Bekijk alle
categorieen

Lassen van aluminium met haar legeringen

Zuiver aluminium heeft een relatief lage sterkte maar daarentegen een grote taaiheid zelfs tot zeer lage temperaturen. Door zuiver aluminium koud te vervormen of te legeren kan men de sterkte verhogen, maar ook betere corrosie eigenschappen verkrijgen. Afhankelijk van de legeringselementen kan men een oplossingshardende legering (Mg – Mn – Si) of een precipitatiehardende legering (Cu – Mg in combinatie met Si of Zn) verkrijgen. De precipitatiehardende legeringen dienen altijd aansluitend warmtebehandeld te worden. Door op de hierboven omschreven wijze te legeren, zijn vele soorten aluminium verkrijgbaar.

De legeringselementen kan men onderscheiden in primaire en secundaire legeringselementen. De primaire legeringselementen zijn koper, magnesium, zink, mangaan en silicium. Over het algemeen hebben deze elementen in aluminiumlegeringen de volgende eigenschappen:
• Koper geeft een aanzienlijke verhoging van de sterkte.
• Silicium maakt de legering dun vloeibaar, dit is vooral van belang bij gietlegeringen en lastoevoegmaterialen.
• Mangaan verhoogt enigszins de sterkte en zorgt tevens voor een zeer goede vervormbaarheid.
• Magnesium zorgt voor een aanzienlijke verhoging van de sterkte terwijl een goede corrosieweerstand gewaarborgd blijft. Magnesium in combinatie met silicium geeft een legering die de sterkte verhoogt en tegelijkertijd met een betere vervormbaarheid en extrudeerbaarheid.
• Zink gecombineerd met koper en magnesium geeft een legering met een aanzienlijk hogere sterkte. Deze groep van legeringen geeft een natuurlijk herstel van de, onder invloed van het lassen, zacht geworden warmte beïnvloede zone.

Tot de secundaire legeringselementen horen onder andere chroom, ijzer, zirkoon, vanadium, bismut, nikkel en titaan. Deze elementen worden toegevoegd om specifieke eigenschappen, gericht op een toepassing, aan de legeringen te geven zoals bijvoorbeeld betere:
• Warmtebehandelingseigenschappen
• Specifieke sterkten
• Specifieke corrosiebestendigheid

De elementen Ti – Zr – Be en B worden vaak toegevoegd als korrelverfijners. De secundaire legeringselementen beïnvloeden de lasbaarheid.

 

Aanduiding volgens Aluminium Association

De internationaal erkende AA-codering volgens Aluminium Association maakt de keuze van een aluminium legering voor een bepaalde toepassing eenvoudiger. Deze codering benoemt aluminium en vrijwel al haar legeringen. Er is een codering voor de kneed- en gietlegeringen. We beperken ons hier tot de kneedlegeringen. Voor de kneedlegeringen geldt:
deel 1: een viercijferige code gevolgd door;
deel 2: een letter, eventueel gevolgd door één of meer cijfers die de toestand na een bewerking aangeven.Bijvoorbeeld:

aluminium-legeringen-afbeelding-3

 

Voor de gietlegeringen geldt, dat er een driecijferig getal plus één decimaal wordt gebruikt om iedere legering te onderscheiden. Het eerste cijfer geeft wederom de hoofdlegering aan. Bij de gietlegeringen ontbreekt het modificatiegetal van de kneedlegering. In plaats daarvan worden modificaties hier aangegeven door een prefix (voorvoegsel) in de vorm van een letter. Het tweede en het derde nummer zijn wederom willekeurige getallen die de specifieke legering indiceren.

 

Niet-warmtebehandelbare legeringen ten opzichte van de warmtebehandelbare legeringen

Niet-warmtebehandelbare legeringen:
Het verhogen van de sterkte van de 1xxx, 3xxx, 4xxx en 5xxx legeringen is mogelijk door middel van koudvervormen. Het koudvervormen veroorzaakt een wijziging in de metallografische structuur. Deze structuurwijziging verhoogt de sterkte en verlaagt de vervormbaarheid.

De 1xxx serie zijn geen legeringen maar worden voor het gemak toch Al-legeringen genoemd. Ze worden voornamelijk gebruikt voor hun superieure corrosieweerstand in bijvoorbeeld chemische opslagtanks en pijpleidingen. Dankzij de goede elektrische geleidingseigenschappen worden zij ook voor elektrische aansluitgeleiders toegepast. De 3xxx serie met toevoeging van mangaan heeft een hogere sterkte. Deze legeringen zijn goed koud vervormbaar zonder verlies aan corrosieweerstand. Deze groep van legeringen is niet gevoelig voor warmscheuren. Een typisch toepassingsgebied van de 3xxx serie zijn algemene aluminium constructies.

De 4xxx serie is gelegeerd met silicium. De silicium toevoeging heeft als gevolg dat het smeltpunt van de legering omlaag gaat, hetgeen de vloeibaarheid verbetert
en daardoor uitermate geschikt is als lastoevoegmateriaal.

De 5xxx serie, AlMg-legering, heeft de hoogste sterkte van de niet warmtebehandelbare legeringen. Hierdoor is deze legering bij uitstek geschikt voor het gebruik in hoger belaste constructies. Deze legeringen hebben een goede lasbaarheid, zijn nauwelijks gevoelig voor warmscheuren en geven na het lassen geen noemenswaardig sterkteverlies. Bij het lassen van de niet-warmtebehandelbare legeringen ontstaat een warmte beïnvloede zone (WBZ). Elke WBZ doorloopt een temperatuurcyclus van smeltpunt tot kamertemperatuur. Er zal zodoende altijd een zone ontstaan die de rekristallisatietemperatuur van ongeveer 345°C overschrijdt. Hierdoor neemt plaatselijk de sterkte af waardoor in de praktijk de ontwerpsterkte aangepast dient te worden.

De hoge sterkte 5xxx serie legeringen (5083, 5086 en 5456) zijn populair in gelaste aluminium constructies. Dit omdat ze minder gevoelig zijn voor sterkteverlies in de WBZ en een uitstekende ductiliteit hebben. Daardoor kan grote deformatie opgenomen worden voordat scheurvorming optreedt.

 aluminium-legeringen-afbeelding-2

aluminium-legeringen-afbeelding-4

 

Warmtebehandelbare legeringen

De warmtebehandelbare legeringen, de serie 2xxx, 6xxx en 7xxx bevatten elementen die zowel individueel als in combinatie de sterkte aanzienlijk kunnen verhogen door een optimale warmtebehandeling. Dit wordt veroorzaakt door precipitatieharding. Precipitatieharding is een combinatie van oplosgloeien en een precipitatie gloeiing. Hierdoor ontstaan uitscheidingen (precipitaten) in het basismateriaal die sterkte verhogend werken. Afhankelijk van de legering en de gewenste eigenschappen varieert de gloeibehandeling.

De koper gelegeerde 2xxx serie heeft een aanzienlijk hogere sterkte en wordt als slecht lasbaar beschouwd. Ze zijn zeer warmscheurgevoelig. De legeringen 2014, 2219 en 2519 zijn lasbaar mits men aan bepaalde voorwaarden voldoet.

De combinatie van silicium en magnesium als legeringselementen in de 6xxx serie, geeft magnesium-silicaten, die zorg dragen voor een gemiddelde sterkte na warmtebehandeling. Hoewel deze legeringen gevoelig zijn voor warmscheuren zijn ze redelijk lasbaar bij de juiste keuze van naadvoorbewerking en lastoevoegmateriaal. In de gelaste toestand treedt een aanzienlijk sterkteverlies op. Door een juiste warmtebehandeling na het lassen kan de sterkte hersteld worden.

De aluminium legeringen uit de 7xxx serie geven de hoogste sterkte klasse. De legeringen uit deze groep met een hoog kopergehalte zijn niet lasbaar, bijvoorbeeld legering 7075, door een ontoelaatbaar sterkte verlies. Daarnaast zijn ze ook zeer gevoelig voor warmscheuren. De lager gelegeerde koperhoudende typen zoals bijvoorbeeld 7004, 7005 en 7039 kunnen wel gelast worden, omdat de WBZ door veroudering zich hersteld na verloop van tijd.

De 8xxx serie is gereserveerd voor aluminium dat met andere elementen is gelegeerd. De meeste van deze legeringen worden doorgaans niet gelast.

Bij de warmtebehandelbare legeringen treedt als gevolg van lassen op de smeltlijn en WBZ een degradatie van materiaaleigenschappen op. Dit wordt veroorzaakt door het oplossen van precipitaten (2xxx serie) of groei van precipitaten (6xxx serie). De keuze van de lasprocedure is bepalend voor de materiaaldegradatie. Hoge warmte-inbreng en voorwarmen veroorzaken sterkteverlies en bepalen de uiteindelijke breedte van de warmte beïnvloede zone. Warmtebehandelingen kunnen deze negatieve effecten min of meer oplossen. Een ander belangrijk onderdeel in de warmte beïnvloede zone van deze legeringen is de smeltlijnzone. Hier kunnen zeer laagsmeltende fases ontstaan tijdens het lassen en bij voldoende trekspanningen in deze zone treedt scheurvorming op. Hoe hoger de warmte-inbreng hoe gevoeliger deze zone is voor warmscheuren. De chemische samenstelling van het lastoevoegmateriaal speelt hierbij een belangrijke rol. Laagsmeltende lastoevoegmaterialen verlagen de scheurgevoeligheid vanwege de lagere krimpspanning door de lagere temperatuur.

aluminium-legeringen-afbeelding 

 

Samenvatting Al-legeringen

Aluminium en haar legeringen hebben een ongekend pakket aan eigenschappen zoals licht in gewicht, sterk en corrosiebestendig. Ze hebben een uitstekend geleidingsvermogen zowel thermisch als elektrisch en een uitstekend reflectievermogen. Ze zijn vonkvrij, decoratief, kneedbaar, gietbaar en verspaanbaar. Aluminium is in overvloed op de aarde aanwezig en is duurzaam door de uitstekende herwinbaarheid. Door al deze eigenschappen is aluminium een metaal met onbegrensde mogelijkheden. Op zichzelf heeft het weinig constructieve waarde. Door toevoeging van andere elementen (legeringselementen) zijn de toepassingsmogelijkheden nagenoeg onbegrenst.

Dit artikel is een onderdeel van een serie over aluminium lassen en geschreven door Fred Neessen en Harm Meelker (Lincoln Smitweld, Nijmegen). In de volgende editie van Laspartners Multiweld Magazine lees je deel 2: de keuze van het lastoevoegmateriaal.