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Schweißzusätze
Reines Aluminium wird normalerweise nicht bei strukturellen Anwendungen eingesetzt. Damit Aluminium eine ausreichende Festigkeit für die Herstellung von Strukturbauteilen aufweist, müssen dem Aluminium weitere Elemente zugesetzt werden. Welche Elemente können diesen Aluminiumlegierungen hinzugefügt werden? Wirkt sich das Hinzufügen dieser Elemente auf die Leistungsfähigkeit des Materials aus? Bei welchen Anwendungen werden diese Legierungen eingesetzt?
Es wäre sehr ungewöhnlich, wenn reines Aluminium (1xxx-Legierungen) aufgrund seiner Festigkeitseigenschaften für die Herstellung von Strukturen gewählt würde. Obwohl die Serie 1xxx aus nahezu reinem Aluminium besteht, reagiert sie auf Kaltverfestigung, insbesondere wenn sie nennenswerte Mengen an Verunreinigungen wie Eisen und Silizium enthält. Jedoch haben die Legierungen der 1xxx-Reihe selbst im kaltverfestigten Zustand eine sehr geringe Festigkeit im Vergleich zu den anderen Reihen von Aluminiumlegierungen. Wenn die Legierungen der 1xxx-Serie für eine strukturelle Anwendung ausgewählt werden, werden sie meistens aufgrund ihrer überragenden Korrosionsbeständigkeit und/oder ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgewählt. Die häufigsten Anwendungen für die Legierungen der Serie 1xxx sind Aluminiumfolien, elektrische Stromschienen, Metallisierungsdraht sowie chemische Tanks und Rohrleitungssysteme.
Die Zugabe von Legierungselementen zu Aluminium ist die wichtigste Methode zur Herstellung einer Reihe verschiedener Werkstoffe, die in einem breiten Spektrum von Konstruktionsanwendungen eingesetzt werden können.
Betrachten wir die sieben ausgewiesenen Aluminiumlegierungsreihen, die für Knetlegierungen verwendet werden, können wir sofort die Hauptlegierungselemente identifizieren, die zur Herstellung der einzelnen Legierungsreihen verwendet werden. Dann können wir weitermachen und untersuchen, welche Auswirkungen die einzelnen Elemente auf Aluminium haben. Wir haben auch ein paar andere häufig verwendete Elemente und ihre Auswirkungen auf Aluminium hinzugefügt.
Kupfer (Cu) 2xxx – Die Aluminium-Kupfer-Legierungen enthalten typischerweise zwischen 2 und 10 % Kupfer mit kleineren Zusätzen anderer Elemente. Das Kupfer sorgt für erhebliche Festigkeitssteigerungen und erleichtert die Ausscheidungshärtung. Die Beimischung von Kupfer zu Aluminium kann auch die Duktilität und Korrosionsbeständigkeit verringern. Aluminium-Kupfer-Legierungen sind anfälliger für Erstarrungsrisse. Folglich gehören einige dieser Legierungen zu den am schwierigsten zu schweißenden Aluminiumlegierungen. Zu diesen Legierungen gehören einige der höchstfestesten Aluminiumlegierungen, die mit Wärme behandelt werden können. Am häufigsten werden die Legierungen der Serie 2xxx in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Militärfahrzeugen und Raketenflossen eingesetzt.
Mangan (Mn) 3xxx – Durch den Zusatz von Mangan zu Aluminium wird die Festigkeit ein wenig erhöht, indem die Lösung verfestigt wird. Es verbessert auch die Kaltverfestigung, während es die Duktilität oder Korrosionsbeständigkeit nicht merklich verringert. Dies sind nicht wärmebehandelbare Materialien mit mäßiger Festigkeit, die ihre Festigkeit bei erhöhten Temperaturen beibehalten und selten für größere strukturelle Anwendungen verwendet werden. Die häufigsten Anwendungen für die Legierungen der 3xxx-Serie sind Kochutensilien, Heizkörper, Klimaanlagenkondensatoren, Verdampfer, Wärmetauscher und zugehörige Rohrleitungssysteme.
Silizium (Si) 4xxx – Die Zugabe von Silizium zu Aluminium senkt die Schmelztemperatur und verbessert die Fließfähigkeit. Silizium als alleinige Zugabe zu Aluminium führt zu einer nicht wärmebehandelbaren Legierung. In Kombination mit Magnesium ergibt es jedoch eine ausscheidungshärtende, wärmebehandelbare Legierung. Folglich gibt es innerhalb der 4xxx-Serie sowohl wärmebehandelbare als auch nicht wärmebehandelbare Legierungen. Bei der Herstellung von Gussstücken wird dem Aluminium üblicherweise Silizium zugesetzt. Die häufigsten Anwendungen für die Legierungen der 4xxx-Serie sind Fülldrähte zum Schmelzschweißen und Löten von Aluminium.
Magnesium (Mg) 5xxx – Der Zusatz von Magnesium zu Aluminium erhöht die Festigkeit durch Mischkristallverfestigung und verbessert die Kaltverfestigung. Unter den nicht wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen weisen diese Legierungen die höchste Festigkeit auf und werden daher in großem Umfang für strukturelle Anwendungen eingesetzt. Die Legierungen der 5xxx-Reihe werden hauptsächlich als Bleche und Platten und nur gelegentlich als Strangpressteile hergestellt. Der Grund dafür ist, dass diese Legierungen schnell aushärten und daher schwierig und teuer zu extrudieren sind. Einige übliche Anwendungen für die Legierungen der Serie 5xxx sind LKW- und Zugkarosserien, Gebäude, gepanzerte Fahrzeuge, Schiffe und Boote, Chemikalientanker, Druckbehälter und kryogene Tanks.
Magnesium und Silizium (Mg2Si) 6xxx – Die Zugabe von Magnesium und Silizium zu Aluminium ergibt die Verbindung Magnesium-Silizid (Mg2Si). Die Bildung dieser Verbindung verleiht der Serie 6xxx ihre Wärmebehandelbarkeit. Die Legierungen der Serie 6xxx lassen sich einfach und wirtschaftlich extrudieren. Aus diesem Grund sind die 6xxx-Legierungen am häufigsten in einer umfangreichen Auswahl an extrudierten Formen zu finden. Diese Legierungen bilden ein wichtiges Ergänzungssystem zu den Legierungen der Serie 5xxx. Die Legierung der 5xxx-Reihe wird in Form von Platten verwendet und die 6xxx-Legierungen werden häufig in extrudierter Form mit der Platte verbunden. Einige der üblichen Anwendungen für die Legierungen der 6xxx-Serie sind Handläufe, Antriebswellen, Fahrzeugrahmenabschnitte, Fahrradrahmen, röhrenförmige Rasenmöbel, Gerüste, Versteifungen und Streben, die bei Lastwagen, Booten und vielen anderen Konstruktionen verwendet werden.
Zink (Zn) 7xxx – Durch den Zusatz von Zink zu Aluminium (in Verbindung mit einigen anderen Elementen, vor allem Magnesium und/oder Kupfer) entstehen wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen höchster Festigkeit. Das Zink erhöht die Festigkeit erheblich und ermöglicht die Ausscheidungshärtung. Einige dieser Legierungen können anfällig für Spannungsrisskorrosion sein und werden aus diesem Grund in der Regel nicht durch Schmelzschweißen verbunden. Bei anderen Legierungen dieser Serie werden oft hervorragende Ergebnisse durch Schmelzschweißen erzielt. Die Legierungen der Serie 7xxx werden unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, für gepanzerte Fahrzeuge, Baseballschläger und Fahrradrahmen verwendet.
Eisen (Fe) – Eisen ist die häufigste Verunreinigung in Aluminium und wird einigen reinen Legierungen (Serie 1xxx) absichtlich zugesetzt, um die Festigkeit leicht zu erhöhen.
Chrom (Cr) – Chrom wird Aluminium zugesetzt, um die Kornstruktur zu kontrollieren und das Kornwachstum in Aluminium-Magnesium-Legierungen zu verhindern. Es trägt auch dazu bei, die Rekristallisation in Aluminium-Magnesium-Silizium- oder Aluminium-Magnesium-Zink-Legierungen während der Wärmebehandlung zu verhindern. Chrom verringert auch die Anfälligkeit für Spannungskorrosion und verbessert die Zähigkeit.
Nickel (Ni) – Nickel wird Aluminium-Kupfer- und Aluminium-Silizium-Legierungen zugesetzt, um die Härte und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zu verbessern und den Ausdehnungskoeffizienten zu verringern.
Titan (Ti) – Titan wird Aluminium hauptsächlich als Kornverfeinerer zugesetzt. Die kornfeinende Wirkung von Titan wird verstärkt, wenn Bor in der Schmelze vorhanden ist oder wenn es als Vorlegierung zugegeben wird, die Bor weitgehend als TiB2 enthält. Titan ist ein üblicher Zusatz zu Aluminium-Schweißdraht, da es die Schweißstruktur verfeinert und dazu beiträgt, Schweißrisse zu verhindern.
Zirkonium (Zr) – Zirkonium wird Aluminium zugesetzt, um einen feinen Niederschlag aus intermetallischen Partikeln zu bilden, die eine Rekristallisation verhindern.
Lithium (Li) – Der Zusatz von Lithium zu Aluminium kann die Festigkeit und den Elastizitätsmodul erheblich erhöhen, eine Ausscheidungshärtung bewirken und die Dichte verringern.
Blei (Pb) und Wismut (Bi) – Blei und Wismut werden Aluminium zugesetzt, um die Spanbildung zu unterstützen und die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Diese frei zerspanbaren Legierungen sind oft nicht schweißbar, da Blei und Wismut niedrig schmelzende Bestandteile sind und zu schlechten mechanischen Eigenschaften und/oder hoher Rissanfälligkeit bei der Erstarrung führen können.
Heutzutage werden viele Aluminiumlegierungen in der Industrie verwendet. Derzeit sind über 400 Knetlegierungen und über 200 Gusslegierungen beim Aluminiumverband registriert. Eine der wichtigsten Überlegungen beim Schweißen von Aluminium ist sicherlich die Identifizierung der zu schweißenden Aluminiumbasislegierung. Wenn der Grundwerkstofftyp der zu schweißenden Komponente nicht aus einer zuverlässigen Quelle bekannt ist, kann es schwierig sein, ein geeignetes Schweißverfahren auszuwählen.
Es gibt einige allgemeine Richtlinien bezüglich des wahrscheinlichsten Aluminiumtyps für verschiedene Anwendungen, wie oben aufgeführt. Es ist jedoch sehr wichtig, sich darüber im Klaren zu sein, dass falsche Annahmen bezüglich der Chemie einer Aluminiumlegierung zu sehr schwerwiegenden Auswirkungen auf die Schweißleistung führen können. Es wird dringend empfohlen, den Aluminiumtyp eindeutig zu identifizieren und Schweißverfahren zu entwickeln und zu testen, um die Schweißleistung zu überprüfen.