La saldatura del rame e delle sue leghe rappresenta una sfida unica, a causa della loro elevata conducibilità termica e della tendenza alla fessurazione. Questo articolo tratta le varie tecniche di saldatura, i materiali e i metodi di preparazione essenziali per ottenere saldature di successo nel rame e nelle sue leghe. I lettori impareranno a conoscere i problemi specifici di saldabilità, i preparativi pre-saldatura e la selezione di metodi e materiali di saldatura appropriati. La comprensione di questi fattori consente di migliorare le prestazioni e l'affidabilità delle saldature in rame, fondamentali per le applicazioni in numerosi settori industriali.
Il rame e le leghe di rame sono ampiamente utilizzati in tutti i settori industriali grazie alla loro eccezionale combinazione di proprietà. Questi materiali presentano una conducibilità elettrica e termica superiore, un'elevata resistenza all'ossidazione e un'eccellente resistenza alla corrosione in diversi ambienti, tra cui acqua dolce, acqua salata, soluzioni alcaline e sostanze chimiche organiche. Tuttavia, è importante notare la loro vulnerabilità alla corrosione in presenza di acidi ossidanti.
Le leghe di rame dimostrano un'eccellente formabilità nei processi di lavorazione a freddo e a caldo, insieme a una maggiore resistenza rispetto al rame puro. La loro versatilità ha portato a un'ampia adozione in settori critici come l'industria elettrica ed elettronica, la lavorazione chimica, la produzione alimentare, la generazione di energia, i trasporti, l'aerospaziale e la difesa.
La produzione industriale di rame e leghe di rame produce una vasta gamma di materiali, tipicamente classificati in base alla composizione chimica. Le categorie principali comprendono:
1. Rame puro: Per la saldatura delle strutture si preferisce il rame puro ricotto morbido. I gradi più comuni sono T1, T2, T3, T4 e varianti di rame senza ossigeno come TU1 e TU2.
2. Ottone: Queste leghe di rame e zinco offrono un equilibrio tra forza, duttilità e resistenza alla corrosione. I gradi più utilizzati sono H62, H68, H96 e leghe speciali come l'ottone al piombo (HPb59-1) e l'ottone allo stagno (HSn62-1).
3. Bronzo: originariamente riferito alle leghe di rame-stagno, questo termine comprende oggi le leghe di rame in cui lo zinco o il nichel non sono gli elementi di lega principali. Tra i tipi più noti ricordiamo:
4. Rame bianco (Cupronickel): Queste leghe di rame-nichel presentano una notevole resistenza alla corrosione, soprattutto in ambienti marini.
Ognuno di questi materiali a base di rame offre combinazioni di proprietà uniche, consentendo a ingegneri e progettisti di scegliere la lega ottimale per applicazioni specifiche. Il continuo sviluppo di nuove leghe di rame e di nuove tecniche di lavorazione continua ad ampliare il loro potenziale utilizzo in tecnologie avanzate e in ambienti difficili.
Il saldabilità del rame e delle leghe di rame è relativamente scarsa, il che rende la saldatura molto più impegnativa rispetto all'acciaio a basso tenore di carbonio. Le principali difficoltà si osservano nei seguenti aspetti:
(1) Scarsa capacità di formazione della saldatura:
La saldatura del rame e della maggior parte delle leghe di rame è soggetta a difficoltà di fusione, penetrazione incompleta del giunto e scarsa formazione della superficie. Ciò è dovuto principalmente all'elevata conducibilità termica del rame, che è da 7 a 11 volte superiore a quella del comune acciaio al carbonio.
Di conseguenza, il calore viene dissipato rapidamente dal zona di saldatura. Quanto più spesso è il pezzo da saldare, tanto più grave è la dissipazione del calore. Sebbene il rame abbia un punto di fusione e una capacità termica specifica inferiori rispetto al ferro, è comunque difficile raggiungere la temperatura di fusione nella zona di saldatura, rendendo difficile la fusione del metallo base e del metallo d'apporto.
Inoltre, l'eccellente conducibilità termica del rame determina una zona termicamente colpita più ampia, che può provocare deformazioni significative quando il pezzo ha una bassa rigidità. Al contrario, quando la rigidità è elevata, può causare notevoli sollecitazioni di saldatura all'interno del pezzo.
La scarsa formazione della superficie nel rame e nelle leghe di rame è attribuita principalmente al fatto che la tensione superficiale durante la fusione è un terzo di quella dell'acciaio e la fluidità è da 1 a 1,5 volte superiore a quella dell'acciaio, rendendolo più suscettibile alla perdita di metallo durante la fusione.
Pertanto, quando si salda il rame puro e la maggior parte delle leghe di rame altamente conduttive, oltre a utilizzare una potenza elevata e una densità di energia elevata, è necessario utilizzare un sistema di saldatura a bassa densità di energia. metodi di saldaturaÈ inoltre necessario incorporare diversi gradi di preriscaldamento. Non è consentito utilizzare la saldatura su un solo lato senza supporto e, quando si esegue una saldatura su un solo lato, è necessario aggiungere una piastra di supporto per controllare la formazione del giunto di saldatura.
(2) Elevata suscettibilità alle cricche da calore nelle saldature e nelle zone termicamente alterate:
La tendenza alla criccatura termica nelle saldature è legata all'influenza delle impurità presenti nella saldatura ed è anche influenzata dalle sollecitazioni generate durante la saldatura. processo di saldatura. L'ossigeno è un'impurità comune nel rame e ha un impatto significativo sulla tendenza alla criccatura termica nelle saldature.
Alle alte temperature, il rame reagisce con l'ossigeno dell'aria per formare Cu2O. Cu2L'O è solubile nel rame liquido ma non in quello solido, formando un eutettico a basso punto di fusione. Impurità come Bi e Pb nel rame e nelle leghe di rame hanno punti di fusione bassi.
Durante il processo di solidificazione del bagno di saldatura, formano eutettici a basso punto di fusione che si distribuiscono tra i dendriti o ai confini dei grani, causando una significativa fragilità termica nel rame e nelle leghe di rame. Quando la saldatura è in fase solido-liquida, gli eutettici a basso punto di fusione nella zona termicamente interessata si rifondono sotto l'influenza delle sollecitazioni di saldatura, dando origine a crepe da calore.
Il rame e le leghe di rame hanno coefficienti di espansione lineare e tassi di ritiro relativamente elevati, oltre a presentare una forte conducibilità termica. Quando si salda, sono necessarie fonti di calore ad alta potenza, con il risultato di una zona interessata dal calore più ampia. Di conseguenza, il giunti saldati subiscono notevoli sollecitazioni interne, un altro fattore che porta alla formazione di cricche nelle saldature di rame e leghe di rame.
Inoltre, quando si salda il rame puro, il metallo saldato è costituito da una struttura monofase. A causa dell'elevata conducibilità termica del rame puro, la saldatura tende a formare grani grossolani. Questo aggrava ulteriormente la formazione di cricche da calore.
Pertanto, per evitare la formazione di cricche da calore quando si utilizza la saldatura per fusione per saldare il rame e leghe di rame, è necessario adottare le seguenti misure metallurgiche:
1) Controllare rigorosamente il contenuto di impurità (come ossigeno, bismuto, piombo, zolfo, ecc.) nel rame.
2) Migliorare la capacità di disossidazione della saldatura aggiungendo al filo di saldatura elementi di lega come silicio, manganese, fosforo, ecc.
3) Selezionare materiali di saldatura che può ottenere una struttura duplex, che interrompe la continuità dei film eutettici a basso punto di fusione e cambia la direzione dei grani colonnari.
4) Implementare misure come il preriscaldamento e il raffreddamento lento per ridurre le sollecitazioni di saldatura, minimizzare le dimensioni del gap radicale e aumentare le dimensioni della passata radicale per prevenire la formazione di cricche.
(3) Suscettibilità alla formazione di porosità:
Nella saldatura per fusione di rame e leghe di rame, la tendenza alla formazione di porosità è molto più significativa rispetto all'acciaio a basso tenore di carbonio. Per ridurre ed eliminare la porosità nelle saldature di rame, le misure principali consistono nel ridurre le fonti di idrogeno e ossigeno e nel preriscaldare per prolungare il tempo di esistenza del bagno fuso, facilitando la fuoriuscita dei gas.
Utilizzare fili di saldatura con forti disossidanti, come l'alluminio, titanioecc. (che possono rimuovere anche azoto e idrogeno) o l'aggiunta di elementi come l'alluminio e lo stagno alle leghe di rame possono dare buoni risultati in termini di disossidazione.
(4) Diminuito giunto di saldatura prestazioni:
Durante il processo di saldatura per fusione del rame e delle leghe di rame, i giunti di saldatura subiscono una forte crescita dei grani, l'evaporazione e la bruciatura degli elementi di lega, nonché l'infiltrazione di impurità, con conseguente diminuzione delle proprietà meccaniche, della conducibilità elettrica e della resistenza alla corrosione dei giunti saldati.
1) Diminuzione significativa della duttilità:
La saldatura e la zona termicamente interessata subiscono un ingrossamento dei grani e ai confini dei grani compaiono vari eutettici fragili a basso punto di fusione, che indeboliscono la forza di legame del metallo e riducono significativamente la duttilità e la tenacità del giunto. Per esempio, quando si utilizzano elettrodi di saldatura in rame puro per saldatura ad arco o la saldatura ad arco sommerso, l'allungamento del giunto è solo da 20% a 50% circa del materiale di base.
2) Diminuzione della conducibilità elettrica:
L'aggiunta di qualsiasi elemento al rame ne diminuisce la conducibilità elettrica. Pertanto, la fusione di impurità ed elementi di lega durante il processo di saldatura deteriorerà in qualche misura la conducibilità elettrica del rame. conducibilità elettrica del rame giunti.
3) Diminuzione della resistenza alla corrosione:
La resistenza alla corrosione delle leghe di rame è ottenuta grazie alla lega con elementi quali zinco, manganese, nichel, alluminio, ecc. L'evaporazione e l'ossidazione di questi elementi durante il processo di saldatura per fusione riduce in qualche misura la resistenza alla corrosione del giunto. Anche la generazione di tensioni di saldatura aumenta il rischio di corrosione da stress.
Le misure per migliorare le prestazioni del giunto riguardano principalmente il controllo del contenuto di impurità, la riduzione del burn-off della lega e l'esecuzione di trattamenti termici per modificare la microstruttura della saldatura. Anche la minimizzazione dell'apporto di calore durante la saldatura e l'applicazione di un trattamento di distensione dopo la saldatura sono utili.
La saldatura del rame e delle leghe di rame presenta sfide uniche a causa dell'eccezionale conduttività termica del materiale. È disponibile un'ampia gamma di tecniche di saldatura, ciascuna con vantaggi specifici per le diverse applicazioni. I metodi più comuni includono la saldatura a gas, la saldatura ad arco metallico schermato (SMAW), la saldatura a gas inerte di tungsteno (TIG), la saldatura ad arco metallico a gas (GMAW/MIG) e la saldatura ad arco sommerso (SAW).
La scelta del metodo di saldatura ottimale deve basarsi su molteplici fattori:
La superiore conducibilità termica del rame (quasi 6 volte quella dell'acciaio) rende necessari metodi di saldatura con un'elevata densità di potenza e un apporto di calore concentrato. Questo aiuta a superare la rapida dissipazione del calore e garantisce una fusione corretta. In genere si preferiscono le tecniche che offrono una maggiore efficienza termica e un deposito di energia mirato.
Lo spessore del materiale di rame influenza in modo significativo la scelta del metodo di saldatura:
Tecnologie emergenti come saldatura laser e la saldatura ibrida laser-arco si stanno affermando per la saldatura del rame, offrendo un'elevata precisione e zone termicamente alterate minime.
La scelta corretta dei metalli d'apporto, dei gas di protezione e dei trattamenti termici pre/post-saldatura è fondamentale per ottenere una qualità di saldatura ottimale nel rame e nelle sue leghe. Inoltre, la pulizia e la preparazione della superficie sono essenziali a causa della sensibilità del rame all'ossidazione e alla contaminazione.
1) Filo di saldatura:
Quando si sceglie un filo di saldatura per rame e leghe di rame, è fondamentale non solo soddisfare i requisiti generali di processo e metallurgici, ma anche controllare attentamente il contenuto di impurità e migliorare le capacità di disossidazione. Ciò è essenziale per prevenire la formazione di cricche da calore e porosità, problemi comuni nella saldatura del rame.
Per la saldatura del rame puro, il filo è tipicamente legato con elementi disossidanti come il silicio (Si), il manganese (Mn) e il fosforo (P). Questi elementi contribuiscono a eliminare l'ossigeno dal bagno di saldatura, riducendo il rischio di porosità e migliorando la qualità complessiva della saldatura. Un'opzione molto utilizzata è il filo di saldatura in rame ad alta purezza HSCu. Questo filo è versatile e può essere impiegato in diversi processi di saldatura:
2) Elettrodi di saldatura:
Gli elettrodi per saldatura ad arco per applicazioni in rame possono essere classificati in due tipi principali: rame e bronzo. Tra questi, gli elettrodi di bronzo sono più frequentemente utilizzati per le loro caratteristiche prestazionali superiori.
Gli elettrodi di rame, in particolare quelli contenenti zinco (come nelle leghe di ottone), sono raramente utilizzati nei processi di saldatura ad arco. Ciò è dovuto principalmente all'elevata pressione di vapore dello zinco alle temperature di saldatura, che può causare un'eccessiva generazione di fumi, porosità e un comportamento incoerente dell'arco.
Gli elettrodi di bronzo, invece, offrono un arco più stabile e una migliore saldabilità. Sono particolarmente efficaci per saldare il rame a se stesso o ad altre leghe di rame. Due tipi di elettrodi comunemente utilizzati in questa categoria sono:
Quando si scelgono gli elettrodi, è necessario considerare attentamente fattori quali la composizione del metallo base, le proprietà meccaniche richieste e i requisiti specifici dell'applicazione per garantire risultati di saldatura ottimali.
I requisiti di pretrattamento per le saldature in rame e leghe di rame sono rigorosi a causa dell'elevata conduttività termica e della suscettibilità all'ossidazione di questi materiali. L'obiettivo principale della pulizia pre-saldatura è la rimozione dei contaminanti e delle pellicole di ossido per garantire qualità e prestazioni ottimali della saldatura.
Iniziare sgrassando a fondo il giunto di saldatura e l'area circostante (circa 30 mm su ciascun lato) utilizzando un solvente adatto, come acetone o alcol isopropilico. Questa fase è fondamentale per rimuovere eventuali oli o contaminanti organici che potrebbero compromettere l'integrità della saldatura.
Dopo lo sgrassaggio, utilizzare un processo di pulizia chimica in due fasi:
Per la rimozione meccanica dell'ossido, utilizzare una spazzola o una ruota in acciaio inossidabile specifica per il rame. Gli strumenti pneumatici possono aumentare l'efficienza, ma occorre prestare attenzione per evitare un'eccessiva rimozione di materiale o la contaminazione della superficie. Continuare a spazzolare fino a ottenere una lucentezza metallica uniforme e brillante.
I metalli d'apporto richiedono un'attenzione analoga. Pulire i fili di saldatura meccanicamente con un panno privo di lanugine o con carta abrasiva fine per rimuovere gli ossidi superficiali immediatamente prima dell'uso. Per le operazioni di grandi dimensioni, si consiglia di utilizzare sistemi di pulizia dei fili automatizzati per mantenere una qualità costante.
Dopo la pulizia, ridurre al minimo il tempo che intercorre tra la preparazione e la saldatura per evitare la riossidazione. Se non è possibile una saldatura immediata, conservare i componenti preparati in un ambiente controllato con bassa umidità e proteggere le superfici con composti antiossidanti adatti e compatibili con il processo di saldatura.
Attuare misure di sicurezza adeguate durante la manipolazione dei prodotti chimici, compresi i dispositivi di protezione individuale (DPI) e una ventilazione adeguata. Rispettare le normative ambientali locali per lo smaltimento delle soluzioni detergenti esauste.
Saldatura a gas:
La saldatura a gas è adatta per unire componenti in rame sottili, riparare parti in rame o saldare strutture non critiche. La sua versatilità la rende particolarmente utile nelle operazioni di manutenzione e riparazione.
1) Preriscaldamento prima della saldatura:
Il preriscaldamento è essenziale per la saldatura a gas del rame puro per attenuare le tensioni interne, prevenire le cricche, ridurre la porosità e garantire una penetrazione completa. Per lamiere sottili e piccole saldature, preriscaldare a 400-500°C (752-932°F). Aumentare la temperatura di preriscaldamento a 600-700°C (1112-1292°F) per saldature spesse e di grandi dimensioni. Le leghe di ottone e bronzo richiedono in genere temperature di preriscaldamento leggermente inferiori a causa delle loro diverse proprietà termiche.
2) Selezione dei parametri e della tecnica di saldatura:
Data l'elevata conducibilità termica del rame, l'energia della fiamma per la saldatura deve essere 1-2 volte superiore a quella utilizzata per l'acciaio al carbonio. Quando si salda il rame puro, è fondamentale mantenere una fiamma neutra.
Una fiamma ossidante può portare all'ossidazione della saldatura e alla perdita di elementi di lega, compromettendo l'integrità del giunto. Al contrario, una fiamma carbonizzante aumenta il contenuto di idrogeno nella saldatura, favorendo la formazione di porosità.
Per le lamiere sottili, utilizzare la tecnica di saldatura a sinistra per ridurre al minimo la crescita dei grani. Per i pezzi di spessore superiore a 6 mm (0,24 pollici), è preferibile il metodo di saldatura a destra, che facilita il riscaldamento del metallo di base e offre una migliore visibilità del bagno di fusione, migliorando l'efficienza operativa.
Mantenere un movimento rapido e continuo della torcia di saldatura, evitando interruzioni casuali in ogni cordone di saldatura. Idealmente, completare ogni cordone di saldatura in un'unica passata per garantire l'uniformità e ridurre il rischio di difetti.
Quando si saldano cordoni lunghi, prima della saldatura è necessario tenere conto del ritiro e garantire un posizionamento corretto. Utilizzare il metodo del back-stepping segmentato durante la saldatura per ridurre al minimo le deformazioni e le tensioni residue.
Per le saldature in rame soggette a sollecitazioni o critiche, applicare trattamenti post-saldatura:
Questi trattamenti post-saldatura aiutano a perfezionare la struttura dei grani, ad alleviare le tensioni residue e a migliorare la qualità complessiva della saldatura, garantendo prestazioni ottimali dei componenti in rame saldati.
È presente una camicia d'acqua dell'elettrodo, realizzata in rame disossidato TU1. Il giunto dell'elettrodo è saldato con saldatura MIG e il processo di saldatura specifico è riportato nella Tabella 5-37.
Tabella 5-37 Scheda del processo di saldatura per il giunto TU1
| Scheda del processo di saldatura per la saldatura dei giunti | Numero | |||
Diagramma di giunzione: | Materiale di base Materiale | TU1 | TU1 | |
| Spessore del materiale di base | 15 mm | 15 mm | ||
| Posizione di saldatura | Saldatura piatta | |||
| Tecnica di saldatura | Percorso di saldatura diritto | |||
| Temperatura di preriscaldamento | 500℃ | |||
| Temperatura di interpassaggio | ≥500℃ | |||
| Diametro dell'ugello | Φ26mm | |||
| Gas di protezione | Ar | Portata del gas (L/min) | Anteriore: 25~30 Indietro: | |
| Sequenza di saldatura | |
| 1 | Controllare le dimensioni della scanalatura e la qualità della superficie. |
| 2 | Rimuovere l'olio o la sporcizia dalla scanalatura e dalle sue vicinanze. Pulire il grasso utilizzando una soluzione di acqua NaOH 10% a una temperatura di 30~40℃, quindi risciacquare con acqua pulita e asciugare. Rimuovere la pellicola di ossido smerigliando con una ruota metallica in acciaio inox, quindi risciacquare con acqua alcalina, quindi risciacquare con acqua pulita e asciugare. |
| 3 | Eseguire la saldatura a punti per il primo strato utilizzando una tecnica di saldatura a posizionamento esterno. La lunghezza deve essere di 100 mm e la distanza tra i punti di saldatura non deve superare i 300 mm. Se nel cordone di saldatura si formano delle crepe, rimuoverle e risaldare. |
| 4 | Giuntare gli elettrodi su un dispositivo appositamente progettato. Preriscaldare il pezzo in lavorazione mediante riscaldamento elettrico, con una temperatura di preriscaldamento di 500℃, e assicurarsi che la temperatura dell'interstrato non sia inferiore a 500℃. |
| 5 | Iniziare la saldatura dall'esterno per evitare la formazione di cordoni di saldatura all'interno del cordone. Assicurarsi che la rotondità del cerchio interno dell'elettrodo e la levigatezza della superficie interna. |
| 6 | Eseguire l'ispezione visiva. |
| 7 | Se necessario, raddrizzare. |
| 8 | Eseguire il trattamento termico post-saldatura. |
Parametri delle specifiche di saldatura
| Passaggi | Metodo di saldatura | Grado del materiale di saldatura | Specifiche del materiale di saldatura | Tipi di corrente e polarità | Corrente di saldatura (Ampere) | Tensione d'arco (Volt) | Velocità di saldatura (mm/per passaggio) | Osservazioni |
| 1~2 | MIG (semiautomatico) | HSCu | 1.6 | DCEP | 350~400 | 30~35 | 250~300 |
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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