Le soudage du cuivre et de ses alliages constitue un défi unique en raison de leur conductivité thermique élevée et de leur tendance à se fissurer. Cet article traite des différentes techniques de soudage, des matériaux et des méthodes de préparation essentiels à la réussite des soudures sur le cuivre et ses alliages. Les lecteurs découvriront les problèmes spécifiques de soudabilité, les préparations préalables au soudage et la sélection des méthodes et matériaux de soudage appropriés. La compréhension de ces facteurs permet d'améliorer les performances et la fiabilité des soudures de cuivre, qui sont cruciales pour les applications dans de nombreuses industries.
Le cuivre et les alliages de cuivre sont largement utilisés dans toutes les industries en raison de leur combinaison exceptionnelle de propriétés. Ces matériaux présentent une conductivité électrique et thermique supérieure, une résistance élevée à l'oxydation et une excellente résistance à la corrosion dans divers environnements, notamment l'eau douce, l'eau salée, les solutions alcalines et les produits chimiques organiques. Toutefois, il est important de noter leur vulnérabilité à la corrosion dans les acides oxydants.
Les alliages de cuivre présentent une excellente aptitude à la déformation à froid et à chaud, ainsi qu'une résistance accrue par rapport au cuivre pur. Leur polyvalence a conduit à une large adoption dans des secteurs critiques tels que l'électricité et l'électronique, le traitement chimique, la production alimentaire, la production d'énergie, le transport, l'aérospatiale et les industries de défense.
La production industrielle de cuivre et d'alliages de cuivre permet d'obtenir une gamme variée de matériaux, généralement classés en fonction de leur composition chimique. Les principales catégories sont les suivantes :
1. Cuivre pur : Le cuivre pur recuit doux est préféré pour le soudage des structures. Les qualités courantes sont T1, T2, T3, T4 et les variantes de cuivre sans oxygène comme TU1 et TU2.
2. Laiton : Ces alliages de cuivre et de zinc offrent un équilibre entre la solidité, la ductilité et la résistance à la corrosion. Les qualités les plus utilisées sont H62, H68, H96, ainsi que des alliages spécialisés comme le laiton au plomb (HPb59-1) et le laiton à l'étain (HSn62-1).
3. Bronze : ce terme, qui désignait à l'origine les alliages de cuivre et d'étain, englobe aujourd'hui les alliages de cuivre dans lesquels le zinc ou le nickel n'est pas l'élément d'alliage principal. Les types les plus connus sont les suivants :
4. Cuivre blanc (Cupronickel) : Ces alliages cuivre-nickel présentent une remarquable résistance à la corrosion, en particulier dans les environnements marins.
Chacun de ces matériaux à base de cuivre offre des combinaisons de propriétés uniques, ce qui permet aux ingénieurs et aux concepteurs de choisir l'alliage optimal pour des applications spécifiques. Le développement continu de nouveaux alliages de cuivre et de nouvelles techniques de traitement continue d'élargir leurs utilisations potentielles dans les technologies de pointe et les environnements exigeants.
Les soudabilité du cuivre et des alliages de cuivre est comparativement faible, ce qui rend le soudage beaucoup plus difficile que celui de l'acier à faible teneur en carbone. Les principales difficultés sont observées dans les aspects suivants :
(1) Mauvaise capacité de formation de la soudure :
Le soudage du cuivre et de la plupart des alliages de cuivre est sujet à des difficultés de fusion, à une pénétration incomplète du joint et à une mauvaise formation de la surface. Cela est principalement dû à la conductivité thermique élevée du cuivre, la conductivité thermique du cuivre et de la plupart des alliages de cuivre étant de 7 à 11 fois supérieure à celle de l'acier au carbone ordinaire.
Par conséquent, la chaleur est rapidement dissipée de l'appareil. zone de soudure. Plus la pièce est épaisse, plus la dissipation de la chaleur est importante. Bien que le cuivre ait un point de fusion et une capacité calorifique spécifique inférieurs à ceux du fer, il reste difficile d'atteindre la température de fusion dans la zone de soudage, ce qui complique la fusion du métal de base et du métal d'apport.
En outre, l'excellente conductivité thermique du cuivre permet d'élargir la zone affectée par la chaleur, ce qui peut entraîner une déformation importante lorsque la pièce est peu rigide. Inversement, lorsque la rigidité est élevée, elle peut provoquer des contraintes de soudage importantes dans la pièce.
La mauvaise formation de la surface du cuivre et des alliages de cuivre est principalement attribuée au fait que la tension superficielle pendant la fusion est un tiers de celle de l'acier, et que la fluidité est 1 à 1,5 fois supérieure à celle de l'acier, ce qui rend le cuivre plus sensible à la perte de métal pendant la fusion.
Par conséquent, lors du soudage du cuivre pur et des alliages de cuivre les plus conducteurs, outre l'utilisation d'une puissance élevée et d'une densité d'énergie élevée, il convient d'utiliser des matériaux à haute densité d'énergie. méthodes de soudageIl est également nécessaire d'incorporer différents degrés de préchauffage. Il n'est pas permis d'utiliser le soudage unilatéral sans support et, lors du soudage unilatéral, une plaque d'appui doit être ajoutée pour contrôler la formation du joint de soudure.
(2) Sensibilité élevée à la fissuration par la chaleur dans les soudures et les zones affectées par la chaleur :
La tendance à la fissuration à chaud des soudures est liée à l'influence des impuretés dans la soudure et est également influencée par les contraintes générées au cours de l'opération de soudage. processus de soudage. L'oxygène est une impureté courante dans le cuivre, et il a un impact significatif sur la tendance à la fissuration à chaud des soudures.
À haute température, le cuivre réagit avec l'oxygène de l'air pour former du Cu2O. Cu2O est soluble dans le cuivre liquide mais pas dans le cuivre solide, formant un eutectique à bas point de fusion. Les impuretés telles que Bi et Pb dans le cuivre et les alliages de cuivre ont des points de fusion bas.
Au cours du processus de solidification du bain de soudure, ils forment des eutectiques à bas point de fusion qui se répartissent entre les dendrites ou aux joints de grains, ce qui entraîne une fragilité thermique importante du cuivre et des alliages de cuivre. Lorsque la soudure est en phase solide-liquide, les eutectiques à bas point de fusion dans la zone affectée thermiquement refondent sous l'influence des contraintes de soudage, ce qui se traduit par fissures dues à la chaleur.
Le cuivre et les alliages de cuivre présentent des coefficients de dilatation linéaire et des taux de retrait relativement élevés, ainsi qu'une forte conductivité thermique. Lors du soudage, des sources de chaleur de grande puissance sont nécessaires, ce qui entraîne une zone affectée par la chaleur plus large. Par conséquent, la joints soudés subissent des contraintes internes importantes, ce qui constitue un autre facteur de fissuration des soudures de cuivre et d'alliages de cuivre.
En outre, lors du soudage du cuivre pur, le métal soudé est constitué d'une structure monophasée. En raison de la conductivité thermique élevée du cuivre pur, la soudure a tendance à former de gros grains. Cela aggrave encore la formation de fissures dues à la chaleur.
Par conséquent, pour éviter la formation de fissures dues à la chaleur lors de l'utilisation du soudage par fusion pour souder le cuivre et les alliages de cuivre, les mesures métallurgiques suivantes doivent être prises :
1) Contrôler strictement la teneur en impuretés (telles que l'oxygène, le bismuth, le plomb, le soufre, etc.) du cuivre.
2) Améliorer la capacité de désoxydation de la soudure en ajoutant au fil de soudure des éléments d'alliage tels que le silicium, le manganèse, le phosphore, etc.
3) Sélectionnez matériaux de soudage qui peut obtenir une structure duplex, ce qui perturbe la continuité des films eutectiques à bas point de fusion et modifie la direction des grains colonnaires.
4) Mettre en œuvre des mesures telles que le préchauffage et le refroidissement lent pour réduire les contraintes de soudage, minimiser la taille de la fente de la racine et augmenter les dimensions de la passe de la racine pour empêcher la formation de fissures.
(3) Susceptibilité à la formation de porosité :
Lors du soudage par fusion du cuivre et des alliages de cuivre, la tendance à la formation de porosités est beaucoup plus importante que dans le cas de l'acier à faible teneur en carbone. Pour réduire et éliminer la porosité dans les soudures de cuivre, les principales mesures consistent à réduire les sources d'hydrogène et d'oxygène et à préchauffer pour prolonger le temps d'existence du bain de fusion, ce qui facilite l'évacuation des gaz.
Utiliser des fils de soudure contenant des désoxydants puissants tels que l'aluminium, titane(qui peuvent également éliminer l'azote et l'hydrogène) ou l'ajout d'éléments tels que l'aluminium et l'étain aux alliages de cuivre peuvent donner de bons résultats en termes de désoxydation.
(4) Diminué joint de soudure performance :
Au cours du processus de soudage par fusion du cuivre et des alliages de cuivre, les joints soudés subissent une forte croissance du grain, l'évaporation et la combustion des éléments d'alliage, ainsi que l'infiltration d'impuretés, ce qui entraîne une diminution des propriétés mécaniques, de la conductivité électrique et de la résistance à la corrosion des joints soudés.
1) Diminution significative de la ductilité :
La soudure et la zone affectée par la chaleur subissent un grossissement des grains et divers eutectiques fragiles à bas point de fusion apparaissent aux limites des grains, ce qui affaiblit la force de liaison du métal et réduit considérablement la ductilité et la ténacité de l'assemblage. Par exemple, lors de l'utilisation d'électrodes de soudage en cuivre pur pour le soudage à l'arc ou le soudage à l'arc submergé, l'allongement du joint n'est que d'environ 20% à 50% du matériau de base.
2) Diminution de la conductivité électrique :
L'ajout de tout élément au cuivre diminue sa conductivité électrique. Par conséquent, la fusion des impuretés et des éléments d'alliage au cours du processus de soudage détériorera dans une certaine mesure la conductivité électrique du cuivre. conductivité électrique du cuivre joints.
3) Diminution de la résistance à la corrosion :
La résistance à la corrosion des alliages de cuivre est obtenue par alliage avec des éléments tels que le zinc, le manganèse, le nickel, l'aluminium, etc. L'évaporation et l'oxydation de ces éléments au cours du processus de soudage par fusion réduisent dans une certaine mesure la résistance à la corrosion du joint. L'évaporation et l'oxydation de ces éléments au cours du processus de soudage par fusion réduisent dans une certaine mesure la résistance à la corrosion de l'assemblage.
Les mesures visant à améliorer les performances des joints consistent principalement à contrôler la teneur en impuretés, à réduire la combustion de l'alliage et à effectuer un traitement thermique pour modifier la microstructure de la soudure. La minimisation de l'apport de chaleur pendant le soudage et l'application d'un traitement de détente après le soudage sont également bénéfiques.
Le soudage du cuivre et des alliages de cuivre présente des défis uniques en raison de la conductivité thermique exceptionnelle du matériau. Il existe un large éventail de techniques de soudage, chacune présentant des avantages spécifiques pour différentes applications. Les méthodes les plus courantes sont le soudage au gaz, le soudage à l'arc sous protection métallique (SMAW), le soudage au gaz inerte de tungstène (TIG), le soudage à l'arc sous protection métallique (GMAW/MIG) et le soudage à l'arc submergé (SAW).
Le choix de la méthode de soudage optimale doit être basé sur de multiples facteurs :
La conductivité thermique supérieure du cuivre (près de 6 fois celle de l'acier) nécessite des méthodes de soudage avec une densité de puissance élevée et un apport de chaleur concentré. Cela permet de surmonter la dissipation rapide de la chaleur et de garantir une fusion correcte. Les techniques qui offrent une efficacité thermique supérieure et un dépôt d'énergie ciblé sont généralement préférées.
L'épaisseur du cuivre influe considérablement sur le choix de la méthode de soudage :
Les technologies émergentes telles que soudage au laser et le soudage hybride laser-arc sont de plus en plus utilisés pour le soudage du cuivre, car ils offrent une grande précision et des zones affectées par la chaleur réduites au minimum.
La sélection appropriée des métaux d'apport, des gaz de protection et des traitements thermiques avant et après la soudure est cruciale pour obtenir une qualité de soudure optimale dans le cuivre et ses alliages. En outre, une propreté et une préparation de surface rigoureuses sont essentielles en raison de la sensibilité du cuivre à l'oxydation et à la contamination.
1) Fil de soudure :
Lors du choix d'un fil de soudure pour le cuivre et les alliages de cuivre, il est essentiel non seulement de répondre aux exigences générales en matière de processus et de métallurgie, mais aussi de contrôler soigneusement la teneur en impuretés et d'améliorer les capacités de désoxydation. Cela est essentiel pour éviter la formation de fissures dues à la chaleur et de porosités, qui sont des problèmes courants dans le soudage du cuivre.
Pour le soudage du cuivre pur, le fil est généralement allié à des éléments désoxydants tels que le silicium (Si), le manganèse (Mn) et le phosphore (P). Ces éléments contribuent à éliminer l'oxygène du bain de soudure, réduisant ainsi le risque de porosité et améliorant la qualité générale de la soudure. Le fil de soudure en cuivre de haute pureté HSCu est une option largement utilisée. Ce fil est polyvalent et peut être utilisé dans divers procédés de soudage :
2) Électrodes de soudage :
Les électrodes de soudage à l'arc pour les applications en cuivre peuvent être classées en deux catégories principales : le cuivre et le bronze. Parmi ces derniers, les électrodes en bronze sont plus fréquemment utilisées en raison de leurs caractéristiques de performance supérieures.
Les électrodes de cuivre, en particulier celles qui contiennent du zinc (comme dans les alliages de laiton), sont rarement utilisées dans les procédés de soudage à l'arc. Cela est principalement dû à la pression de vapeur élevée du zinc aux températures de soudage, qui peut entraîner une production excessive de fumées, une porosité et un comportement incohérent de l'arc.
Les électrodes en bronze, quant à elles, offrent un arc plus stable et une meilleure soudabilité. Elles sont particulièrement efficaces pour souder le cuivre à lui-même ou à d'autres alliages de cuivre. Les deux types d'électrodes les plus couramment utilisés dans cette catégorie sont les suivants :
Lors de la sélection des électrodes, des facteurs tels que la composition du métal de base, les propriétés mécaniques requises et les exigences spécifiques de l'application doivent être soigneusement pris en compte pour garantir des résultats de soudage optimaux.
Les exigences en matière de prétraitement des soudures de cuivre et d'alliages de cuivre sont strictes en raison de la conductivité thermique élevée de ces matériaux et de leur susceptibilité à l'oxydation. L'objectif principal du nettoyage avant soudage est d'éliminer les contaminants et les films d'oxyde afin de garantir une qualité et des performances de soudage optimales.
Commencez par dégraisser soigneusement le joint de soudure et la zone environnante (environ 30 mm de chaque côté) à l'aide d'un solvant approprié tel que l'acétone ou l'alcool isopropylique. Cette étape est cruciale pour éliminer toute huile ou contaminant organique susceptible de compromettre l'intégrité de la soudure.
Après le dégraissage, utiliser un processus de nettoyage chimique en deux étapes :
Pour l'enlèvement mécanique de l'oxyde, utiliser une brosse métallique en acier inoxydable ou une roue spécialement conçue pour le cuivre. Les outils pneumatiques peuvent augmenter l'efficacité, mais il faut veiller à éviter un enlèvement excessif de matière ou une contamination de la surface. Poursuivre le brossage jusqu'à l'obtention d'un éclat métallique uniforme et brillant.
Les métaux d'apport requièrent la même attention. Nettoyez les fils de soudure mécaniquement à l'aide d'un chiffon non pelucheux ou d'un papier abrasif fin pour éliminer les oxydes de surface immédiatement avant l'utilisation. Pour les opérations de plus grande envergure, il convient d'envisager des systèmes automatisés de nettoyage des fils afin de maintenir une qualité constante.
Après le nettoyage, réduire au minimum le délai entre la préparation et le soudage afin d'éviter la réoxydation. S'il n'est pas possible de souder immédiatement, stocker les composants préparés dans un environnement contrôlé à faible humidité et protéger les surfaces avec des composés anti-oxydation compatibles avec le processus de soudage.
Mettre en œuvre des mesures de sécurité appropriées lors de la manipulation de produits chimiques, y compris un équipement de protection individuelle (EPI) approprié et une ventilation adéquate. Respecter les réglementations environnementales locales pour l'élimination des solutions de nettoyage usagées.
Soudage au gaz :
Le soudage au gaz convient à l'assemblage de composants en cuivre de faible épaisseur, à la réparation de pièces en cuivre ou au soudage de structures non critiques. Sa polyvalence le rend particulièrement utile dans les opérations de maintenance et de réparation.
1) Préchauffage avant le soudage :
Le préchauffage est essentiel pour le soudage au gaz du cuivre pur afin d'atténuer les contraintes internes, d'éviter les fissures, de réduire la porosité et d'assurer une pénétration complète. Pour les tôles minces et les petites pièces soudées, préchauffer à 400-500°C (752-932°F). Augmenter la température de préchauffage à 600-700°C (1112-1292°F) pour les pièces épaisses et les grandes pièces soudées. Les alliages de laiton et de bronze nécessitent généralement des températures de préchauffage légèrement inférieures en raison de leurs propriétés thermiques différentes.
2) Sélection des paramètres et de la technique de soudage :
Compte tenu de la conductivité thermique élevée du cuivre, l'énergie de la flamme pour le soudage doit être 1 à 2 fois supérieure à celle utilisée pour l'acier au carbone. Lors du soudage du cuivre pur, il est essentiel de maintenir une flamme neutre.
Une flamme oxydante peut entraîner l'oxydation de la soudure et la perte d'éléments d'alliage, compromettant ainsi l'intégrité du joint. Inversement, une flamme de cémentation augmente la teneur en hydrogène de la soudure, ce qui favorise la formation de porosités.
Pour les tôles fines, utilisez la technique de soudage à gauche afin de minimiser la croissance du grain. Pour les pièces d'une épaisseur supérieure à 6 mm (0,24 pouces), la méthode de soudage à droite est préférable, car elle permet de chauffer davantage le métal de base et d'avoir une meilleure visibilité du bain de fusion, ce qui améliore l'efficacité opérationnelle.
Maintenir un mouvement rapide et continu de la torche de soudage, en évitant les interruptions aléatoires dans chaque cordon de soudure. Idéalement, terminer chaque soudure en un seul passage pour garantir l'uniformité et réduire le risque de défauts.
Lors du soudage de longs joints, il convient de tenir compte du retrait avant le soudage et de veiller à un positionnement correct. Utiliser la méthode de la marche arrière segmentée pendant le soudage pour minimiser les déformations et les contraintes résiduelles.
Pour les soudures de cuivre sous contrainte ou critiques, mettre en œuvre des traitements post-soudure :
Ces traitements post-soudure permettent d'affiner la structure du grain, de soulager les contraintes résiduelles et d'améliorer la qualité globale de la soudure, garantissant ainsi des performances optimales des composants en cuivre soudés.
L'électrode est munie d'une chemise d'eau en cuivre désoxydé TU1. Le joint de l'électrode est soudé à l'aide d'un procédé MIG, et le procédé de soudage spécifique est indiqué dans le tableau 5-37.
Tableau 5-37 Carte de processus de soudage pour le joint TU1
| Carte de processus de soudage pour le soudage de joints | Nombre | |||
Schéma conjoint : | Matériau de base Matériau | TU1 | TU1 | |
| Épaisseur du matériau de base | 15 mm | 15 mm | ||
| Position de soudage | Soudure à plat | |||
| Technique de soudage | Trajectoire de soudure droite | |||
| Température de préchauffage | 500℃ | |||
| Température d'intercirculation | ≥500℃ | |||
| Diamètre de la buse | Φ26mm | |||
| Gaz protecteur | Ar | Débit de gaz (L/min) | Avant : 25~30 Retour : | |
| Séquence de soudage | |
| 1 | Contrôler les dimensions de la rainure et la qualité de la surface. |
| 2 | Enlever toute huile ou saleté de la rainure et de son voisinage. Nettoyer la graisse en utilisant une solution d'eau NaOH 10% à une température de 30~40℃, puis rincer à l'eau claire et sécher. Enlever le film d'oxyde en meulant avec une meule en acier inoxydable, puis rincer avec de l'eau alcaline, suivi d'un rinçage à l'eau claire et d'un séchage. |
| 3 | Effectuer un soudage par points pour la première couche en utilisant une technique de soudage par positionnement extérieur. La longueur doit être de 100 mm et la distance entre les points de soudure ne doit pas dépasser 300 mm. Si des fissures apparaissent dans la soudure par points, retirez-les et soudez à nouveau. |
| 4 | Épisser les électrodes sur un dispositif spécialement conçu à cet effet. Préchauffer la pièce à l'aide d'un chauffage électrique, avec une température de préchauffage de 500℃, et s'assurer que la température de l'intercalaire ne reste pas inférieure à 500℃. |
| 5 | Commencer le soudage par l'extérieur afin d'éviter la formation de cordons de soudure à l'intérieur du cordon. Veillez à ce que le rondeur du cercle intérieur de l'électrode et de la douceur de la surface intérieure. |
| 6 | Effectuer un contrôle visuel. |
| 7 | Redresser si nécessaire. |
| 8 | Effectuer le traitement thermique après soudage. |
Paramètres des spécifications de soudage
| Adopté | Méthode de soudage | Grade du matériau de soudage | Spécification du matériau de soudage | Types de courant et polarité | Courant de soudage (Ampère) | Tension d'arc (Volt) | Vitesse de soudage (mm/par passage) | Remarques |
| 1~2 | MIG (semi-automatique) | HSCu | 1.6 | DCEP | 350~400 | 30~35 | 250~300 |
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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