Con la crescente diffusione dell'alluminio nel settore della saldatura e la sua affermazione come valida alternativa all'acciaio per numerose applicazioni, aumenta la necessità per chi si occupa di progetti in alluminio di acquisire maggiore familiarità con questo gruppo di materiali. Per comprendere appieno l'alluminio, è consigliabile iniziare familiarizzando con il sistema di identificazione/designazione, le numerose leghe di alluminio disponibili e le loro caratteristiche.

Il sistema di tempra e designazione delle leghe di alluminio- In Nord America, l'Aluminum Association Inc. è responsabile dell'assegnazione e della registrazione delle leghe di alluminio. Attualmente sono registrati presso l'Aluminum Association oltre 400 leghe di alluminio lavorate e oltre 200 leghe di alluminio sotto forma di fusioni e lingotti. I limiti di composizione chimica delle leghe per tutte queste leghe registrate sono contenuti nel documento dell'Aluminum Association.Libro color verde acquaintitolato “Designazioni internazionali delle leghe e limiti di composizione chimica per alluminio lavorato e leghe di alluminio lavorato” e nel loroLibro rosaintitolate "Designazioni e limiti di composizione chimica per leghe di alluminio in forma di getti e lingotti". Queste pubblicazioni possono essere estremamente utili all'ingegnere saldatore nello sviluppo di procedure di saldatura e quando la considerazione della composizione chimica e della sua correlazione con la suscettibilità alle cricche è di fondamentale importanza.

Le leghe di alluminio possono essere classificate in diversi gruppi in base alle caratteristiche specifiche del materiale, come la sua capacità di reagire a trattamenti termici e meccanici e l'elemento di lega principale aggiunto alla lega. Considerando il sistema di numerazione/identificazione utilizzato per le leghe di alluminio, queste caratteristiche vengono evidenziate. Le leghe di alluminio lavorate e quelle fuse hanno sistemi di identificazione differenti. Il sistema per le leghe lavorate è a 4 cifre, mentre quello per le leghe fuse è a 3 cifre con una cifra decimale.

Sistema di designazione delle leghe forgiate- Considereremo innanzitutto il sistema di identificazione a 4 cifre della lega di alluminio forgiato. La prima cifra (Xxxx) indica l'elemento di lega principale, che è stato aggiunto alla lega di alluminio e viene spesso utilizzato per descrivere la serie di leghe di alluminio, ovvero 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 assegnati per identificare una lega specifica nella serie. Esempio: nella lega 5183, il numero 5 indica che è della serie di leghe di magnesio, l'1 indica che è la 1^stmodifica alla lega originale 5083, e l'83 la 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 indicano la percentuale minima di alluminio superiore al 99%, vale a dire, Lega 13(50)(Alluminio con una purezza minima del 99,50%).

SISTEMA DI DESIGNAZIONE DELLE LEGHE DI ALLUMINIO LAVORATE

Tabella 1

Designazione della lega fusa- Il sistema di designazione delle leghe fuse si basa su una designazione a 3 cifre più decimale xxx.x (ad esempio 356.0). La prima cifra (Xxx.x) indica l'elemento di lega principale che è stato aggiunto alla lega di alluminio (vedere tabella 2).

SISTEMA DI DESIGNAZIONE DELLE LEGHE DI ALLUMINIO FUSO

Tabella 2

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

Il sistema di designazione della tempra dell'alluminio -Considerando le diverse serie di leghe di alluminio, si nota una notevole differenza nelle loro caratteristiche e nelle conseguenti applicazioni. Il primo punto da sottolineare, dopo aver compreso il sistema di identificazione, è che all'interno delle serie sopra menzionate esistono due tipologie distinte di alluminio: le leghe di alluminio trattabili termicamente (quelle che acquisiscono resistenza mediante il trattamento termico) e le leghe di alluminio non trattabili termicamente. Questa distinzione è particolarmente importante quando si considerano gli effetti della saldatura ad arco su queste due tipologie di materiali.

Le leghe di alluminio forgiato delle serie 1xxx, 3xxx e 5xxx non sono trattabili termicamente e possono essere solo incrudite. Le leghe di alluminio forgiato delle serie 2xxx, 6xxx e 7xxx sono trattabili termicamente, mentre la serie 4xxx comprende sia leghe trattabili termicamente che non trattabili. Le leghe fuse 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 più comuni dei quali sono il trattamento termico di solubilizzazione e l'invecchiamento artificiale. Il trattamento termico di solubilizzazione è il processo di riscaldamento della lega ad una temperatura elevata (circa 990 °F, circa 600 °C) al fine di mettere in soluzione gli elementi o i composti di lega. A questo segue un raffreddamento rapido, solitamente in acqua, per produrre una soluzione sovrasatura a temperatura ambiente. Il trattamento termico di solubilizzazione è generalmente seguito dall'invecchiamento. L'invecchiamento è la precipitazione di una parte degli elementi o dei composti da una soluzione sovrasatura al fine di ottenere le proprietà desiderate.

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

LE DESIGNAZIONI DI TEMPERATURA DI BASE

Tabella 3

Oltre alla denominazione di base della tempra, esistono due sottocategorie: una relativa alla tempra "H" (incrudimento per deformazione) e l'altra relativa alla tempra "T" (trattamento termico).

Suddivisioni di tempra H – Incrudito

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

La seconda cifra dopo la H indica il grado di incrudimento:
HX2– Quarter Hard HX4– Half Hard HX6– Tre quarti di duro
HX8– Full Hard HX9– Extra difficile

Suddivisioni di T Temper – Trattamento termico

T1- Invecchiato naturalmente dopo il raffreddamento a seguito di un processo di formatura ad alta temperatura, come l'estrusione.
T2- Lavorazione a freddo dopo raffreddamento da un processo di formatura ad alta temperatura e successiva stagionatura naturale.
T3- Trattamento termico di soluzione, lavorazione a freddo e invecchiamento naturale.
T4- Trattamento termico in soluzione e invecchiamento naturale.
T5- Invecchiato artificialmente dopo il raffreddamento successivo a un processo di formatura ad alta temperatura.
T6- Trattamento termico in soluzione e invecchiamento artificiale.
T7- Soluzione trattata termicamente e stabilizzata (sovra-invecchiata).
T8- Trattamento termico di solubilizzazione, lavorazione a freddo e invecchiamento artificiale.
T9- Trattamento termico di soluzione, invecchiamento artificiale e lavorazione a freddo.
T10- Lavorazione a freddo dopo raffreddamento da un processo di formatura ad alta temperatura e successivo invecchiamento artificiale.

Le cifre aggiuntive indicano un sollievo dallo stress.
Esempi:
TX51o TXX51– Lo stress si allevia con lo stretching.
TX52o TXX52– La tensione viene alleviata tramite compressione.

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

Leghe della serie 1xxx– (non trattabile termicamente – con resistenza alla trazione ultima da 10 a 27 ksi) questa serie è spesso definita serie di alluminio puro perché deve contenere almeno il 99,0% di alluminio. Sono saldabili. Tuttavia, a causa del loro ristretto intervallo di fusione, richiedono alcune considerazioni per ottenere procedure di saldatura accettabili. Quando vengono prese in considerazione per la fabbricazione, queste leghe vengono selezionate principalmente per la loro superiore resistenza alla corrosione, ad esempio in serbatoi e tubazioni per prodotti chimici specializzati, o per la loro eccellente conduttività elettrica, come nelle applicazioni con sbarre collettrici. Queste leghe hanno proprietà meccaniche relativamente scarse e raramente vengono considerate per applicazioni strutturali generiche. 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 resistenza alla trazione ultima da 27 a 62 ksi) si tratta di leghe di alluminio/rame (con aggiunte di rame che vanno dallo 0,7 al 6,8%), leghe ad alta resistenza e ad alte prestazioni spesso utilizzate in applicazioni aerospaziali e aeronautiche. Hanno un'eccellente resistenza in un ampio intervallo di temperature. Alcune di queste leghe sono considerate non saldabili con i processi di saldatura ad arco a causa della loro suscettibilità alla fessurazione a caldo e alla tensocorrosione; tuttavia, altre vengono saldate con successo mediante saldatura ad arco con le procedure di saldatura corrette. Questi materiali di base vengono spesso saldati con leghe d'apporto ad alta resistenza della serie 2xxx progettate per eguagliarne le prestazioni, ma a volte possono essere saldati con leghe d'apporto della serie 4xxx contenenti silicio o silicio e rame, a seconda dell'applicazione e dei requisiti di servizio.

Leghe della serie 3xxx– (non trattabili termicamente – con resistenza alla trazione ultima da 16 a 41 ksi) Si tratta di leghe di alluminio/manganese (con aggiunte di manganese che vanno dallo 0,05 all'1,8%) che presentano una resistenza moderata, una buona resistenza alla corrosione, una buona formabilità e sono adatte all'uso ad alte temperature. Uno dei loro primi impieghi fu nella produzione di pentole e padelle, e oggi costituiscono il componente principale degli scambiatori di calore nei veicoli e nelle centrali elettriche. La loro resistenza moderata, tuttavia, spesso ne preclude l'utilizzo in applicazioni strutturali. Queste leghe di base vengono saldate con leghe d'apporto delle serie 1xxx, 4xxx e 5xxx, a seconda della loro specifica composizione chimica e dei particolari requisiti di applicazione e servizio.

Leghe della serie 4xxx– (trattabili termicamente e non trattabili termicamente – con resistenza a trazione ultima da 25 a 55 ksi) Si tratta di leghe alluminio/silicio (con aggiunte di silicio che vanno dallo 0,6 al 21,5%) e sono le uniche serie che contengono sia leghe trattabili termicamente che non trattabili termicamente. Il silicio, se aggiunto all'alluminio, ne riduce il punto di fusione e ne migliora la fluidità allo stato 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 d'apporto. Il silicio, da solo nell'alluminio, non è trattabile termicamente; tuttavia, alcune di queste leghe di silicio sono state progettate con aggiunte di magnesio o rame, che conferiscono loro la capacità di rispondere favorevolmente al trattamento termico di solubilizzazione. In genere, 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 resistenza a trazione ultima da 18 a 51 ksi) Si tratta di leghe di alluminio/magnesio (con aggiunte di magnesio che vanno dallo 0,2 al 6,2%) e presentano la massima resistenza tra le leghe non trattabili termicamente. Inoltre, questa serie di leghe è facilmente saldabile e, per questi motivi, viene utilizzata in un'ampia varietà di applicazioni, come la cantieristica navale, i trasporti, i recipienti a pressione, i ponti e gli edifici. Le leghe a base di magnesio vengono spesso saldate con leghe d'apporto, selezionate in base al contenuto di magnesio del materiale di base e alle condizioni di applicazione e di esercizio del componente saldato. Le leghe di questa serie con più del 3,0% di magnesio non sono raccomandate per l'impiego ad alte temperature superiori a 150 °F (65 °C) a causa del loro potenziale di sensibilizzazione e della conseguente suscettibilità alla tensocorrosione. Le leghe a base con meno del 2,5% circa di magnesio vengono spesso saldate con successo con le leghe d'apporto delle 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 conseguenti scarse proprietà meccaniche dello stato saldato, si sconsiglia di saldare materiali di questa serie di leghe, che contengono quantità più elevate di magnesio, con le leghe d'apporto della serie 4xxx. I materiali base con un contenuto di magnesio più elevato vengono saldati solo con leghe d'apporto della serie 5xxx, che generalmente corrispondono alla composizione della lega base.

Leghe della serie 6XXX– (trattabili termicamente – con resistenza a trazione ultima da 18 a 58 ksi) Si tratta di leghe di alluminio/magnesio-silicio (con aggiunte di magnesio e silicio di circa l'1,0%) ampiamente utilizzate nell'industria della saldatura, prevalentemente sotto forma di estrusi e incorporate in numerosi componenti strutturali. L'aggiunta di magnesio e silicio all'alluminio produce un composto di siliciuro di magnesio, che conferisce a questo materiale la capacità di essere sottoposto a trattamento termico di solubilizzazione per migliorarne la resistenza. Queste leghe sono naturalmente sensibili alle cricche di solidificazione e, per questo motivo, non dovrebbero essere saldate ad arco in modo autogeno (senza materiale d'apporto). L'aggiunta di quantità adeguate di materiale d'apporto durante il processo di saldatura ad arco è essenziale per diluire il materiale di base, prevenendo così il problema delle cricche a caldo. Vengono saldate con materiali d'apporto sia della serie 4xxx che 5xxx, a seconda dell'applicazione e dei requisiti di servizio.

Leghe della serie 7XXX– (trattabili termicamente – con resistenza alla trazione ultima da 32 a 88 ksi) Si tratta di leghe di alluminio/zinco (con aggiunte di zinco che vanno dallo 0,8 al 12,0%) e comprendono alcune delle leghe di alluminio con la più alta resistenza. Queste leghe sono spesso utilizzate in applicazioni ad alte prestazioni come aeromobili, settore aerospaziale e attrezzature sportive competitive. Come la serie di leghe 2xxx, questa serie include leghe considerate non idonee alla saldatura ad arco e altre che vengono spesso saldate con successo tramite saldatura ad arco. Le leghe comunemente saldate in questa serie, come la 7005, sono prevalentemente saldate con le leghe d'apporto della serie 5xxx.

RiepilogoLe leghe di alluminio odierne, insieme ai loro vari stati di tempra, costituiscono una vasta e versatile gamma di materiali per la produzione. Per una progettazione ottimale del prodotto e per lo sviluppo di procedure di saldatura efficaci, è importante comprendere le differenze tra le numerose leghe disponibili e le loro diverse caratteristiche prestazionali e di saldabilità. Nello sviluppo di procedure di saldatura ad arco per queste diverse leghe, è necessario tenere conto della specifica lega da saldare. Si dice spesso che la saldatura ad arco dell'alluminio non sia difficile, "è solo diversa". Credo che una parte importante della comprensione di queste differenze consista nel familiarizzare con le varie leghe, le loro caratteristiche e il loro sistema di identificazione.