Con la crescita dell'alluminio nel settore della fabbricazione tramite saldatura e la sua accettazione come eccellente alternativa all'acciaio per numerose applicazioni, cresce l'esigenza 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 familiarizzandosi con 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 Aluminum Association Inc. è responsabile dell'assegnazione e della registrazione delle leghe di alluminio. Attualmente sono oltre 400 leghe di alluminio lavorato e leghe di alluminio lavorato e oltre 200 leghe di alluminio sotto forma di getti e lingotti registrati presso l'Aluminium Association. I limiti di composizione chimica per tutte queste leghe registrate sono contenuti nel documento dell'Aluminium Association.Libro verde acquaintitolato "Designazioni internazionali delle leghe e limiti di composizione chimica per alluminio lavorato e leghe di alluminio lavorato" e nella 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 per gli ingegneri di saldatura nello sviluppo di procedure di saldatura e quando è importante considerare la chimica e la sua associazione con la sensibilità alle cricche.

Le leghe di alluminio possono essere classificate in diversi gruppi in base alle caratteristiche specifiche del materiale, come la sua capacità di rispondere ai trattamenti termici e meccanici e l'elemento legante primario aggiunto alla lega di alluminio. Considerando il sistema di numerazione/identificazione utilizzato per le leghe di alluminio, le caratteristiche sopra descritte vengono identificate. L'alluminio lavorato e quello fuso hanno sistemi di identificazione diversi. Il sistema lavorato è a 4 cifre, mentre quello fuso è a 3 cifre e 1 decimale.

Sistema di designazione delle leghe lavorate- Considereremo innanzitutto il sistema di identificazione della lega di alluminio lavorato a 4 cifre. 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 la serie 1000, la serie 2000, la 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 appartiene alla serie delle 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 è con 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)(minimo 99,50% di alluminio).

SISTEMA DI DESIGNAZIONE DELLE LEGA DI ALLUMINIO BATTUTO

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 LEGA DI ALLUMINIO FUSO

Tabella 2

La seconda e la terza cifra (xXX.x) sono numeri arbitrari assegnati per identificare una lega specifica nella serie. Il numero dopo la virgola indica se la lega è un getto (.0) o un lingotto (.1 o .2). Un prefisso con una 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 appartiene alla serie silicio più rame e/o magnesio. Il 56 in (Ax)56.0) identifica la lega all'interno della serie 3xx.x e .0 (Axxx.0) indica che si tratta di una fusione di forma finale e non di un lingotto.

Il sistema di designazione della tempra dell'alluminio -Considerando le diverse serie di leghe di alluminio, noteremo notevoli differenze nelle loro caratteristiche e nelle conseguenti applicazioni. Il primo punto da riconoscere, dopo aver compreso il sistema di identificazione, è che all'interno della serie sopra menzionata si distinguono due tipi di alluminio nettamente diversi. Si tratta delle leghe di alluminio trattabili termicamente (quelle che possono acquisire resistenza mediante l'aggiunta di calore) e delle 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 incrudibili solo per deformazione. Le leghe di alluminio per lavorazione plastica delle serie 2xxx, 6xxx e 7xxx sono trattabili termicamente e la serie 4xxx è composta sia da leghe trattabili termicamente che non trattabili termicamente. Le leghe fuse delle serie 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x e 7xx.x sono trattabili termicamente. L'incrudimento per deformazione non viene generalmente applicato ai getti.

Le leghe trattabili termicamente acquisiscono le loro proprietà meccaniche ottimali attraverso un processo di trattamento termico, i cui trattamenti termici più comuni sono la solubilizzazione e l'invecchiamento artificiale. La solubilizzazione è il processo di riscaldamento della lega a una temperatura elevata (circa 990 °F) per portare gli elementi o i composti di lega in soluzione. Segue la tempra, solitamente in acqua, per produrre una soluzione sovrasatura a temperatura ambiente. La solubilizzazione è solitamente seguita dall'invecchiamento. L'invecchiamento consiste nella 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 attraverso l'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 BASE DEL TEMPERAMENTO

Tabella 3

Oltre alla designazione di tempra di base, ci sono due categorie di suddivisione, una che riguarda la tempra "H" - incrudimento, e l'altra che riguarda la designazione di tempra "T" - trattamento termico.

Suddivisioni di tempra H – temprato a deformazione

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

La seconda cifra dopo la H indica il grado di incrudimento:
HX2– Quarto di Durezza HX4– Mezzo duro HX6– Tre quarti duri
HX8– Full Hard HX9– Extra duro

Suddivisioni di T Temper – Trattato termicamente

T1- Invecchiato naturalmente dopo il raffreddamento mediante un processo di formatura ad alta temperatura, come l'estrusione.
T2- Lavorato a freddo dopo il raffreddamento mediante un processo di formatura ad alta temperatura e poi invecchiato naturalmente.
T3- Trattato termicamente in soluzione, lavorato a freddo e invecchiato naturalmente.
T4- Trattato termicamente in soluzione e invecchiato naturalmente.
T5- Invecchiato artificialmente dopo il raffreddamento mediante un processo di formatura ad alta temperatura.
T6- Trattato termicamente in soluzione e invecchiato artificialmente.
T7- Trattata termicamente in soluzione e stabilizzata (sovrainvecchiata).
T8- Trattato termicamente in soluzione, lavorato a freddo e invecchiato artificialmente.
T9- Trattamento termico di soluzione, invecchiamento artificiale e lavorazione a freddo.
T10- Lavorato a freddo dopo il raffreddamento mediante un processo di formatura ad alta temperatura e poi invecchiato artificialmente.

Le cifre aggiuntive indicano la riduzione dello stress.
Esempi:
TX51o TXX51– Lo stress si allevia con lo stretching.
TX52o TXX52– Lo stress si allevia tramite compressione.

Leghe di alluminio e le loro caratteristiche- Se prendiamo in considerazione le sette serie di leghe di alluminio lavorato, ne apprezzeremo le differenze e ne comprenderemo le applicazioni e le caratteristiche.

Leghe della serie 1xxx– (non trattabili termicamente – con resistenza a trazione finale da 10 a 27 ksi) Questa serie è spesso definita "serie in alluminio puro" perché richiede un contenuto minimo di alluminio del 99,0%. Sono saldabili. Tuttavia, a causa del loro ristretto intervallo di fusione, richiedono alcune considerazioni per produrre procedure di saldatura accettabili. Quando vengono considerate per la fabbricazione, queste leghe vengono selezionate principalmente per la loro superiore resistenza alla corrosione, come in serbatoi e tubazioni chimiche specializzate, o per la loro eccellente conduttività elettrica, come nelle applicazioni di barre collettrici. Queste leghe hanno proprietà meccaniche relativamente scarse e raramente vengono considerate 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 serie 2xxx– (trattabili termicamente – con resistenza a trazione finale da 27 a 62 ksi) si tratta di leghe di alluminio/rame (con aggiunte di rame dallo 0,7 al 6,8%), ad alta resistenza e ad alte prestazioni, spesso utilizzate per applicazioni aerospaziali e aeronautiche. Presentano 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 criccatura a caldo e alla criccatura da tensocorrosione; tuttavia, altre vengono saldate ad arco con grande successo se eseguite con le corrette procedure di saldatura. Questi materiali di base sono spesso saldati con leghe d'apporto ad alta resistenza della serie 2xxx, progettate per eguagliare le loro 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 a trazione finale da 16 a 41 ksi) Si tratta di leghe di alluminio/manganese (con aggiunte di manganese comprese tra lo 0,05 e l'1,8%), di moderata resistenza, con buona resistenza alla corrosione, buona formabilità e adatte all'uso a temperature elevate. Uno dei primi utilizzi è stato quello di pentole e padelle, e oggi rappresentano il componente principale per gli scambiatori di calore di veicoli e centrali elettriche. La loro moderata resistenza, tuttavia, spesso ne preclude l'utilizzo per 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 applicativi e di servizio.

Leghe serie 4xxx– (trattabili termicamente e non trattabili termicamente – con resistenza a trazione finale da 25 a 55 ksi) Si tratta di leghe di alluminio/silicio (con aggiunte di silicio comprese tra lo 0,6 e il 21,5%) e sono le uniche serie che contengono sia leghe trattabili termicamente che non trattabili termicamente. Il silicio, aggiunto all'alluminio, ne riduce il punto di fusione e ne migliora la fluidità allo stato fuso. Queste caratteristiche sono auspicabili per i materiali d'apporto utilizzati sia per la saldatura a fusione che per la brasatura. Di conseguenza, questa serie di leghe si trova prevalentemente come materiale d'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 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 serie 5xxx– (non trattabili termicamente – con resistenza a trazione finale da 18 a 51 ksi) Si tratta di leghe di alluminio/magnesio (con aggiunte di magnesio comprese tra lo 0,2 e il 6,2%) e presentano 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 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 servizio del componente saldato. Le leghe di questa serie con oltre il 3,0% di magnesio non sono raccomandate per l'impiego a temperature elevate, superiori a 150 °F, a causa del loro potenziale di sensibilizzazione e della conseguente predisposizione alla criccatura da corrosione sotto sforzo. Le leghe di base con meno di circa il 2,5% 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 saldabile con una lega d'apporto della serie 4xxx. A causa dei problemi associati alla fusione eutettica e alle relative scarse proprietà meccaniche dopo la saldatura, si sconsiglia di saldare materiali di questa serie di leghe, che contengono quantità elevate di magnesio, con i riempitivi della serie 4xxx. I materiali di base con un contenuto di magnesio più elevato vengono saldati solo con leghe d'apporto 5xxx, che generalmente corrispondono alla composizione della lega base.

Leghe serie 6XXX– (trattabili termicamente – con resistenza a trazione finale da 18 a 58 ksi) Si tratta di leghe di alluminio/magnesio-silicio (con aggiunte di magnesio e silicio pari a circa l'1,0%), ampiamente utilizzate nell'industria della fabbricazione tramite saldatura, utilizzate prevalentemente sotto forma di estrusioni e incorporate 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 essere trattato termicamente in soluzione per migliorarne la resistenza. Queste leghe sono naturalmente sensibili alle cricche da solidificazione e, per questo motivo, non devono essere saldate ad arco 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 4xxx e 5xxx, a seconda dell'applicazione e dei requisiti di servizio.

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

Riepilogo- Le leghe di alluminio odierne, insieme alle loro diverse condizioni di impiego, costituiscono un'ampia e versatile gamma di materiali di produzione. Per una progettazione ottimale del prodotto e lo sviluppo di procedure di saldatura di successo, 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 conto della lega specifica da saldare. Si dice spesso che la saldatura ad arco dell'alluminio non sia difficile, "è solo diversa". Credo che un aspetto importante per comprendere queste differenze sia acquisire familiarità con le varie leghe, le loro caratteristiche e il loro sistema di identificazione.