Mitkä alumiiniseokset ovat parhaita hitsaukseen?

Alumiinista on tullut yksi nykyajan merkittävimmistä teknisistä materiaaleista, sillä sen harvinaiset ominaisuudet ovat keveys, korroosionkestävyys ja monipuolisuus. Tämäntyyppiset sovellukset kattavat laajan käyttöalueen, mukaan lukien ilmailu- ja avaruusteollisuuden ja autoteollisuuden rakenteet, merialukset, putkistot ja kuluttajatuotteet, sovellukset, joissa alumiini on usein valittu metalli lujuus-painosuhteen ja kestävyyden vuoksi. Yksi lukuisista tunnetuista valmistusmenetelmistä on hitsausprosessi, ja sen avulla saadaan aikaan kustannustehokkaita kokoonpanoja, jotka ovat luonteeltaan vahvoja ja kestäviä.

Alumiinin hitsaaminen ei kuitenkaan ole yhtä helppoa kuin teräksen ja muiden metallien hitsaaminen. Sillä on korkea lämmönjohtavuus, alhainen sulamispiste ja kova läpinäkyvä kerros, joten sen hitsaaminen on haastavaa. Lisäksi alumiiniseosten mekaaniset ominaisuudet vaihtelevat suuresti, ja seokset voivat joko käyttäytyä hyvin hitsauksessa tai olla erittäin alttiita kuumahalkeilulle, huokoisuudelle tai heikolle HAZ:lle. Insinööreille ja valmistajille on erittäin tärkeää tietää, mitkä alumiinityypit soveltuvat parhaiten hitsattaviksi.

Alumiiniseokset jaetaan sarjoihin, esimerkiksi 1xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx ja 7xxx, ja niillä on erilaiset ominaisuudet. Joillakin niistä, kuten 5xxx-sarjalla, on tunnetusti erinomaiset hitsattavuus- ja korroosionkesto-ominaisuudet, kun taas toiset, kuten 2xxx- ja 7xxx-sarjat, ovat ongelmallisia. Sopivan seoksen valitseminen parantaa hitsauksen laatua sekä varmistaa rakenteellisen eheyden, kestävyyden ja kustannustehokkaan lopputuotteen.

Tässä asiakirjassa käsitellään perusteellisesti parhaita alumiiniseoksia hitsattavaksi, seosperheitä, ongelmaa, ratkaisuja ja toteutettavissa olevia suosituksia teollisuudelle.

1. Alumiiniseosten luokittelu

Alumiinia käytetään harvoin puhtaassa muodossaan rakennesovelluksissa, koska puhdas alumiini on erittäin korroosionkestävää ja sitkeää, mutta sen lujuus ei riitä vaativiin teknisiin tarkoituksiin. Mekaanisten ja fysikaalisten ominaisuuksien parantamiseksi alumiinia yhdistetään muihin alkuaineisiin, kuten kupariin, magnesiumiin, piihin, mangaaniin ja sinkkiin, jolloin saadaan monenlaisia alumiiniseoksia. Nämä seokset luokitellaan niiden valmistusmenetelmän, lujitusmekanismin ja kemiallisen koostumuksen mukaan.

Taottu vs. valuseokset

Alumiiniseokset jaetaan karkeasti kahteen luokkaan:

• Taotut seokset - Ne työstetään mekaanisesti muodoiksi, kuten levyiksi, tangoiksi ja puristetuiksi kappaleiksi, esimerkiksi valssaamalla, takomalla tai puristamalla. Ne ovat yleisimmin käytettyjä seoksia hitsauksessa ja rakenteiden valmistuksessa.
• Valuseokset - Näitä seoksia valmistetaan valamalla sulaa alumiinia muotteihin, ja niitä käytetään yleisesti monimutkaisten muotojen valmistukseen auto- ja ilmailuteollisuuden komponenteissa. Valuseoksia on yleensä vaikeampi hitsata kuin muokattavia seoksia, mutta joitakin voidaan yhdistää onnistuneesti erikoisprosesseilla.

Lämpökäsiteltävät ja ei-lämpökäsiteltävät seokset

Taotut seokset luokitellaan edelleen kahteen ryhmään sen perusteella, miten ne saavuttavat lujuuden:

• Lämpökäsittelemättömät seokset: Lujitettu pääasiassa rasituskovettamalla (työkovettamalla). Ne perustuvat mekaaniseen muodonmuutokseen kovuuden ja vetolujuuden lisäämiseksi. Esimerkkejä ovat 1xxx-, 3xxx- ja 5xxx-sarjat. Nämä seokset säilyttävät yleensä ominaisuutensa hitsauksen jälkeen, joten ne ovat hyvin hitsattavia.
• Lämpökäsiteltävät seokset: Vahvistettu saostuskarkaisulla (liuoslämpökäsittely, jota seuraa vanhentaminen). Lämpökäsittely mahdollistaa hienojen saostumien muodostumisen, jotka parantavat lujuutta. Esimerkkejä ovat 2xxx-, 6xxx- ja 7xxx-sarjat. Vaikka näillä seoksilla voidaan saavuttaa erittäin korkea lujuus, ne menettävät usein mekaanisia ominaisuuksiaan hitsauksen aikana lämpövaikutusalueella.

Alumiiniseossarja (takoriseokset)

The Alumiiniyhdistys (AA) käyttää nelinumeroista numerointijärjestelmää luokitellakseen sepelöityjä seoksia:

• 1xxx-sarja (olennaisesti puhdas alumiini): ≥99%-alumiinipitoisuus, erinomainen korroosionkestävyys, hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus, mutta alhainen lujuus. Erittäin hitsattavissa.
• 2xxx-sarja (alumiini-kupariseokset): Korkea lujuus, käytetään ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, mutta huono hitsattavuus kuumahalkeilun ja lujuuden menetyksen vuoksi.
• 3xxx-sarja (alumiini-mangaaniseokset): Hyvä korroosionkestävyys ja hitsattavuus, kohtalainen lujuus, käytetään kattopinnoitteissa, sivuraiteissa ja kemiallisissa laitteissa.
• 4xxx-sarja (alumiini-piiseokset): Kulutuskestävä, kohtalainen hitsattavuus, käytetään usein täyteaineena eikä perusseoksena.
• 5xxx-sarja (alumiini-magnesiumseokset): Erinomainen korroosionkestävyys, erinomainen hitsattavuus, käytetään laajalti meri- ja rakennesovelluksissa.
• 6xxx-sarja (alumiini-magnesium-piiseokset): Keskivahva, hyvä korroosionkestävyys, hitsattavissa, mutta menettää lujuutta HAZ:ssa; yleinen autoteollisuudessa ja putkistoissa.
• 7xxx-sarja (alumiinisinkkiseokset): Erittäin korkea lujuus, jota käytetään laajalti ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, mutta huono hitsattavuus lukuun ottamatta tiettyjä laatuja, kuten 7005 ja 7039.
• 8xxx-sarja (erilaiset seokset): Käytetään usein pakkausmateriaaleihin, kuten alumiinifolioon; hitsaussovellukset ovat rajalliset.

2. Alumiinin hitsauksen yleiset haasteet

Vaikka alumiinia käytetään laajalti rakenne-, auto- ja ilmailu- ja avaruussovelluksissa, sen hitsaamiseen liittyy ainutlaatuisia haasteita verrattuna teräkseen tai muihin yleisiin teknisiin metalleihin. Alumiinin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet aiheuttavat usein vaikeuksia hitsausprosessin aikana, mikä voi heikentää hitsin laatua, mekaanista lujuutta ja käyttöominaisuuksia, jos niitä ei käsitellä asianmukaisesti. Näiden haasteiden ymmärtäminen on olennaista ennen seosten, lisäaineiden ja hitsausprosessien valintaa.

Korkea lämmönjohtavuus

Alumiini johtaa lämpöä noin neljä-viisi kertaa nopeammin kuin teräs. Tämän ominaisuuden ansiosta hitsauslämpö haihtuu nopeasti ympäröivään perusmetalliin. Tämän seurauksena hitsaajilla on usein vaikeuksia saada aikaan ja ylläpitää sulaa hitsisulaa, erityisesti ohuilla levyillä, joissa voi esiintyä ylikuumenemista ja läpilyöntiä. Paksummissa kappaleissa nopea lämmönsiirtyminen vaatii suurempia hitsausvirtoja ja tarkkaa lämmöntuonnin hallintaa, jotta voidaan varmistaa täydellinen tunkeutuminen ja välttää kylmäkierrokset tai sulamisen puuttuminen.

Alhainen sulamislämpötila

Puhtaan alumiinin sulamispiste on noin 660 °C, mikä on huomattavasti alhaisempi kuin teräksen sulamispiste (noin 1500 °C). Tämä kapea marginaali perusmetallin sulamislämpötilan ja lämmönjohtavuuden vuoksi tarvittavan suuren lämmöntuonnin välillä tekee alumiinista erityisen herkän vääristymille ja vääntymille hitsauksen aikana. Hitsaajan on tasapainotettava riittävästi energiaa, jotta hitsaus saadaan aikaan ilman, että liitos ylikuumenee tai romahtaa.

Oksidikalvon muodostuminen

Alumiini muodostaa luonnostaan ohuen, sitkeän oksidikerroksen (Al₂O₃) pinnalleen, kun se altistuu ilmalle. Tällä oksidilla on paljon korkeampi sulamislämpötila (noin 2050 °C / 3720 °F) kuin itse alumiinilla, mikä voi estää valokaaren tunkeutumisen perusmetalliin. Jos oksidikalvoa ei poisteta tai rikota asianmukaisesti, se aiheuttaa huonoa sulamista, sulkeumia ja heikkoja liitoksia. Tästä syystä oksidin poistaminen mekaanisella puhdistuksella, kemiallisella etsauksella tai valokaaripuhdistuksella (AC-polariteetti TIG-hitsauksessa) on ratkaisevan tärkeää ennen hitsausta.

Huokoisuus

Huokoisuus on yleinen vika alumiinihitseissä. Sulan alumiinin vetyliukoisuus on suuri, mutta jähmettyessään sen vetyliukoisuus vähenee jyrkästi. Sulaan altaaseen jäänyt vety muodostaa kaasutaskuja (huokoisuus) hitsiaineeseen. Vedyn lähteitä ovat kosteus, voiteluaineet, öljyt, lika ja hydratoidut oksidit. Huokoisuus vähentää hitsatun rakenteen mekaanista lujuutta, väsymiskestävyyttä ja yleistä luotettavuutta. Ennaltaehkäiseviin toimenpiteisiin kuuluvat pinnan perusteellinen puhdistus, esilämmitys sekä kuivan suojakaasun ja lisäainelangan käyttö.

Kuumahalkeilu (jähmettymishalkeilu)

Jotkin alumiiniseokset, erityisesti ne, joissa on korkea kupari- tai sinkkipitoisuus (esim. 2xxx- ja 7xxx-sarjat), ovat alttiita kuumahalkeilulle jähmettymisen aikana. Tämä johtuu laajoista jäätymisalueista, seosaineiden erottumisesta ja hitsausaltaan jäännösjännityksistä. Kuumahalkeamat syntyvät usein raerajoja pitkin, ja niitä on vaikea havaita ennen kuin hitsi testataan kuormitettuna. Säröilyriskin vähentämiseksi tarvitaan oikeanlaista lisäaineen valintaa, liitoksen suunnittelua ja prosessin hallintaa.

Mekaanisten ominaisuuksien häviäminen lämpövaikutusalueella (HAZ)

Lämpökäsiteltävien alumiiniseosten (kuten 6xxx- ja 7xxx-sarjojen) hitsaus voi heikentää mekaanisia ominaisuuksia HAZ-alueella. Lämpötila liuottaa tai karkeuttaa lujittuvia saostumia, mikä johtaa vetolujuuden, myötölujuuden ja kovuuden alenemiseen. Lämpökäsittelemättömät seokset (esim. 5xxx-sarja) säilyttävät suurelta osin ominaisuutensa hitsauksen jälkeen, mutta lämpökäsiteltävät seokset vaativat usein hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä tai rakenteiden ylisuunnittelua HAZ:n pehmenemisen kompensoimiseksi.

Vääristymät ja jäännösjännitys

Suuren lämpölaajenemiskertoimensa vuoksi alumiini laajenee ja supistuu merkittävästi lämmityksen ja jäähdytyksen aikana. Tämä voi aiheuttaa vääristymiä, vääntymiä ja jäännösjännityksiä hitsatuissa kokoonpanoissa, erityisesti ohutseinäisissä rakenteissa. Näiden ongelmien minimoimiseksi tarvitaan usein kiinnitystä, esilämmitystä, ohjattuja hitsausjaksoja ja alhaisen lämmöntuonnin tekniikoita.

3. Alumiiniseossarjan hitsattavuus

1xxx-sarja (olennaisesti puhdas alumiini)

• Esimerkkejä: 1100, 1350.
• Ominaisuudet: Erinomainen korroosionkestävyys, suuri sitkeys, alhainen lujuus.
• Hitsattavuus: Erinomainen - Puhtaassa alumiinissa ei ole juuri lainkaan ongelmia halkeilun kanssa. Se hitsataan helposti TIG- tai MIG-hitsauksella.
• Sovellukset: Kemialliset laitteet, arkkitehtoniset julkisivut, elintarvikkeiden jalostuslaitteet.
• Haittapuoli: Alhainen lujuus rajoittaa rakenteellista käyttöä.

2xxx-sarja (alumiini-kupariseokset)

• Esimerkkejä: 2024, 2219.
• Ominaisuudet: Erittäin luja, käytetään laajalti ilmailu- ja avaruusalalla.
• Hitsattavuus: Huono - Herkkä kuumahalkeilulle ja mekaanisten ominaisuuksien menetykselle HAZ:ssa. 2219 on jonkin verran hitsattavissa ja sitä käytetään ilmailu- ja avaruusalan säiliöissä.
• Sovellukset: Ilmailu, puolustus.
• Tuomio: Yleisesti ottaen ei suositella hitsattavaksi, paitsi erikoistapauksissa 2219:n kanssa valvottuja menettelyjä käyttäen.

3xxx-sarja (alumiini-mangaaniseokset)

• Esimerkkejä: 3003, 3105.
• Ominaisuudet: Hyvä korroosionkestävyys, kohtalainen lujuus.
• Hitsattavuus: Erinomainen - Nämä seokset eivät ole lämpökäsiteltäviä, joten ne säilyttävät ominaisuutensa hitsauksen jälkeen.
• Sovellukset: Kattolevyt, sivuraide, juomatölkit, kemialliset laitteet.

4xxx-sarja (alumiini-piiseokset)

• Esimerkkejä: 4032, 4045.
• Ominaisuudet: Kulutusta kestävä, korkea piipitoisuus alentaa lämpölaajenemiskerrointa.
• Hitsattavuus: Kohtalainen - Käytetään usein pikemminkin täyteaineena (esim. 4045) kuin perusseoksena. Korkea Si-pitoisuus voi heikentää sitkeyttä.
• Sovellukset: Autojen moottorin osat, kulutusosat.

5xxx-sarja (alumiini-magnesiumseokset)

• Esimerkkejä: 5052, 5083, 5754, 5456.
• Ominaisuudet: Erinomainen korroosionkestävyys, hyvä lujuus, erityisesti meriympäristössä.
• Hitsattavuus: Erinomainen - Yleisimmin hitsatut alumiiniseokset. Ei lämpökäsiteltävissä, joten HAZ säilyttää hyvät ominaisuudet. On varottava jännityskorroosiohalkeilua, jos Mg-pitoisuus >3%.
• Sovellukset: Laivanrakennus, paineastiat, offshore-lautat, kryosäiliöt.
• Tuomio: Parhaita alumiiniseoksia hitsaukseen.

6xxx-sarja (alumiini-magnesium-piiseokset)

• Esimerkkejä: 6061, 6063, 6082.
• Ominaisuudet: Keskivahva, hyvä korroosionkestävyys, hyvin yleisiä rakenneseoksia.
• Hitsattavuus: Hyvä - Lämpökäsiteltävissä, joten hitsaus vähentää lujuutta HAZ:ssa. Tämä voidaan kuitenkin kompensoida hitsauksen jälkeisellä lämpökäsittelyllä tai ylisuunnittelulla. Hitsataan usein käyttäen 4045- tai 5356-lisäaineita.
• Sovellukset: Putkistot, painesäiliöt, autoteollisuuden kehykset, ilmailu- ja avaruusteollisuus, rakentaminen.
• Tuomio: Hyvin hitsattavissa mutta edellyttää HAZ-pehmenemisen huomioon ottamista suunnittelussa.

7xxx-sarja (alumiinisinkkiseokset)

• Esimerkkejä: 7075, 7475.
• Ominaisuudet: Erittäin luja, käytetään laajalti ilmailu- ja avaruusalalla.
• Hitsattavuus: Huono - Altis kuumahalkeilulle, huokoisuudelle ja vakavalle lujuuden menetykselle. Vältetään yleensä hitsatuissa rakenteissa. Poikkeuksia ovat 7005 ja 7039, jotka ovat kohtalaisen hyvin hitsattavia.
• Sovellukset: Ilmailu, puolustus, urheiluvälineet.
• Tuomio: Ei suositella hitsaukseen erikoistapauksia lukuun ottamatta.

4. Parhaat alumiiniseokset hitsaukseen

Edellä esitetyn analyysin perusteella parhaat alumiiniseokset hitsaukseen ovat:

1. 1xxx-sarja (esim. 1100) - Helppo hitsata, mutta heikko lujuus.
2. 3xxx-sarja (esim. 3003, 3105). - Suuri korroosionkestävyys, hyvä hitsattavuus.
3. 5xxx-sarja (esim. 5052, 5083, 5754, 5456). - Erinomainen lujuus ja korroosionkestävyys, erityisesti merikäytössä.
4. 6xxx-sarja (esim. 6061, 6063, 6082). - Laajasti käytetyt rakenneseokset; hyvä hitsattavuus lisäainemetallien kanssa.

Näistä 5xxx-seoksia pidetään usein luotettavimpina hitsauksessa, erityisesti vaativissa ympäristöissä, kuten meri- ja offshore-sovelluksissa.

5. Alumiinin hitsausprosessit

Alumiinihitsaus vaatii erikoistekniikoita ja prosessinohjausta materiaaliin liittyvien ainutlaatuisten haasteiden vuoksi. Toisin kuin teräksellä, alumiinilla on matala sulamispiste, korkea lämmönjohtavuus, tulenkestävä oksidikalvo ja alttius huokoisuudelle ja halkeilulle. Näiden ongelmien voittamiseksi alumiinin hitsausprosessien on tarjottava tarkka lämmöntuonti, tehokas suojaus ja oksidien poisto. Prosessin valinta riippuu muun muassa seoksen tyypistä, paksuudesta, liitoksen rakenteesta, tuotantomäärästä ja vaaditusta hitsin laadusta.

Seuraavassa kuvataan alumiinin yleisimmin käytetyt hitsausprosessit.

Kaasuhitsaus (GTAW / TIG)

Kaasuhitsausta, joka tunnetaan myös nimellä TIG-hitsaus, käytetään laajalti alumiinin hitsauksessa, koska sillä voidaan tuottaa korkealaatuisia, tarkkoja ja puhtaita hitsejä.

• Periaate: Valokaari muodostuu kulumattoman volframielektrodin ja kappaleen välille. Täyteainetta voidaan tarvittaessa lisätä erikseen. Inerttiä suojakaasua käytetään argonina tai heliumina, joka estää sulan hitsisulan hapettumisen ilmakehässä.
• Alumiinin tärkeimmät ominaisuudet:
  • Tarvitaan vaihtovirtaa (AC), jotta oksidikalvo voidaan poistaa ajoittain katodisen puhdistuksen avulla.
  • Tarjoaa erinomaisen lämmönsyötön hallinnan, joten se soveltuu ohuille alumiinilevyille.
  • Tuottaa hitsaussaumat, joissa on mahdollisimman vähän huokoisuutta ja roiskeita.
• Edut: Laadukkaat hitsit, tarkka hallinta, erinomainen kriittisiin sovelluksiin.
• Rajoitukset: Hitaampi kuin muut prosessit, vaatii ammattitaitoista henkilökuntaa, ei ole taloudellisesti kannattavaa paksujen osien kohdalla.
• Tuotteet Sovelluksen alajaottelu: Ilmailu- ja avaruustekniikan komponentit, soitin, paineastia, autokorin avustaja.

Kaasumetallikaarihitsaus (GMAW / MIG)

Yleisimmin käytetty alumiinin hitsausmenetelmä teollisuudessa on kaasumetallikaarihitsaus eli MIG-hitsaus, joka on erittäin nopea, joustava ja tuottava.

• Periaate: Kuluva lankaelektrodi syötetään jatkuvasti hitsausaltaaseen, ja suojakaasu (argon tai argon-helium-seos) suojaa hitsin.
• Alumiinin tärkeimmät ominaisuudet:
  • Käytetään usein tasavirtaelektrodipositiivin (DCEP) kanssa vakaan valokaaren ja hyvän tunkeuman aikaansaamiseksi.
  • Vaatii kela-aseet tai push-pull-syöttölaitteet alumiinin pehmeydestä johtuvien langansyöttöongelmien välttämiseksi.
  • Tehokas keskipaksuille ja paksuille osille.
• Edut: Korkea laskeumanopeus, nopeampi kuin TIG, hyvä tuotantohitsaukseen.
• Rajoitukset: Epätarkempi kuin TIG, alttiimpi huokoisuudelle, jos puhtautta ja kaasusuojausta ei valvota.
• Sovellukset: Laivanrakennus, autojen rungot, rautatievaunut, putkistot, rakennevalmistus.

Vastushitsaus (pistehitsaus ja saumahitsaus)

Vastushitsaus, erityisesti pistehitsauskäytetään toisinaan alumiinilevyjen liittämiseen.

• Periaate: Lämpöä tuotetaan faying-pinnoilla johtamalla virta elektrodien läpi samalla, kun painetta käytetään.
• Alumiinin haasteet:
  • Alumiinin korkea johtavuus vaatii erittäin suuria virtoja.
  • Elektrodit kuluvat nopeasti alumiinin tarttumisen vuoksi.
• Sovellukset: Käytetään rajoitetusti autojen koripaneeleissa ja sähköliitännöissä, joissa käytetään ohuita alumiinilevyjä.

Kitkahitsaus (FSW)

Kitkahitsaus on kiinteän olomuodon hitsausprosessi, joka on muuttanut alumiinin liitostekniikkaa erityisesti ilmailu-, auto- ja laivanrakennusteollisuudessa.

• Periaate: Pyörivä, kulumaton työkalu, jossa on tappi ja olkapää, uppoaa liitokseen ja synnyttää kitkalämpöä, joka pehmittää (mutta ei sulata) metallia. Tämän jälkeen työkalu sekoittaa ja takoo materiaalia muodostaen kiinteän faasin hitsin.
• Alumiinin tärkeimmät ominaisuudet:
  • Poistaa huokoisuus- ja kuumahalkeiluongelmat, koska sulamista ei tapahdu.
  • Säilyttää mekaaniset ominaisuudet lämpövaikutusvyöhykkeellä paremmin kuin sulahitsaus.
  • Tuottaa hitsit, joilla on erinomainen väsymislujuus ja minimaalinen vääristymä.
• Edut: Laadukkaat hitsit, vähäinen vääristymä, ei tarvita lisäainetta.
• Rajoitukset: Vaatii erikoislaitteita, hitaampia liikenopeuksia, rajoittuu suoriin tai yksinkertaisiin liitoksiin.
• Sovellukset: Lentokoneiden runkopaneelit, autojen alustat, rautatievaunut, laivojen rungot.

Lasersädehitsaus (LBW)

Lasersädehitsaus tarjoaa tarkkuutta ja nopeaa hitsausta ohuille alumiinikomponenteille.

• Periaate: Keskitetty lasersäde sulattaa ja sulattaa liitoksen suojakaasulla suojattuna.
• Alumiinin tärkeimmät ominaisuudet:
  • Suuri energiatiheys mahdollistaa syvän tunkeutumisen kapeisiin hitseihin.
  • Herkkä liitoksen sovittamiselle pienen palkin koon vuoksi.
  • Vaatii tarkkaa valvontaa huokoisuuden välttämiseksi.
• Sovellukset: Elektroniikka, ilmailu- ja avaruusalan komponentit, autojen akkukotelot.

Elektronisuihkuhitsaus (EBW)

Elektronisuihkuhitsaus on erittäin tarkka, tyhjiöpohjainen prosessi, jota käytetään kriittisiin alumiinikomponentteihin.

• Periaate: Kohdistettu suurnopeuselektronien säde osuu työkappaleeseen, jolloin syntyy voimakasta paikallista lämpöä, joka sulattaa liitoksen.
• Edut: Erittäin syvä tunkeutuminen, minimaalinen vääristymä, erinomainen laatu.
• Rajoitukset: Korkeat kustannukset, vaatii tyhjiökammion, rajoitettu kappalekoko.
• Sovellukset: Ilmailu- ja avaruusteollisuus ja puolustus, kryosäiliöt, ydinkomponentit.

Happipolttoaine- ja suojattu metallikaarihitsaus (SMAW)

Perinteisiä prosesseja, kuten happikaasuhitsausta ja SMAW-hitsausta (puikkohitsaus), käytetään harvoin alumiinin hitsaukseen, koska lämmöntuottoa on vaikea hallita, oksidien aiheuttama kontaminaatio ja hitsin huono laatu. Ne rajoittuvat yleensä korjaustöihin, joissa nykyaikaisia prosesseja ei ole käytettävissä.

Taulukko 1 Yhteenveto prosesseista

Alumiinin hitsausprosessin valinta riippuu sovelluksen vaatimuksista. Kriittisiin, ohuisiin ja korkealaatuisiin hitsauksiin suositellaan TIG-hitsausta. Tuotannossa ja paksummissa osissa MIG on ensisijainen. Seuraavan sukupolven sovelluksissa, joissa vaaditaan ylivoimaista lujuutta ja virheettömiä liitoksia, kiinteän olomuodon prosessit, kuten kitkan sekoitushitsaus, ovat yhä suositumpia. Kehittyneet menetelmät, kuten laser- ja elektronisuihkuhitsaus, palvelevat erikoistunutta, korkean tarkkuuden teollisuutta.

6. Teolliset sovellukset ja tapaustutkimukset

• Laivanrakennus: 5083 ja 5456 ovat rungon ja kansien valintaseokset merivedenkestävyyden ja hitsattavuuden vuoksi.
• Ilmailu- ja avaruusala: 2219:ää käytetään hitsattuihin polttoainesäiliöihin; useimmissa rakenteissa kuitenkin vältetään hitsausta ja käytetään niittausta, koska 2xxx- ja 7xxx-seokset ovat huonosti hitsattavia.
• Autoteollisuus: 6061- ja 6082-materiaalia käytetään runkoihin ja törmäysrakenteisiin; FSW-menetelmää käytetään yhä useammin.
• Rakentaminen: 3003 ja 6063 käytetään katoissa, sivuraiteissa, putkistoissa ja silloissa.

7. Käytännön suositukset

• Yleistä valmistusta varten: Käytä 5xxx-sarjaa (paras yhdistelmä lujuutta, korroosionkestävyyttä ja hitsattavuutta).
• Ohuille levyille ja koristepaneeleille: Käytä 1xxx- tai 3xxx-sarjaa.
• Korkeampaa lujuutta vaativiin rakennesovelluksiin: Käytä 6xxx-sarjaa, mutta ota huomioon HAZ-pehmeneminen.
• Vältä 2xxx- ja 7xxx-sarjaa, ellei ole erityisolosuhteita (FSW tai erikoistunut ilmailu- ja avaruusalan hitsaus).
• Valitse aina sopiva täyteaine (yleensä 4045, 5356 tai 5556) halkeiluriskin vähentämiseksi.

Päätelmä

Alumiini on tärkeä tekninen materiaali, jota käytetään eri aloilla, mutta alumiinin hitsauksessa on omat ongelmansa, koska niillä on suuri taipumus johtaa lämpöä, joten niillä on yleensä alhaiset sulamispisteet, oksidikalvo, huokoisuus ja kuumien halkeamien kehittyminen. Seoksen valinta on keskeinen parametri, joka antaa hitsattavien rakenteiden hitsattavuuden, mekaaniset ominaisuudet ja pitkäaikaisen epäonnistumisen.

Seosmetalliperheistä parhaita ovat 1xxx-, 3xxx-, 5xxx- ja 6xxx-mallit. Niistä luotettavimpiin kuuluu 5xxx-sarja (alumiini-magnesiumseokset), jossa on optimoitu korroosionkestävyyden, lujuuden ja hitsauksen helppouden yhdistelmä erityisesti merellä ja offshore-olosuhteissa. Vaikka 6xxx-sarja on altis lämpövaurioalueiden pehmenemiselle, sitä käytetään jatkuvasti sen rakenteellisen lujuuden/soveltuvuuden vuoksi. 1xxx- ja 3xxx-sarjat ovat helposti hitsattavia, mutta niiden lujuus on melko alhainen, ja niitä käytettiin muissa kuin rakenteellisissa/koristesovelluksissa.

Sen sijaan 2xxx- (alumiini-kupari) ja 7xxx- (alumiini-sinkki) seokset eivät ole hitsattavissa lainkaan, ja ne ovat erityisen alttiita kuumahalkeilulle ja mekaanisten ominaisuuksien menetykselle, mikä rajoittaa niiden käytön hitsatuissa rakenteissa muutamiin kapeisiin tapauksiin, kuten ilmailu- ja avaruusalalla.

Alumiinihitsaus toteutetaan lopullisesti käytettävien lisäaineiden ja hitsausprosessien sekä pintakäsittelyn ja seoksen valinnan lisäksi myös alumiinin hitsauksen osalta. Yhdistämällä oikeat päätökset ja menetelmät voidaan saavuttaa alumiinin koko potentiaali kevyenä, kestävänä ja joustavana materiaalina.