مع نمو الألومنيوم في صناعة تصنيع اللحام، وقبوله كبديل ممتاز للصلب في العديد من التطبيقات، هناك متطلبات متزايدة لأولئك المشاركين في تطوير مشاريع الألومنيوم ليصبحوا أكثر دراية بهذه المجموعة من المواد. لفهم الألمنيوم بشكل كامل، من المستحسن أن تبدأ بالتعرف على نظام تحديد / تعيين الألومنيوم، وسبائك الألومنيوم العديدة المتاحة وخصائصها.

نظام تسمية سبائك الألومنيوم ومزاجها- في أمريكا الشمالية، تتولى شركة Aluminium Association Inc. مسؤولية تخصيص وتسجيل سبائك الألومنيوم. يوجد حاليًا ما يزيد عن 400 من سبائك الألومنيوم والألمنيوم المطاوع وأكثر من 200 من سبائك الألومنيوم على شكل مصبوبات وسبائك مسجلة لدى جمعية الألومنيوم. إن حدود التركيب الكيميائي للسبائك لجميع هذه السبائك المسجلة موجودة في جمعية الألومنيومكتاب تيلبعنوان "التسميات الدولية للسبائك وحدود التركيب الكيميائي للألمنيوم المطاوع وسبائك الألومنيوم المطاوع" وفي أحكامهاالكتاب الورديبعنوان "التسميات وحدود التركيب الكيميائي لسبائك الألومنيوم على شكل مسبوكات وسبائك". يمكن أن تكون هذه المنشورات مفيدة للغاية لمهندس اللحام عند تطوير إجراءات اللحام، وعندما يكون النظر في الكيمياء وارتباطها بحساسية التشقق أمرًا مهمًا.

يمكن تصنيف سبائك الألومنيوم إلى عدد من المجموعات بناءً على خصائص المادة المعينة مثل قدرتها على الاستجابة للمعالجة الحرارية والميكانيكية وعنصر السبائك الأساسي المضاف إلى سبائك الألومنيوم. عندما ننظر إلى نظام الترقيم/التعريف المستخدم لسبائك الألومنيوم، يتم تحديد الخصائص المذكورة أعلاه. لدى الألمنيوم المطاوع والمصبوب أنظمة مختلفة لتحديد الهوية. النظام المطاوع هو نظام مكون من 4 أرقام والمسبوكات بها نظام مكان مكون من 3 أرقام ورقم عشري واحد.

نظام تسمية السبائك المطاوع- سنأخذ بعين الاعتبار أولاً نظام التعرف على سبائك الألومنيوم المكون من 4 أرقام. الرقم الأول (Xيشير xxx) إلى عنصر صناعة السبائك الرئيسي، الذي تمت إضافته إلى سبائك الألومنيوم وغالبًا ما يستخدم لوصف سلسلة سبائك الألومنيوم، على سبيل المثال، سلسلة 1000، سلسلة 2000، سلسلة 3000، حتى سلسلة 8000 (انظر الجدول 1).

الرقم الفردي الثاني (xXxx)، إذا كان مختلفًا عن 0، يشير إلى تعديل السبيكة المحددة، والرقمين الثالث والرابع (xxXX) هي أرقام عشوائية تُعطى لتحديد سبيكة معينة في السلسلة. مثال: في السبيكة 5183، الرقم 5 يشير إلى أنها من سلسلة سبائك المغنيسيوم، الرقم 1 يشير إلى أنها 1^stتعديل على السبيكة الأصلية 5083، و83 تحددها في سلسلة 5xxx.

الاستثناء الوحيد لنظام ترقيم السبائك هذا هو مع سبائك الألومنيوم من سلسلة 1xxx (الألومنيوم النقي) وفي هذه الحالة، يوفر آخر رقمين الحد الأدنى لنسبة الألومنيوم التي تزيد عن 99%، أي سبيكة 13(50)(99.50% الحد الأدنى من الألومنيوم).

نظام تصميم سبائك الألومنيوم المطاوع

الجدول 1

تسمية سبائك الزهر- يعتمد نظام تصنيف السبائك المصبوبة على تصنيف عشري مكون من 3 أرقام بالإضافة إلى xxx.x (أي 356.0). الرقم الأول (Xيشير xx.x) إلى عنصر صناعة السبائك الرئيسي الذي تمت إضافته إلى سبائك الألومنيوم (انظر الجدول 2).

نظام تصميم سبائك الألومنيوم المصبوب

الجدول 2

الرقمان الثاني والثالث (xXX.x) هي أرقام عشوائية تُعطى لتحديد سبيكة معينة في السلسلة. يشير الرقم الذي يلي العلامة العشرية إلى ما إذا كانت السبيكة عبارة عن صب (.0) أو سبيكة (.1 أو .2). تشير البادئة ذات الحرف الكبير إلى إجراء تعديل على سبيكة معينة.
مثال: سبيكة - A356.0 العاصمة A (Axxx.x) يشير إلى تعديل السبيكة 356.0. الرقم 3 (أ3يشير xx.x) إلى أنه من سلسلة السيليكون بالإضافة إلى النحاس و/أو المغنيسيوم. 56 في (الفأس56.0) يحدد السبيكة الموجودة في سلسلة 3xx.x، و.0 (Axxx.0) يدل على أنها صب بالشكل النهائي وليست سبيكة.

نظام تحديد مزاج الألمنيوم -إذا نظرنا إلى سلسلة مختلفة من سبائك الألومنيوم، فسنرى أن هناك اختلافات كبيرة في خصائصها وتطبيقاتها اللاحقة. النقطة الأولى التي يجب إدراكها، بعد فهم نظام التعريف، هي أن هناك نوعين مختلفين تمامًا من الألومنيوم ضمن السلسلة المذكورة أعلاه. هذه هي سبائك الألومنيوم القابلة للمعالجة بالحرارة (تلك التي يمكن أن تكتسب القوة من خلال إضافة الحرارة) وسبائك الألومنيوم غير القابلة للمعالجة بالحرارة. هذا التمييز مهم بشكل خاص عند النظر في تأثيرات اللحام القوسي على هذين النوعين من المواد.

إن سبائك الألومنيوم المطاوع من سلسلة 1xxx و3xxx و5xxx غير قابلة للمعالجة بالحرارة وقابلة للتصلب بالإجهاد فقط. إن سبائك الألومنيوم المطاوع من سلسلة 2xxx، و6xxx، و7xxx قابلة للمعالجة بالحرارة، وتتكون سلسلة 4xxx من سبائك قابلة للمعالجة بالحرارة وسبائك غير قابلة للمعالجة بالحرارة. إن سبائك الصب من سلسلة 2xx.x و3xx.x و4xx.x و7xx.x قابلة للمعالجة الحرارية. لا يتم تطبيق تصلب الانفعال بشكل عام على المسبوكات.

تكتسب السبائك القابلة للمعالجة بالحرارة خواصها الميكانيكية المثالية من خلال عملية المعالجة الحرارية، وأكثر المعالجات الحرارية شيوعًا هي المعالجة الحرارية بالمحلول والتعمير الاصطناعي. المعالجة الحرارية للمحلول هي عملية تسخين السبيكة إلى درجة حرارة مرتفعة (حوالي 990 درجة فهرنهايت) من أجل وضع عناصر أو مركبات صناعة السبائك في المحلول. ويتبع ذلك التبريد، عادة في الماء، لإنتاج محلول مفرط التشبع في درجة حرارة الغرفة. عادة ما يتبع المعالجة الحرارية للمحلول الشيخوخة. التعمير هو ترسيب جزء من العناصر أو المركبات من محلول فوق مشبع من أجل الحصول على خصائص مرغوبة.

تكتسب السبائك غير القابلة للمعالجة بالحرارة خواصها الميكانيكية المثالية من خلال تصلب الانفعال. تصلب الإجهاد هو وسيلة لزيادة القوة من خلال تطبيق العمل البارد.T6، 6063-T4, 5052-ح32, 5083-ح112.

تسميات المزاج الأساسية

الجدول 3

بالإضافة إلى تسمية المزاج الأساسية، هناك فئتان فرعيتان، واحدة تتناول درجة الحرارة "H" - تصلب الإجهاد، والأخرى تتناول درجة الحرارة "T" - تسمية المعالجة حرارياً.

تقسيمات H المزاج – سلالة تصلب

يشير الرقم الأول بعد H إلى عملية أساسية:
H1- سلالة تصلب فقط.
H2- سلالة تصلب وتصلب جزئيا.
H3- سلالة تصلب واستقرت.
H4– سلالة تصلب ومطلية أو مطلية.

الرقم الثاني بعد H يشير إلى درجة تصلب الإجهاد:
HX2- ربع هارد HX4– نصف هارد HX6– ثلاثة أرباع صعبة
HX8- هارد HX كامل9- صعب للغاية

تقسيمات T Temper – المعالجة حرارياً

T1- تعتّق بشكل طبيعي بعد التبريد من عملية تشكيل بدرجة حرارة مرتفعة، مثل البثق.
T2- يتم العمل على البارد بعد التبريد من عملية تشكيل بدرجة حرارة مرتفعة ثم يتم تعتيقه بشكل طبيعي.
T3- المحلول معالج بالحرارة والمعالجة على البارد ومعتق بشكل طبيعي.
T4- المحلول معالج حرارياً ومعتّق طبيعياً.
T5- تعتيق صناعياً بعد التبريد من عملية التشكيل بدرجة حرارة مرتفعة.
T6- المحلول معالج بالحرارة ومعتّق صناعياً.
T7- المحلول معالج حرارياً ومثبت (مبالغ فيه).
T8- المحلول معالج بالحرارة والبارد ومعتّق صناعياً.
T9- المحلول معالج حرارياً ومعتقاً صناعياً ومعتدلاً على البارد.
T10- يتم العمل على البارد بعد التبريد من عملية تشكيل بدرجة حرارة مرتفعة ثم يتم تعتيقه بشكل مصطنع.

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

سبائك الألومنيوم وخصائصها- إذا نظرنا إلى السلسلة السبعة من سبائك الألومنيوم المطاوع، فسوف نقدر الاختلافات بينها ونفهم تطبيقاتها وخصائصها.

سبائك سلسلة 1xxx- (غير قابلة للمعالجة بالحرارة - مع قوة شد نهائية تتراوح من 10 إلى 27 كيلو لكل بوصة مربعة) يُشار إلى هذه السلسلة غالبًا باسم سلسلة الألومنيوم النقي لأنه مطلوب أن تحتوي على 99.0% كحد أدنى من الألومنيوم. فهي قابلة للحام. ومع ذلك، نظرًا لنطاق ذوبانها الضيق، فإنها تتطلب اعتبارات معينة من أجل إنتاج إجراءات لحام مقبولة. عند النظر في التصنيع، يتم اختيار هذه السبائك في المقام الأول لمقاومتها الفائقة للتآكل كما هو الحال في الخزانات والأنابيب الكيميائية المتخصصة، أو لتوصيلها الكهربائي الممتاز كما هو الحال في تطبيقات قضبان التوصيل. تتمتع هذه السبائك بخصائص ميكانيكية سيئة نسبيًا ونادرا ما يتم أخذها في الاعتبار للتطبيقات الهيكلية العامة. غالبًا ما يتم لحام هذه السبائك الأساسية بمادة حشو مطابقة أو بسبائك حشو 4xxx اعتمادًا على متطلبات التطبيق والأداء.

سبائك سلسلة 2xxx- (قابلة للمعالجة بالحرارة - مع قوة شد نهائية تتراوح من 27 إلى 62 كيلو باسكال) وهي عبارة عن سبائك الألومنيوم / النحاس (تتراوح إضافات النحاس من 0.7 إلى 6.8٪)، وهي سبائك عالية القوة وعالية الأداء تستخدم غالبًا في تطبيقات الفضاء الجوي والطائرات. لديهم قوة ممتازة على نطاق واسع من درجات الحرارة. تعتبر بعض هذه السبائك غير قابلة للحام من خلال عمليات اللحام بالقوس الكهربائي بسبب قابليتها للتكسير الساخن والتكسير الناتج عن التآكل الإجهادي؛ ومع ذلك، يتم لحام البعض الآخر بالقوس بنجاح كبير باستخدام إجراءات اللحام الصحيحة. غالبًا ما تكون هذه المواد الأساسية ملحومة بسبائك حشو من سلسلة 2xxx عالية القوة مصممة لتتناسب مع أدائها، ولكن يمكن في بعض الأحيان أن تكون ملحومة بحشوات سلسلة 4xxx التي تحتوي على السيليكون أو السيليكون والنحاس، اعتمادًا على متطلبات التطبيق والخدمة.

سبائك سلسلة 3xxx- (غير قابلة للمعالجة بالحرارة - مع قوة شد نهائية تتراوح من 16 إلى 41 كيلو باسكال) وهي سبائك الألومنيوم / المنغنيز (إضافات المنغنيز تتراوح من 0.05 إلى 1.8٪) وهي ذات قوة معتدلة، ولها مقاومة جيدة للتآكل، وقابلية تشكيل جيدة ومناسبة للاستخدام في درجات حرارة مرتفعة. كان أحد استخداماتها الأولى هو القدور والمقالي، وهي المكون الرئيسي اليوم للمبادلات الحرارية في المركبات ومحطات الطاقة. ومع ذلك، فإن قوتها المعتدلة غالبا ما تحول دون النظر في التطبيقات الهيكلية. يتم لحام هذه السبائك الأساسية بسبائك الحشو من سلسلة 1xxx و4xxx و5xxx، اعتمادًا على كيمياءها المحددة ومتطلبات التطبيقات والخدمة الخاصة بها.

سبائك سلسلة 4xxx- (قابلة للمعالجة بالحرارة وغير قابلة للمعالجة بالحرارة - مع قوة شد نهائية تتراوح من 25 إلى 55 كيلو رطل لكل بوصة مربعة) هذه هي سبائك الألومنيوم / السيليكون (إضافات السيليكون تتراوح من 0.6 إلى 21.5٪) وهي السلسلة الوحيدة التي تحتوي على كل من سبائك الألومنيوم / السيليكون القابلة للمعالجة الحرارية وغير القابلة للمعالجة. سبائك قابلة للمعالجة بالحرارة. عند إضافة السيليكون إلى الألومنيوم فإنه يقلل من درجة انصهاره ويحسن سيولته عند صهره. هذه الخصائص مرغوبة بالنسبة لمواد الحشو المستخدمة في كل من اللحام بالصهر والنحاس. ونتيجة لذلك، يتم العثور على هذه السلسلة من السبائك في الغالب كمواد حشو. السيليكون، بشكل مستقل عن الألومنيوم، غير قابل للمعالجة بالحرارة؛ ومع ذلك، فقد تم تصميم عدد من سبائك السيليكون هذه بحيث تحتوي على إضافات من المغنيسيوم أو النحاس، مما يوفر لها القدرة على الاستجابة بشكل إيجابي للمعالجة الحرارية للمحلول. عادةً، يتم استخدام سبائك الحشو القابلة للمعالجة بالحرارة فقط عندما يتم إخضاع المكون الملحوم للمعالجات الحرارية بعد اللحام.

سبائك سلسلة 5xxx– (غير قابلة للمعالجة بالحرارة – مع قوة شد نهائية تتراوح من 18 إلى 51 كيلو باسكال) وهي سبائك الألومنيوم / المغنيسيوم (إضافات المغنيسيوم تتراوح من 0.2 إلى 6.2٪) ولها أعلى قوة من السبائك غير القابلة للمعالجة بالحرارة. بالإضافة إلى ذلك، سلسلة السبائك هذه قابلة للحام بسهولة، ولهذا السبب يتم استخدامها لمجموعة واسعة من التطبيقات مثل بناء السفن والنقل وأوعية الضغط والجسور والمباني. غالبًا ما يتم لحام سبائك المغنيسيوم الأساسية بسبائك حشو، والتي يتم اختيارها بعد الأخذ في الاعتبار محتوى المغنيسيوم في المادة الأساسية، وظروف التطبيق والخدمة للمكون الملحوم. لا يُنصح باستخدام السبائك في هذه السلسلة التي تحتوي على أكثر من 3.0% من الماغنيسيوم في درجات حرارة مرتفعة تزيد عن 150 درجة فهرنهايت نظرًا لقدرتها على التحسس والقابلية اللاحقة للتكسير الناتج عن التآكل الإجهادي. غالبًا ما يتم لحام السبائك الأساسية التي تحتوي على أقل من 2.5% تقريبًا من المغنسيوم بنجاح باستخدام سبائك الحشو من سلسلة 5xxx أو 4xxx. يتم التعرف بشكل عام على السبيكة الأساسية 5052 باعتبارها السبيكة الأساسية ذات المحتوى الأقصى من المغنيسيوم والتي يمكن لحامها بسبيكة حشو من سلسلة 4xxx. بسبب المشاكل المرتبطة بالذوبان سهل الانصهار وما يرتبط به من خواص ميكانيكية سيئة للحام، لا يوصى بلحام المواد في سلسلة السبائك هذه، التي تحتوي على كميات أعلى من المغنيسيوم مع حشوات سلسلة 4xxx. يتم لحام المواد الأساسية من المغنيسيوم الأعلى فقط بسبائك حشو 5xxx، والتي تتطابق عمومًا مع تركيبة السبائك الأساسية.

سبائك سلسلة 6XXX- (قابلة للمعالجة بالحرارة - مع قوة شد نهائية تتراوح من 18 إلى 58 كيلو لكل بوصة مربعة) هذه هي سبائك الألومنيوم / المغنيسيوم والسيليكون (إضافات المغنيسيوم والسيليكون حوالي 1.0٪) وتوجد على نطاق واسع في جميع أنحاء صناعة تصنيع اللحام، وتستخدم في الغالب في شكل سحب، ودمجها في العديد من المكونات الهيكلية. تؤدي إضافة المغنيسيوم والسيليكون إلى الألومنيوم إلى إنتاج مركب من سيليسيد المغنيسيوم، والذي يوفر لهذه المادة قدرتها على أن تصبح محلولًا معالجًا حراريًا لتحسين القوة. هذه السبائك حساسة للتشققات والتصلب بشكل طبيعي، ولهذا السبب، لا ينبغي أن تكون ملحومة بالقوس ذاتيًا (بدون مادة حشو). تعد إضافة كميات كافية من مادة الحشو أثناء عملية اللحام بالقوس الكهربائي أمرًا ضروريًا لتوفير تخفيف للمادة الأساسية، وبالتالي منع مشكلة التكسير الساخن. وهي ملحومة بمواد الحشو 4xxx و5xxx، اعتمادًا على التطبيق ومتطلبات الخدمة.

سبائك سلسلة 7XXX- (قابلة للمعالجة بالحرارة - مع قوة شد نهائية تتراوح من 32 إلى 88 كيلو باسكال) هذه هي سبائك الألومنيوم / الزنك (تتراوح إضافات الزنك من 0.8 إلى 12.0٪) وتشتمل على بعض سبائك الألومنيوم الأعلى قوة. غالبًا ما تستخدم هذه السبائك في التطبيقات عالية الأداء مثل الطائرات والفضاء والمعدات الرياضية التنافسية. مثل سلسلة 2xxx من السبائك، تشتمل هذه السلسلة على سبائك تعتبر مرشحة غير مناسبة للحام القوسي، وغيرها، والتي غالبًا ما يتم لحامها بالقوس بنجاح. السبائك الملحومة بشكل شائع في هذه السلسلة، مثل 7005، تكون ملحومة في الغالب بسبائك الحشو من سلسلة 5xxx.

ملخص- تشتمل سبائك الألومنيوم اليوم، إلى جانب درجاتها المختلفة، على مجموعة واسعة ومتعددة الاستخدامات من مواد التصنيع. للحصول على التصميم الأمثل للمنتج وتطوير إجراءات اللحام الناجحة، من المهم فهم الاختلافات بين العديد من السبائك المتاحة وأداءها المتنوع وخصائص قابلية اللحام. عند تطوير إجراءات اللحام القوسي لهذه السبائك المختلفة، يجب مراعاة السبائك المحددة التي يتم لحامها. كثيرا ما يقال أن اللحام القوسي للألمنيوم ليس بالأمر الصعب، "إنه مختلف فقط". أعتقد أن جزءًا مهمًا من فهم هذه الاختلافات هو التعرف على السبائك المختلفة وخصائصها ونظام تحديد هويتها.