Avec la croissance de l'aluminium dans l'industrie de la fabrication par soudage et son acceptation comme une excellente alternative à l'acier pour de nombreuses applications, les personnes impliquées dans le développement de projets en aluminium doivent de plus en plus se familiariser avec ce groupe de matériaux. Pour bien comprendre l'aluminium, il est conseillé de commencer par se familiariser avec le système d'identification/désignation de l'aluminium, les nombreux alliages d'aluminium disponibles et leurs caractéristiques.

Le système de trempe et de désignation de l’alliage d’aluminium- En Amérique du Nord, The Aluminum Association Inc. est responsable de l'attribution et de l'enregistrement des alliages d'aluminium. Il existe actuellement plus de 400 aluminium et alliages d'aluminium corroyés et plus de 200 alliages d'aluminium sous forme de pièces moulées et de lingots enregistrés auprès de l'Association de l'aluminium. Les limites de composition chimique des alliages pour tous ces alliages enregistrés sont contenues dans le document de l'Aluminium Association.Livre bleu sarcelleintitulé « Désignations internationales des alliages et limites de composition chimique pour l'aluminium corroyé et les alliages d'aluminium corroyé » et dans leurLivre roseintitulé « Désignations et limites de composition chimique pour les alliages d'aluminium sous forme de pièces moulées et de lingots. Ces publications peuvent être extrêmement utiles à l'ingénieur en soudage lors du développement de procédures de soudage et lorsque la prise en compte de la chimie et de son association avec la sensibilité aux fissures est importante.

Les alliages d'aluminium peuvent être classés en un certain nombre de groupes en fonction des caractéristiques particulières du matériau, telles que sa capacité à répondre aux traitements thermiques et mécaniques et à l'élément d'alliage principal ajouté à l'alliage d'aluminium. Lorsque l'on considère le système de numérotation/identification utilisé pour les alliages d'aluminium, les caractéristiques ci-dessus sont identifiées. Les aluminiums forgés et moulés ont des systèmes d'identification différents. Le système forgé est un système à 4 chiffres et les pièces moulées ont un système à 3 chiffres et 1 décimale.

Système de désignation des alliages forgés- Nous considérerons dans un premier temps le système d'identification des alliages d'aluminium corroyé à 4 chiffres. Le premier chiffre (Xxxx) indique le principal élément d'alliage qui a été ajouté à l'alliage d'aluminium et est souvent utilisé pour décrire la série d'alliages d'aluminium, c'est-à-dire la série 1000, la série 2000, la série 3000, jusqu'à la série 8000 (voir tableau 1).

Le deuxième chiffre (xXxx), s'il est différent de 0, indique une modification de l'alliage spécifique, et les troisième et quatrième chiffres (xxXX) sont des nombres arbitraires donnés pour identifier un alliage spécifique dans la série. Exemple : Dans l'alliage 5183, le chiffre 5 indique qu'il est de la série des alliages de magnésium, le 1 indique qu'il s'agit du 1^stmodification de l'alliage d'origine 5083, et le 83 l'identifie dans la série 5xxx.

La seule exception à ce système de numérotation des alliages concerne les alliages d'aluminium de la série 1xxx (aluminiums purs), auquel cas les 2 derniers chiffres indiquent le pourcentage minimum d'aluminium supérieur à 99 %, c'est-à-dire l'alliage 13.(50)(99,50% d'aluminium minimum).

SYSTÈME DE DÉSIGNATION DES ALLIAGES D'ALUMINIUM FORGÉ

Tableau 1

Désignation de l'alliage coulé- Le système de désignation des alliages coulés est basé sur une désignation décimale à 3 chiffres et plus xxx.x (c'est-à-dire 356.0). Le premier chiffre (Xxx.x) indique le principal élément d'alliage qui a été ajouté à l'alliage d'aluminium (voir tableau 2).

SYSTÈME DE DÉSIGNATION DES ALLIAGES D'ALUMINIUM FONTE

Tableau 2

Les deuxième et troisième chiffres (xXX.x) sont des nombres arbitraires donnés pour identifier un alliage spécifique dans la série. Le nombre qui suit le point décimal indique si l'alliage est une pièce moulée (.0) ou un lingot (.1 ou .2). Un préfixe majuscule indique une modification apportée à un alliage spécifique.
Exemple : Alliage – A356.0 le A majuscule (Axxx.x) indique une modification de l'alliage 356.0. Le chiffre 3 (A3xx.x) indique qu'il s'agit de la série silicium plus cuivre et/ou magnésium. Le 56 pouces (Axe56.0) identifie l'alliage dans la série 3xx.x, et le .0 (Axxx.0) indique qu'il s'agit d'une pièce moulée de forme définitive et non d'un lingot.

Le système de désignation de l'état de l'aluminium -Si nous considérons les différentes séries d’alliages d’aluminium, nous verrons qu’il existe des différences considérables dans leurs caractéristiques et leurs applications conséquentes. Le premier point à reconnaître, après avoir compris le système d’identification, est qu’il existe deux types d’aluminium distinctement différents au sein de la série mentionnée ci-dessus. Il s'agit des alliages d'aluminium traitables thermiquement (ceux qui peuvent gagner en résistance grâce à l'ajout de chaleur) et des alliages d'aluminium non traitables thermiquement. Cette distinction est particulièrement importante lorsqu’on considère les effets du soudage à l’arc sur ces deux types de matériaux.

Les alliages d'aluminium corroyé des séries 1xxx, 3xxx et 5xxx ne peuvent pas être traités thermiquement et sont uniquement écrouis. Les alliages d'aluminium corroyé des séries 2xxx, 6xxx et 7xxx peuvent être traités thermiquement et la série 4xxx est composée d'alliages traitables thermiquement et non traitables thermiquement. Les alliages coulés des séries 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x et 7xx.x peuvent être traités thermiquement. L’écrouissage n’est généralement pas appliqué aux pièces moulées.

Les alliages traitables thermiquement acquièrent leurs propriétés mécaniques optimales grâce à un processus de traitement thermique, les traitements thermiques les plus courants étant le traitement thermique par mise en solution et le vieillissement artificiel. Le traitement thermique en solution est le processus de chauffage de l'alliage à une température élevée (environ 990 degrés F) afin de mettre les éléments ou composés d'alliage en solution. Ceci est suivi d'une trempe, généralement dans l'eau, pour produire une solution sursaturée à température ambiante. Le traitement thermique de mise en solution est généralement suivi d'un vieillissement. Le vieillissement est la précipitation d'une partie des éléments ou composés d'une solution sursaturée afin de produire des propriétés souhaitables.

Les alliages non traitables thermiquement acquièrent leurs propriétés mécaniques optimales grâce au durcissement sous contrainte. L'écrouissage est la méthode permettant d'augmenter la résistance grâce à l'application d'un écrouissage. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

LES DÉSIGNATIONS DE TEMPÉRATURE DE BASE

Tableau 3

En plus de la désignation de trempe de base, il existe deux catégories de subdivisions, l'une traitant de la trempe « H » – Durcissement sous contrainte, et l'autre traitant de la trempe « T » – désignation de traitement thermique.

Subdivisions de trempe H – durci sous contrainte

Le premier chiffre après le H indique une opération de base :
H1– Durci sous contrainte uniquement.
H2– Trempé et partiellement recuit.
H3– Durci et stabilisé.
H4– Trempé et laqué ou peint.

Le deuxième chiffre après le H indique le degré d’écrouissage :
HX2– Quart de dur HX4– Demi-dur HX6– Trois quarts dur
HX8– Plein dur HX9– Extra dur

Subdivisions de T Temper – Traité thermiquement

T1- Naturellement vieilli après refroidissement suite à un processus de mise en forme à température élevée, tel que l'extrusion.
T2- Travaillé à froid après refroidissement issu d'un processus de mise en forme à température élevée, puis vieilli naturellement.
T3- Solution traitée thermiquement, travaillée à froid et vieillie naturellement.
T4- Solution traitée thermiquement et vieillie naturellement.
T5- Vieilli artificiellement après refroidissement suite à un processus de mise en forme à température élevée.
T6- Solution traitée thermiquement et vieillie artificiellement.
T7- Solution traitée thermiquement et stabilisée (survieillie).
T8- Solution traitée thermiquement, travaillée à froid et vieillie artificiellement.
T9- Solution traitée thermiquement, vieillie artificiellement et travaillée à froid.
T10- Travaillé à froid après refroidissement issu d'un processus de mise en forme à température élevée, puis vieilli artificiellement.

Des chiffres supplémentaires indiquent un soulagement du stress.
Exemples :
TX51ou TXX51– Soulagement du stress grâce aux étirements.
TX52ou TXX52– Stress soulagé par la compression.

Alliages d'aluminium et leurs caractéristiques- Si nous considérons les sept séries d'alliages d'aluminium corroyés, nous apprécierons leurs différences et comprendrons leurs applications et caractéristiques.

Alliages de la série 1xxx– (non traitable thermiquement – ​​avec une résistance à la traction ultime de 10 à 27 ksi), cette série est souvent appelée série en aluminium pur car elle doit contenir au moins 99,0 % d’aluminium. Ils sont soudables. Cependant, en raison de leur plage de fusion étroite, ils nécessitent certaines considérations afin de produire des procédures de soudage acceptables. Lorsqu'ils sont envisagés pour la fabrication, ces alliages sont sélectionnés principalement pour leur résistance supérieure à la corrosion, comme dans les réservoirs et canalisations chimiques spécialisés, ou pour leur excellente conductivité électrique, comme dans les applications de barres omnibus. Ces alliages ont des propriétés mécaniques relativement médiocres et seraient rarement envisagés pour des applications structurelles générales. Ces alliages de base sont souvent soudés avec un matériau d'apport correspondant ou avec des alliages d'apport 4xxx en fonction des exigences d'application et de performances.

Alliages de la série 2xxx– (traitables thermiquement – ​​avec une résistance à la traction ultime de 27 à 62 ksi) ce sont des alliages d’aluminium/cuivre (ajouts de cuivre allant de 0,7 à 6,8 %), et ce sont des alliages à haute résistance et hautes performances qui sont souvent utilisés pour les applications aérospatiales et aéronautiques. Ils ont une excellente résistance sur une large plage de températures. Certains de ces alliages sont considérés comme non soudables par les procédés de soudage à l'arc en raison de leur susceptibilité à la fissuration à chaud et à la fissuration par corrosion sous contrainte ; cependant, d'autres sont soudés à l'arc avec beaucoup de succès avec les procédures de soudage appropriées. Ces matériaux de base sont souvent soudés avec des alliages d'apport de la série 2xxx à haute résistance conçus pour correspondre à leurs performances, mais peuvent parfois être soudés avec des alliages d'apport de la série 4xxx contenant du silicium ou du silicium et du cuivre, en fonction des exigences de l'application et du service.

Alliages de la série 3xxx– (non traitable thermiquement – ​​avec une résistance ultime à la traction de 16 à 41 ksi) Ce sont les alliages aluminium/manganèse (ajouts de manganèse allant de 0,05 à 1,8%) et sont de résistance modérée, ont une bonne résistance à la corrosion, une bonne formabilité et sont adaptés pour une utilisation à des températures élevées. L'une de leurs premières utilisations était les casseroles et poêles, et ils constituent aujourd'hui le composant majeur des échangeurs de chaleur dans les véhicules et les centrales électriques. Cependant, leur résistance modérée exclut souvent leur utilisation pour des applications structurelles. Ces alliages de base sont soudés avec des alliages d'apport des séries 1xxx, 4xxx et 5xxx, en fonction de leur chimie spécifique et des exigences particulières de leur application et de leur service.

Alliages de la série 4xxx– (traitables thermiquement et non traitables thermiquement – ​​avec une résistance ultime à la traction de 25 à 55 ksi) Ce sont les alliages aluminium/silicium (ajouts de silicium allant de 0,6 à 21,5 %) et sont la seule série qui contient à la fois des alliages traitables thermiquement et non traitables thermiquement. alliages traitables thermiquement. Le silicium, lorsqu'il est ajouté à l'aluminium, réduit son point de fusion et améliore sa fluidité une fois fondu. Ces caractéristiques sont souhaitables pour les matériaux d’apport utilisés à la fois pour le soudage par fusion et le brasage. Par conséquent, cette série d’alliages se retrouve principalement comme matériau d’apport. Le silicium, indépendamment de l'aluminium, ne peut pas être traité thermiquement ; cependant, un certain nombre de ces alliages de silicium ont été conçus pour contenir des ajouts de magnésium ou de cuivre, ce qui leur confère la capacité de répondre favorablement au traitement thermique en solution. Généralement, ces alliages d'apport traitables thermiquement sont utilisés uniquement lorsqu'un composant soudé doit être soumis à des traitements thermiques post-soudage.

Alliages de la série 5xxx– (non traitable thermiquement – ​​avec une résistance à la traction ultime de 18 à 51 ksi) Ce sont les alliages aluminium/magnésium (ajouts de magnésium allant de 0,2 à 6,2 %) et ont la résistance la plus élevée des alliages non traitables thermiquement. De plus, cette série d'alliages est facilement soudable et, pour ces raisons, elle est utilisée pour une grande variété d'applications telles que la construction navale, le transport, les appareils sous pression, les ponts et les bâtiments. Les alliages à base de magnésium sont souvent soudés avec des alliages d'apport, qui sont sélectionnés après avoir pris en compte la teneur en magnésium du matériau de base ainsi que les conditions d'application et de service du composant soudé. Les alliages de cette série contenant plus de 3,0 % de magnésium ne sont pas recommandés pour un service à température élevée supérieure à 150 °F en raison de leur potentiel de sensibilisation et de leur susceptibilité ultérieure à la fissuration par corrosion sous contrainte. Les alliages de base contenant moins d'environ 2,5 % de magnésium sont souvent soudés avec succès avec les alliages d'apport des séries 5xxx ou 4xxx. L'alliage de base 5052 est généralement reconnu comme l'alliage de base à teneur maximale en magnésium pouvant être soudé avec un alliage d'apport de la série 4xxx. En raison des problèmes associés à la fusion eutectique et aux mauvaises propriétés mécaniques une fois soudées, il n'est pas recommandé de souder des matériaux de cette série d'alliages, qui contiennent des quantités plus élevées de magnésium, avec les charges de la série 4xxx. Les matériaux à base de magnésium plus élevés sont uniquement soudés avec des alliages d'apport 5xxx, qui correspondent généralement à la composition de l'alliage de base.

Alliages de la série 6XXX– (traitable thermiquement – ​​avec une résistance à la traction ultime de 18 à 58 ksi) Il s'agit d'alliages aluminium/magnésium – silicium (ajouts de magnésium et de silicium d'environ 1,0 %) et on les trouve largement dans l'industrie de la fabrication par soudage, utilisés principalement sous forme de extrusions et incorporées dans de nombreux composants structurels. L'ajout de magnésium et de silicium à l'aluminium produit un composé de magnésium-siliciure, qui confère à ce matériau sa capacité à devenir une solution traitée thermiquement pour une résistance améliorée. Ces alliages sont naturellement sensibles aux fissures de solidification et pour cette raison, ils ne doivent pas être soudés à l’arc de manière autogène (sans matériau d’apport). L'ajout de quantités adéquates de matériau d'apport pendant le processus de soudage à l'arc est essentiel afin de permettre une dilution du matériau de base, évitant ainsi le problème de fissuration à chaud. Ils sont soudés avec des matériaux d'apport 4xxx et 5xxx, en fonction des exigences de l'application et du service.

Alliages de la série 7XXX– (traitable thermiquement – ​​avec une résistance à la traction ultime de 32 à 88 ksi) Il s’agit d’alliages aluminium/zinc (ajouts de zinc allant de 0,8 à 12,0 %) et comprennent certains des alliages d’aluminium les plus résistants. Ces alliages sont souvent utilisés dans des applications de haute performance telles que l'aéronautique, l'aérospatiale et les équipements sportifs de compétition. Comme la série d'alliages 2xxx, cette série comprend des alliages considérés comme des candidats inappropriés pour le soudage à l'arc, ainsi que d'autres qui sont souvent soudés à l'arc avec succès. Les alliages couramment soudés de cette série, tels que le 7005, sont principalement soudés avec les alliages d'apport de la série 5xxx.

Résumé- Les alliages d'aluminium d'aujourd'hui, ainsi que leurs différents états, constituent une gamme large et polyvalente de matériaux de fabrication. Pour une conception de produit optimale et un développement réussi de procédures de soudage, il est important de comprendre les différences entre les nombreux alliages disponibles et leurs diverses caractéristiques de performances et de soudabilité. Lors du développement de procédures de soudage à l'arc pour ces différents alliages, il faut tenir compte de l'alliage spécifique à souder. On dit souvent que le soudage à l'arc de l'aluminium n'est pas difficile, « c'est juste différent ». Je pense qu'une partie importante de la compréhension de ces différences consiste à se familiariser avec les différents alliages, leurs caractéristiques et leur système d'identification.