Aktualisiert Aluminiumschweißen 

WEZ aus geschweißtem Aluminium

 

 

Alle Aluminiumlegierungen werden in zwei wichtige Typen eingeteilt (Abb.. 1):

  • thermisch gehärtet
  • thermisch nicht gehärtet.

Warmhärtbare Legierungen können ihre Festigkeitseigenschaften durch Wärmebehandlung (Aufheiz- und Abkühlfolgen) erhöhen. Die Kaltverfestigung dieser Legierungen wird nur in Kombination mit der Warmverfestigung eingesetzt.. (Siehe T2-Staaten unten., T3, T8, T9, T10).

Thermisch härtbare Legierungen haben keine Fähigkeit zur Wärmehärtung oder haben sie in sehr begrenzten Grenzen.. Diese Legierungen werden nur durch Kaltverformung gehärtet..

Diese Unterscheidung ist sehr wichtig, wenn man die Auswirkung des Schweißens von Teilen und Strukturen aus Aluminiumlegierungen betrachtet.. Besonders, bei Berücksichtigung des Festigkeitsverlustes in der Schweißwärmeeinflusszone (WEZ) .

Feige. 1 – Bezeichnungssystem für Aluminiumlegierungen [1]

Wie auf dem Bild zu sehen ist 1, Aluminiumlegierungen haben drei Haupthärtungsmechanismen:

  • Mischkristallverstärkung (Atome in Lösung) (например, für Legierungen der Serie 5xxx (Abb. 2))
  • Kaltverfestigung (Verfestigung)
  • Aushärten (Ausscheidungshärtung)

Feige. 2 – Härtewirkung in Abhängigkeit vom Legierungselementgehalt, hier Mg [2]

Thermisch nicht härtbare Legierungen

  • Serie 1xxx, 3xxx- und 5xxx-Aluminiumlegierungen werden nicht thermisch verarbeitet
  • Kann nur durch Kaltverformung gehärtet werden, häufiger als Überbrückung bezeichnet.
  • Kaltverfestigung wird normalerweise nicht für Gusslegierungen verwendet..

Kaltverfestigungsmechanismus

Während der plastischen Verformung bei Raumtemperatur nimmt die Anzahl der Versetzungen im Metall zu. Daher wird es für Versetzungen immer schwieriger, sich durch das Kristallgitter zu bewegen.. Die intensive Bewegung von Versetzungen führt zur Bildung von Knäueln oder "Wäldern" von Versetzungen (Abb.. 3). Profil oder Blech - aus jedem Material ist direkt proportional zum Produkt des Elastizitätsmoduls dieses Materials und des Trägheitsmoments des Querschnitts (, Es sind höhere Belastungen erforderlich, um die Verformung fortzusetzen, und das Metall verliert seine Duktilität. Dies ist die Essenz der Kaltverfestigung..

Eine Verringerung der Versetzungsdichte kann durch Erhitzen des kaltverformten Metalls auf eine mäßig hohe Temperatur (Glühen) erreicht werden.. Dies führt zu einer Erweichung des Metalls und zur Wiederherstellung seiner Duktilität.. Veränderungen in der Mikrostruktur, beim Glühen auftreten, Reduktion und Kristallisation genannt (Abb.. 4). Die gleichen Phänomene treten auf, wenn das Metall in der Wärmeeinflusszone (HAZ) der Schweißnaht erhitzt wird..

Thermisch nicht härtbare Legierungen erreichen durch Kaltverfestigung optimale mechanische Eigenschaften, das heißt, als Ergebnis einer plastischen Kaltverformung, und auch, manchmal, Teilglühen (Abb.. 5).


Feige. 3 – In Aluminiumlegierungen nach mäßiger Verformung,
die Versetzungen sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern bilden Zellen,
mit Wänden aus verschlungenen Versetzungen und Innenbereichen mit geringer Versetzungsdichte.
Typisch, diese Zellen haben einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 µm [4]


Feige. 4 – Versetzungen können durch Erhitzen des kaltverformten Metalls (Glühen) entfernt werden..
Dadurch erweicht das Metall und stellt die Duktilität wieder her (Erholung und Rekristallisation) [4]


Feige. 5 – Kaltverfestigung von nicht wärmebehandelbarem Aluminium, Magnesium u
reine Aluminiumlegierung [1]

Wärmebehandelte Aluminiumlegierungen

  • Serie 2xxx, 6xxx und 7xxx Aluminium-Knetlegierungen sind thermisch härtbar.
  • Die 4xxx-Serie umfasst wärmehärtbare und nicht wärmehärtbare Legierungen.
  • Gusslegierungen Serie 2xxx.x, 3xxx.x, 4xxx.x und 7xxx.x sind thermisch gehärtet.

Verhärtung durch Alterung

Dieses Härten ist eine zweistufige Wärmebehandlung:

  • Erstens, die Legierung wird zu einer festen Lösung verarbeitet. Das heisst, dass in der Legierung ein Zustand der Übersättigung des Mischkristalls entsteht.
  • Zweitens, natürlichen Alterungsprozess, die nach dem Abschrecken auftritt, kann durch Erhitzen der Legierung bis beschleunigt werden, bis die Abtrennung der kleinsten kohärenten Teilchen der Sekundärphase eintritt. Es sind diese Partikel, die die Legierungen dadurch festigen, die Hindernisse für die Bewegung von Versetzungen schaffen [1, 3] (Feige. 6 und 7).

Feige. 6 – Die sehr kleinen Niederschlagspartikel (die GP-Zonen)
für Alterung verantwortlich.
Die Bedingungen “Altersverhärtung” und “Ausscheidungshärtung” sind synonym [3]

Feige. 7 – GP-Zonen, mit ihren zugehörigen umgebenden Belastungsfeldern,
vorhandene Hindernisse für ein Verrutschen durch Luxationsbewegung.
Mit zunehmender Alterungszeit, Die Zonen werden größer und größer
Rutschen wird zunehmend schwieriger
– das Legierungsalter härtet aus [3]

Das Lösungsglühen besteht aus dem Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur knapp unter dem niedrigsten Schmelzpunkt des Legierungssystems., Halten bei dieser Temperatur bis, bis eine signifikante Menge an Legierungselementen im Grundmetall gelöst ist (Abb.. 8). Die Legierung wird dann schnell abgekühlt, möglichst viele Legierungselemente in Lösung zu halten und, auf diese Weise, erhalten Sie eine übersättigte feste Lösung bei Raumtemperatur.

Nach dem Lösungsglühen zeigen die meisten wärmebehandelbaren Legierungen eine natürliche Alterung bei Raumtemperatur.. Geschwindigkeit und Grad der natürlichen Alterung bei Raumtemperatur sind von Legierung zu Legierung unterschiedlich.. beispielsweise, 6063 einen relativ stabilen Zustand erreicht 1-2 Wochen. Dieser Zustand wird als T4 bezeichnet..

Erhitzen über Raumtemperatur beschleunigt die Ausfällungsreaktion der sekundären kohärenten Phase. Aushärtbare Legierungen werden daher in der Praxis meist „warmausgelagert“, um möglichst schnell maximale Festigkeitseigenschaften zu erreichen.. Der Temperaturbereich dieser Behandlung ist in der Regel 120-180 ° C. Die tatsächliche Temperatur hängt von solchen Variablen ab, als Legierung, geforderte Eigenschaften und Produktionsmöglichkeiten (Abb.. 9).

Feige. 8 – Erhitzen auf eine Festlösungstemperatur zum Auflösen der Legierungselemente,
dann schnell abgekühlt, um die Legierungselemente in Lösung zu halten [1]

Feige. 9 – Einfluss von Zeit und Temperatur auf den Fällungsprozess [1]

CZustand von Aluminiumlegierungen

Statusbezeichnungen bestehen aus einer Reihe von Buchstaben und Zahlen, die unmittelbar auf die Legierungsbezeichnung folgen und dieser mit einem Bindestrich (Bindestrich) zugeordnet sind, z.B, 6061-T6, 6063-T4, 5052-N32 und 5083-N112.

Die Bezeichnung des Werkstoffzustandes der Aluminiumlegierung beginnt mit dem Buchstaben H oder dem Buchstaben T. Der Buchstabe H weist auf Kaltverfestigung hin, und der Buchstabe T - für thermisches Härten.

Kaltverfestigung

Die erste Ziffer nach dem Buchstaben H gibt einen der vier grundlegenden Kaltverfestigungszustände des Materials an:

  • H1 - Nur kaltverformt
  • H2 - hart bearbeitet und teilweise geglüht
  • H3 - hart bearbeitet und stabilisiert (durch spezielles Glühen)
  • H4 - hart gearbeitet und lackiert oder bemalt.

Die zweite Ziffer nach dem Buchstaben H gibt den Grad der Kaltverfestigung an:

  • Hx2 - Viertelgehärtet
  • Hx4 - Halb gehärtet
  • Hx6 - Dreiviertel kaltgehärtet
  • Hx8 - Vollständig kaltverformt
  • Hx9 - Kaltverformung über vollständige Kaltverfestigung

Feige. 10 – Einfluss von Kaltverformung und Glühen auf die Festigkeit als Funktion der Zeit bei konstanter Temperatur [2]

Thermal- Härten

Die erste Ziffer nach dem Buchstaben T gibt einen der zehn thermisch verfestigten Grundzustände des Materials an:

  • T1 - Natürlich gealtert nach Abkühlung von Tiefziehtemperatur (z.B., drücken)
  • T2 - Hartbearbeitet nach dem Abkühlen von der Warmumformtemperatur und dann natürlich gealtert
  • Stufe 3 – Gehärtet, kalt gehärtet und naturausgelagert
  • T4 - Gehärtet und natürlich gealtert
  • T5 - Künstlich gealtert nach dem Abkühlen von der Temperatur des Thermoformprozesses
  • T6 - Gehärtet und warmausgelagert
  • T7 - Gehärtet und stabilisiert (überaltert)
  • T8 - Gehärtet, gehärtet und künstlich gealtert
  • T9 - Gehärtet, künstlich gealtert und gehärtet
  • T10 - Hartbearbeitet nach dem Abkühlen von der Temperatur des Warmumformprozesses und dann warmausgelagert

Zusätzliche Zahlen können die Entfernung von Eigenspannungen anzeigen, z.B, Tx51 oder Txx51 (Restspannungsabbau durch Zug) oder Tx52 oder Txx52 (Restspannungsabbau durch Druck).


Feige. 11 – Die natürliche Alterung nähert sich asymptotisch einer Obergrenze (T4).
Stärke von T64. T6 und T7 sind die Funktion der Zeit bei erhöhter Temperatur [2]

Wärmeeinflusszone in geschweißten Aluminiumverbindungen

Schweißen verursacht wesentlich größere Festigkeitsverluste im Material.. Beim Schweißen sind die Temperaturen so hoch, dass es notwendig ist, die Auswirkungen der Festigkeitsminderung in der Nähe der Schweißnaht (der sogenannten Wärmeeinflusszone) zu berücksichtigen, HAZ). Art des zu schweißenden Materials, t. ist. ist es eine aushärtbare legierung, ist wichtig für die Kraft, nach dem Schweißen erreicht (Abb.. 12).

Feige. 12 – Die Art des zu schweißenden Materials ist entscheidend für die nach dem Schweißen erreichte Festigkeit [5]

Kaltverformte Legierungen

  • Die Festigkeit der Schweißnaht der Verbindung entspricht der Festigkeit im geglühten Zustand (Abb.. 13).
  • Die Festigkeit hart umgeformter Legierungen wird in der Schweißzone auf die Festigkeit im geglühten Zustand reduziert.


Feige. 13 – Charakteristische mechanische und technologische Werte von
die HAZ von AlMg4,5 Mn [5]

Wärmebehandelte Legierungen

  • Die Schweißfestigkeit entspricht auch der geglühten Festigkeit.
  • Warmverfestigte Legierungen im T6-Zustand haben einen Verlust von ca 40 % seine Stärke (Abb.. 14)
  • Legierung ist die einzige Ausnahme. 7020, wer verliert nur 20 % seine ursprüngliche Stärke [2].
  • Im Prinzip, Zone des Streits, nach dem Schweißen geglüht, kann durch wiederholte Wärmebehandlung in seinen ursprünglichen gealterten Zustand zurückversetzt werden, einschließlich, Festlösungsbehandlung, Verhärtung und Alterung. Das Hauptproblem ist normalerweise die Größe der Schweißkonstruktionen., was dazu führt, dass große Wärmebehandlungsöfen benötigt werden. Ein weiteres Problem ist die Verzerrung, Begleitende Verhärtung.
  • Die Schweißwärme verursacht einen Selbstalterungseffekt bei Legierungen vom Typ Al-Zn-Mg. Die Schweißwärme reicht aus, um die Schweißzone für Mischkristalle zu bearbeiten, und schnelles Abkühlen ist gleichbedeutend mit Abschrecken. Die Schweißnaht wird dann bei Raumtemperatur gealtert.

Feige. 14- Festigkeitsminderung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) (typisch für EN AW-6082) [2]

Quellen:

  1. TALAT 1501
  2. Design von Aluminiumkonstruktionen – Einführung in den Eurocode 9 mit ausgearbeiteten Beispielen / Europäisches Aluminium – 2020
  3. TALAT 1204
  4. TALAT 1251
  5. TALAT 4100