مع تزايد استخدام الألومنيوم في صناعة اللحام والتصنيع، وقبوله كبديل ممتاز للفولاذ في العديد من التطبيقات، تزداد الحاجة إلى أن يكون العاملون في تطوير مشاريع الألومنيوم أكثر دراية بهذه المجموعة من المواد. لفهم الألومنيوم فهمًا كاملًا، يُنصح بالبدء بالتعرف على نظام تعريف/تسمية الألومنيوم، وأنواع سبائك الألومنيوم المتوفرة وخصائصها.

نظام تصنيف وتسمية سبائك الألومنيومفي أمريكا الشمالية، تتولى جمعية الألومنيوم مسؤولية تخصيص وتسجيل سبائك الألومنيوم. ويوجد حاليًا أكثر من 400 سبيكة من الألومنيوم المطروق، وأكثر من 200 سبيكة من الألومنيوم على شكل مصبوبات وسبائك حديدية مسجلة لدى جمعية الألومنيوم. وتُحدد حدود التركيب الكيميائي لجميع هذه السبائك المسجلة في وثائق جمعية الألومنيوم.كتاب أزرق مخضربعنوان "التسميات الدولية للسبائك وحدود التركيب الكيميائي للألمنيوم المطروق وسبائك الألمنيوم المطروق" وفيهاالكتاب الورديبعنوان "التسميات وحدود التركيب الكيميائي لسبائك الألومنيوم في شكل مصبوبات وسبائك". يمكن أن تكون هذه المنشورات مفيدة للغاية لمهندس اللحام عند تطوير إجراءات اللحام، وعندما يكون مراعاة التركيب الكيميائي وعلاقته بحساسية التشققات أمرًا بالغ الأهمية.

يمكن تصنيف سبائك الألومنيوم إلى عدة مجموعات بناءً على خصائص المادة، مثل قدرتها على الاستجابة للمعالجة الحرارية والميكانيكية، والعنصر الأساسي المُضاف إليها. وعند النظر إلى نظام الترقيم/التعريف المُستخدم لسبائك الألومنيوم، نجد أن هذه الخصائص مُحددة. يختلف نظام تعريف سبائك الألومنيوم المشغولة عن نظام تعريف سبائك الألومنيوم المصبوبة؛ حيث يتكون نظام تعريف سبائك الألومنيوم المشغولة من أربعة أرقام، بينما يتكون نظام تعريف سبائك الألومنيوم المصبوبة من ثلاثة أرقام ورقم عشري واحد.

نظام تسمية السبائك المشغولةسنبدأ أولاً بدراسة نظام تعريف سبائك الألومنيوم المطروقة المكون من 4 أرقام. الرقم الأول (Xيشير xxx) إلى عنصر السبائك الرئيسي، الذي تمت إضافته إلى سبيكة الألومنيوم ويستخدم غالبًا لوصف سلسلة سبائك الألومنيوم، أي سلسلة 1000، وسلسلة 2000، وسلسلة 3000، وصولاً إلى سلسلة 8000 (انظر الجدول 1).

الرقم الفردي الثاني (x)Xيشير الرقم (xx)، إذا كان مختلفًا عن 0، إلى تعديل في السبيكة المحددة، والرقمين الثالث والرابع (xx)XXالأرقام ( ) هي أرقام اعتباطية تُستخدم لتمييز سبيكة معينة ضمن السلسلة. مثال: في السبيكة 5183، يشير الرقم 5 إلى أنها من سلسلة سبائك المغنيسيوم، بينما يشير الرقم 1 إلى أنها من النوع 1.^stتعديل على السبيكة الأصلية 5083، والرقم 83 يشير إلى أنها تنتمي إلى سلسلة 5xxx.

الاستثناء الوحيد لنظام ترقيم السبائك هذا هو سبائك الألومنيوم من سلسلة 1xxx (الألومنيوم النقي)، حيث يشير الرقمان الأخيران إلى الحد الأدنى لنسبة الألومنيوم التي تزيد عن 99%، أي السبيكة 13.(50)(99.50% كحد أدنى من الألومنيوم).

نظام تسمية سبائك الألومنيوم المطروقة

الجدول 1

تسمية سبيكة الصبيعتمد نظام تسمية سبائك الصب على تسمية مكونة من 3 أرقام بالإضافة إلى رقم عشري xxx.x (مثل 356.0). الرقم الأول (Xيشير xx.x) إلى عنصر السبائك الرئيسي الذي تمت إضافته إلى سبيكة الألومنيوم (انظر الجدول 2).

نظام تسمية سبائك الألومنيوم المصبوب

الجدول 2

الرقمان الثاني والثالث (س)XXتُستخدم الأرقام (.x) كأرقام اعتباطية لتحديد سبيكة معينة ضمن السلسلة. يشير الرقم الذي يلي الفاصلة العشرية إلى ما إذا كانت السبيكة مصبوبة (.0) أو سبيكة خام (.1 أو .2). يشير الحرف الكبير في البداية إلى تعديل في سبيكة معينة.
مثال: سبيكة – A356.0 الحرف A الكبير (Aيشير الرمز xxx.x إلى تعديل سبيكة 356.0. الرقم 3 (أ)3يشير الرقم xx.x إلى أنه من سلسلة السيليكون بالإضافة إلى النحاس و/أو المغنيسيوم. الرقم 56 في (Ax)56.0) يحدد السبيكة ضمن سلسلة 3xx.x، و .0 (Axxx.0يشير الرمز ) إلى أنه مصبوب بالشكل النهائي وليس سبيكة.

نظام تحديد درجة حرارة الألومنيوم -إذا نظرنا إلى سلاسل سبائك الألومنيوم المختلفة، فسنجد اختلافات كبيرة في خصائصها وتطبيقاتها. أول ما يجب إدراكه، بعد فهم نظام التصنيف، هو وجود نوعين متميزين من الألومنيوم ضمن السلسلة المذكورة أعلاه. وهما سبائك الألومنيوم القابلة للمعالجة الحرارية (التي تكتسب قوةً بتسخينها) وسبائك الألومنيوم غير القابلة للمعالجة الحرارية. هذا التمييز بالغ الأهمية عند دراسة تأثير اللحام بالقوس الكهربائي على هذين النوعين من المواد.

سبائك الألومنيوم المطروقة من سلسلة 1xxx و3xxx و5xxx غير قابلة للمعالجة الحرارية، ويمكن تقويتها بالتشكيل فقط. أما سبائك الألومنيوم المطروقة من سلسلة 2xxx و6xxx و7xxx فهي قابلة للمعالجة الحرارية، بينما تتكون سلسلة 4xxx من سبائك قابلة وغير قابلة للمعالجة الحرارية. أما سبائك الصب من سلسلة 2xx.x و3xx.x و4xx.x و7xx.x فهي قابلة للمعالجة الحرارية. ولا يُطبق التشكيل بالتشكيل عادةً على المسبوكات.

تكتسب السبائك القابلة للمعالجة الحرارية خصائصها الميكانيكية المثلى من خلال عملية معالجة حرارية، وأكثرها شيوعًا المعالجة الحرارية بالمحلول والتقادم الاصطناعي. المعالجة الحرارية بالمحلول هي عملية تسخين السبيكة إلى درجة حرارة مرتفعة (حوالي 990 درجة فهرنهايت) لإذابة عناصر أو مركبات السبيكة. يلي ذلك التبريد السريع، عادةً في الماء، لإنتاج محلول فوق مشبع عند درجة حرارة الغرفة. عادةً ما تتبع المعالجة الحرارية بالمحلول عملية التقادم، وهي ترسيب جزء من العناصر أو المركبات من محلول فوق مشبع للحصول على الخصائص المطلوبة.

تكتسب السبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية خصائصها الميكانيكية المثلى من خلال التصليد بالتشكيل على البارد. التصليد بالتشكيل على البارد هو أسلوب لزيادة القوة من خلال تطبيق التشكيل على البارد. T6، 6063-T45052-H325083-H112.

التصنيفات الأساسية لدرجة حرارة التصلب

الجدول 3

بالإضافة إلى تصنيف الصلابة الأساسي، هناك فئتان فرعيتان، إحداهما تتناول الصلابة "H" - التصلب بالتشكيل، والأخرى تتناول الصلابة "T" - المعالجة الحرارية.

أقسام فرعية من صلابة H - التصليد بالتشكيل

يشير الرقم الأول بعد حرف H إلى عملية أساسية:
H1- مُقسّى بالإجهاد فقط.
H2– تم تقويتها بالتشكيل على البارد وتليينها جزئياً.
H3– مُقسّى بالإجهاد ومُثبّت.
H4– معالج بالإجهاد ومطلي بالورنيش أو الدهان.

يشير الرقم الثاني بعد الحرف H إلى درجة تصلب الإجهاد:
HX2– ربع صلب HX4– نصف صلب HX6– ثلاثة أرباع الصعوبة
HX8– هكس صلب كامل9– صعب للغاية

أقسام فرعية من T Temper - المعالج حرارياً

T1- تم تعتيقه بشكل طبيعي بعد التبريد الناتج عن عملية تشكيل بدرجة حرارة مرتفعة، مثل عملية البثق.
T2- تم تشكيلها على البارد بعد تبريدها من عملية تشكيل بدرجة حرارة مرتفعة، ثم تعرضت للتقادم الطبيعي.
T3- معالجة حرارية بالمحلول، وتشكيل على البارد، وتقادم طبيعي.
T4- معالج حرارياً بالحلول ومُعتق طبيعياً.
T5- تم تعتيقها صناعياً بعد تبريدها من عملية تشكيل بدرجة حرارة مرتفعة.
T6- معالجة حرارية بالمحلول وتقادم صناعي.
T7- معالجة حرارية بالمحلول وتثبيتها (معتقة لفترة طويلة).
T8- معالجة حرارية بالمحلول، وتشكيل على البارد، وتقادم صناعي.
T9- معالجة حرارية بالمحلول، وتقادم صناعي، وتشكيل على البارد.
T10- تم تشكيلها على البارد بعد تبريدها من عملية تشكيل بدرجة حرارة مرتفعة، ثم تم تعتيقها صناعياً.

تشير الأرقام الإضافية إلى تخفيف التوتر.
أمثلة:
TX51أو TXX51– يتم تخفيف التوتر عن طريق تمارين التمدد.
TX52أو TXX52– يتم تخفيف التوتر عن طريق الضغط.

سبائك الألومنيوم وخصائصها- إذا نظرنا إلى السلاسل السبع من سبائك الألومنيوم المطروقة، فسوف نقدر اختلافاتهم ونفهم تطبيقاتهم وخصائصهم.

سبائك سلسلة 1xxx(غير قابلة للمعالجة الحرارية - بقوة شد قصوى تتراوح بين 10 و27 كيلوباسكال) تُعرف هذه السلسلة غالبًا باسم سلسلة الألومنيوم النقي، نظرًا لاشتراط احتوائها على 99% على الأقل من الألومنيوم. وهي قابلة للحام، ولكن نظرًا لنطاق انصهارها الضيق، فإنها تتطلب مراعاة بعض الاعتبارات لضمان إجراءات لحام مقبولة. عند النظر في استخدامها في التصنيع، تُختار هذه السبائك بشكل أساسي لمقاومتها الفائقة للتآكل، كما هو الحال في خزانات وأنابيب المواد الكيميائية المتخصصة، أو لموصليتها الكهربائية الممتازة، كما هو الحال في تطبيقات قضبان التوصيل. تتميز هذه السبائك بخصائص ميكانيكية ضعيفة نسبيًا، ونادرًا ما تُستخدم في التطبيقات الإنشائية العامة. غالبًا ما تُلحم هذه السبائك الأساسية باستخدام مادة حشو مطابقة أو باستخدام سبائك حشو من سلسلة 4xxx، وذلك حسب التطبيق ومتطلبات الأداء.

سبائك سلسلة 2xxx– (قابلة للمعالجة الحرارية – بقوة شد قصوى تتراوح بين 27 و62 كيلوباسكال) هي سبائك من الألومنيوم والنحاس (بنسبة إضافة نحاس تتراوح بين 0.7 و6.8%)، وهي سبائك عالية القوة والأداء، تُستخدم غالبًا في تطبيقات الفضاء والطيران. تتميز هذه السبائك بقوة ممتازة في نطاق واسع من درجات الحرارة. بعض هذه السبائك غير قابلة للحام باستخدام اللحام القوسي نظرًا لحساسيتها للتشقق الساخن وتشققات التآكل الإجهادي؛ ومع ذلك، يمكن لحام البعض الآخر بنجاح كبير باستخدام إجراءات اللحام الصحيحة. غالبًا ما تُلحم هذه المواد الأساسية باستخدام سبائك حشو عالية القوة من سلسلة 2xxx مصممة لتتوافق مع أدائها، ولكن يمكن أحيانًا لحامها باستخدام سبائك حشو من سلسلة 4xxx تحتوي على السيليكون أو السيليكون والنحاس، وذلك حسب التطبيق ومتطلبات الخدمة.

سبائك سلسلة 3xxx(غير قابلة للمعالجة الحرارية - بقوة شد قصوى تتراوح بين 16 و41 كيلوباسكال) هذه سبائك من الألومنيوم والمنغنيز (بنسبة إضافة منغنيز تتراوح بين 0.05 و1.8%)، وتتميز بقوة متوسطة، ومقاومة جيدة للتآكل، وقابلية تشكيل جيدة، وهي مناسبة للاستخدام في درجات حرارة مرتفعة. كان من أوائل استخداماتها صناعة الأواني والمقالي، وهي اليوم المكون الرئيسي للمبادلات الحرارية في المركبات ومحطات توليد الطاقة. مع ذلك، فإن قوتها المتوسطة غالباً ما تحول دون استخدامها في التطبيقات الإنشائية. تُلحم هذه السبائك الأساسية بسبائك حشو من سلسلة 1xxx و4xxx و5xxx، وذلك حسب تركيبها الكيميائي المحدد ومتطلبات التطبيق والخدمة الخاصة بها.

سبائك سلسلة 4xxx– (قابلة للمعالجة الحرارية وغير قابلة لها – بقوة شد قصوى تتراوح بين 25 و55 كيلوباسكال) هذه سبائك من الألومنيوم/السيليكون (بنسبة سيليكون تتراوح بين 0.6% و21.5%)، وهي السلسلة الوحيدة التي تضم سبائك قابلة للمعالجة الحرارية وأخرى غير قابلة لها. عند إضافة السيليكون إلى الألومنيوم، تنخفض درجة انصهاره وتتحسن سيولته عند انصهاره. هذه الخصائص مرغوبة في مواد الحشو المستخدمة في كل من اللحام الانصهاري واللحام بالنحاس. ونتيجة لذلك، تُستخدم هذه السلسلة من السبائك بشكل أساسي كمادة حشو. السيليكون، بحد ذاته في الألومنيوم، غير قابل للمعالجة الحرارية؛ ومع ذلك، صُممت بعض سبائك السيليكون هذه بإضافة المغنيسيوم أو النحاس، مما يمنحها القدرة على الاستجابة بشكل جيد للمعالجة الحرارية. عادةً، تُستخدم سبائك الحشو القابلة للمعالجة الحرارية هذه فقط عندما يُراد إخضاع المكون الملحوم لمعالجات حرارية لاحقة للحام.

سبائك سلسلة 5xxx(غير قابلة للمعالجة الحرارية - بقوة شد قصوى تتراوح بين 18 و51 كيلوباسكال) هذه سبائك من الألومنيوم/المغنيسيوم (بنسبة إضافة مغنيسيوم تتراوح بين 0.2 و6.2%)، وتتميز بأعلى قوة بين السبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية. إضافةً إلى ذلك، تتميز هذه السلسلة من السبائك بسهولة لحامها، ولذلك تُستخدم في تطبيقات متنوعة مثل بناء السفن، والنقل، وأوعية الضغط، والجسور، والمباني. غالبًا ما تُلحم سبائك المغنيسيوم الأساسية باستخدام سبائك حشو، يتم اختيارها بناءً على محتوى المغنيسيوم في المادة الأساسية، وظروف التطبيق والخدمة للمكون الملحوم. لا يُنصح باستخدام السبائك في هذه السلسلة التي تحتوي على أكثر من 3.0% مغنيسيوم في درجات حرارة مرتفعة تتجاوز 150 درجة فهرنهايت، نظرًا لاحتمالية تحسسها وما يترتب على ذلك من قابلية لتشقق التآكل الإجهادي. أما السبائك الأساسية التي تحتوي على أقل من 2.5% مغنيسيوم تقريبًا، فغالبًا ما تُلحم بنجاح باستخدام سبائك الحشو من سلسلتي 5xxx أو 4xxx. تُعتبر سبيكة 5052 الأساسية عمومًا السبيكة ذات أعلى محتوى من المغنيسيوم التي يمكن لحامها باستخدام سبيكة حشو من سلسلة 4xxx. ونظرًا للمشاكل المرتبطة بالانصهار اليوتكتيكي وما يترتب عليه من ضعف الخواص الميكانيكية بعد اللحام، لا يُنصح بلحام المواد من هذه السلسلة، التي تحتوي على كميات أكبر من المغنيسيوم، باستخدام سبائك الحشو من سلسلة 4xxx. أما المواد الأساسية ذات المحتوى العالي من المغنيسيوم، فيتم لحامها فقط باستخدام سبائك الحشو من سلسلة 5xxx، والتي تتطابق عمومًا مع تركيب السبيكة الأساسية.

سبائك سلسلة 6XXX(قابلة للمعالجة الحرارية - بقوة شد قصوى تتراوح بين 18 و58 كيلوباسكال) هذه سبائك من الألومنيوم/المغنيسيوم-السيليكون (بإضافة حوالي 1% من المغنيسيوم والسيليكون)، وتُستخدم على نطاق واسع في صناعة اللحام والتصنيع، وخاصةً في شكل مقاطع مبثوقة، وتُدمج في العديد من المكونات الهيكلية. ينتج عن إضافة المغنيسيوم والسيليكون إلى الألومنيوم مركب سيليسيد المغنيسيوم، مما يمنح هذه المادة إمكانية معالجتها حراريًا بالمحلول لتحسين قوتها. هذه السبائك حساسة بطبيعتها لتشقق التصلب، ولهذا السبب، لا ينبغي لحامها بالقوس الكهربائي ذاتيًا (بدون مادة حشو). تُعد إضافة كميات كافية من مادة الحشو أثناء عملية اللحام بالقوس الكهربائي أمرًا ضروريًا لتخفيف المادة الأساسية، وبالتالي منع مشكلة التشقق الساخن. يتم لحامها باستخدام مواد حشو من نوع 4xxx و5xxx، حسب التطبيق ومتطلبات الخدمة.

سبائك سلسلة 7XXX(قابلة للمعالجة الحرارية - بقوة شد قصوى تتراوح بين 32 و88 كيلوباسكال) هذه سبائك من الألومنيوم والزنك (بنسبة إضافة زنك تتراوح بين 0.8 و12.0%)، وتُعدّ من بين سبائك الألومنيوم ذات القوة الأعلى. تُستخدم هذه السبائك بكثرة في التطبيقات عالية الأداء، مثل صناعة الطائرات والفضاء والمعدات الرياضية التنافسية. وكما هو الحال في سلسلة سبائك 2xxx، تضم هذه السلسلة سبائك تُعتبر غير مناسبة للحام القوسي، وأخرى تُلحم بنجاح باستخدام هذه التقنية. أما السبائك الشائعة اللحام في هذه السلسلة، مثل 7005، فتُلحم في الغالب باستخدام سبائك الحشو من سلسلة 5xxx.

ملخصتُشكّل سبائك الألومنيوم الحديثة، بمختلف أنواعها، مجموعة واسعة ومتنوعة من مواد التصنيع. ولتحقيق تصميم مثالي للمنتجات وتطوير إجراءات لحام ناجحة، من المهم فهم الاختلافات بين السبائك المتوفرة وخصائص أدائها وقابليتها للحام. عند تطوير إجراءات اللحام بالقوس الكهربائي لهذه السبائك المختلفة، يجب مراعاة السبيكة المحددة المراد لحامها. يُقال غالبًا أن لحام الألومنيوم بالقوس الكهربائي ليس صعبًا، "إنه ببساطة مختلف". أعتقد أن جزءًا مهمًا من فهم هذه الاختلافات هو الإلمام بالسبائك المختلفة وخصائصها ونظام تعريفها.