A soldadura do cobre e das suas ligas é um desafio único devido à sua elevada condutividade térmica e tendência para fissurar. Este artigo aborda várias técnicas de soldadura, materiais e métodos de preparação essenciais para obter soldaduras bem sucedidas em cobre e suas ligas. Os leitores ficarão a conhecer os problemas específicos de soldabilidade, as preparações pré-soldadura e a seleção de métodos e materiais de soldadura adequados. Ao compreender estes factores, é possível melhorar o desempenho e a fiabilidade das soldaduras de cobre, cruciais para aplicações em numerosas indústrias.
O cobre e as ligas de cobre são amplamente utilizados devido às suas propriedades únicas e superiores. O cobre e as ligas de cobre têm uma excelente condutividade eléctrica e térmica, elevada resistência à oxidação e resistência à corrosão em água doce, água salgada, soluções alcalinas e produtos químicos orgânicos.
No entanto, são susceptíveis à corrosão em ácidos oxidantes. As ligas de cobre têm boa capacidade de trabalho a frio e a quente e maior resistência. O cobre e as ligas de cobre têm sido amplamente utilizados em indústrias como a eléctrica, eletrónica, química, alimentar, energia, transportes, aeroespacial e defesa.
Existem vários tipos de cobre e ligas de cobre produzidos na produção industrial e a maioria dos países classifica-os com base na sua composição química. O cobre e as ligas de cobre podem ser classificados em cobre puro, latão, bronze e cobre branco, entre outros.
O cobre puro recozido macio é geralmente utilizado para estruturas de soldadura. Os tipos comuns de cobre puro incluem T1, T2, T3, T4 e cobre desoxidado (cobre sem oxigénio) TU1, TU2, etc. O latão é uma liga de cobre composta principalmente por zinco.
O latão e as ligas especiais de latão normalmente utilizados incluem H62, H68, H96, HPb59-1, HSn62-1, etc. O bronze referia-se originalmente a ligas de cobre-estanho, mas atualmente é utilizado para descrever ligas de cobre que não têm zinco ou níquel como elemento de liga principal. Comum tipos de bronze incluem bronze de estanho (QSn4-3), bronze de alumínio (QAl9-2), bronze de silício (QSi3-1), etc.
Além disso, as ligas de cobre que têm o níquel como principal elemento de liga são designadas por cobre branco.
O soldabilidade do cobre e das ligas de cobre é comparativamente pobre, tornando a sua soldadura muito mais difícil do que a do aço de baixo carbono. As principais dificuldades são observadas nos seguintes aspectos:
(1) Fraca capacidade de formação da soldadura:
Ao soldar o cobre e a maioria das ligas de cobre, é provável que haja dificuldades na obtenção da fusão, penetração incompleta da junta e má formação da superfície. Isto deve-se principalmente à elevada condutividade térmica do cobre, sendo a condutividade térmica do cobre e da maioria das ligas de cobre 7 a 11 vezes superior à do aço-carbono comum.
Como resultado, o calor é rapidamente dissipado do zona de soldadura. Quanto mais espessa for a peça de trabalho, mais grave será a dissipação de calor. Embora o cobre tenha um ponto de fusão e uma capacidade térmica específica inferiores aos do ferro, continua a ser difícil atingir a temperatura de fusão na zona de soldadura, dificultando a fusão do metal de base e do metal de adição.
Além disso, a excelente condutividade térmica do cobre leva a uma zona afetada pelo calor mais ampla, o que pode resultar em deformação significativa quando a peça de trabalho tem baixa rigidez. Por outro lado, quando a rigidez é elevada, pode causar uma tensão de soldadura substancial na peça de trabalho.
A má formação da superfície do cobre e das ligas de cobre deve-se principalmente ao facto de a tensão superficial durante a fusão ser um terço da do aço e a fluidez ser 1 a 1,5 vezes superior à do aço, tornando-o mais suscetível à perda de metal durante a fusão.
Por conseguinte, ao soldar cobre puro e a maioria das ligas de cobre altamente condutoras, para além de utilizar uma potência elevada e uma densidade de energia elevada métodos de soldaduraÉ também necessário incorporar vários graus de pré-aquecimento. Não é permitido utilizar a soldadura de uma face sem apoio e, quando se realiza a soldadura de uma face, deve ser adicionada uma placa de apoio para controlar a formação da junta de soldadura.
(2) Elevada suscetibilidade à fissuração por calor nas soldaduras e nas zonas afectadas pelo calor:
A tendência para a fissuração por calor nas soldaduras está relacionada com a influência das impurezas na soldadura e é também influenciada pelas tensões geradas durante o processo de soldadura. processo de soldadura. O oxigénio é uma impureza comum encontrada no cobre e tem um impacto significativo na tendência para a fissuração por calor nas soldaduras.
A altas temperaturas, o cobre reage com o oxigénio do ar para formar Cu2O. Cu2O é solúvel em cobre líquido mas não em cobre sólido, formando um eutéctico de baixo ponto de fusão. As impurezas como o Bi e o Pb no cobre e nas ligas de cobre têm pontos de fusão baixos.
Durante o processo de solidificação da poça de fusão, formam eutécticos de baixo ponto de fusão que se distribuem entre dendrites ou nos limites dos grãos, causando uma fragilidade térmica significativa no cobre e nas ligas de cobre. Quando a soldadura se encontra na fase sólido-líquido, os eutécticos de baixo ponto de fusão na zona afetada pelo calor voltam a fundir-se sob a influência das tensões de soldadura, resultando em fissuras térmicas.
O cobre e as ligas de cobre têm coeficientes de expansão linear e taxas de contração relativamente elevadas, e também apresentam uma forte condutividade térmica. Ao soldar, são necessárias fontes de calor de alta potência, o que resulta numa zona afetada pelo calor mais ampla. Como resultado, a juntas soldadas sofrem tensões internas significativas, o que é outro fator que conduz à fissuração nas soldaduras de cobre e de ligas de cobre.
Além disso, ao soldar cobre puro, o metal de solda consiste numa estrutura monofásica. Devido à elevada condutividade térmica do cobre puro, a soldadura tende a formar grãos grosseiros. Este facto agrava ainda mais a formação de fissuras térmicas.
Por conseguinte, para evitar a formação de fissuras térmicas quando se utiliza a soldadura por fusão para soldar cobre e ligas de cobre, devem ser tomadas as seguintes medidas metalúrgicas:
1) Controlar rigorosamente o teor de impurezas (como o oxigénio, o bismuto, o chumbo, o enxofre, etc.) no cobre.
2) Melhorar a capacidade de desoxidação da soldadura através da adição de elementos de liga como o silício, o manganês, o fósforo, etc., ao fio de soldadura.
3) Selecionar materiais de soldadura que pode obter uma estrutura duplex, o que perturba a continuidade das películas eutécticas de baixo ponto de fusão e altera a direção dos grãos colunares.
4) Implementar medidas como o pré-aquecimento e o arrefecimento lento para reduzir as tensões de soldadura, minimizar o tamanho da abertura da raiz e aumentar as dimensões do passe de raiz para evitar a formação de fissuras.
(3) Suscetibilidade à formação de porosidade:
Na soldadura por fusão do cobre e das ligas de cobre, a tendência para a formação de porosidade é muito mais significativa em comparação com o aço de baixo carbono. Para reduzir e eliminar a porosidade nas soldaduras de cobre, as principais medidas são a redução das fontes de hidrogénio e oxigénio e o pré-aquecimento para prolongar o tempo de existência da poça de fusão, facilitando a saída dos gases.
Utilizar fios de soldadura com desoxidantes fortes, como o alumínio, titânio(que também podem remover o azoto e o hidrogénio) ou a adição de elementos como o alumínio e o estanho às ligas de cobre podem produzir bons resultados em termos de desoxidação.
(4) Diminuído junta de soldadura desempenho:
Durante o processo de soldadura por fusão do cobre e das ligas de cobre, as juntas de soldadura sofrem um forte crescimento do grão, evaporação e queima de elementos de liga, bem como infiltração de impurezas, o que leva a uma diminuição das propriedades mecânicas, da condutividade eléctrica e da resistência à corrosão das juntas soldadas.
1) Diminuição significativa da ductilidade:
A soldadura e a zona afetada pelo calor sofrem um engrossamento do grão, e vários eutécticos frágeis de baixo ponto de fusão aparecem nos limites do grão, enfraquecendo a força de ligação do metal e reduzindo significativamente a ductilidade e a tenacidade da junta. Por exemplo, quando se utilizam eléctrodos de soldadura de cobre puro para soldadura por arco ou soldadura por arco submerso, o alongamento da junta é apenas de cerca de 20% a 50% do material de base.
2) Diminuição da condutividade eléctrica:
A adição de qualquer elemento ao cobre diminuirá a sua condutividade eléctrica. Por conseguinte, a fusão de impurezas e elementos de liga durante o processo de soldadura irá, em certa medida, deteriorar a condutividade eléctrica do cobre articulações.
3) Diminuição da resistência à corrosão:
A resistência à corrosão das ligas de cobre é conseguida através da liga com elementos como o zinco, o manganês, o níquel, o alumínio, etc. A evaporação e a oxidação destes elementos durante o processo de soldadura por fusão reduzem, em certa medida, a resistência à corrosão da junta. A geração de tensões de soldadura também aumenta o risco de corrosão sob tensão.
As medidas para melhorar o desempenho da junta envolvem principalmente o controlo do teor de impurezas, a redução da queima da liga e a realização de tratamento térmico para modificar a microestrutura da soldadura. Minimizar a entrada de calor durante a soldadura e aplicar um tratamento de alívio de tensões após a soldadura também são benéficos.
Atualmente, existem muitos métodos de soldadura disponíveis para o cobre e as ligas de cobre. Os métodos de soldadura mais utilizados incluem a soldadura a gás, a soldadura por arco de metal blindado, a soldadura com gás inerte de tungsténio (TIG), o elétrodo consumível soldadura por arco de árgone soldadura por arco submerso.
A seleção dos métodos de soldadura deve basear-se na composição, espessura, características estruturais e requisitos de desempenho do material a soldar.
O cobre é o metal com a melhor condutividade térmica entre os metais normalmente utilizados metais de soldadura. Por conseguinte, a soldadura do cobre e das suas ligas exige métodos de soldadura de elevada potência e densidade energética.
É preferível uma maior eficiência térmica e uma energia mais concentrada. Diferentes espessuras de material têm uma adaptabilidade diferente a vários métodos de soldadura.
Por exemplo, as placas finas são mais adequadas para Soldadura TIG e soldadura a gás. As chapas médias e grossas são mais adequadas para a soldadura por arco submerso, a soldadura por arco com elétrodo consumível de árgon e a soldadura por feixe de electrões. Para chapas espessas, recomenda-se a soldadura MIG e a soldadura por arco de metal blindado.
1) Fio de soldadura:
Para além de cumprir os requisitos gerais de processo e metalúrgicos, o fio de soldadura para soldar cobre e ligas de cobre deve controlar principalmente o teor de impurezas e melhorar a capacidade de desoxidação para evitar a formação de fissuras térmicas e porosidade.
Para soldar cobre puro, os elementos desoxidantes, como Si, Mn e P, são principalmente adicionados ao fio de soldadura. Os fios de soldadura habitualmente utilizados incluem os fios de alta pureza soldadura de cobre fio HSCu, que é frequentemente utilizado na soldadura a gás juntamente com o solvente CJ301, e na soldadura por arco submerso juntamente com o fluxo HJ431.
2) Eléctrodos de soldadura:
Os eléctrodos de soldadura por arco para cobre podem ser divididos em cobre e bronze, sendo os eléctrodos de bronze os mais utilizados. Devido à tendência do zinco no bronze para se evaporar, os eléctrodos de cobre são raramente utilizados na soldadura por arco.
Nestes casos, podem ser utilizados eléctrodos de bronze. Os eléctrodos de cobre geralmente utilizados incluem o elétrodo de cobre puro T107 e o elétrodo de bronze silício T207.
Os requisitos para o pré-tratamento de soldaduras de cobre e ligas de cobre são relativamente rigorosos. A limpeza pré-soldagem do cobre e das ligas de cobre envolve principalmente a remoção das películas de óleo e de óxido. Antes de remover a película de óxido, limpar a ranhura e as impurezas num intervalo de 30 mm em ambos os lados da junta, utilizando gasolina ou acetona.
Em seguida, limpe a ranhura da contaminação por óleo usando uma solução de hidróxido de sódio 10% a uma temperatura de 30-40 ℃, seguida de enxágue com água. Mergulhe a junta em uma solução de ácido nítrico 35%-40% por 2-3 minutos, enxágue com água novamente e seque-a.
A remoção das películas de óxido pode ser efectuada através de limpeza mecânica e química. Para a limpeza mecânica, utilizar uma roda de arame pneumática ou uma escova de arame para polir a superfície do fio de soldadura e da soldadura até ser visível um brilho metálico.
A limpeza química envolve a imersão da soldadura numa solução mista de 70mL/L HNO3, 100mL/L H2SO4 e 1mL/L HCl para limpeza, seguida de neutralização com uma solução alcalina, enxaguamento com água limpa e secagem com ar quente.
Soldadura a gás:
Soldadura a gás é adequado para a soldadura de peças finas de cobre, reparação de peças de cobre ou soldadura de estruturas não críticas.
1) Pré-aquecimento antes da soldadura:
O pré-aquecimento é geralmente necessário para a soldadura a gás de cobre puro para evitar a ocorrência de tensões internas, fissuras, porosidade e penetração incompleta. O temperatura de pré-aquecimento para chapas finas e soldas de pequeno porte é de cerca de 400-500 ℃, enquanto para soldas grossas e grandes, a temperatura de pré-aquecimento deve ser aumentada para 600-700 ℃. A temperatura de pré-aquecimento para latão e bronze pode ser ligeiramente inferior.
2) Seleção de parâmetros de soldadura e técnica de soldadura: O cobre tem uma elevada condutividade térmica, pelo que a energia da chama utilizada para soldar é geralmente 1-2 vezes superior à utilizada para soldar aço-carbono. Ao soldar cobre puro, deve ser utilizada estritamente uma chama neutra.
Uma chama oxidante pode causar a oxidação da soldadura e a queima de elementos de liga. Uma chama de cementação pode aumentar o teor de hidrogénio na soldadura e levar à formação de porosidade.
Na soldadura a gás de chapas finas, deve ser utilizado o método de soldadura à esquerda, uma vez que ajuda a suprimir o crescimento do grão. Quando a espessura da peça de trabalho é superior a 6 mm, é preferível o método de soldadura à direita, uma vez que permite um aquecimento a temperaturas mais elevadas do metal de base e proporciona uma melhor visibilidade da poça de fusão, tornando a operação mais conveniente.
O movimento da tocha de soldadura deve ser o mais rápido possível, e cada cordão de soldadura não devem ser interrompidos aleatoriamente. É preferível completar cada cordão de soldadura numa única passagem.
Ao soldar costuras longas, deve ser deixada uma margem adequada para o encolhimento antes da soldadura, e o posicionamento deve ser feito antes da soldadura. O método de retrocesso segmentado deve ser utilizado durante a soldadura para reduzir a deformação.
Para as soldaduras de cobre sujeitas a tensões ou de maior importância, devem ser tomadas medidas de martelagem pós-soldadura da junta e de tratamento térmico. Após a soldadura de peças finas de cobre, a zona afetada pelo calor em ambos os lados da soldadura deve ser imediatamente martelada.
Para placas de espessura média acima de 5 mm, elas devem ser aquecidas a 500-600 ℃ antes de martelar. Após o martelamento, a peça de trabalho deve ser aquecida a 500-600 ℃ e depois resfriada rapidamente em água, o que pode melhorar a plasticidade e a tenacidade da junta.
Existe uma camisa de água do elétrodo, feita de cobre desoxidado TU1. A junta do elétrodo é soldada utilizando a soldadura MIG e o processo de soldadura específico é apresentado na Tabela 5-37.
Tabela 5-37 Cartão de processo de soldadura para a junta TU1
| Cartão de processo de soldadura para soldadura de juntas | Número | |||
Diagrama de junção: | Material de base Material | TU1 | TU1 | |
| Espessura do material de base | 15 mm | 15 mm | ||
| Posição de soldadura | Soldadura plana | |||
| Técnica de soldadura | Trajetória de soldadura reta | |||
| Temperatura de pré-aquecimento | 500℃ | |||
| Temperatura interpasse | ≥500℃ | |||
| Diâmetro do bocal | Φ26mm | |||
| Gás de proteção | Ar | Caudal de gás (L/min) | Frente: 25~30 Voltar: | |
| Sequência de soldadura | |
| 1 | Inspecionar as dimensões da ranhura e a qualidade da superfície. |
| 2 | Remova qualquer óleo ou sujidade da ranhura e da sua vizinhança. Limpe a graxa usando uma solução de água NaOH 10% a uma temperatura de 30 ~ 40 ℃, depois enxágue com água limpa e seque. Remova a película de óxido moendo com uma roda de arame de aço inoxidável, depois enxágue com água alcalina, seguido de enxágue com água limpa e secagem. |
| 3 | Efetuar a soldadura por pontos para a primeira camada utilizando uma técnica de soldadura de posicionamento exterior. O comprimento deve ser de 100 mm e a distância entre os pontos de soldadura não deve exceder 300 mm. Se aparecerem fissuras na costura da soldadura por pontos, remova-as e volte a soldar. |
| 4 | Emendar os eléctrodos num dispositivo especialmente concebido para o efeito. Pré-aqueça a peça de trabalho usando aquecimento elétrico, com uma temperatura de pré-aquecimento de 500 ℃, e certifique-se de que a temperatura da camada intermediária não permaneça inferior a 500 ℃. |
| 5 | Começar a soldar pelo exterior para evitar a formação de cordões de soldadura no interior do cordão de soldadura. Assegurar que o redondeza do círculo interno do elétrodo e a suavidade da superfície interna. |
| 6 | Efetuar uma inspeção visual. |
| 7 | Se necessário, endireitar. |
| 8 | Efetuar o tratamento térmico pós-soldadura. |
Parâmetros de especificação de soldadura
| Passa | Método de soldadura | Grau do material de soldadura | Especificação do material de soldadura | Tipos de corrente e polaridade | Corrente de soldadura (Ampere) | Tensão do arco (Volt) | Velocidade de soldadura (mm/por passagem) | Observações |
| 1~2 | MIG (Semi-Automático) | HSCu | 1.6 | DCEP | 350~400 | 30~35 | 250~300 |
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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