Aprender a soldar cobre e aço inoxidável

1. Visão geral

A soldadura de cobre ao aço inoxidável é um processo crítico mas desafiante na metalurgia moderna, principalmente devido ao risco inerente de fissuração por penetração de cobre. Este fenómeno, também conhecido como fragilização por metal líquido (LME), ocorre quando o cobre fundido se infiltra nos limites dos grãos do aço inoxidável, comprometendo a integridade estrutural da junta.

Para atenuar o risco de fissuração por penetração, é essencial adotar uma abordagem dupla:

1. Otimização de processos:
   • Selecionar uma técnica de soldadura adequada que minimize a entrada de calor, como a soldadura por arco de tungsténio gasoso pulsado (GTAW) ou a soldadura avançada por arco de tungsténio gasoso (GTAW). soldadura a laser métodos.
   • Manter um controlo preciso sobre os parâmetros de soldadura, em particular a entrada de calor e a temperatura de interpasse, para limitar a zona afetada pelo calor (ZTA) e reduzir a probabilidade de migração do cobre.
2. Engenharia de materiais:
   • Utilizar materiais de enchimento especificamente concebidos para a soldadura de metais diferentes, tais como ligas à base de níquel (por exemplo, ERNiCu-7 ou ERNiCrMo-3).
   • Gerir cuidadosamente a composição do banho de soldadura:
     a) Minimizar os elementos susceptíveis de formar eutécticos de baixo ponto de fusão (por exemplo, S, P e O).
     b) Incorporação de elementos de liga como Al, Si, Mn, V, Mo e Ni para melhorar a metalurgia da soldadura e resistir à formação de fissuras.

Ao cumprir meticulosamente estas directrizes, os fabricantes podem reduzir significativamente o risco de fissuração por penetração e obter juntas robustas e de elevada integridade entre o cobre e o aço inoxidável. Esta abordagem não só assegura a solidez estrutural, como também optimiza o desempenho do componente soldado em aplicações exigentes em indústrias como a petroquímica, a produção de energia e o fabrico avançado.

2. Método de soldadura

Soldadura por arco manual

Ao utilizar a soldadura por arco manual para o cobre e o aço inoxidável, é importante ter em conta que a seleção de um material austenítico elétrodo de aço inoxidável pode aumentar a probabilidade de fissuração térmica.

Por este motivo, é aconselhável escolher um cobre-níquel vareta de soldadura (70% níquel e 30% cobre), ou um elétrodo de liga à base de níquel. Uma alternativa é utilizar um elétrodo de soldadura de cobre haste (T237).

Leitura relacionada: Como escolher a vareta de soldadura correcta?

Durante o processo de soldadura, recomenda-se a adoção de uma técnica de soldadura rápida utilizando um diâmetro pequeno e uma corrente baixa, sem oscilar o arco. O arco deve também ser inclinado para o lado do cobre para reduzir o risco de fissuras de penetração.

Soldadura por arco submerso

Na soldadura por arco submerso (SAW) de cobre em aço inoxidável, os principais desafios são a prevenção da formação de fissuras e a minimização da porosidade. Estas questões são particularmente críticas devido às propriedades térmicas e mecânicas diferentes dos materiais.

Para mitigar estas preocupações, é essencial uma preparação meticulosa da superfície. Limpar e desengordurar cuidadosamente as superfícies das soldaduras e dos fios de soldadura imediatamente antes da soldadura. Este passo remove os contaminantes que podem levar a inclusões ou comprometer a integridade da soldadura.

Para soldaduras com espessuras entre 8 e 10 mm, é tipicamente utilizada uma ranhura em V assimétrica de 70°. O ângulo da ranhura no lado do cobre é fixado em 40°, enquanto o lado do aço inoxidável (1Cr18Ni9Ti) é biselado em 30°. Esta assimetria permite acomodar as diferentes condutividades térmicas dos materiais.

Recomenda-se a utilização de um fluxo HJ431 ou HJ430. O fluxo HJ430 deve ser cozido a 200°C durante 2 horas para remover a humidade, que é crucial para reduzir a porosidade induzida pelo hidrogénio. Utilizar um fio de soldadura à base de cobre como material de enchimento primário. Para promover uma melhor ligação metalúrgica e reduzir o risco de fissuração, coloque um a três fios de níquel ou de liga de níquel-cobre estrategicamente dentro da ranhura. Estes actuam como uma camada de transição entre os metais dissimilares.

Para garantir uma penetração e fusão adequadas, utilize níveis de energia de soldadura mais elevados do que os normalmente utilizados para a soldadura de metais semelhantes. Utilizar uma barra de suporte de cobre arrefecida a água para controlar a entrada de calor e evitar a fusão excessiva do material de base de cobre. Posicione o fio de soldadura de modo a favorecer o lado do cobre, com um desvio de aproximadamente 5 a 6 mm em relação à linha central da ranhura. Esta técnica compensa a maior condutividade térmica do cobre e promove uma distribuição de calor mais uniforme ao longo da junta.

Monitorizar e controlar cuidadosamente a temperatura de interpasse para gerir as tensões térmicas e evitar a fissuração a quente. Poderá ser necessário um tratamento térmico pós-soldadura para aliviar as tensões residuais e otimizar as propriedades mecânicas da junta soldada.

Parâmetros do processo de soldadura por arco submerso de cobre puro e aço inoxidável

Soldadura por arco de tungsténio de árgon (TIG)

A soldadura TIG pode produzir juntas de alta qualidade ao unir cobre, ligas de cobre e aço inoxidável. No entanto, a obtenção de resultados óptimos requer o domínio de técnicas específicas. As principais configurações de juntas são as juntas de topo e de canto numa ranhura. Para a soldadura de metais diferentes, recomenda-se a preparação de uma meia ranhura em V no lado do aço inoxidável, deixando o lado do cobre quadrado.

Antes da soldadura, é crucial uma preparação completa da superfície. Limpar as superfícies de soldadura e aplicar uma composição de fluxo especializada (70% H3BO3, 21% Na2B4O2, 9% CaF2) na parte da frente e na parte de trás da junta. Deixar o fluxo secar completamente antes de iniciar o processo de soldadura.

A seleção do metal de adição é fundamental para o sucesso da soldadura de metais dissimilares. As opções preferidas incluem a liga Monel (70% Ni, 30% Cu) ou ligas de cobre contendo silício e alumínio, tais como HS221, QAI9-2, QAI9-4, QSi3-1, ou QSn4-3. Estes metais de adição melhoram a soldabilidade e as propriedades mecânicas da junta.

Durante a soldadura TIG, é essencial um posicionamento preciso do arco. Incline o arco de tungsténio para o lado do cobre, mantendo um desvio de 5-8 mm em relação à linha central da ranhura. Esta técnica ajuda a controlar a fusão do aço inoxidável, reduzindo o risco de formação de compostos intermetálicos.

O processo de soldadura utiliza normalmente fios de enchimento de cobre, cobre-níquel ou alumínio-bronze. Estes materiais melhoram as propriedades mecânicas do metal de soldadura e reduzem o risco de fissuração por penetração de cobre. É geralmente preferida uma técnica de cordão reto sem oscilação, utilizando velocidades de deslocação mais elevadas para minimizar a entrada de calor.

Ao implementar um processo híbrido de soldadura por arco de árgon e brasagem, minimize a fusão no lado do aço inoxidável. Esta abordagem cria uma ligação soldada na interface do aço inoxidável e uma junta soldada por fusão no lado do cobre, optimizando a compatibilidade metalúrgica entre os metais dissimilares.

Consulte a figura em anexo para conhecer os parâmetros específicos do processo de soldadura TIG de latão a aço inoxidável. Estes parâmetros servem como ponto de partida e podem exigir um ajuste fino com base na espessura do material, na conceção da junta e nas composições específicas da liga.

Soldadura TIG de latão H62Sn-1 e aço inoxidável 1Cr18Ni9Ti

Soldadura a gás

A soldadura por gás, quando aplicada ao cobre e ao aço inoxidável, apresenta desafios únicos devido à temperatura mais baixa da chama em comparação com os processos de soldadura por arco. Este diferencial de temperatura pode levar a várias complicações:

1. Fusão irregular: A disparidade dos pontos de fusão entre o cobre (1084°C) e o aço inoxidável (1400-1450°C) pode resultar numa fusão não uniforme dos metais de base.
2. Zona afetada pelo calor (ZAC) alargada: A aplicação prolongada de calor necessária para fundir ambos os materiais leva a uma ZTA mais alargada, alterando potencialmente a microestrutura e as propriedades dos metais de base.
3. Aumento da deformação: O período de aquecimento prolongado pode causar expansão térmica e subsequente contração, levando à distorção dos componentes soldados.
4. Risco de não fusão: Uma penetração de calor inadequada ou uma seleção incorrecta do metal de adição pode resultar na falta de fusão entre os metais de base e o material de adição.

Para enfrentar estes desafios, é crucial uma seleção adequada do metal de adição. Para unir cobre puro a aço inoxidável 18-8, são normalmente utilizados fios de soldadura de liga de cobre-zinco, como HSCuZn-2 (60% Cu, 40% Zn), HSCuZn3 (59% Cu, 41% Zn) ou HSCuZnNi (54-56% Cu, 43,5-45,5% Zn, 0,5-1,5% Ni). Estes metais de adição oferecem um equilíbrio de força, resistência à corrosão e compatibilidade com ambos os metais de base.

Para a soldadura por chama neutra, o pó de soldadura 301 (tipicamente uma mistura de bórax, ácido bórico e outros agentes fundentes) ou o bórax puro pode ser utilizado como fundente para proteger a poça de fusão da oxidação e melhorar as características de humidade.

Quando se trata de soldaduras mais longas, uma técnica para mitigar a discrepância de entrada de calor envolve a deposição de uma camada de latão na superfície da ranhura do lado do aço inoxidável antes da soldadura. Esta camada intermédia funciona como um tampão térmico e ajuda a igualar a distribuição de calor entre os dois metais diferentes durante o processo de soldadura.

Para otimizar a soldadura a gás de cobre em aço inoxidável, considere as seguintes boas práticas:

1. Utilizar uma chama ligeiramente oxidante para contrariar a elevada condutividade térmica do cobre.
2. Pré-aqueça as peças de trabalho para reduzir o gradiente de temperatura e minimizar a distorção.
3. Utilizar uma conceção adequada das juntas para garantir uma distribuição e penetração adequadas do calor.
4. Utilizar técnicas de soldadura intermitente para gerir a entrada de calor e reduzir a distorção geral.
5. Pode ser necessário um tratamento térmico pós-soldadura para aliviar as tensões residuais e otimizar as propriedades da junta.

Brasagem

Na brasagem de cobre em aço inoxidável, as soldas à base de prata são predominantemente utilizadas devido às suas excelentes propriedades de molhagem e pontos de fusão mais baixos. As ligas mais comuns incluem a HL302 (56% Ag), a HL309 (50% Ag) e a HL312 (45% Ag), cada uma oferecendo vantagens específicas consoante os requisitos da aplicação. O processo de brasagem segue princípios gerais, mas requer uma atenção cuidadosa ao controlo da temperatura e à distribuição do calor.

As principais considerações para a brasagem de cobre e aço inoxidável incluem:

1. Conceção da junta: Assegurar o ajuste e a folga adequados (normalmente 0,002″ a 0,005″) para facilitar a ação capilar do metal de enchimento fundido.
2. Preparação da superfície: Limpar cuidadosamente ambos os metais para remover óxidos e contaminantes. No caso do aço inoxidável, pode ser necessário um fluxo suave para quebrar a camada de óxido de crómio.
3. Controlo da temperatura: Crítico para o sucesso é manter a temperatura de brasagem dentro da estreita faixa entre o liquidus do metal de adição e o solidus dos metais de base. Para a maioria das soldas à base de prata, esta temperatura situa-se tipicamente entre 620°C e 760°C (1150°F e 1400°F).
4. Aplicação de calor: Como referido, a fonte de calor deve ser direccionada para o lado do cobre durante o aquecimento. Isto deve-se ao facto de o cobre ter uma condutividade térmica mais elevada do que o aço inoxidável. A aplicação de calor principalmente no cobre assegura um aquecimento mais uniforme de ambos os materiais, evitando o sobreaquecimento localizado do aço inoxidável que poderia levar à sensibilização ou deformação.
5. Taxa de arrefecimento: Controlar a taxa de arrefecimento para minimizar as tensões térmicas, especialmente importante para montagens maiores ou ao unir metais diferentes com diferentes coeficientes de expansão térmica.
6. Limpeza pós-brasagem: Remover quaisquer resíduos de fluxo para evitar a corrosão, especialmente importante em ambientes corrosivos ou aplicações de elevada pureza.