Soldar cobre y sus aleaciones es un reto único debido a su alta conductividad térmica y su tendencia a agrietarse. En este artículo se tratan diversas técnicas de soldadura, materiales y métodos de preparación esenciales para conseguir soldaduras satisfactorias en el cobre y sus aleaciones. Los lectores aprenderán sobre los problemas específicos de soldabilidad, las preparaciones previas a la soldadura y la selección de los métodos y materiales de soldadura adecuados. Comprendiendo estos factores, se puede mejorar el rendimiento y la fiabilidad de las soldaduras de cobre, cruciales para aplicaciones en numerosas industrias.
El cobre y las aleaciones de cobre se utilizan ampliamente en todos los sectores gracias a su excepcional combinación de propiedades. Estos materiales presentan una conductividad eléctrica y térmica superior, una alta resistencia a la oxidación y una excelente resistencia a la corrosión en diversos entornos, como agua dulce, agua salada, soluciones alcalinas y productos químicos orgánicos. Sin embargo, es importante tener en cuenta su vulnerabilidad a la corrosión en ácidos oxidantes.
Las aleaciones de cobre demuestran una excelente conformabilidad tanto en procesos de trabajo en frío como en caliente, junto con una mayor resistencia en comparación con el cobre puro. Su versatilidad ha llevado a su adopción generalizada en sectores críticos como la electricidad y la electrónica, el procesamiento químico, la producción de alimentos, la generación de energía, el transporte, la industria aeroespacial y la defensa.
La producción industrial de cobre y aleaciones de cobre da lugar a una amplia gama de materiales, que suelen clasificarse en función de su composición química. Las principales categorías son:
1. Cobre puro: El cobre puro recocido blando es el preferido para soldar estructuras. Las calidades más comunes son T1, T2, T3, T4 y variantes de cobre sin oxígeno como TU1 y TU2.
2. Latón: Estas aleaciones de cobre y zinc ofrecen un equilibrio entre resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosión. Los grados más utilizados son H62, H68 y H96, así como aleaciones especializadas como el latón con plomo (HPb59-1) y el latón con estaño (HSn62-1).
3. Bronce: Originalmente referido a las aleaciones de cobre y estaño, este término abarca ahora las aleaciones de cobre en las que el zinc o el níquel no son el elemento de aleación principal. Algunos tipos notables son:
4. Cobre blanco (cuproníquel): Estas aleaciones de cobre-níquel presentan una notable resistencia a la corrosión, especialmente en ambientes marinos.
Cada uno de estos materiales basados en el cobre ofrece combinaciones de propiedades únicas, lo que permite a ingenieros y diseñadores seleccionar la aleación óptima para aplicaciones específicas. El desarrollo continuo de nuevas aleaciones de cobre y técnicas de procesamiento sigue ampliando sus usos potenciales en tecnologías avanzadas y entornos exigentes.
En soldabilidad del cobre y de las aleaciones de cobre es comparativamente pobre, lo que hace que sea mucho más difícil de soldar que el acero con bajo contenido en carbono. Las principales dificultades se observan en los siguientes aspectos:
(1) Escasa capacidad de formación de soldaduras:
Al soldar cobre y la mayoría de las aleaciones de cobre, se tiende a tener dificultades para lograr la fusión, una penetración incompleta de la unión y una formación deficiente de la superficie. Esto se debe principalmente a la alta conductividad térmica del cobre, siendo la conductividad térmica del cobre y de la mayoría de las aleaciones de cobre de 7 a 11 veces mayor que la del acero al carbono ordinario.
Como resultado, el calor se disipa rápidamente del zona de soldadura. Cuanto más gruesa sea la pieza, más grave será la disipación del calor. Aunque el cobre tiene un punto de fusión y una capacidad calorífica específica inferiores a los del hierro, sigue siendo difícil alcanzar la temperatura de fusión en la zona de soldadura, lo que dificulta la fusión del metal base y el metal de aportación.
Además, la excelente conductividad térmica del cobre da lugar a una zona afectada por el calor más amplia, lo que puede provocar una deformación importante cuando la pieza de trabajo tiene poca rigidez. Por el contrario, cuando la rigidez es alta, puede provocar tensiones de soldadura importantes dentro de la pieza.
La escasa formación de superficie en el cobre y las aleaciones de cobre se atribuye principalmente al hecho de que la tensión superficial durante la fusión es un tercio de la del acero, y la fluidez es de 1 a 1,5 veces mayor que la del acero, lo que lo hace más susceptible a la pérdida de metal durante la fusión.
Por lo tanto, al soldar cobre puro y la mayoría de las aleaciones de cobre altamente conductoras, además de utilizar alta potencia y alta densidad de energía métodos de soldaduraTambién es necesario incorporar diversos grados de precalentamiento. No está permitido realizar soldaduras por una sola cara sin soporte, y cuando se realicen soldaduras por una sola cara, debe añadirse una placa de soporte para controlar la formación de la junta de soldadura.
(2) Alta susceptibilidad al agrietamiento por calor en soldaduras y zonas afectadas por el calor:
La tendencia al agrietamiento por calor en las soldaduras está relacionada con la influencia de las impurezas en la soldadura y también está influenciada por las tensiones generadas durante el proceso de soldadura. El oxígeno es una impureza común en el cobre, y tiene un impacto significativo en la tendencia al agrietamiento por calor en las soldaduras.
A altas temperaturas, el cobre reacciona con el oxígeno del aire para formar Cu2O. Cu2O es soluble en cobre líquido pero no en cobre sólido, formando un eutéctico de bajo punto de fusión. Impurezas como el Bi y el Pb en el cobre y sus aleaciones tienen puntos de fusión bajos.
Durante el proceso de solidificación del baño de soldadura, forman eutécticos de bajo punto de fusión que se distribuyen entre las dendritas o en los límites de grano, causando una fragilidad térmica significativa en el cobre y las aleaciones de cobre. Cuando la soldadura está en la fase sólido-líquido, las eutécticas de bajo punto de fusión en la zona afectada por el calor vuelven a fundirse bajo la influencia de las tensiones de soldadura, lo que da lugar a grietas por calor.
El cobre y las aleaciones de cobre tienen coeficientes de dilatación lineal e índices de contracción relativamente altos, y también presentan una gran conductividad térmica. Al soldar, se requieren fuentes de calor de alta potencia, lo que da lugar a una zona afectada por el calor más amplia. En consecuencia, la uniones soldadas experimentan importantes tensiones internas, que es otro factor que provoca la fisuración en las soldaduras de cobre y aleaciones de cobre.
Además, al soldar cobre puro, el metal de soldadura está formado por una estructura monofásica. Debido a la elevada conductividad térmica del cobre puro, la soldadura tiende a formar granos gruesos. Esto agrava aún más la formación de grietas térmicas.
Por lo tanto, para evitar la formación de grietas por calor cuando se utiliza la soldadura por fusión para soldar cobre y aleaciones de cobre, deben tomarse las siguientes medidas metalúrgicas:
1) Controlar estrictamente el contenido de impurezas (como oxígeno, bismuto, plomo, azufre, etc.) en el cobre.
2) Aumentar la capacidad de desoxidación de la soldadura añadiendo al alambre de soldadura elementos de aleación como silicio, manganeso, fósforo, etc.
3) Seleccione materiales de soldadura que puede obtener una estructura dúplex, que interrumpe la continuidad de las películas eutécticas de bajo punto de fusión y cambia la dirección de los granos columnares.
4) Aplicar medidas como el precalentamiento y el enfriamiento lento para reducir las tensiones de soldadura, minimizar el tamaño de la ranura de raíz y aumentar las dimensiones de la pasada de raíz para evitar la formación de grietas.
(3) Susceptibilidad a la formación de porosidad:
Al soldar por fusión cobre y aleaciones de cobre, la tendencia a la formación de porosidad es mucho más significativa en comparación con el acero con bajo contenido en carbono. Para reducir y eliminar la porosidad en las soldaduras de cobre, las principales medidas son reducir las fuentes de hidrógeno y oxígeno y precalentar para prolongar el tiempo de existencia del baño de fusión, facilitando la salida de los gases.
Utilizar alambres de soldadura con desoxidantes fuertes como el aluminio, titanioetc. (que también pueden eliminar el nitrógeno y el hidrógeno) o la adición de elementos como el aluminio y el estaño a las aleaciones de cobre pueden dar buenos resultados en términos de desoxidación.
(4) Disminución junta de soldadura rendimiento:
Durante el proceso de soldadura por fusión del cobre y las aleaciones de cobre, las juntas de soldadura experimentan un fuerte crecimiento del grano, evaporación y quemado de los elementos de aleación, así como infiltración de impurezas, lo que provoca una disminución de las propiedades mecánicas, la conductividad eléctrica y la resistencia a la corrosión de las juntas soldadas.
1) Disminución significativa de la ductilidad:
La soldadura y la zona afectada por el calor experimentan un engrosamiento del grano, y en los límites del grano aparecen diversas eutécticas frágiles de bajo punto de fusión, lo que debilita la fuerza de unión del metal y reduce significativamente la ductilidad y tenacidad de la unión. Por ejemplo, cuando se utilizan electrodos de soldadura de cobre puro para soldadura por arco o soldadura por arco sumergido, el alargamiento de la unión es sólo de unos 20% a 50% del material base.
2) Disminución de la conductividad eléctrica:
La adición de cualquier elemento al cobre disminuirá su conductividad eléctrica. Por lo tanto, la fusión de impurezas y elementos de aleación durante el proceso de soldadura deteriorará en cierta medida la conductividad eléctrica del cobre articulaciones.
3) Disminución de la resistencia a la corrosión:
La resistencia a la corrosión de las aleaciones de cobre se consigue mediante la aleación con elementos como zinc, manganeso, níquel, aluminio, etc. La evaporación y oxidación de estos elementos durante el proceso de soldadura por fusión reducirá en cierta medida la resistencia a la corrosión de la unión. La generación de tensiones de soldadura también aumenta el riesgo de corrosión bajo tensión.
Las medidas para mejorar el rendimiento de la unión consisten principalmente en controlar el contenido de impurezas, reducir el quemado de la aleación y realizar un tratamiento térmico para modificar la microestructura de la soldadura. También es beneficioso minimizar el aporte de calor durante la soldadura y aplicar un tratamiento de alivio de tensiones después de soldar.
La soldadura de cobre y aleaciones de cobre presenta retos únicos debido a la excepcional conductividad térmica del material. Existe una amplia gama de técnicas de soldadura, cada una con ventajas específicas para diferentes aplicaciones. Los métodos más comunes son la soldadura con gas, la soldadura por arco metálico protegido (SMAW), la soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG), la soldadura por arco metálico con gas (GMAW/MIG) y la soldadura por arco sumergido (SAW).
La selección del método de soldadura óptimo debe basarse en múltiples factores:
La conductividad térmica superior del cobre (casi 6 veces la del acero) requiere métodos de soldadura con alta densidad de potencia y aporte de calor concentrado. Esto ayuda a superar la rápida disipación del calor y garantiza una fusión adecuada. Por lo general, se prefieren las técnicas que ofrecen una mayor eficacia térmica y una deposición de energía concentrada.
El grosor del material de cobre influye significativamente en la elección del método de soldadura:
Tecnologías emergentes como soldadura láser y la soldadura híbrida láser-arco están ganando terreno en la soldadura del cobre, ya que ofrecen una gran precisión y unas zonas mínimas afectadas por el calor.
La selección adecuada de los metales de aportación, los gases de protección y los tratamientos térmicos antes y después de la soldadura son cruciales para conseguir una calidad óptima de la soldadura en el cobre y sus aleaciones. Además, una limpieza y preparación de la superficie rigurosas son esenciales debido a la sensibilidad del cobre a la oxidación y la contaminación.
1) Alambre de soldadura:
Al seleccionar alambre de soldadura para cobre y aleaciones de cobre, es fundamental no sólo cumplir los requisitos generales del proceso y metalúrgicos, sino también controlar cuidadosamente el contenido de impurezas y mejorar la capacidad de desoxidación. Esto es esencial para evitar la formación de grietas por calor y porosidad, que son problemas habituales en la soldadura del cobre.
Para la soldadura de cobre puro, el alambre suele alearse con elementos desoxidantes como Silicio (Si), Manganeso (Mn) y Fósforo (P). Estos elementos ayudan a eliminar el oxígeno del baño de soldadura, reduciendo el riesgo de porosidad y mejorando la calidad general de la soldadura. Una opción muy utilizada es el hilo de cobre de alta pureza HSCu. Este hilo es versátil y puede emplearse en diversos procesos de soldadura:
2) Electrodos de soldadura:
Los electrodos de soldadura por arco para aplicaciones de cobre pueden clasificarse en dos tipos principales: cobre y bronce. Entre ellos, los electrodos de bronce se utilizan con mayor frecuencia debido a sus características de rendimiento superiores.
Los electrodos de cobre, en particular los que contienen cinc (como en las aleaciones de latón), rara vez se utilizan en procesos de soldadura por arco. Esto se debe principalmente a la elevada presión de vapor del zinc a temperaturas de soldadura, que puede provocar una generación excesiva de humos, porosidad y un comportamiento incoherente del arco.
Los electrodos de bronce, en cambio, ofrecen un arco más estable y una mejor soldabilidad. Son especialmente eficaces cuando se suelda cobre consigo mismo o con otras aleaciones de cobre. Dos tipos de electrodos comúnmente utilizados en esta categoría son:
Al seleccionar los electrodos, deben tenerse en cuenta factores como la composición del metal base, las propiedades mecánicas requeridas y los requisitos específicos de la aplicación para garantizar unos resultados de soldadura óptimos.
Los requisitos de pretratamiento de las soldaduras de cobre y aleaciones de cobre son estrictos debido a la alta conductividad térmica de estos materiales y a su susceptibilidad a la oxidación. El objetivo principal de la limpieza previa a la soldadura es eliminar los contaminantes y las películas de óxido para garantizar una calidad y un rendimiento óptimos de la soldadura.
Comience desengrasando a fondo la junta de soldadura y la zona circundante (aproximadamente 30 mm a cada lado) utilizando un disolvente adecuado, como acetona o alcohol isopropílico. Este paso es crucial para eliminar cualquier aceite o contaminante orgánico que pudiera comprometer la integridad de la soldadura.
Tras el desengrasado, emplee un proceso de limpieza química en dos fases:
Para la eliminación mecánica del óxido, utilice un cepillo de alambre de acero inoxidable o una rueda específicamente diseñada para el cobre. Las herramientas neumáticas pueden aumentar la eficacia, pero hay que tener cuidado para evitar la eliminación excesiva de material o la contaminación de la superficie. Continúe cepillando hasta conseguir un lustre metálico uniforme y brillante.
Los metales de aportación requieren una atención similar. Limpie los alambres de soldadura mecánicamente utilizando un paño sin pelusa o papel abrasivo fino para eliminar los óxidos superficiales inmediatamente antes de su uso. En operaciones de mayor envergadura, considere la posibilidad de utilizar sistemas automatizados de limpieza de alambres para mantener una calidad constante.
Después de la limpieza, reducir al mínimo el tiempo entre la preparación y la soldadura para evitar la reoxidación. Si no es posible soldar inmediatamente, almacene los componentes preparados en un entorno controlado con baja humedad y proteja las superficies con compuestos antioxidantes adecuados compatibles con el proceso de soldadura.
Aplique las medidas de seguridad adecuadas al manipular productos químicos, incluido un equipo de protección individual (EPI) apropiado y una ventilación adecuada. Cumpla la normativa medioambiental local para la eliminación de las soluciones de limpieza usadas.
Soldadura con gas:
La soldadura con gas es adecuada para unir componentes finos de cobre, reparar piezas de cobre o soldar estructuras no críticas. Su versatilidad la hace especialmente útil en operaciones de mantenimiento y reparación.
1) Precalentamiento antes de soldar:
El precalentamiento es esencial para soldar cobre puro con gas a fin de mitigar las tensiones internas, evitar el agrietamiento, reducir la porosidad y garantizar una penetración completa. Para chapas finas y soldaduras pequeñas, precalentar a 400-500°C (752-932°F). Aumentar la temperatura de precalentamiento a 600-700°C (1112-1292°F) para soldaduras gruesas y grandes. Las aleaciones de latón y bronce suelen requerir temperaturas de precalentamiento ligeramente inferiores debido a sus diferentes propiedades térmicas.
2) Selección de los parámetros y la técnica de soldadura:
Dada la alta conductividad térmica del cobre, la energía de la llama para soldar debe ser 1-2 veces superior a la utilizada para el acero al carbono. Al soldar cobre puro, es crucial mantener una llama neutra.
Una llama oxidante puede provocar la oxidación de la soldadura y la pérdida de elementos de aleación, comprometiendo la integridad de la unión. Por el contrario, una llama carburante aumenta el contenido de hidrógeno en la soldadura, favoreciendo la formación de porosidad.
Para chapas finas, utilice la técnica de soldadura a la izquierda para minimizar el crecimiento del grano. Para piezas de más de 6 mm (0,24 pulgadas) de grosor, es preferible el método de soldadura a derechas, ya que facilita un mayor calentamiento del metal base y proporciona una mejor visibilidad del baño de fusión, mejorando la eficiencia operativa.
Mantenga un movimiento rápido y continuo de la antorcha de soldadura, evitando interrupciones aleatorias en cada cordón de soldadura. Lo ideal es completar cada cordón de soldadura en una sola pasada para garantizar la uniformidad y reducir el riesgo de defectos.
Al soldar cordones largos, tenga en cuenta la contracción antes de soldar y asegúrese de que la posición es correcta. Utilice el método de retroceso segmentado durante la soldadura para minimizar la deformación y las tensiones residuales.
En el caso de soldaduras de cobre sometidas a esfuerzos o críticas, aplicar tratamientos postsoldadura:
Estos tratamientos posteriores a la soldadura ayudan a refinar la estructura del grano, aliviar las tensiones residuales y mejorar la calidad general de la soldadura, garantizando un rendimiento óptimo de los componentes de cobre soldados.
Hay una camisa de agua del electrodo, hecha de cobre desoxidado TU1. La unión del electrodo se suelda mediante soldadura MIG, y el proceso de soldadura específico se muestra en la Tabla 5-37.
Tabla 5-37 Tarjeta de Proceso de Soldadura para la Junta TU1
| Tarjeta de proceso de soldadura para la soldadura de juntas | Número | |||
Diagrama conjunto: | Material de base Material | TU1 | TU1 | |
| Espesor del material base | 15 mm | 15 mm | ||
| Posición de soldadura | Soldadura plana | |||
| Técnica de soldadura | Recorrido de soldadura recto | |||
| Temperatura de precalentamiento | 500℃ | |||
| Temperatura de paso | ≥500℃ | |||
| Diámetro de la boquilla | Φ26mm | |||
| Gas protector | Ar | Caudal de gas (L/min) | Delantero: 25~30 Atrás: | |
| Secuencia de soldadura | |
| 1 | Inspeccionar las dimensiones de la ranura y la calidad de la superficie. |
| 2 | Elimine cualquier resto de aceite o suciedad de la ranura y sus proximidades. Limpie la grasa utilizando una solución acuosa de NaOH 10% a una temperatura de 30~40℃, luego enjuague con agua limpia y seque. Elimine la película de óxido lijando con una rueda de alambre de acero inoxidable, luego enjuague con agua alcalina, seguido de enjuague con agua limpia y secado. |
| 3 | Realice una soldadura por puntos para la primera capa utilizando una técnica de soldadura de posicionamiento exterior. La longitud debe ser de 100 mm y la distancia entre los puntos de soldadura no debe superar los 300 mm. Si aparecen grietas en el cordón de soldadura por puntos, elimínelas y vuelva a soldar. |
| 4 | Empalme los electrodos en un accesorio especialmente diseñado. Precaliente la pieza mediante calefacción eléctrica, con una temperatura de precalentamiento de 500℃, y asegúrese de que la temperatura entre capas no sea inferior a 500℃. |
| 5 | Comenzar a soldar desde el exterior para evitar la formación de cordones de soldadura en el interior del cordón de soldadura. Asegúrese de que la redondez del círculo interior del electrodo y la suavidad de la superficie interior. |
| 6 | Realice una inspección visual. |
| 7 | Enderezar si es necesario. |
| 8 | Realizar el tratamiento térmico posterior a la soldadura. |
Parámetros de las especificaciones de soldadura
| Pases | Método de soldadura | Grado del material de soldadura | Especificación del material de soldadura | Tipos de corriente y polaridad | Corriente de soldadura (amperios) | Tensión del arco (voltios) | Velocidad de soldadura (mm/por pasada) | Observaciones |
| 1~2 | MIG (semiautomático) | HSCu | 1.6 | DCEP | 350~400 | 30~35 | 250~300 |
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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