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 em todas as indústrias devido à sua excecional combinação de propriedades. Estes materiais apresentam uma condutividade eléctrica e térmica superior, elevada resistência à oxidação e excelente resistência à corrosão em diversos ambientes, incluindo água doce, água salgada, soluções alcalinas e produtos químicos orgânicos. No entanto, é importante notar a sua vulnerabilidade à corrosão em ácidos oxidantes.
As ligas de cobre demonstram uma excelente formabilidade nos processos de trabalho a frio e a quente, juntamente com uma maior resistência em comparação com o cobre puro. A sua versatilidade levou a uma adoção generalizada em sectores críticos como o elétrico e eletrónico, o processamento químico, a produção alimentar, a produção de energia, os transportes, a indústria aeroespacial e a indústria da defesa.
A produção industrial de cobre e ligas de cobre dá origem a uma gama diversificada de materiais, tipicamente classificados com base na composição química. As principais categorias incluem:
1. Cobre puro: O cobre puro recozido macio é preferido para estruturas de soldadura. Os graus comuns incluem T1, T2, T3, T4 e variantes de cobre sem oxigénio como TU1 e TU2.
2. Latão: Estas ligas de cobre-zinco oferecem um equilíbrio entre força, ductilidade e resistência à corrosão. Os graus mais utilizados incluem H62, H68, H96, bem como ligas especializadas como o latão de chumbo (HPb59-1) e o latão de estanho (HSn62-1).
3. Bronze: Originalmente referindo-se às ligas de cobre-estanho, este termo abrange atualmente as ligas de cobre em que o zinco ou o níquel não são o principal elemento de liga. Os tipos notáveis incluem:
4. Cobre branco (cuproníquel): Estas ligas de cobre-níquel apresentam uma notável resistência à corrosão, particularmente em ambientes marinhos.
Cada um destes materiais à base de cobre oferece combinações de propriedades únicas, permitindo aos engenheiros e projectistas selecionar a liga ideal para aplicações específicas. O desenvolvimento contínuo de novas ligas de cobre e técnicas de processamento continua a expandir as suas potenciais utilizações em tecnologias avançadas e ambientes exigentes.
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.
A soldadura do cobre e das ligas de cobre apresenta desafios únicos devido à excecional condutividade térmica do material. Está disponível uma vasta gama de técnicas de soldadura, cada uma com vantagens específicas para diferentes aplicações. Os métodos mais comuns incluem a soldadura a gás, a soldadura por arco de metal blindado (SMAW), a soldadura com gás inerte de tungsténio (TIG), a soldadura por arco de metal a gás (GMAW/MIG) e a soldadura por arco submerso (SAW).
A seleção do método de soldadura ideal deve basear-se em vários factores:
A condutividade térmica superior do cobre (quase 6 vezes superior à do aço) exige métodos de soldadura com elevada densidade de potência e entrada de calor concentrada. Isto ajuda a superar a rápida dissipação de calor e garante uma fusão correta. As técnicas que oferecem maior eficiência térmica e deposição de energia concentrada são geralmente preferidas.
A espessura do material de cobre influencia significativamente a escolha do método de soldadura:
Tecnologias emergentes como soldadura a laser e a soldadura híbrida laser-arco estão a ganhar força na soldadura de cobre, oferecendo elevada precisão e zonas mínimas afectadas pelo calor.
A seleção adequada dos metais de adição, dos gases de proteção e dos tratamentos térmicos pré/pós-soldadura são cruciais para obter uma qualidade de soldadura óptima no cobre e nas suas ligas. Além disso, a limpeza rigorosa e a preparação da superfície são essenciais devido à sensibilidade do cobre à oxidação e à contaminação.
1) Fio de soldadura:
Ao selecionar o fio de soldadura para cobre e ligas de cobre, é crucial não só cumprir os requisitos gerais de processo e metalúrgicos, mas também controlar cuidadosamente o teor de impurezas e melhorar as capacidades de desoxidação. Isto é essencial para evitar a formação de fissuras térmicas e porosidade, que são problemas comuns na soldadura de cobre.
Para a soldadura de cobre puro, o fio é normalmente ligado com elementos desoxidantes como o Silício (Si), o Manganês (Mn) e o Fósforo (P). Estes elementos ajudam a eliminar o oxigénio da poça de fusão, reduzindo o risco de porosidade e melhorando a qualidade geral da soldadura. Uma opção amplamente utilizada é o fio de soldadura de cobre de alta pureza HSCu. Este fio é versátil e pode ser utilizado em vários processos de soldadura:
2) Eléctrodos de soldadura:
Os eléctrodos de soldadura por arco para aplicações de cobre podem ser classificados em dois tipos principais: cobre e bronze. Entre estes, os eléctrodos de bronze são mais frequentemente utilizados devido às suas caraterísticas de desempenho superiores.
Os eléctrodos de cobre, particularmente os que contêm zinco (como nas ligas de latão), são raramente utilizados nos processos de soldadura por arco. Isto deve-se principalmente à elevada pressão de vapor do zinco a temperaturas de soldadura, que pode levar à geração excessiva de fumos, porosidade e comportamento inconsistente do arco.
Os eléctrodos de bronze, por outro lado, oferecem um arco mais estável e uma melhor soldabilidade. São particularmente eficazes na soldadura do cobre a si próprio ou a outras ligas de cobre. Dois tipos de eléctrodos normalmente utilizados nesta categoria são:
Ao selecionar os eléctrodos, factores como a composição do metal de base, as propriedades mecânicas necessárias e os requisitos específicos da aplicação devem ser cuidadosamente considerados para garantir resultados de soldadura óptimos.
Os requisitos de pré-tratamento para soldaduras de cobre e ligas de cobre são rigorosos devido à elevada condutividade térmica dos materiais e à sua suscetibilidade à oxidação. O principal objetivo da limpeza pré-soldadura é a remoção de contaminantes e de películas de óxido para garantir uma qualidade e um desempenho óptimos da soldadura.
Comece por desengordurar completamente a junta de soldadura e a área circundante (aproximadamente 30 mm de cada lado) utilizando um solvente adequado, como acetona ou álcool isopropílico. Este passo é crucial para remover quaisquer óleos ou contaminantes orgânicos que possam comprometer a integridade da soldadura.
Após o desengorduramento, utilizar um processo de limpeza química em duas fases:
Para a remoção mecânica do óxido, utilizar uma escova de arame de aço inoxidável ou uma roda especificamente concebida para o cobre. As ferramentas pneumáticas podem aumentar a eficiência, mas é necessário ter cuidado para evitar a remoção excessiva de material ou a contaminação da superfície. Continuar a escovar até obter um brilho metálico uniforme e brilhante.
Os metais de adição requerem uma atenção semelhante. Limpe mecanicamente os fios de soldadura utilizando um pano que não largue pêlos ou um papel abrasivo fino para remover os óxidos da superfície imediatamente antes da utilização. Para operações maiores, considere sistemas automatizados de limpeza do fio para manter uma qualidade consistente.
Após a limpeza, minimizar o tempo entre a preparação e a soldadura para evitar a re-oxidação. Se não for possível proceder imediatamente à soldadura, armazenar os componentes preparados num ambiente controlado com baixa humidade e proteger as superfícies com compostos anti-oxidação adequados compatíveis com o processo de soldadura.
Aplicar medidas de segurança adequadas ao manusear produtos químicos, incluindo equipamento de proteção individual (EPI) apropriado e ventilação adequada. Cumprir os regulamentos ambientais locais para a eliminação de soluções de limpeza usadas.
Soldadura a gás:
A soldadura a gás é adequada para unir componentes de cobre finos, reparar peças de cobre ou soldar estruturas não críticas. A sua versatilidade torna-a particularmente útil em operações de manutenção e reparação.
1) Pré-aquecimento antes da soldadura:
O pré-aquecimento é essencial para a soldadura a gás de cobre puro para mitigar as tensões internas, evitar fissuras, reduzir a porosidade e assegurar uma penetração completa. Para chapas finas e pequenas soldaduras, pré-aqueça a 400-500°C (752-932°F). Aumente a temperatura de pré-aquecimento para 600-700°C (1112-1292°F) para soldaduras espessas e grandes. As ligas de latão e bronze requerem normalmente temperaturas de pré-aquecimento ligeiramente mais baixas devido às suas diferentes propriedades térmicas.
2) Seleção dos parâmetros e da técnica de soldadura:
Dada a elevada condutividade térmica do cobre, a energia da chama para a soldadura deve ser 1-2 vezes superior à utilizada para o aço-carbono. Ao soldar cobre puro, é crucial manter uma chama neutra.
Uma chama oxidante pode levar à oxidação da soldadura e à perda de elementos de liga, comprometendo a integridade da junta. Por outro lado, uma chama de cementação aumenta o teor de hidrogénio na soldadura, promovendo a formação de porosidade.
Para chapas finas, utilizar a técnica de soldadura à esquerda para minimizar o crescimento de grão. Para peças de trabalho com espessura superior a 6 mm (0,24 polegadas), é preferível o método de soldadura à direita, uma vez que facilita um maior aquecimento do metal de base e proporciona uma melhor visibilidade da poça de fusão, melhorando a eficiência operacional.
Manter um movimento rápido e contínuo da tocha de soldadura, evitando interrupções aleatórias em cada cordão de soldadura. Idealmente, completar cada cordão de soldadura numa única passagem para garantir a uniformidade e reduzir o risco de defeitos.
Ao soldar costuras compridas, inclua tolerâncias adequadas para o encolhimento antes da soldadura e assegure o posicionamento correto. Utilizar o método de retrocesso segmentado durante a soldadura para minimizar a deformação e as tensões residuais.
Para soldaduras de cobre que suportam tensões ou críticas, implementar tratamentos pós-soldadura:
Estes tratamentos pós-soldadura ajudam a refinar a estrutura do grão, a aliviar as tensões residuais e a melhorar a qualidade geral da soldadura, garantindo um desempenho ótimo dos componentes de cobre soldados.
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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