμο βυθίζεται στην άρθρωση, δημιουργώντας θερμότητα τριβής που πλαστικοποιεί (αλλά δεν λιώνει) το μέταλλο. Στη συνέχεια, το εργαλείο αναδεύει και σφυρηλατεί το υλικό για να σχηματίσει μια συγκόλληση στερεάς φάσης.
• Βασικά χαρακτηριστικά για το Αλουμίνιο:
  • Εξαλείφει τα προβλήματα πορώδους και θερμής ρηγμάτωσης επειδή δεν υπάρχει τήξη.
  • Διατηρεί τις μηχανικές ιδιότητες στη ζώνη θερμικής επίδρασης καλύτερα από τη συγκόλληση σύντηξης.
  • Παράγει συγκολλήσεις με εξαιρετική αντοχή σε κόπωση και ελάχιστη παραμόρφωση.
• Πλεονεκτήματα: Υψηλής ποιότητας συγκολλήσεις, χαμηλή παραμόρφωση, δεν απαιτείται μέταλλο πλήρωσης.
• Περιορισμοί: Απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό, χαμηλότερες ταχύτητες κίνησης, περιορίζεται σε ευθείες ή απλές συνδέσεις.
• Εφαρμογές: Πλαίσια ατράκτων αεροσκαφών, σασί αυτοκινήτων, σιδηροδρομικά βαγόνια, κύτη πλοίων.

Συγκόλληση με δέσμη λέιζερ (LBW)

Η συγκόλληση με δέσμη λέιζερ προσφέρει συγκόλληση ακριβείας και υψηλής ταχύτητας για λεπτά εξαρτήματα αλουμινίου.

• Αρχή: Μια εστιασμένη δέσμη λέιζερ λιώνει και ασφαλίζει την ένωση, με προστασία από προστατευτικό αέριο.
• Βασικά χαρακτηριστικά για το Αλουμίνιο:
  • Η υψηλή πυκνότητα ενέργειας επιτρέπει βαθιά διείσδυση με στενές συγκολλήσεις.
  • Ευαίσθητο στην προσαρμογή των αρμών λόγω του μικρού μεγέθους της δέσμης.
  • Απαιτεί ακριβή έλεγχο για την αποφυγή του πορώδους.
• Εφαρμογές: Ηλεκτρονικά, αεροδιαστημικά εξαρτήματα, περιβλήματα μπαταριών αυτοκινήτων.

Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων (EBW)

Η ηλεκτροσυγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων είναι μια διαδικασία υψηλής ακρίβειας σε κενό που χρησιμοποιείται για κρίσιμα εξαρτήματα αλουμινίου.

• Αρχή: Μια εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ταχύτητας προσκρούει στο τεμάχιο, δημιουργώντας έντονη τοπική θερμότητα που συντηρεί την ένωση.
• Πλεονεκτήματα: Εξαιρετικά βαθιά διείσδυση, ελάχιστη παραμόρφωση, εξαιρετική ποιότητα.
• Περιορισμοί: Υψηλό κόστος, απαιτεί θάλαμο κενού, περιορισμένο μέγεθος εξαρτημάτων.
• Εφαρμογές: Αεροδιαστημική και άμυνα, κρυογενικές δεξαμενές, πυρηνικά εξαρτήματα.

Συγκόλληση με οξυγόνο και προστατευμένο μεταλλικό τόξο (SMAW)

Παραδοσιακές διεργασίες όπως η συγκόλληση με αέριο οξυγόνο και η συγκόλληση SMAW (συγκόλληση με ραβδί) χρησιμοποιούνται σπάνια για αλουμίνιο λόγω της δυσκολίας ελέγχου της εισροής θερμότητας, της μόλυνσης από οξείδια και της κακής ποιότητας συγκόλλησης. Αυτές περιορίζονται γενικά σε εργασίες επισκευής όπου οι σύγχρονες διεργασίες δεν είναι διαθέσιμες.

Πίνακας 1 Σύνοψη των διαδικασιών

Η επιλογή της διαδικασίας συγκόλλησης αλουμινίου εξαρτάται από τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Για κρίσιμες, λεπτές και υψηλής ποιότητας συγκολλήσεις, προτιμάται η TIG. Για παραγωγή και παχύτερες διατομές, κυριαρχεί η MIG. Για εφαρμογές επόμενης γενιάς που απαιτούν ανώτερη αντοχή και ατέλειωτες ενώσεις, οι διεργασίες στερεάς κατάστασης, όπως η συγκόλληση με ανάδευση τριβής, γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς. Οι προηγμένες μέθοδοι, όπως η συγκόλληση με λέιζερ και δέσμη ηλεκτρονίων, εξυπηρετούν εξειδικευμένες βιομηχανίες υψηλής ακρίβειας.

6. Βιομηχανικές εφαρμογές και μελέτες περίπτωσης

• Ναυπηγική βιομηχανία: 5083 και 5456 είναι τα κράματα επιλογής για τα κύτη και τα καταστρώματα λόγω της αντοχής στο θαλασσινό νερό και της συγκολλησιμότητας.
• Αεροδιαστημική: Το 2219 χρησιμοποιείται για συγκολλημένες δεξαμενές καυσίμων- ωστόσο, οι περισσότερες κατασκευές αποφεύγουν τη συγκόλληση και προτιμούν το πριτσίνισμα λόγω της κακής συγκολλησιμότητας των κραμάτων 2xxx και 7xxx.
• Αυτοκίνητο: 6061 και 6082 χρησιμοποιούνται για πλαίσια και κατασκευές σύγκρουσης- η FSW εφαρμόζεται όλο και περισσότερο.
• Κατασκευή: 3003 και 6063 χρησιμοποιούνται σε στέγες, πλαϊνά, αγωγούς και γέφυρες.

7. Πρακτικές συστάσεις

• Για γενική κατασκευή: (καλύτερος συνδυασμός αντοχής, αντοχής στη διάβρωση, συγκολλησιμότητας).
• Για λεπτά φύλλα και διακοσμητικά πάνελ: Χρησιμοποιήστε τη σειρά 1xxx ή 3xxx.
• Για δομικές εφαρμογές που απαιτούν μεγαλύτερη αντοχή: Χρησιμοποιήστε τη σειρά 6xxx, αλλά λάβετε υπόψη την αποδυνάμωση της HAZ.
• Αποφύγετε τις σειρές 2xxx και 7xxx, εκτός αν συντρέχουν ειδικές συνθήκες (FSW ή εξειδικευμένη αεροδιαστημική συγκόλληση).
• Επιλέγετε πάντα τα κατάλληλα κράματα πλήρωσης (συνήθως 4045, 5356 ή 5556) για να μειώσετε τους κινδύνους ρηγμάτωσης.

Συμπέρασμα

Αλουμίνιο είναι ένα σημαντικό μηχανολογικό υλικό που χρησιμοποιείται σε διάφορους τομείς, ωστόσο η συγκόλληση του αλουμινίου έχει τα δικά της προβλήματα, επειδή έχουν υψηλή τάση να αγωγιμοποιούν τη θερμότητα, οπότε τείνουν να έχουν χαμηλά σημεία τήξης, φιλμ οξειδίου, πορώδες και ανάπτυξη θερμών ρωγμών. Η επιλογή του κράματος είναι η βασική παράμετρος που δίνει τη συγκολλησιμότητα, τις μηχανικές ιδιότητες και τη μακροχρόνια αστοχία των συγκολλημένων κατασκευών.

Από τις οικογένειες κραμάτων, οι καλύτερες είναι οι 1xxx, 3xxx, 5xxx και 6xxx. Η πιο αξιόπιστη από αυτές περιλαμβάνει τη σειρά 5xxx (κράματα αλουμινίου-μαγνησίου), η οποία βελτιστοποιεί τον συνδυασμό αδυναμίας έναντι διάβρωσης, αντοχής και ευκολίας συγκόλλησης, ιδίως στη θάλασσα και την υπεράκτια ζώνη. Οι σειρές 6xxx, παρά το γεγονός ότι είναι επιρρεπείς στη μαλάκυνση της ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα, χρησιμοποιούνται συνεχώς λόγω της δομικής τους αντοχής/προσαρμοστικότητας. Οι σειρές 1xxx και 3xxx συγκολλούνται εύκολα, αλλά έχουν μάλλον χαμηλή αντοχή και χρησιμοποιήθηκαν σε μη δομικές/διακοσμητικές εφαρμογές.

Αντίθετα, τα κράματα 2xxx (αλουμίνιο-χαλκός) και 7xxx (αλουμίνιο-ψευδάργυρος) δεν είναι καθόλου συγκολλήσιμα και είναι ιδιαίτερα επιρρεπή σε θερμές ρωγμές και απώλεια μηχανικών ιδιοτήτων, γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους σε συγκολλητές κατασκευές σε λίγες εξειδικευμένες περιπτώσεις, όπως στην αεροδιαστημική.

Τελικά, η συγκόλληση αλουμινίου θα πραγματοποιηθεί σε σχέση με τα μέταλλα πλήρωσης που θα χρησιμοποιηθούν και τις διαδικασίες συγκόλλησης παράλληλα με την προετοιμασία της επιφάνειας, εκτός από την επιλογή του κράματος. Συνδυάζοντας τις σωστές αποφάσεις και μεθόδους, μπορεί να επιτευχθεί η πλήρης αξιοποίηση των δυνατοτήτων του αλουμινίου ως ελαφρύ, ανθεκτικό και ευέλικτο υλικό.