Leghe di alluminio trattabili termicamente vs leghe di alluminio non trattabili termicamente

Introduzione

Le leghe di alluminio sono spesso raggruppate in due grandi famiglie:

Leghe non trattabili termicamente, che acquisiscono resistenza principalmente durante la lavorazione a freddo, e leghe trattabili termicamente che acquisiscono resistenza attraverso l'indurimento per precipitazione (trattamento in soluzione, tempra e invecchiamento).

Dal punto di vista della saldatura, questa non è una distinzione teorica. Influisce direttamente sulla quantità di resistenza persa nella zona termicamente alterata, sulla possibilità di recuperare le proprietà originali, sulla progettazione dei giunti e sulla scelta dei materiali d'apporto più adatti. Per ulteriori informazioni, consulta il nostro Choosing the Right Filler Metal for Aluminium Guide. 

Questo articolo esamina entrambe le famiglie, adottando un approccio incentrato sulla saldatura e sul loro comportamento nella saldatura MIG/TIG dell'alluminio.

Panoramica della serie di leghe di alluminio

La prima cifra della sigla di quattro cifre che identifica la lega indica l'elemento di lega principale e fornisce un'indicazione immediata sul suo comportamento.

Cosa significa realmente "Trattabile Termicamente"

Nel campo dell'alluminio, il termine "trattabile termicamente" si riferisce specificamente alle leghe che possono essere rinforzate mediante indurimento per precipitazione.

Le leghe trattabili termicamente, come la maggior parte delle leghe 2xxx, 6xxx e 7xxx, vengono sottoposte a un trattamento termico di soluzione in modo che i loro elementi di lega entrino in soluzione solida, quindi temprate e invecchiate in modo che si formino precipitati fini. Questi precipitati bloccano le dislocazioni e aumentano la resistenza. Quando si saldano queste leghe, il ciclo termico locale nella zona termicamente alterata (ZTA) modifica la struttura dei precipitati, spesso ammorbidendo il materiale e riducendone la tempra.

Le leghe non trattabili termicamente (1xxx, 3xxx, 4xxx allo stato lavorato, 5xxx) si basano sulla soluzione solida e sull'incrudimento. La laminazione, la formatura e altre lavorazioni a freddo aumentano la resistenza; il riscaldamento durante la saldatura tende a ridurre l'incrudimento e a riportare la zona termicamente alterata (ZTA) verso uno stato ricotto.

In entrambi i casi, la zona termicamente alterata (HAZ) risulta più morbida rispetto alla tempra ad alta resistenza originale. La differenza principale sta nel fatto che le leghe trattabili termicamente possono in linea di principio recuperare resistenza attraverso un trattamento di solubilizzazione e invecchiamento, mentre le leghe non trattabili termicamente necessiterebbero di ulteriori lavorazioni a freddo, che raramente risultano pratiche in una struttura finita.

Leghe non trattabili termicamente

Le leghe non trattabili termicamente sono principalmente quelle delle serie 1xxx, 3xxx, 4xxx (allo stato lavorato) e 5xxx.

1xxx – Alluminio commercialmente puro

Questi gradi sono molto simili all'alluminio puro. Presentano un'eccellente resistenza alla corrosione, duttilità e conduttività, ma una bassa resistenza meccanica. La saldatura è semplice; il softening della zona termicamente alterata è minimo perché il materiale è già morbido. Non si tratta di scelte strutturali tipiche in cui la resistenza dei giunti è fondamentale.

3xxx – Alluminio-Manganese

Le leghe 3xxx acquisiscono una modesta resistenza grazie ad elementi presenti in soluzionie solida e grazie a una certa lavorazione a freddo. Vengono utilizzati in lamiere, scambiatori di calore e componenti stampati in generale. La saldabilità è generalmente buona; quando si salda materiale con tempra H, la zona termicamente alterata perde parte dell'incrudimento, ma questo è spesso accettabile.

4xxx – Alluminio-Silicio (lavorato)

Le leghe 4xxx, come lavorate, non sono trattabili termicamente, ma nella saldatura vengono utilizzate principalmente come metalli d'apporto, ad esempio le leghe 4043 e 4047. L'elevato contenuto di silicio conferisce un punto di fusione inferiore e un'eccellente fluidità, che favorisce il flusso nel giunto, la bagnabilità e la resistenza alle cricche. La resistenza del metallo di saldatura è in genere inferiore a quella dei materiali d'apporto 5xxx ad alta resistenza, ma la saldatura è spesso più tollerante.

5xxx – Alluminio-Magnesio

Le leghe 5xxx sono le leghe di alluminio strutturale non trattabili termicamente più utilizzate, soprattutto nei settori navale, dei trasporti e della carpenteria pesante. Il magnesio in soluzione solida, unito alla lavorazione a freddo in tempra H, conferisce elevata resistenza e ottima resistenza alla corrosione.

Per la saldatura, le leghe 5xxx sono generalmente molto adatte: Sia la saldatura MIG che quella TIG funzionano bene. I punti principali da tenere d'occhio sono che la zona termicamente alterata (HAZ) sarà più tenera del metallo base lavorato a freddo, quindi la progettazione del giunto deve prevedere proprietà a livello della HAZ, e che le leghe ad alto contenuto di magnesio ad elevate temperature di esercizio possono essere soggette a sensibilizzazione e tensocorrosione se non gestite correttamente.

Per saperne di più su Evitare la porosità e la fessurazione nell'alluminio. 

Leghe trattabili termicamente

Le leghe trattabili termicamente sono perlopiù le leghe lavorate delle serie 2xxx, 6xxx e 7xxx.

2xxx – Alluminio-Rame

Le leghe 2xxx possono raggiungere elevate resistenze e sono ampiamente utilizzate nel settore aerospaziale, dove peso e prestazioni sono fattori critici. Il loro contenuto di rame riduce la resistenza alla corrosione e li rende più soggetti a fessurazioni a caldo durante la saldatura. La saldatura per fusione è possibile in alcuni casi, ma di solito va eseguita con cautela, e ci si aspetta una diminuzione della resistenza nella zona saldata a meno che non venga applicato un trattamento termico post-saldatura completo.

6xxx – Alluminio–Magnesio–Silicio

Le leghe 6xxx, come la 6061 e la 6082, sono estremamente comuni nei profili strutturali, nei telai, nelle carrozzerie dei veicoli e nelle lavorazioni metalliche in generale. La resistenza deriva dai precipitati di Mg₂Si che si formano dopo il trattamento di solubilizzazione e l'invecchiamento.

Per quanto riguarda la saldatura, le leghe 6xxx sono generalmente considerate saldabili. La questione fondamentale è l'ammorbidimento della zona termicamente alterata (HAZ): In una tempra T6, la resistenza della zona termicamente alterata (HAZ) può diminuire significativamente, e quella regione ammorbidita determina quasi sempre la sollecitazione ammissibile del giunto. In alcune strutture di dimensioni ridotte, il trattamento termico post-saldatura può ripristinare gran parte della tempra originale, ma nelle grandi strutture ciò risulta spesso impraticabile.

7xxx – Alluminio–Zinco–Magnesio (± Rame)

Le leghe 7xxx coprono la fascia di resistenza più elevata. Molti dei classici leghe di alluminio della serie 7xxx utilizzati nell'industria aerospaziale sono difficili o sconsigliabili da saldare con i processi di fusione convenzionali, poiché sono sensibili alle cricche e perdono resistenza e resistenza alla corrosione nella zona saldata.

Esistono varianti specializzate saldabili della serie 7xxx con composizione chimica modificata, ma richiedono procedure accurate e aspettative realistiche in merito alla resistenza della saldatura. In molti casi, i progettisti scelgono il fissaggio meccanico o processi allo stato solido come la saldatura per attrito-agitazione (friction stir welding) al posto della tradizionale saldatura MIG/TIG per l'unione delle leghe 7xxx.

Comportamento della saldatura nella zona termicamente alterata (HAZ)

Dal punto di vista progettuale, la zona termicamente alterata è quella in cui si concentra l'azione.

Nelle leghe non trattabili termicamente, la saldatura elimina localmente la deformazione a freddo e può modificare leggermente lo stato di soluzione solida. Il risultato è una fascia ammorbidita su entrambi i lati della saldatura. Ad esempio, nelle leghe 5xxx H, la resistenza alla trazione della zona termicamente alterata (HAZ) è significativamente inferiore a quella del materiale di base laminato. I calcoli congiunti dovrebbero pertanto basarsi sulle proprietà della zona termicamente alterata (HAZ), non sulla resistenza riportata nel catalogo del trattamento H originale.

Nelle leghe trattabili termicamente, la saldatura altera la struttura indurita per precipitazione. A seconda della temperatura e del tempo, la zona termicamente alterata (HAZ) può invecchiare eccessivamente o addirittura risolubilizzarsi localmente, per poi raffreddarsi all'aria e raggiungere uno stato molto più morbido. Nelle leghe 6xxx T6, questo può portare la zona termicamente alterata (HAZ) a livelli di resistenza simili a quelli delle leghe T4 o O. Senza un trattamento termico post-saldatura completo e un adeguato invecchiamento, la zona termicamente alterata (HAZ) rimane il punto debole.

Per le leghe ad alta resistenza 2xxx e 7xxx, la combinazione di softening, possibile fessurazione e sensibilità alla corrosione implica che la saldatura sia giustificabile solo laddove le sollecitazioni ammissibili siano ridotte e l'ambiente di esercizio sia ben compreso.

Considerazioni sul metallo d'apporto

La scelta del materiale d'apporto è il punto d'incontro tra la teoria metallurgica e i compromessi del mondo reale. La categoria della lega di base (trattabile termicamente o non trattabile termicamente) è uno degli input fondamentali.

Per le leghe di base 5xxx, nella saldatura si utilizzano comunemente materiali d'apporto 5xxx come 5356, 5183 o 5556. Questi mantengono una buona resistenza alla corrosione e una resistenza meccanica adeguata, soprattutto in applicazioni navali e strutturali. Il contenuto di magnesio del materiale d'apporto e la temperatura di esercizio devono essere verificati in relazione ai rischi di sensibilizzazione.

Per le leghe di base 6xxx, si utilizzano tipicamente materiali d'apporto delle serie 4xxx o 5xxx. La lega 4043 (Al–Si) offre un'eccellente fluidità e una minore sensibilità alle cricche, con una resistenza del metallo di saldatura leggermente inferiore. La lega 5356 (Al–Mg) può offrire una maggiore resistenza allo stato saldato e, in alcuni casi, una migliore corrispondenza di colore o anodizzazione, ma può presentare un comportamento diverso in termini di fessurazione e corrosione. La scelta di solito riflette ciò che conta di più: Resistenza alle cricche e fluidità, oppure resistenza e aspetto.

Le leghe di base 1xxx e 3xxx sono generalmente tolleranti e possono essere unite con materiali d'apporto delle serie corrispondenti, 4xxx o 5xxx, a seconda della corrosione, della resistenza e delle condizioni di esercizio.

Le leghe di base 2xxx e 7xxx richiedono molta più attenzione. Spesso nelle saldature si utilizzano materiali d'apporto 4xxx o 5xxx, scelti per la loro resistenza alle cricche e per un comportamento alla corrosione accettabile, piuttosto che per la loro equivalente resistenza al metallo di base. In molte applicazioni, la zona saldata viene deliberatamente declassata oppure si evita del tutto la saldatura.

Per le giunzioni miste (ad esempio, da 5xxx a 6xxx), la scelta del materiale d'apporto si basa spesso sul fattore più critico della combinazione, in genere la resistenza alla corrosione e alla fessurazione, supportata da una tabella di selezione del materiale d'apporto o da una guida tecnica.

Sintesi pratica della selezione

Si tratta più di una mappa mentale rapida che di una procedura, ma aiuta a inquadrare come la trattabilità termica influenzi le scelte:

Punti chiave

La distinzione tra trattabili termicamente e non trattabili termicamente non è solo un'etichetta dei metallurgisti. È un indicatore rapido di come la zona termicamente alterata (HAZ) si ammorbidirà durante la saldatura, se la resistenza può essere recuperata tramite trattamento termico post-saldatura, quanto cauti si debba essere con le sollecitazioni di progetto del giunto e quali famiglie di materiali d'apporto sono probabilmente i candidati più adatti.

Per le leghe 5xxx non trattabili termicamente, è prevedibile un'eccellente saldabilità, ma si deve accettare che la resistenza della zona termicamente alterata (HAZ) sarà inferiore a quella dello stato H originale. Per le leghe 6xxx, aspettatevi strutture saldabili con la zona termicamente alterata (HAZ) come regione di controllo, e pianificate la progettazione di conseguenza. Per le leghe più particolari delle serie 2xxx e 7xxx, la saldatura spesso comporta compromessi significativi o viene evitata a favore di metodi di giunzione alternativi.

Le strategie più efficaci per la saldatura dell'alluminio considerano la famiglia di leghe, il materiale d'apporto, il processo (MIG/TIG/pulsato) e l'apporto termico come un unico sistema interconnesso, anziché come quattro parametri indipendenti da regolare.

FAQ

Esiste un modo rapido per capire se una lega è trattabile termicamente?

Sì. Come regola generale: Le leghe forgiate 2xxx, 6xxx e la maggior parte delle leghe 7xxx sono trattabili termicamente. Le leghe 1xxx, 3xxx, 4xxx (allo stato lavorato) e 5xxx non sono trattabili termicamente. La designazione del trattamento termico (T o H) fornisce anche indicazioni sul fatto che la resistenza sia dovuta all'indurimento per precipitazione o all'incrudimento.

Perché le giunzioni saldate in lega 6061-T6 risultano molto più deboli rispetto al metallo base nei test?

Poiché la tempra T6 nella zona termicamente alterata (HAZ) è stata compromessa dal ciclo termico di saldatura. La zona termicamente alterata (HAZ) ammorbidita si comporta più come una condizione T4 o O, e tale regione controlla la resistenza della giunzione.

Le leghe non trattabili termicamente sono sempre più facili da saldare?

Non sempre, ma molte leghe 5xxx e 3xxx sono molto tolleranti. Si ammorbidiscono ancora nella zona termicamente alterata (ZTA) e, nei gradi 5xxx ad alto contenuto di magnesio, è necessario rispettare i limiti di temperatura di servizio per evitare la sensibilizzazione.

Posso fare affidamento sul trattamento termico post-saldatura per risolvere tutti i problemi delle leghe trattabili termicamente?

Solo se l'intera struttura può essere sottoposta a trattamento termico di solubilizzazione, tempra e invecchiamento in condizioni controllate. Per le strutture di grandi dimensioni o assemblate, ciò risulta spesso impraticabile, pertanto le resistenze di progetto nelle zone saldate sono intenzionalmente inferiori.

Come dovrei procedere nella scelta del filler quando non sono sicuro?

Iniziate consultando una guida tecnica affidabile sull'alluminio o una tabella di selezione dei materiali d'apporto e prioritizzate le vostre priorità: Prima di tutto la solidità della saldatura e la resistenza alle cricche, poi il comportamento alla corrosione, infine la resistenza meccanica e l'aspetto estetico. In caso di dubbi, prima di definire una WPS (Welding Procedure Specification), discutete con il vostro fornitore di materiale d'apporto o con il vostro ingegnere saldatore la combinazione esatta della lega e le condizioni di servizio.

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