Alumíniumötvözetek hegeszthetősége

Bevezetés

Az alumínium anyagot jól ismert előnyös tulajdonságai, mint a könnyű alakíthatóság, vagy a korrózióval szembeni ellenállóképessége egyaránt széles körben felhasználhatóvá teszik.

A színalumíniumot kisebb mértékben és kifejezetten speciális műszaki területeken alkalmazzák, ugyanakkor a járműiparban megjelenő alumíniumötvözetek felhasználása viszont jelentős, hiszen ezen ötvözetek mechanikai szilárdságát, fémes tulajdonságait növelik az alkalmazott ötvözők, mint például a Mn, Mg, Si, Cu, Zn, ugyanakkor más tulajdonságokban egyes ötvözők megjelenése nem előnyösek, ezért a megfelelő alapanyag felhasználás megítélése döntő a hegesztés szempontjából.

A felhasználási területek:

Általánosságban megjelenik az elektronika ipar, vagy a (gép)járműipar, különösen a repülőgép gyártás. Az (öntészeti) alumíniumötvözetek acéllal történő összehasonlításból jól látszik az alumínium felhasználási előnye. Míg az acélok mechanikai tulajdonságát jól leíró jellemző, a folyáshatár 270-690 MPa, addig ugyanezen jellemző az alumíniumok esetében 90-140 MPa. A szilárdság megítélésekor említsük meg azonban ezen két anyag sűrűségét is. Az acél esetében ez 7,8 g/cm3, az alumíniumé 2,7 g/cm3. Ennek tükrében tehát azt kell mondani, hogy az alumínium a belőle készülő alkatrészek súlyához képest kiváló szilárdsági tulajdonságok miatt is az első számú alapanyag a korszerű fémipar számos területén.

Az olyan fémfeldolgozási területeken, mint a hegesztettszerkezet-gyártás a szakemberek a hegeszthetőség elvét alkalmazzák az alapanyagra vonatkozóan. A hegeszthetőség önálló komplex fogalomrendszer az alábbi megfogalmazással: az anyagnak bizonyos fokú komplex alkalmassága megfelelő technológiai környezet (azaz adott alkalmazásra, meghatározott hegesztőeljárással, megfelelő hegesztőanyagokkal és megfelelő hegesztési munkarenddel létrehozott szerkezetre, amelyben a fémes kötések helyi tulajdonságai a hegesztett szerkezetre kifejtett hatásukkal együtt eleget tesznek a megkívánt műszaki igényeknek. A hegeszthetőséget gyakorlatilag az anyag, a szerkezeti felépítés és a gyártástechnológia hármasa határozza meg.

A fenti meghatározás ugyanúgy érvényes az acélokra, de egyéb fémötvözetekre, így alumínium ötvözetekre is. A hegesztéstechnológia kidolgozása során a szakemberek alapanyaghoz illő hegesztőanyag választásról beszélnek (v.ö. hegeszthetőség), míg az alapanyag felhasználást megelőző anyagelőállítás területen, így az öntészeti kérdéseknél az ötvözőanyagokkal a fémes tulajdonságok javítását célozzák meg, egyidejűleg a szennyező elemek redukálásával.

Az alumínium repedési hajlama jelenti tulajdonképpen a hegeszthetőség elbírálásának legfőbb szempontját. Az alumíniumötvözetek hegesztett kötéseit, vagy annak tulajdonságait meghatározó szempontokként kell említenünk az alapanyag és a hegesztőanyag kémiai különbözőségét, az ötvözők kiégésének kockázatát, illetve a létrejövő ömledék gyors hűléséből származó, előnytelen, durva dendrites szerkezetet, valamint a hőhatásövezetben végbemenő esetleges fázis-és szövetelem átalakulások, melyeket a túlhevítés okoz. 

Ezen előnytelen tulajdonságok, például az ötvöző elemek oxidációs hajlama, vagy azok ömledékből való kiégése komoly összefüggést mutatnak az alkalmazott hegesztési eljárással.

Az alumínium ötvözeteket jellemzően TIG eljárással (142), kézi ívhegesztéssel (111), ellenállás hegesztéssel (21-22), és bizonyos esetekben, ha a technológiai háttér megkívánja, akkor gázhegesztéssel (311) szokták hegeszteni. Manapság azonban egyre több esetben alkalmazzák a tömör huzalelektródás semleges védőgázos ívhegesztést – MIG hegesztési eljárás – (131) is, hiszen ez utóbbi technológiai oldalról sokkal gyorsabb átfutási idővel elvégezhető, azaz termelékenyebb. A legújabb kutatások foglalkoznak ezen kívül a kavaró dörzshegesztéssel (43) is, melyek új távlatokat nyitnak a technológiában.

Tapasztalatból ismert egyébiránt, hogy alumínium ötvözetek hegesztésekor mindig lehet számolni repedések megjelenésével, (kritályosodási- és melegrepedések), mivel a hegesztési hőfolyamatok során a belső feszültségekkel szemben az anyag ellenállása dermedéskor a legkisebb. Ezek a jelenségek nagyon jellemzően javítási utómunkálatokat feltételeznek, tehát gyártási költségtöbbletet jelentenek, illetve fokozott gyártási odafigyelést igényelnek.

A hegeszthetőségnek az alakított alumíniumötvözetek kémiai összetételével történő összevetésében a következő érvényben lévő szabványcsoport részeit alkalmazzák a felhasználó terület szakemberei.

MSZ EN 573-1:2005	Alumínium és alumíniumötvözetek. Az alakított termékek vegyi összetétele és alakja. 1. rész: Számjelölési rendszer
MSZ EN 573-2:1995	Alumínium és alumíniumötvözetek. Az alakított termékek vegyi összetétele és alakja. 2. rész: Vegyjelölési rendszer
MSZ EN 573-3:2020	Alumínium és alumíniumötvözetek. Az alakított termékek vegyi összetétele és alakja. 3. rész: Vegyi összetétel és termékalak

A legelterjedtebb ötvöző a magnézium, amely legfeljebb 7% mennyiségben jelentős szilárdságnövelő hatással bír. A magnézium mellett a szilícium, illetve a cink és a réz a legfőbb ötvöző elemek. Az említett ötvözők ömledékből történő kiégésének megakadályozására például a helyes hegesztőanyag választás lehet jó megoldás a technológia tervezés szempontjából.

Csoportosítás:

Az alábbi, szélesebb körben felhasznált anyagcsoportokat érdemes különválasztani és külön tárgyalni azzal a megjegyzéssel, hogy az alapanyaggyártás során előálló alumíniumötvözetek ennél jóval szélesebb választékból felhasználhatók akár speciális feladatra is. A felsorolás tehát nem teljeskörű, más szakirodalmi források esetleg ettől eltérő szempontok szerint rangsorolnak, de a felhasználás gyakorisága szerint ezen ötvözetek megjelenése a fémiparban markánsan megjelenik.

1. Az alacsony ötvözőtartalmú, nem nemesíthető Al-ötvözetek az alapvető hegesztési előírások betartása mellett jól hegeszthetők. A Mg kiégésére kell odafigyelni, emiatt növelt Mg-tartalmú hozaganyag alkalmazását (AlMg5) javasolja a szakma.
2. A nemesíthető ötvözetek hegesztése nagy körültekintést igényel. Ilyenek lehetnek a AlMgSi ötvözetek. Hegesztésnél a nemesített alapanyag kilágyulhat, emiatt a hegesztés utáni öregítés lehet jó technológiai megoldás. Alapvetően jól alakítható és hegeszthető 0,5% Si-tartalom esetén. Nagy a repedési veszély, ha az Mg:Si arány 1,7, viszont, ha a Si-tartalom 1% alatt és a Mg-tartalom 1% fölött van, akkor kevésbé kell repedéssel számolni.
3. A nemesíthető, réztartalmú ötvözetek esetén, példaként említve az AlCu4Mg1 anyagminőséget nagy szilárdságú, jó alakváltozó képességű, jó melegszilárdsági tulajdonsággal rendelkező anyagként ismerhetjük. Hegesztés szempontjából kedvezőtlen a jó melegszilárdság a nagy belső feszültség kialakulása miatt (hegesztési repedés érzékenység) A réz rontja a hegeszthetőséget. Alapvetően rosszul hegeszthető anyag.
4. A cinkkel ötvözött alumínium anyagok (pl.: AlZn5Mg1, AlZn6Mg2) jellemzően a 4-7% Zn mellett mindig tartalmaznak 1-3%Mg-ot is. Önnemesedő, nagy szilárdságú, jól kovácsolható anyagok. A korrózióállóságot magnézium ötvözéssel javítják, valamint a mesterséges öregítés állapota a magnézium tartalom segítségével könnyebben elérhető. A rézzel való ötvözés miatt rosszul hegeszthető. A természetes öregedés folyamata már alapanyag formában is megindul, épp ezért a hegesztést követően intenzívebbé is válik, és a kötés korrózióállóságát rontja. Ezért az alapanyag felhasználásnál erre fokozottan ügyelni kell és az alapanyagból történő feldolgozást mielőbb el kell végezni.

Érdemes megjegyezni azt is, hogy az alumínium szilárdságának tekintetében a lítiummal való ötvözés különös fontossággal bír, elsősorban a korszerű anyagfelhasználásban mutatkozik meg a jelentősége, például a repülőgépipar és űrkutatás területén.

Összegzés:

A fentiek figyelembevétele mellett az alábbi megállapítást tehetjük. Hegesztéskor minden esetben törekedni kell a legkoncentráltabb hőbevitelre, az elérhető legnagyobb hegesztési sebességre. Emellett kerülni kell az ismételt felhevítést, tehát például egy rétegű varratkialakítás alkalmazásával – amennyiben az technológiailag megoldható – a hőhatásövezet keskeny volta miatt a kilágyulás, de az ötvözők kiégésének mértéke is jelentősen csökkenthető.

A túlhevítést elkerülendő a varratok hegesztési sorrendjére, illetve az alapanyag sajátosságaira, az előfeszítés okán a megfelelő hegesztőkészülékek alkalmazására, de a megfelelő hegesztőanyag választásra – amiben a hegesztőanyag gyártók ajánlásai megfelelő támpontot adnak – és nem utolsó sorban a vastag anyagok előmelegítésére kimondottan oda kell figyelnie a hegesztésfelügyeletnek.

Szőlősi József – Savaria Műszaki Intézet, Szombathely, szjo@inf.elte.hu 2020.10.29.

Felhasznált irodalom:

[1]	Gáti J: Hegesztési zsebkönyv, Cokom Mérnökiroda Kft. Miskolc, 2003
[2]	B. Haas: Schutzgasschweissen von Aluminium, DVS 9/97, Düsseldorf, DVS-Verlag GmbH
[3]	D.G. Altenpohl: Aluminum: Technology, Applications, and Environment, 6th Edition, Wiley-TMS, 1998
[4]	Varga I.: Az alumínium és ötvözeteinek hegesztése, Hegesztési kézikönyv, Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1985
[5]	Baránszky – Job, I.: Hegesztési kézikönyv, Műszaki Kiadó, Budapest, 1985
[6]	Dr. Török I – Meilinger Á.: Korszerű alumínium ötvözetek és hegesztésük, Miskolci Egyetem, TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt keretében, Miskolc, 2013