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

Système de trempe et de désignation des alliages d'aluminiumEn Amérique du Nord, l'Aluminum Association Inc. est responsable de l'attribution et de l'enregistrement des alliages d'aluminium. Actuellement, plus de 400 produits d'aluminium corroyés et alliages d'aluminium corroyés, ainsi que plus de 200 alliages d'aluminium sous forme de pièces moulées et de lingots, sont enregistrés auprès de l'Aluminum Association. Les limites de composition chimique de tous ces alliages enregistrés sont définies dans le référentiel de l'Aluminum Association.Livre turquoiseintitulé « Désignations internationales des alliages et limites de composition chimique pour l’aluminium corroyé et les alliages d’aluminium corroyés » et dans leurLivre roseIntitulée « Désignations et limites de composition chimique des alliages d'aluminium sous forme de pièces moulées et de lingots », cette publication peut s'avérer extrêmement utile à l'ingénieur soudeur lors de l'élaboration de procédures de soudage, et notamment lorsque la prise en compte de la chimie et de son lien avec la sensibilité à la fissuration est importante.

Les alliages d'aluminium peuvent être classés en plusieurs groupes selon leurs caractéristiques propres, telles que leur aptitude aux traitements thermiques et mécaniques et l'élément d'alliage principal qui les compose. Le système de numérotation/identification des alliages d'aluminium tient compte de ces caractéristiques. Les alliages d'aluminium corroyés et moulés possèdent des systèmes d'identification différents : un système à quatre chiffres pour les alliages corroyés et un système à trois chiffres avec une décimale pour les alliages moulés.

Système de désignation des alliages forgés- Nous allons d'abord examiner le système d'identification à 4 chiffres des alliages d'aluminium forgés. Le premier chiffre (Xxxx) indique l'élément d'alliage principal 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 unique (xXxx), s'il est différent de 0, indique une modification de l'alliage spécifique, et les troisième et quatrième chiffres (xx)XXLes numéros 5 et 1 sont des nombres arbitraires attribués pour identifier un alliage spécifique au sein de la série. Exemple : dans l’alliage 5183, le numéro 5 indique qu’il appartient à la série des alliages de magnésium, et le numéro 1 indique qu’il s’agit du premier alliage de la série.^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), pour lesquels les deux derniers chiffres indiquent le pourcentage minimal d'aluminium supérieur à 99 %, par exemple, l'alliage 13.(50)(99,50 % minimum d'aluminium).

SYSTÈME DE DÉSIGNATION DES ALLIAGES D'ALUMINIUM FORGÉS

Tableau 1

Désignation de l'alliage mouléLe système de désignation des alliages de fonderie est basé sur une désignation à 3 chiffres plus décimale xxx.x (ex. : 356,0). Le premier chiffre (Xxx.x) indique l'élément d'alliage principal qui a été ajouté à l'alliage d'aluminium (voir tableau 2).

SYSTÈME DE DÉSIGNATION DES ALLIAGES D'ALUMINIUM COULÉS

Tableau 2

Le deuxième et le troisième chiffre (xXXLes numéros .x sont des nombres arbitraires permettant d'identifier un alliage spécifique au sein de la série. Le chiffre après la virgule indique s'il s'agit d'une pièce moulée (.0) ou d'un lingot (.1 ou .2). Un préfixe alphabétique majuscule indique une modification apportée à un alliage donné.
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 d'un composant de la série silicium plus cuivre et/ou magnésium. Le 56 po (Ax56.0) identifie l'alliage au sein de la série 3xx.x, et le .0 (Axxx.0) indique qu'il s'agit d'une pièce moulée de forme finale et non d'un lingot.

Le système de désignation de trempe de l'aluminium -Si l'on considère les différentes séries d'alliages d'aluminium, on constate des différences considérables dans leurs caractéristiques et leurs applications. Après avoir compris le système d'identification, il convient de noter qu'il existe deux types distincts d'aluminium au sein de ces séries : les alliages d'aluminium traitables thermiquement (dont la résistance augmente par traitement thermique) et les alliages d'aluminium non traitables thermiquement. Cette distinction est particulièrement importante pour comprendre les effets du soudage à l'arc sur ces deux types de matériaux.

Les alliages d'aluminium corroyés des séries 1xxx, 3xxx et 5xxx ne sont pas traitables thermiquement et ne peuvent être écrouis que par déformation. Les alliages d'aluminium corroyés des séries 2xxx, 6xxx et 7xxx sont traitables thermiquement, tandis que la série 4xxx comprend des alliages traitables et non traitables thermiquement. Les alliages moulés des séries 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x et 7xx.x sont traitables thermiquement. L'écrouissage n'est généralement pas appliqué aux pièces moulées.

Les alliages traitables thermiquement acquièrent leurs propriétés mécaniques optimales grâce à un traitement thermique, les plus courants étant la mise en solution et le vieillissement artificiel. La mise en solution consiste à chauffer l'alliage à une température élevée (environ 530 °C) afin de dissoudre les éléments ou composés d'alliage. Cette étape est suivie d'une trempe, généralement à l'eau, pour obtenir une solution sursaturée à température ambiante. La mise en solution est généralement suivie d'un vieillissement. Le vieillissement est la précipitation d'une partie des éléments ou composés de la solution sursaturée, permettant ainsi d'obtenir les propriétés souhaitées.

Les alliages non traitables thermiquement acquièrent leurs propriétés mécaniques optimales par écrouissage. L'écrouissage est une méthode permettant d'accroître la résistance par application d'un travail à froid. 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 subdivision, l'une concernant la trempe « H » – durcissement par déformation, et l'autre concernant la trempe « T » – désignation de traitement thermique.

Subdivisions de l'état H – Écrouissage

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

Le deuxième chiffre après le H indique le degré d'écrouissage :
HX2– Quarter Hard HX4– Half Hard HX6– Trois quarts dur
HX8– Full Hard HX9– Extra dur

Subdivisions de l'état T – Traitement thermique

T1- Vieilli naturellement après refroidissement suite à un processus de mise en forme à haute température, tel que l'extrusion.
T2- Travaillé à froid après refroidissement suite à un processus de mise en forme à haute température, puis vieilli naturellement.
T3- Traité thermiquement en solution, écroui et vieilli naturellement.
T4- Traité thermiquement en solution et vieilli naturellement.
T5- Vieilli artificiellement après refroidissement suite à un processus de mise en forme à haute température.
T6- Traité thermiquement en solution et vieilli artificiellement.
T7- Traitement thermique de mise en solution et stabilisation (survieillissement).
T8- Traité thermiquement en solution, écroui et vieilli artificiellement.
T9- Traité thermiquement en solution, vieilli artificiellement et travaillé à froid.
T10- Travaillé à froid après refroidissement suite à un processus de mise en forme à haute température, puis vieilli artificiellement.

Les chiffres supplémentaires indiquent un soulagement des contraintes.
Exemples :
TX51ou TXX51– Soulagement du stress par les étirements.
TX52ou TXX52– Contraintes soulagées par compression.

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

Alliages de la série 1xxxCette série d'alliages (non traitables thermiquement, avec une résistance à la traction de 10 à 27 ksi) est souvent appelée série d'aluminium pur car elle doit contenir au minimum 99 % d'aluminium. Ces alliages sont soudables. Cependant, leur faible plage de fusion impose certaines précautions pour garantir des procédés de soudage acceptables. Pour la fabrication, ces alliages sont choisis principalement pour leur résistance supérieure à la corrosion, notamment pour les réservoirs et tuyauteries chimiques spécialisés, ou pour leur excellente conductivité électrique, par exemple pour les barres omnibus. Leurs propriétés mécaniques sont relativement faibles et ils sont rarement utilisés pour des applications structurales générales. Ces alliages de base sont souvent soudés avec un métal d'apport compatible ou avec des alliages d'apport de la série 4xxx, selon l'application et les performances requises.

Alliages de la série 2xxxCes alliages d'aluminium/cuivre (avec des ajouts de cuivre de 0,7 à 6,8 %), traitables thermiquement et présentant une résistance à la traction de 27 à 62 ksi, sont des alliages à haute résistance et hautes performances, fréquemment utilisés dans l'aérospatiale et l'aéronautique. Ils offrent une excellente résistance sur une large plage de températures. Certains de ces alliages sont considérés comme non soudables par soudage à l'arc en raison de leur sensibilité à la fissuration à chaud et à la corrosion sous contrainte ; d'autres, en revanche, sont soudés à l'arc avec succès grâce à des procédures de soudage appropriées. Ces matériaux de base sont souvent soudés avec des métaux d'apport à haute résistance de la série 2xxx, conçus pour correspondre à leurs performances, mais peuvent parfois être soudés avec des métaux d'apport de la série 4xxx contenant du silicium ou du silicium et du cuivre, selon l'application et les exigences de service.

Alliages de la série 3xxx(Non traitables thermiquement – ​​résistance à la traction de 16 à 41 ksi) Ces alliages d'aluminium/manganèse (avec des ajouts de manganèse de 0,05 à 1,8 %) présentent une résistance modérée, une bonne résistance à la corrosion, une bonne formabilité et conviennent aux applications à haute température. Utilisés initialement pour la fabrication de casseroles et de poêles, ils constituent aujourd'hui un composant majeur des échangeurs de chaleur dans les véhicules et les centrales électriques. Leur résistance modérée limite cependant 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 composition chimique et des exigences spécifiques de l'application et du service.

Alliages de la série 4xxx– (Traitables et non traitables thermiquement – ​​avec une résistance à la traction de 25 à 55 ksi) Il s'agit d'alliages aluminium/silicium (teneur en silicium de 0,6 à 21,5 %), les seuls à inclure à la fois des alliages traitables et non traitables thermiquement. L'ajout de silicium à l'aluminium abaisse son point de fusion et améliore sa fluidité à l'état fondu. Ces caractéristiques sont recherchées pour les matériaux d'apport utilisés en soudage par fusion et en brasage. C'est pourquoi cette série d'alliages est principalement employée comme matériau d'apport. Le silicium, présent seul dans l'aluminium, n'est pas traitable thermiquement ; cependant, certains alliages de silicium contiennent du magnésium ou du cuivre, ce qui leur permet de réagir favorablement à un traitement thermique de mise en solution. Généralement, ces alliages d'apport traitables thermiquement sont utilisés uniquement lorsque la pièce soudée doit subir des traitements thermiques après soudage.

Alliages de la série 5xxx– (Non traitables thermiquement – ​​avec une résistance à la traction de 18 à 51 ksi) Il s'agit d'alliages aluminium/magnésium (avec des ajouts de magnésium de 0,2 à 6,2 %) présentant la plus haute résistance parmi les alliages non traitables thermiquement. De plus, cette série d'alliages est facilement soudable, ce qui explique leur utilisation dans une grande variété d'applications telles que la construction navale, les transports, les appareils à pression, les ponts et les bâtiments. Les alliages à base de magnésium sont souvent soudés avec des alliages d'apport, sélectionnés en fonction de la teneur en magnésium du matériau de base, ainsi que des conditions d'application et de service de la pièce soudée. Les alliages de cette série contenant plus de 3,0 % de magnésium ne sont pas recommandés pour une utilisation à haute température (supérieure à 65 °C) en raison de leur risque de sensibilisation et de leur susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte. Les alliages de base contenant moins de 2,5 % de magnésium environ 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 liés à la fusion eutectique et aux faibles propriétés mécaniques qui en résultent après soudage, il est déconseillé de souder des matériaux de cette série d'alliages, contenant des teneurs en magnésium plus élevées, avec des alliages d'apport de la série 4xxx. Les alliages de base à haute teneur en magnésium sont exclusivement soudés avec des alliages d'apport de la série 5xxx, dont la composition est généralement identique à celle de l'alliage de base.

Alliages de la série 6XXXCes alliages (traitables thermiquement, avec une résistance à la traction de 18 à 58 ksi) sont des alliages d'aluminium-magnésium-silicium (avec des ajouts de magnésium et de silicium d'environ 1 %). Ils sont largement utilisés dans l'industrie de la fabrication par soudage, principalement sous forme de profilés extrudés, et entrent dans la composition de nombreux éléments structuraux. L'ajout de magnésium et de silicium à l'aluminium produit un composé de siliciure de magnésium, qui confère à ce matériau sa capacité à subir un traitement thermique de mise en solution pour une résistance accrue. Ces alliages sont naturellement sensibles à la fissuration à chaud et, pour cette raison, ils ne doivent pas être soudés à l'arc sans métal d'apport. L'ajout d'une quantité suffisante de métal d'apport lors du soudage à l'arc est essentiel pour diluer le matériau de base et ainsi prévenir la fissuration à chaud. Ils sont soudés avec des métaux d'apport des séries 4xxx et 5xxx, selon l'application et les exigences de service.

Alliages de la série 7XXXCes alliages (traitables thermiquement, avec une résistance à la traction de 32 à 88 ksi) sont des alliages aluminium/zinc (teneur en zinc de 0,8 à 12 %) et comptent parmi les alliages d'aluminium les plus résistants. Ils sont fréquemment utilisés dans des applications de haute performance telles que l'aéronautique, l'aérospatiale et les équipements sportifs de compétition. À l'instar des alliages de la série 2xxx, cette série comprend des alliages considérés comme inadaptés au soudage à l'arc, et d'autres qui s'y prêtent bien. Les alliages de cette série les plus couramment soudés, comme le 7005, utilisent principalement des alliages d'apport de la série 5xxx.

RésuméLes alliages d'aluminium actuels, avec leurs différents états de trempe, constituent une gamme vaste et polyvalente de matériaux de fabrication. Pour une conception optimale des produits et le développement de procédés de soudage efficaces, il est essentiel de comprendre les différences entre les nombreux alliages disponibles, ainsi que leurs caractéristiques de performance et de soudabilité. Lors de la mise au point de procédés de soudage à l'arc pour ces différents alliages, il convient de 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 part importante de la compréhension de ces différences réside dans la connaissance des différents alliages, de leurs caractéristiques et de leur système d'identification.