Con la crescita dell’alluminio nel settore della produzione di saldature e la sua accettazione come eccellente alternativa all’acciaio per molte applicazioni, vi sono crescenti esigenze per coloro che sono coinvolti nello sviluppo di progetti in alluminio di acquisire maggiore familiarità con questo gruppo di materiali. Per comprendere appieno l'alluminio è consigliabile iniziare con il conoscere il sistema di identificazione/designazione dell'alluminio, le numerose leghe di alluminio disponibili e le loro caratteristiche.

Il sistema di tempra e designazione delle leghe di alluminio- In Nord America, The Aluminium Association Inc. è responsabile dell'assegnazione e della registrazione delle leghe di alluminio. Attualmente sono oltre 400 le leghe di alluminio lavorato e lavorato e oltre 200 leghe di alluminio sotto forma di getti e lingotti registrati presso l'Aluminium Association. I limiti di composizione chimica delle leghe per tutte queste leghe registrate sono contenuti nei limiti dell'Aluminium AssociationLibro verde acquaintitolato “Designazioni internazionali delle leghe e limiti di composizione chimica per l'alluminio lavorato e le leghe di alluminio lavorato” e nel loroLibro rosadal titolo “Designazioni e limiti di composizione chimica per leghe di alluminio sotto forma di getti e lingotti. Queste pubblicazioni possono essere estremamente utili al tecnico della saldatura durante lo sviluppo di procedure di saldatura e quando la considerazione della chimica e la sua associazione con la sensibilità alle cricche è importante.

Le leghe di alluminio possono essere classificate in diversi gruppi in base alle caratteristiche particolari del materiale, come la sua capacità di rispondere al trattamento termico e meccanico e l'elemento legante primario aggiunto alla lega di alluminio. Quando consideriamo il sistema di numerazione/identificazione utilizzato per le leghe di alluminio, vengono identificate le caratteristiche sopra indicate. Gli alluminio battuto e fuso hanno diversi sistemi di identificazione. Il sistema battuto è un sistema a 4 cifre e le fusioni hanno un sistema a 3 cifre e 1 cifra decimale.

Sistema di designazione delle leghe lavorate- Consideriamo innanzitutto il sistema di identificazione della lega di alluminio lavorato a 4 cifre. La prima cifra (Xxxx) indica il principale elemento di lega, che è stato aggiunto alla lega di alluminio ed è spesso usato per descrivere la serie delle leghe di alluminio, cioè serie 1000, serie 2000, serie 3000, fino alla serie 8000 (vedere tabella 1).

La seconda cifra singola (xXxx), se diverso da 0, indica una modifica della lega specifica, e la terza e la quarta cifra (xxXX) sono numeri arbitrari dati per identificare una lega specifica nella serie. Esempio: Nella lega 5183, il numero 5 indica che è della serie della lega di magnesio, l'1 indica che è la 1^stmodifica alla lega originale 5083, e l'83 lo identifica nella serie 5xxx.

L'unica eccezione a questo sistema di numerazione delle leghe riguarda le leghe di alluminio della serie 1xxx (allumini puri), nel qual caso le ultime 2 cifre forniscono la percentuale minima di alluminio superiore al 99%, ovvero Lega 13(50)(alluminio minimo 99,50%).

SISTEMA DI DESIGNAZIONE DELLA LEGA DI ALLUMINIO LAVORATA

Tabella 1

Designazione della lega fusa- Il sistema di designazione delle leghe fuse si basa su una designazione di 3 cifre più decimali xxx.x (ovvero 356.0). La prima cifra (Xxx.x) indica il principale elemento di lega, che è stato aggiunto alla lega di alluminio (vedi tabella 2).

SISTEMA DI DESIGNAZIONE DI LEGHE DI ALLUMINIO FUSO

Tabella 2

La seconda e la terza cifra (xXX.x) sono numeri arbitrari dati per identificare una lega specifica nella serie. Il numero dopo la virgola indica se la lega è una fusione (.0) o un lingotto (.1 o .2). Il prefisso della lettera maiuscola indica una modifica a una lega specifica.
Esempio: Lega – A356.0 la A maiuscola (Axxx.x) indica una modifica della lega 356.0. Il numero 3 (A3xx.x) indica che è della serie silicio più rame e/o magnesio. Il 56 in (Ax56.0) identifica la lega all'interno della serie 3xx.x, mentre la lega .0 (Axxx.0) indica che si tratta di una fusione in forma definitiva e non di un lingotto.

Il sistema di designazione dello stato d'animo dell'alluminio -Se consideriamo le diverse serie di leghe di alluminio, vedremo che esistono notevoli differenze nelle loro caratteristiche e nella conseguente applicazione. Il primo punto da riconoscere, dopo aver compreso il sistema di identificazione, è che all'interno delle serie sopra citate esistono due tipi di alluminio nettamente diversi. Queste sono le leghe di alluminio trattabili termicamente (quelle che possono acquisire resistenza attraverso l'aggiunta di calore) e le leghe di alluminio non trattabili termicamente. Questa distinzione è particolarmente importante se si considerano gli effetti della saldatura ad arco su questi due tipi di materiali.

Le leghe di alluminio per lavorazione plastica delle serie 1xxx, 3xxx e 5xxx non sono trattabili termicamente e sono solo incrudibili. Le leghe di alluminio per lavorazione plastica delle serie 2xxx, 6xxx e 7xxx sono trattabili termicamente, mentre la serie 4xxx è composta da leghe trattabili termicamente e non trattabili termicamente. Le leghe per fusione delle serie 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x e 7xx.x sono trattabili termicamente. L'incrudimento non viene generalmente applicato ai getti.

Le leghe trattabili termicamente acquisiscono le loro proprietà meccaniche ottimali attraverso un processo di trattamento termico, i trattamenti termici più comuni sono il Solution Heat Treatment e l'Invecchiamento Artificiale. Il trattamento termico di soluzione è il processo di riscaldamento della lega a una temperatura elevata (circa 990 gradi F) per mettere in soluzione gli elementi leganti o i composti. Segue il raffreddamento, solitamente in acqua, per produrre una soluzione supersatura a temperatura ambiente. Il trattamento termico della solubilizzazione è solitamente seguito dall'invecchiamento. L'invecchiamento è la precipitazione di una porzione degli elementi o dei composti da una soluzione sovrasatura al fine di ottenere proprietà desiderabili.

Le leghe non trattabili termicamente acquisiscono le loro proprietà meccaniche ottimali attraverso lo Strain Hardening. L'incrudimento è il metodo per aumentare la resistenza attraverso l'applicazione della lavorazione a freddo.T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

LE DESIGNAZIONI BASE DEL TEMPO

Tabella 3

Oltre alla designazione dello stato di base, ci sono due categorie di suddivisione, una che riguarda lo stato "H" - Incrudimento e l'altra lo stato "T" - Trattato termicamente.

Suddivisioni di H Temper – Strain Hardened

La prima cifra dopo la H indica un'operazione di base:
H1– Solo temprato.
H2– Indurito e parzialmente ricotto.
H3– Indurito e stabilizzato.
H4– Indurito e laccato o verniciato.

La seconda cifra dopo la H indica il grado di incrudimento:
HX2– Quarto duro HX4– Mezzo duro HX6– Tre quarti duri
HX8– HX completamente duro9– Extra duro

Suddivisioni dello Stato T – Trattato Termicamente

T1- Invecchiato naturalmente dopo il raffreddamento da un processo di modellatura a temperatura elevata, come l'estrusione.
T2- Lavorato a freddo dopo il raffreddamento da un processo di modellatura a temperatura elevata e poi invecchiato naturalmente.
T3- Soluzione trattata termicamente, lavorata a freddo e invecchiata naturalmente.
T4- Soluzione trattata termicamente e invecchiata naturalmente.
T5- Invecchiato artificialmente dopo il raffreddamento da un processo di modellatura a temperatura elevata.
T6- Soluzione trattata termicamente e invecchiata artificialmente.
T7- Soluzione trattata termicamente e stabilizzata (sovrinvecchiamento).
T8- Soluzione trattata termicamente, lavorata a freddo e invecchiata artificialmente.
T9- Soluzione trattata termicamente, invecchiata artificialmente e lavorata a freddo.
T10- Lavorato a freddo dopo il raffreddamento da un processo di modellatura a temperatura elevata e poi invecchiato artificialmente.

Ulteriori cifre indicano sollievo dallo stress.
Esempi:
TX51o TXX51– Allevia lo stress grazie allo stretching.
TX52o TXX52– Stress alleviato dalla compressione.

Leghe di alluminio e loro caratteristiche- Se consideriamo le sette serie di leghe di alluminio per lavorazione plastica, ne apprezzeremo le differenze e ne comprenderemo le applicazioni e le caratteristiche.

Leghe della serie 1xxx– (non trattabile termicamente – con carico di rottura da 10 a 27 ksi) questa serie viene spesso definita serie in alluminio puro perché è necessario che contenga un minimo del 99,0% di alluminio. Sono saldabili. Tuttavia, a causa del loro intervallo di fusione ristretto, richiedono alcune considerazioni per produrre procedure di saldatura accettabili. Quando vengono prese in considerazione per la fabbricazione, queste leghe vengono selezionate principalmente per la loro superiore resistenza alla corrosione, come nei serbatoi e nelle tubazioni chimiche specializzate, o per la loro eccellente conduttività elettrica, come nelle applicazioni con sbarre collettrici. Queste leghe hanno proprietà meccaniche relativamente scarse e raramente verrebbero prese in considerazione per applicazioni strutturali generali. Queste leghe di base vengono spesso saldate con materiale d'apporto corrispondente o con leghe d'apporto 4xxx a seconda dell'applicazione e dei requisiti prestazionali.

Leghe della serie 2xxx– (trattabili termicamente – con carico di rottura da 27 a 62 ksi) si tratta di leghe di alluminio/rame (aggiunte di rame che vanno dallo 0,7 al 6,8%) e sono leghe ad alta resistenza e ad alte prestazioni che vengono spesso utilizzate per applicazioni aerospaziali e aeronautiche. Hanno un'eccellente resistenza in un ampio intervallo di temperature. Alcune di queste leghe sono considerate non saldabili mediante i processi di saldatura ad arco a causa della loro suscettibilità alla fessurazione a caldo e alla tensocorrosione; tuttavia, altri vengono saldati ad arco con molto successo con le procedure di saldatura corrette. Questi materiali di base sono spesso saldati con le leghe di apporto della serie 2xxx ad alta resistenza progettate per eguagliare le loro prestazioni, ma a volte possono essere saldati con i riempitivi della serie 4xxx contenenti silicio o silicio e rame, a seconda dell'applicazione e dei requisiti di servizio.

Leghe della serie 3xxx– (non trattabile termicamente – con carico di rottura da 16 a 41 ksi) Queste sono le leghe di alluminio/manganese (aggiunte di manganese che vanno dallo 0,05 all'1,8%) e sono di resistenza moderata, hanno una buona resistenza alla corrosione, buona formabilità e sono adatte per l'uso a temperature elevate. Uno dei loro primi usi furono pentole e padelle, e oggi sono il componente principale degli scambiatori di calore nei veicoli e nelle centrali elettriche. La loro resistenza moderata, tuttavia, spesso ne preclude la considerazione per applicazioni strutturali. Queste leghe di base vengono saldate con leghe di apporto delle serie 1xxx, 4xxx e 5xxx, a seconda della loro chimica specifica e delle particolari esigenze applicative e di servizio.

Leghe della serie 4xxx– (trattabili termicamente e non trattabili termicamente – con carico di rottura da 25 a 55 ksi) Queste sono le leghe di alluminio/silicio (aggiunte di silicio che vanno dallo 0,6 al 21,5%) e sono le uniche serie che contengono sia trattabili termicamente che non trattabili termicamente leghe trattabili termicamente. Il silicio, aggiunto all'alluminio, ne riduce il punto di fusione e ne migliora la fluidità una volta fuso. Queste caratteristiche sono desiderabili per i materiali d'apporto utilizzati sia per la saldatura per fusione che per la brasatura. Di conseguenza, questa serie di leghe si trova prevalentemente come materiale di apporto. Il silicio, indipendentemente dall'alluminio, non è trattabile termicamente; tuttavia, alcune di queste leghe di silicio sono state progettate per avere aggiunte di magnesio o rame, che conferiscono loro la capacità di rispondere favorevolmente al trattamento termico della solubilizzazione. Tipicamente, queste leghe d'apporto trattabili termicamente vengono utilizzate solo quando un componente saldato deve essere sottoposto a trattamenti termici post saldatura.

Leghe della serie 5xxx– (non trattabili termicamente – con carico di rottura da 18 a 51 ksi) Queste sono le leghe di alluminio/magnesio (aggiunte di magnesio che vanno dallo 0,2 al 6,2%) e hanno la resistenza più elevata tra le leghe non trattabili termicamente. Inoltre, questa serie di leghe è facilmente saldabile e per questi motivi viene utilizzata per un'ampia varietà di applicazioni come la costruzione navale, i trasporti, i recipienti a pressione, i ponti e gli edifici. Le leghe a base di magnesio sono spesso saldate con leghe di apporto, selezionate dopo aver considerato il contenuto di magnesio del materiale di base e l'applicazione e le condizioni di servizio del componente saldato. Le leghe di questa serie con più del 3,0% di magnesio non sono consigliate per il servizio a temperature elevate superiori a 150 gradi F a causa del loro potenziale di sensibilizzazione e conseguente suscettibilità alla tensocorrosione. Le leghe di base con meno di circa il 2,5% di magnesio vengono spesso saldate con successo con le leghe di apporto della serie 5xxx o 4xxx. La lega base 5052 è generalmente riconosciuta come la lega base con il massimo contenuto di magnesio che può essere saldata con una lega d'apporto della serie 4xxx. A causa dei problemi associati alla fusione eutettica e alle scarse proprietà meccaniche associate alla saldatura, non è consigliabile saldare il materiale di questa serie di leghe, che contiene quantità maggiori di magnesio con i riempitivi della serie 4xxx. I materiali a base di magnesio più elevato vengono saldati solo con leghe di apporto 5xxx, che generalmente corrispondono alla composizione della lega di base.

Leghe della serie 6XXX– (trattabili termicamente – con carico di rottura da 18 a 58 ksi) Queste sono le leghe di alluminio/magnesio-silicio (aggiunte di magnesio e silicio di circa l'1,0%) e si trovano ampiamente nel settore della fabbricazione di saldature, utilizzate prevalentemente sotto forma di estrusioni e incorporati in molti componenti strutturali. L'aggiunta di magnesio e silicio all'alluminio produce un composto di magnesio-siliciuro, che conferisce a questo materiale la capacità di diventare trattato termicamente in soluzione per una maggiore resistenza. Queste leghe sono naturalmente sensibili alle cricche da solidificazione e per questo motivo non dovrebbero essere saldate ad arco in modo autogeno (senza materiale di apporto). L'aggiunta di quantità adeguate di materiale d'apporto durante il processo di saldatura ad arco è essenziale per garantire la diluizione del materiale di base, prevenendo così il problema delle cricche a caldo. Sono saldati con materiali di apporto sia 4xxx che 5xxx, a seconda dell'applicazione e dei requisiti di servizio.

Leghe della serie 7XXX– (trattabile termicamente – con carico di rottura da 32 a 88 ksi) Queste sono le leghe di alluminio/zinco (aggiunte di zinco che vanno dallo 0,8 al 12,0%) e comprendono alcune delle leghe di alluminio con la resistenza più elevata. Queste leghe sono spesso utilizzate in applicazioni ad alte prestazioni come aerei, aerospaziali e attrezzature sportive agonistiche. Come la serie di leghe 2xxx, questa serie incorpora leghe che sono considerate candidati inadatti per la saldatura ad arco e altre, che spesso vengono saldate ad arco con successo. Le leghe comunemente saldate in questa serie, come 7005, sono saldate prevalentemente con le leghe di apporto della serie 5xxx.

Riepilogo- Le odierne leghe di alluminio, insieme ai loro vari stati, comprendono una gamma ampia e versatile di materiali di produzione. Per una progettazione ottimale del prodotto e uno sviluppo efficace delle procedure di saldatura, è importante comprendere le differenze tra le numerose leghe disponibili e le loro diverse caratteristiche prestazionali e di saldabilità. Quando si sviluppano procedure di saldatura ad arco per queste diverse leghe, è necessario tenere in considerazione la lega specifica da saldare. Si dice spesso che la saldatura ad arco dell'alluminio non sia difficile, “è semplicemente diversa”. Credo che una parte importante per comprendere queste differenze sia acquisire familiarità con le varie leghe, le loro caratteristiche e il loro sistema di identificazione.