- 2015

VEBE 2 - Legure, oznake, zavarivanje (Radna verzija)

2.1 Legure

Kao to je ranije reeno, aluminijum se najee legira drugim metalima, da bi mu se poboljala

mehanika svojstva. Aluminijumske legure su podeljene u sedam grupa, ili serija, zavisno od

glavnog legirajueg elementa. Prvi cifra broja legure oznaava kojoj grupi legura pripada, dok

ostale tri uglavnom nemaju posebno znaenje. Serije se mogu navoditi kolektivno, stavljajui xxx

posle prve cifre, npr. 5xxx. Ponekad se malo izmenjena verzija postojee legure obeleava sa "A" da bi se razlikovala od originalne (npr. 5154 i 5154A). Postoji i serija 8xxx koja se ne uklapa u

ostalih sedam, ali se ne koristi u graevinarstvu.

1xxx serija legura Materijali u ovoj grupi sadre ist aluminijum u odreenom rasponu istoe. Trea i etvrta cifra oznake legure definiu istou, oznaavajui minimalan procenat aluminijuma preko 99%. Tako

1050 oznaava materijal sa najmanje 99,50% istoe. Ove legure se biraju kada je otpornost na

koroziju presudna kao npr u hemijskim fabrikama. to je vea istoa, vea je otpornost na

koroziju, ali manja vrstoa. ee se zbog svoje izrazite duktilnosti koristi za folije i sl.

2xxx serija legura Osnovnlegirajui element je bakar. Tipian primer je 2014, sa sastavom Cu (4-4,58%), Si (0,6-0,9%), Mn (0,4-1,2%), Mg (0,5-0,9%), dajui tipine zateue vrstoe od 460MPa. Ove legure zahtevaju termiki tretman u rastvoru, ali mogu prei mehanike osobine elika S235. Tipine

legure iz ove grupe su 2017,2024,2014 i 2011. Generalno imaju ogranienu deformabilnost i

manju otpornost na koroziju od ostalih grupa. Takoe se tee zavaruju. Legure iz ove grupe su

posebno koriene za vojne svrhe i avioindustriju.

3xxx serija legura Dodavanjem 1% mangana podie se vrstoa za proseno 10-15%, u odnosu na 1200, bez veih gubitaka na duktilnosti. Termiki neobraene, ove legure generalno nalaze svrhu tamo gde je potrebna vea vrstoa nego kod 1200 a bez veih gubitaka u korozionoj otpornosti. Ne mogu se

termiki obraivati. Kao konaan proizvod, ove legure se najee sreu kao trapezasti limovi za

krovove (3105,3103) i paneli za vozila (3103).

4xxx serija legura Silikon se dodaje aluminijumskim legurama u koliinama dovoljnim da prouzrokuje znaajno

sniavanje take topljenja. Iz ovog razloga ove legure se koriste iskljuivo za dobijanje ice za

zavarivanje i materijala za lemljenje, gde su potrebne nie temperature topljenja nego kod

osnovnog materijala.

5xxx serija legura

1

- 2015 Ova serija se najvie koristi u konstrukcijama od termiki netretiranih legura. Termiki se ne

obrauju. Osnovni legirajui element je magnezijum, iji sadraj varira izmeu 1 i 5%. esto se

dodaje i mangan. Otpornost na koroziju je uglavnom odlina, iako je mogue da snanije verzije

pate od abnormalne korozije kada se nalaze u toplim okruenjima. Ove legure se uglavnom

pojavljuju u ploama ili limovima. U opsegu niih vrstoa unutar serije, poseduju dobru

obradljivost i koriste se za limove. Na suprotnoj strani, (najjae legure u seriji), koriste se za

zavarene ploe. Mogue vrstoe na zatezanje prelaze 300N/mm2. Ipak, ove legure se malo

koriste za ekstrudiranje, koje je mogue samo za O i F stanje, sa veoma malim vrstoama.

Takoe, za ovu svrhu su znaajno inferiornije od serije 6. Dobro su zavarljive, ali kada Mg pree

3% postoji tendencija za naponsku koroziju, zavisno od temperature rada i temperaturnog

tretmana.

6xxx serija Ove legure se mogu termiki obraivati. Koriste kombinaciju legirajuih elemenata : magnezijum-slicijum. Tipini predstavnici su 6061,6063 i 6082 koji se koriste za konstrukcije viskogradnje. Od termiki obradivih, imaju najveu proizvodnju u tonama. Kombinuju umerene

vrstoe sa dobrom korozionom otoprnou i odlinom mogunou ekstrudiranja. Lako se zavaruju, ali postoji znaajno opadanje mehanikih osobina u zoni uticaja toplote - ZUT. Ugrubo se legure mogu podeliti na jai i slabiji tip. Jai tip materijala 6xxx u T6 stanju se ponekad

naziva mekim elikom aluminijuma, zbog toga to je prirodan izbor za konstrukcijske elemente.

Zapravo, ovaj materijal je slabiji od elika S235, sa slinom granicom teenja (250N/mm2), ali

znaajno manjom vrstoom na zatezanje (300N/mm2). Takoe je manje duktilan. Slabiji tip

6xxx legura, koji se uglavnom ne nudi u obliku limova i ploa, je vie nego odlian za

ekstrudiranje. On je pogodniji za ekstrudirane tankozidne i komplikovane preseke od bilo koje

druge legure, i logian je izbor za elemente u kojima se ne javljaju veliki naponi, posebno kada

se trai dobra povrinska obrada. Tipini primeri su kada je dizajn uslovljen upotrebljivou (pre

nego nosivou) kao to je sluaj sa mnogim arhitektonskim elementima, ili kada je zamor kritian, kao to je sluaj kod vagona.

7xxx serija Ove legure kao legirajue elemente prvenstveno sadre zink i magnezijum. Kao i serija 6xxx,

mogu biti u jaeg i slabijeg tipa. Jai tip sadri najjae aluminijumske legure, sa zateznom

vrstoom u T6 stanju i do 550 N/mm2. Upotreba ovih legura zbog komplikovanog dobijanja je

uglavnom u avioindustriji. Imaju malu korozionu otpornost, loi su za ekstrudiranje i nepogodni

za zavarivanje. Slabiji tip ovih legura je veoma razliit od navedenog i u konstrukcijama je validna

alternativa jaem tipu 6xxx materijala, posebno za zavarene konstrukcije. Ima bolje mehanike osobine od 6xxx materijala, i ZUT omekavanje kod avova je manje ozbiljno. Ali korozivna

otpornost, iako znaajno bolja nego kod jaeg tipa 7xxx legura, nije jednako dobra kao kod 6xxx

legura. Takoe postoji opasnost od naponske korozije.

2

- 2015

3

- 2015

4

- 2015 Uobiajeno je da posle brojnog simbola oznake legure stoji simbol koji oznaava metalurki

stepen obrade. On se sastoji od slova i brojeva. Slova oznaavaju sledee: F - grub stepen fabrikacije

Ne postoji specijalna kontrola termikih uslova niti je korieno ojaanje deformacijom.

Mehanike osobine ne mogu biti definisane ni garantovane za ovako obraene elemente. - aren

Ovo je najduktilnije stanje. Stoga i sa najmanjom vrstoom. H - hladno obraen

Ovim postupkom moe znaajno da se povea granica teenja materijala, bez vee promene

vrstoe. Hx8 su materijali pune vrstoe "full temper". Drugi broj, u ovom sluaju 8, govori

koliko osmina pune vrstoe je postignuto. Priv broj govori da li je bilo nekog termikog

tretmana (1-bez tretmana, 2-aren, 3-stabilizovan). W - ovrsnulo nestabilizovano stanje

Nestabilno stanje vrstoe materijala koji su spontano starili na sobnoj temperaturi posle

termikog tretmana. T - termiki tretman

Predstavlja one produkte koji su termiki obraeni, sa ili bez dodatnog hladnog ojaanja.

Praeno je brojem. Za graevinsku praksu od interesa su tri stanja: T4 zagrevano do vrstog rastvora, praeno prirodnim starenjem; T5 gaeno vazduhom, praeno vetakim starenjem (primenjivo samo za neke 6xxx

legure); T6 zagrevano do vrstog rastvora, praeno vetakim starenjem.

Temperaturni tretman se sastoji od zagrevanja materijala na 500C, to dovodi do prelaska

materijala u oblik vrstog rastvora, a potom kaljenja. Odmah po kaljenju legirajui materijali

ostaju rastvoreni, ali sa prolaskom vremena oni se talou u grozdaste strukture, koje ometaju

dislokaciju usled napona, time poveavajui vrstou materijala. Ovaj proces se naziva

ovravanje. Ovravanje moe biti prirodno, na sobnoj temperaturi tokom nekoliko dana, ili

moe biti vetako, koje se odvija grejanjem na temperature 150-180C. Prednost vetakog je da materijal na kraju postane jai (ali manje duktilan), i potrebno je manje vremena da bi se dobio. T6 je potpuno termiki obraeno stanje (najvea vrstoa). T4 je duktilnije i bira se kada

je obradljivost faktor. T5 se moe zahtevati za veoma tanke ekstrudirane preseke, koji bi se

veoma distorzirali ako bi se gasili vodom. Inae, kod legura serije 6 temperatura vode pri

gaenju nije kritina, tako da se one mogu gasiti (hladiti, brzo) i sprejom. Kod nekih legura ove

serije ak je mogue gaenje vazduhom, bez spreja, i opet dobiti korisne osobine.

5

- 2015

2.2 Zavarivanje

Tokom proteklih 30ak godina, zavarivanje je postalo uobiajen nain spajanja aluminijumskih

elemenata. Zavarivanje elektrodom se pokazalo beskorisnim kod aluminijuma, tako da se koristi

zavarivanje pod zatitom gasa. Dva postupka su dostupna: MIG (metalni inertni gas) i TIG (Tungsten inertni gas)- MIG je rasprostranjeniji, posebno za vee konstrukcije, gde su geometrija avova i priprema slini onima za konstrukcijski elik. TIG se koristi za male avove kod

tankozidnih profila, i kod popravljanja MIG avova.

Standardni gas je argon, koji slui da zatiti luk i istoljeni materijal od vazduha i tako sprei oksidaciju. Kod zavarivanja na gradilitu, potrebno je obezbediti ator ili kabinu da bi se zatitilo

oduvavanje gasa vetrom.

Ovi tipovi zavarivanja se mogu koristiti kod veine vrsta aluminijuma, ukljuujui 1xxx,3xxx,5xxx

i 6xxx seriju materijala. Nije dobro za legure 2xxx zbog prslina, niti za jau vrstu 7xxx serije.

Slabija vrsta 7xxx legura su zavarljive, ali zadovoljavajui rezultati zavise veoma od tehnike i iskustva.

6

- 2015 MIG zavarivanje je postupak sa jednosmernom strujom, gde je elektroda pozitivna. Slino je

zavarivanju elika pod CO2. Elektroda je u obliku ice, obino 1,5mm prenika. Snabdeva se

automtski kroz pitolj do luka dok se zavaruje. Gorionik, koji je hladjen vodom je dosta komplikovan s obzirom da treba da dovede 4 stvari simultano: elektrinu struju, icu, argon i

vodu. MIG se koristi za limove deblje od 4 ili 5 mm. Sa druge strane gorionik je "poluatomatski",

to jest pri udaljavanju od materijala, smanjuje se stepen sagorevanja, tako da se odrava tana duina luka automatski. Ovo ini ovu vrstu zavarivanja relativno lakom.

TIG je proces sa dvosmernom strujom. Gorionik koji se opet hladi vodom ima netroivu

elektrodu tungstena, i kao kod MIGa obezbeuje protok argona. Meutim, kod ovog procesa

ica se dri u drugoj ruci i dodaje zasebno. Ovaj postupak zahteva vie vetine nego MIG, da bi

se istovremeno mogli kontrolisati luk i dodavati ica (dodatni materijal). Koristi se za debljine

limova do 6mm.

Dodatni materijal treba da izabere projektant, a ne da se ta odluka prepusti proizviau. Njegov izbor najvie zavisi od vrste osnovnog materijala. Ponekad u obzir dolazi vie legura za dodatni

materijal, pa izbor zavisi od toga koji od sledeih faktora je najvaniji: vrstoa ava, otpornost

na koroziju ili prevencija prslina. Mogue legure za ispunu delimo u etiri tipa, oznaene da

odgovaraju seriji kojoj pripadaju: Tip 1 - ist aluminijum Tip 3 - Al-Mn Tip 4 - Al-Si Tip 5 - Al-Mg

Kod izbora tipa 1 treba uskladiti istou aluminijuma sa osnovnim materijalom. Prednost tipa 4,

kada se koristi za zavarivanje serija 1xxx,3xxx ili 6xxx je njegova sposobnost da sprei prsline.

Uglavnom preferirani izbor je 4043A (oko 5% Si). Za jo bolju kontrolu prislina moe se umesto ove koristiti 4047A (oko 12% Si), ali se gubi na otpornosti na koroziju. Tip 4 ne prua nikakvu

otpornost na prsline ako se koristi sa osnovnim materijalom koji sadri vie od 2% Mg, pa su

stoga nepoeljne za upotrebu kod 5xxx i 7xxx materijala. Kada su spojevi izmeu 7xxx legura ili

jae forme 5xxx (recimo 5083), a primarni zahtev je jaina ava, najbolji materijal za ispunu je

5556A (ili ekvivalentan). Za druge 5xxx osnovne materijale, precizan izbor legure za ispunu nije toliko kritian. Kao opte pravilo, sastav legure za ispunu bi trebao da otprilike odgovara

(podudara se) onom od osnovnog materijala. Manji procenti Mg e dati slabije avove, a veoma

legiran materijal za ispunu e dovesti do problema u potencijalno korozivnim sredinama.

Kontrola avova i zahtevani njihov stepen zavisi od kvaliteta ava koji projektant eli da

postigne. Postoje tri kvaliteta:

7

- 2015

1. Minimalni kvalitet (on je dozvoljen kada iskorienost preseka na mestu nastavka nije vea od 1/3 i kada zamor nije faktor.

2. Normalni kvalitet se zahteva kada nema opasnosti od zamora mateijala, a sila koja se prenosi je prevelika za minimalni kvalitet. Moe se koristiti i kod nastavaka optereenih na

zamor, ako je klasa zamora 20 ili ispod. 3. Najvii kvalitet se koristi kada je zamor faktor pri proraunu, a zahtevana klasa otpornosti

na zamor je 24 ili via.

Tipovi inspekcije avova su ve poznati, isti su onima za elik. To su : 1) Vizuelna kontrola pre zavarivanja (stanje povrina, priprema, naleganje,itd.) 2) Vizuelna kontrola posle zavarivanja (geometrija ava, diskontinuiteti, ravnanje, itd.) 3) Nedestruktivne metode ispitivanja

penetrantska metoda ultrazvuna radiografska

4) Destruktivne metode - uzimanje uzoraka iz posebnih komada za testiranje, koji su avareni u isto vreme i reprezentuju tehniku i uslove u originalnom avu.

Bez posebnog zadravanja pomenue se jo jedna sve rasprostranjenija metoda zavarivanja,

koja ipak ima svoja ogranienja, ali i prednosti.To je zavarivanje trenjem (friction-stir welding). Smiljeno je tek 1991 u Velikoj Britaniji. Nastavci dobijeni ovim tipom zavarivanja su ravni sa obe strane i po sebi imaju karakteristinu emu brazdi ("kolutovi luka - onion ring" strukturu). Proces je uspeno korien na ploama debljina od 3 do 12mm. Treba jo naglasiti da iz skromnih

dosadanjih testova ovog naina zavarivanja, moe se konstatovati da su njegove prednosti

viestruke kada se radi o izgledu, jaini ava, otpornosti na zamor, veliini zrna, koliini utroene

energije, pripremi, kao i injenici da nije potreban odabir dodatnog materijala, jer on kod ovog

zavarivanja i ne postoji. Osnovna mana je konstrukcija maine, tj njena cena, kao i injenica da

ostaju rupe sa dve strane na mestima gde je obrtna glava ula i izala iz materijala.

Spajanje aluminijumskih ploa je mogue i lepljenjem, ali poto ono ne spada u zavarivanje, a i

ne postoji odgovarajua tehnike regulativa, ovde nee biti dalje pominjano.

8

- 2015

2.3 ZUT

Ve je pomenuto da aluminijumske legure imaju znaajan pad mehanikih osobina u blizini avova, usled poveanja temperature u materijalu tokom zavarivanja. Ovaj pad zavisi od

termike obrade materijala i stanja u kom se nalazi. Tako, za legure u stanju O ili F, nema pada

proraunske vrstoe. Ta svrhe prorauna se pretpostavlja da su mehanike osobine umanjene

jednako po ZUT. ak i mali avovi koji slue da veu male dodatke elementu mogu znaajno

umanjiti otpornost celog preseka, usled prisustva ZUT. U dimenzionisanju grede esto je

blagotvorno locirati avove blizu neutralne ose preseka, ili daleko od regiona sa velikim

momentima savijanja.

Prema EC9 efekti ZUTa se uvode u proraun umanjenjem vrstoe i granice teenja faktorima

o,HAZ, i u,HAZ, (HAZ - heat affected zone = ZUT). Umanjenje granice teenja je procentualno vee nego umanjenje zatezne vrstoe. Zahvaeni region se protee svuda oko samog ava, dok izvan

tog regiona se osobine vrstoa brzo vraaju na njihovu punu vrednost. Materijal vremenom

usled prirodnog starenja vraa odreeni deo vrstoe, i vrednosti o,HAZ, i u,HAZ se odnose na materijal nakon minimum 3 dana nakon zavarivanja za seriju 6xxx i 30 dana za seriju 7xxx.

U Evrokodu se koristi metod efektivne debljine lima, to znai da e se efekti omekavanja u ZUT

uraunati srazmernim smanjenjem debljine ploe za svrhe prorauna. Postavlja se pitanje kolika je dimenzija koja je zahvaena ovim efektima. Ranije je vailo pravilo jednog ina, tj uzimalo se

da je 2,5cm od ava u svim pravcima materijal izgubio svoja prvobitna svojstva, meutim ovo se

pokazalo kao nesigurno. Tabela ispod pokazuje duine prostiranja prema EC, a slika naina na koji se ove mere. Postoje specijalni uslovi kada se uzima vea dimenzija, to je navedeno u EC

9

- 2015 1991-1-1. Tako recimo ako se av nalazi na manje od bHAZ od ivice konzolnog dela preseka, uzima se da se protee celom duinom konzolnog dela. Ovo se objanjava slabijim prostiranjem

toplote kroz materijal usled date geometrije. Takoe, temperatura u osnovnom materijalu

izmeu prolaza kod zavarivanja bi trebala da padne do ispod 60 stepeni Celzijusa, to je kod veih avova diskutabilno, a teko proverljivo. Kod TIG avova e ova zona biti ira zbog veeg unosa toplote. Ako se ZUT dva ava preklapaju, usvaja se jedinstvena zona koja se protee preko

oba ava.

10