HAZ in welded aluminium

 

 

Все алюминиевые сплавы подразделяются на два важных типа (рис. 1):

• термически упрочняемые
• термически неупрочняемые.

Термически упрочняемые сплавы способны повышать свои прочностные свойства в результате термической обработки (последовательности нагревов и охлаждений). Деформационное упрочнение этих сплавов применяется только в сочетании с термическим упрочнением. (Смотри ниже о состояниях Т2, Т3, Т8, Т9, Т10).

Термически неупрочняемые сплавы не имеют способности к термическому упрочнению или имеют ее в очень ограниченных пределах.  Эти сплавы упрочняют только путем холодной деформационной обработки.

Это различие очень важно при рассмотрении влияния сварки деталей и конструкций из алюминиевых сплавов. Особенно, при рассмотрении потери прочности в зоне теплового влияния сварки (HAZ) .

Fig. 1 – Aluminium Alloy Designation System [1]

Как видно из рисунка 1, алюминиевые сплавы имеют три основных механизма упрочнения:

• solid-solution strengthening (atoms in solution) (например, для сплавов серии 5ххх (Fig. 2))
• strain hardening (work hardening)
• age hardening (preciption hardening)

Fig. 2 – Hardening effect as a function of the content of alloying element, here Mg [2]

Термически неупрочняемые сплавы

• Серии 1ххх, 3ххх и 5ххх алюминиевых сплавов являются термически необрабатываемыми
• Могут упрочняться только холодной деформацией, чаще называемой нагартовкой.
• Упрочнение нагартовкой обычно не применяется для литейных сплавов.

Механизм деформационного упрочнения

Во время пластической деформации при комнатной температуре количество дислокаций в металле увеличивается. Поэтому дислокациям становится все труднее двигаться через кристаллическую решетку. Интенсивное движение дислокаций приводит к образованию клубков или «лесов» дислокаций (рис. 3). В результате, для продолжения деформации требуются более высокие нагрузки, а металл теряет пластичность. В этом и заключается сущность деформационного упрочнения.

Уменьшение плотности дислокации может достигаться путем нагревания холоднодеформированного металла до умеренно высокой температуры (отжига). Это приводит к умягчению металла и восстановлению его пластичности. Изменения в микроструктуре, происходящие во время отжига, называются восстановлением и кристаллизацией (рис. 4). Те же являения происходят при нагреве металла в зоне термического влияния (HAZ) сварного шва.

Термически неупрочняемые сплавы достигают оптимальных механических свойств в результате нагартовки, то есть в результате холодной пластической деформации, а также, иногда, частичного отжига (рис. 5).

Fig. 3 – In aluminium alloys after a moderate amount of deformation,
the dislocations are not uniformly distributed but instead they form cells,
with walls of tangled dislocations and interior regions of low dislocation density.
Typically, these cells have a diameter of the order of 1µm [4]

Fig. 4 – Dislocations may be removed by heating the cold worked metal (annealing).
This causes the metal to soften and restores ductility (recovery and recrystallisation) [4]

Fig. 5 – Work hardening of non heat treatable aluminium magnesium and
pure aluminium alloy [1]

Термически упрочняемые алюминиевые сплавы

• Серии 2ххх, 6ххх и 7ххх деформируемых алюминиевых сплавов являются термически упрочняемыми.
• Серия 4ххх включает термически упрочняемые и термически неупрочняемые сплавы.
• Литейные сплавы серий 2ххх.х, 3ххх.х, 4ххх.х и 7ххх.х являются термически упрочняемыми.

Упрочненение старением

Это упрочнение представляет собой двухэтапную термическую обработку:

• Во-первых, производтся обработка сплава на твердый раствор. Это означает, что в сплаве создается состояние перенасыщения твердого раствора.
• Во-вторых, естественный процесс «старения», который происходит после закалки, можно ускорить путем нагрева сплава до тех пор, пока не произойдет выделение мельчайших когерентных частиц вторичной фазы. Именно эти частицы упрочняют сплавы за счет того, что создают препятствия движению дислокаций [1, 3] (рис. 6 и 7).

Fig. 6 –  The very small precipitate particles (the GP zones)
responsible for age hardening.
The terms “age hardening” and “precipitation hardening” are synonymous [3]

Fig. 7 – GP zones, with their associated surrounding strain fields,
present impediments to slip by dislocation movement.
As ageing time increases, the zones will increase in size and
slip becomes progressively more difficult
– the alloy age hardens [3]

Обработка на твердый раствор заключается в нагреве сплава до температуры чуть ниже низшей точки плавления системы сплавов, выдержке при этой температуре до тех пор, пока в основном металле не растворится значительное количество легирующих элементов (рис. 8). Затем сплав быстро охлаждают, чтобы сохранить как можно больше легирующих элементов в растворе и, таким образом, получить пересыщенный твердый раствор при комнатной температуре.

После термообработки на твердый раствор большинство термообрабатываемых сплавов проявляют естественное старение при комнатной температуре. Скорость и степень естественного старения при комнатной температуре отличается от сплава к сплаву. Например, 6063 достигает относительно стабильного состояния за 1-2 недели.  Это состояние обозначают Т4.

Нагрев выше комнатной температуры ускоряет реакцию выделения вторичной когерентной фазы. Поэтому на практике термически упрочняемые сплавы обычно «искусственно состаривают» для максимально быстрого получения максимальных прочностных свойств. Диапазон температур это обработки обычно составлят 120-180 °С.  Фактическая температура зависит от таких переменных, как сплав, требуемые свойства и производственные возможности (рис. 9).

Рис. 8 – Heating to a solid solution temperature to dissolves of the alloying elements,
then rapidly cooled to retain of the alloying elements in solution [1]

Рис. 9 – The effect of time and temperature on the precipitation process [1]

 Cостояния алюминиевых сплавов

Обозначения состояний включают серию букв и цифр, которые следуют сразу за обозначением сплава и связываются с ним дефисом (черточкой), например, 6061-Т6, 6063-Т4, 5052-Н32 и 5083-Н112.

Обозначение состояния материала алюминиевого сплава начинается с буквы Н или буквы Т. Буква Н указывает на нагартовку, а буква Т – на термическое упрочнение.

Деформационное упрочнение

Первая цифра после буквы Н указывает на одно из четырех базовых нагартованных состояний материала:

• Н1 – Только нагартованный
• Н2 – Нагартованный и частично отожженный
• Н3 – Нагартованный и стабилизированный (специальным отжигом)
• Н4 – Нагартованный и лакированный или окрашенный.

Вторая цифра после буквы Н указывает на степень нагартовки:

• Нх2 – Нагартованный на четверть
• Нх4 – Нагартованный на половину
• Нх6 – Нагартованный на три четверти
• Нх8 – Нагартованный полностью
• Нх9 – Нагартованный сверх полной нагартовки

Fig. 10 – The effect of cold working and annealing on strength as a function of time at constant temperature  [2]

Термическое упрочнение

Первая цифра после буквы Т указывает на один из десяти базовых термически упрочненных состояний материала:

• Т1 – Естественно состаренный после охлаждения от температуры горячего формования (например, прессования)
• Т2 – Нагартованный после охлаждение от температуры горячего формования и затем естественно состаренный
• Т3 – Закаленный, нагартованный и естественно состаренный
• Т4 – Закаленный и естественно состаренный
• Т5 – Искусственно состаренный после охлаждения от температуры процесса горячего формования
• Т6 – Закаленный и искусственно состаренный
• Т7 – Закаленный и стабилизированный (перестаренный)
• Т8 – Закаленный, нагартованный и искусственно состаренный
• Т9 – Закаленный, искусственно состаренный и нагартованный
• Т10 – Нагартованный после охлаждения от температуры процесса горячего формования и затем  искусственно состаренный

Дополнительные цифры могут указывать на снятие остаточных напряжений, например, Тх51 или Тхх51 (снятие остаточных напряжений растяжением) или Тх52 или Тхх52 (снятие остаточных напряжений сжатием).

Fig. 11 – Natural ageing asymptotically approaches an upper limit (T4).
Strength of T64. T6 and T7 is the function of time at elevated temperature [2]

Heat-Affected Zone in Welded Aluminium Joints

Сварка вызывает гораздо более сильные потери прочности материала. В случае сварки температуры настолько высоки, что необходимо учитывать эффекты снижения прочности вблизи сварного шва (так называемая зона термического влияния, HAZ). Тип свариваемого материала, т. е. является ли он термообрабатываемым сплавом, имеет важное значение для прочности, достигаемой после сварки (рис. 12).

Fig. 12 – The type of the material to be welded is decisive for the strength attained after welding  [5]

Холоднодеформированные сплавы

• Прочность сварного шва соединения соответствует прочности в отожженном состоянии (рис. 13).
• Прочность нагартованны сплавов в зоне сварки снижается до прочности в отожженном состоянии.

Fig. 13 – Characteristic Mechanical and Technological Values of
the HAZ of AlMg4,5 Mn [5]

 Термически обрабатываемые сплавы

• Прочность сварного шва также соответствует прочности в отожженном состоянии.
• Термоупрочненные сплавы в состоянии Т6 имеют потерю примерно 40 % своей прочности (рис. 14)
• Единственным исключением является сплав  7020, который теряет только 20 % своей первоначальной прочности [2].
• В принципе, зону сварки, находящуюся в отожженном состоянии после сварки, можно вернуть в исходное состаренное состояние путем повторной термической обработки, включая, обработку на твердый раствор, закалку и старение. Основной проблемой является обычно большой размер сварных конструкций, что приводит к необходимости иметь большие печи для термообработки. Другой проблемой является искажение, сопровождающее закалку.
• Сварочное тепло вызывает эффект самостарения в сплавах типа Al-Zn-Mg. Теплоты сварки достаточно для обработки зоны сварки на твердый раствор, а быстрое охлаждение эквивалентно закалке. Затем сварочный шов стареет при комнатной температуре.

Fig. 14- Reduction of strength in the heat affected zone (HAZ) (typical for EN AW-6082) [2]

Источники:

1. TALAT 1501
2. Design of aluminium structures – Introduction to Eurocode 9 with worked examples / European Aluminium – 2020
3. TALAT 1204
4. TALAT 1251
5. TALAT 4100