A soldagem de cobre e suas ligas é um desafio único devido à sua alta condutividade térmica e tendência a rachaduras. Este artigo aborda várias técnicas de soldagem, materiais e métodos de preparação essenciais para obter soldas bem-sucedidas em cobre e suas ligas. Os leitores aprenderão sobre os problemas específicos de soldabilidade, as preparações pré-soldagem e a seleção de métodos e materiais de soldagem adequados. Ao compreender esses fatores, é possível aprimorar o desempenho e a confiabilidade das soldas de cobre, cruciais para aplicações em diversos setores.
O cobre e as ligas de cobre são amplamente utilizados em todos os setores devido à sua excepcional combinação de propriedades. Esses materiais apresentam condutividade elétrica e térmica superior, alta resistência à oxidação e excelente resistência à corrosão em diversos ambientes, incluindo água doce, água salgada, soluções alcalinas e produtos químicos orgânicos. Entretanto, é importante observar sua vulnerabilidade à corrosão em ácidos oxidantes.
As ligas de cobre demonstram excelente conformabilidade nos processos de trabalho a frio e a quente, além de maior resistência em comparação com o cobre puro. Sua versatilidade levou à adoção generalizada em setores críticos, como eletroeletrônico, processamento químico, produção de alimentos, geração de energia, transporte, aeroespacial e indústrias de defesa.
A produção industrial de cobre e ligas de cobre produz uma gama diversificada de materiais, normalmente classificados com base na composição química. As principais categorias incluem:
1. Cobre puro: O cobre puro recozido macio é o preferido para estruturas de soldagem. As classes comuns incluem T1, T2, T3, T4 e variantes de cobre sem oxigênio, como TU1 e TU2.
2. Latão: Essas ligas de cobre-zinco oferecem um equilíbrio entre força, ductilidade e resistência à corrosão. Os graus mais usados incluem H62, H68, H96, bem como ligas especializadas como latão de chumbo (HPb59-1) e latão de estanho (HSn62-1).
3. Bronze: originalmente referindo-se a ligas de cobre-estanho, esse termo agora abrange ligas de cobre em que o zinco ou o níquel não é o principal elemento de liga. Tipos notáveis incluem:
4. Cobre branco (cuproníquel): Essas ligas de cobre-níquel apresentam notável resistência à corrosão, principalmente em ambientes marinhos.
Cada um desses materiais à base de cobre oferece combinações de propriedades exclusivas, permitindo que engenheiros e projetistas selecionem a liga ideal para aplicações específicas. O desenvolvimento contínuo de novas ligas de cobre e técnicas de processamento continua a expandir seus possíveis usos em tecnologias avançadas e ambientes exigentes.
O soldabilidade do cobre e das ligas de cobre é comparativamente ruim, o que torna a soldagem muito mais desafiadora do que a do aço de baixo carbono. As principais dificuldades são observadas nos seguintes aspectos:
(1) Baixa capacidade de formação de solda:
Ao soldar o cobre e a maioria das ligas de cobre, há uma tendência a dificuldades na obtenção da fusão, penetração incompleta da junta e má formação da superfície. Isso se deve principalmente à alta condutividade térmica do cobre, sendo que a condutividade térmica do cobre e da maioria das ligas de cobre é de 7 a 11 vezes maior do que a do aço carbono comum.
Como resultado, o calor é rapidamente dissipado do zona de soldagem. 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 mais baixos em comparação com o ferro, ainda é um desafio atingir a temperatura de fusão na zona de soldagem, 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 alta, isso pode causar um estresse de soldagem substancial na peça de trabalho.
A má formação da superfície do cobre e das ligas de cobre é atribuída principalmente ao fato de que a tensão superficial durante a fusão é um terço da do aço, e a fluidez é de 1 a 1,5 vezes maior do que a do aço, tornando-o mais suscetível à perda de metal durante a fusão.
Portanto, ao soldar cobre puro e as ligas de cobre mais altamente condutoras, além de usar alta potência e alta densidade de energia métodos de soldagemAlém disso, é necessário incorporar vários graus de pré-aquecimento. Não é permitido usar a soldagem unilateral sem suporte e, ao realizar a soldagem unilateral, uma placa de apoio deve ser adicionada para controlar a formação da junta de solda.
(2) Alta suscetibilidade a trincas térmicas em soldas e zonas afetadas pelo calor:
A tendência de trincas térmicas em soldas está relacionada à influência de impurezas na solda e também é influenciada pelas tensões geradas durante o processo de soldagem. processo de soldagem. O oxigênio é uma impureza comum encontrada no cobre e tem um impacto significativo na tendência de trincas térmicas em soldas.
Em altas temperaturas, o cobre reage com o oxigênio do ar para formar Cu2O. Cu2O é solúvel em cobre líquido, mas não em cobre sólido, formando um eutético de baixo ponto de fusão. Impurezas como Bi e Pb no cobre e nas ligas de cobre têm baixos pontos de fusão.
Durante o processo de solidificação do banho de solda, eles formam eutéticos de baixo ponto de fusão que se distribuem entre dendritos ou nos limites dos grãos, causando fragilidade térmica significativa no cobre e nas ligas de cobre. Quando a solda está na fase sólido-líquido, os eutéticos de baixo ponto de fusão na zona afetada pelo calor se fundem novamente sob a influência das tensões de soldagem, resultando em rachaduras por calor.
O cobre e as ligas de cobre têm coeficientes de expansão linear e taxas de encolhimento relativamente altos, além de apresentarem forte condutividade térmica. Ao soldar, são necessárias fontes de calor de alta potência, o que resulta em uma zona afetada pelo calor mais ampla. Como resultado, a juntas soldadas sofrem tensões internas significativas, o que é outro fator que leva a rachaduras em soldas de cobre e ligas de cobre.
Além disso, ao soldar cobre puro, o metal de solda consiste em uma estrutura monofásica. Devido à alta condutividade térmica do cobre puro, a solda tende a formar grãos grosseiros. Isso agrava ainda mais a formação de trincas térmicas.
Portanto, para evitar a formação de rachaduras por calor ao usar a soldagem por fusão para soldar cobre e ligas de cobre, as seguintes medidas metalúrgicas devem ser tomadas:
1) Controle rigorosamente o conteúdo de impurezas (como oxigênio, bismuto, chumbo, enxofre etc.) no cobre.
2) Aumentar a capacidade de desoxidação da solda adicionando elementos de liga, como silício, manganês, fósforo, etc., ao arame de solda.
3) Selecione materiais de soldagem que pode obter uma estrutura duplex, o que interrompe a continuidade dos filmes eutéticos de baixo ponto de fusão e altera a direção dos grãos colunares.
4) Implemente medidas como pré-aquecimento e resfriamento lento para reduzir as tensões de soldagem, minimizar o tamanho da abertura da raiz e aumentar as dimensões do passe de raiz para evitar a formação de trincas.
(3) Suscetibilidade à formação de porosidade:
Na soldagem por fusão de cobre e ligas de cobre, a tendência de formação de porosidade é muito mais significativa em comparação com o aço de baixo carbono. Para reduzir e eliminar a porosidade em soldas de cobre, as principais medidas são a redução das fontes de hidrogênio e oxigênio e o pré-aquecimento para prolongar o tempo de existência da poça de fusão, facilitando a saída dos gases.
Usar arames de solda com desoxidantes fortes, como o alumínio, titânioetc. (que também podem remover nitrogênio e hidrogênio) ou adicionar elementos como alumínio e estanho às ligas de cobre podem produzir bons resultados em termos de desoxidação.
(4) Diminuído junta de solda desempenho:
Durante o processo de soldagem por fusão de cobre e ligas de cobre, as juntas de solda passam por um grave crescimento de grãos, evaporação e queima de elementos de liga, bem como infiltração de impurezas, o que leva a uma diminuição das propriedades mecânicas, da condutividade elétrica e da resistência à corrosão das juntas soldadas.
1) Diminuição significativa da ductilidade:
A solda e a zona afetada pelo calor sofrem engrossamento dos grãos, e vários eutéticos frágeis de baixo ponto de fusão aparecem nos limites dos grãos, enfraquecendo a força de ligação do metal e reduzindo significativamente a ductilidade e a resistência da junta. Por exemplo, ao usar eletrodos de solda de cobre puro para soldagem a arco ou soldagem por arco submerso, o alongamento da junta é de apenas 20% a 50% do material de base.
2) Diminuição da condutividade elétrica:
A adição de qualquer elemento ao cobre diminuirá sua condutividade elétrica. Portanto, a fusão de impurezas e elementos de liga durante o processo de soldagem deteriorará, até certo ponto, a condutividade elétrica do cobre. condutividade elétrica do cobre articulações.
3) Diminuição da resistência à corrosão:
A resistência à corrosão das ligas de cobre é obtida por meio de ligas com elementos como zinco, manganês, níquel, alumínio etc. A evaporação e a oxidação desses elementos durante o processo de soldagem por fusão reduzirão, até certo ponto, a resistência à corrosão da junta. A geração de tensões de soldagem também aumenta o risco de corrosão sob tensão.
As medidas para melhorar o desempenho da junta envolvem principalmente o controle do teor de impurezas, a redução da queima da liga e a realização de tratamento térmico para modificar a microestrutura da solda. A minimização da entrada de calor durante a soldagem e a aplicação de tratamento de alívio de tensão após a soldagem também são benéficas.
A soldagem de cobre e ligas de cobre apresenta desafios únicos devido à excepcional condutividade térmica do material. Há uma grande variedade de técnicas de soldagem disponíveis, cada uma com vantagens específicas para diferentes aplicações. Os métodos mais comuns incluem soldagem a gás, soldagem a arco de metal blindado (SMAW), soldagem a gás inerte de tungstênio (TIG), soldagem a arco de metal a gás (GMAW/MIG) e soldagem a arco submerso (SAW).
A seleção do método de soldagem ideal deve se basear em vários fatores:
A condutividade térmica superior do cobre (quase seis vezes a do aço) exige métodos de soldagem com alta densidade de potência e entrada de calor concentrada. Isso ajuda a superar a rápida dissipação de calor e garante a fusão adequada. 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 soldagem:
Tecnologias emergentes como soldagem a laser e a soldagem híbrida a laser e arco estão ganhando força na soldagem de cobre, oferecendo alta precisão e zonas mínimas afetadas pelo calor.
A seleção adequada dos metais de adição, dos gases de proteção e dos tratamentos térmicos pré/pós-soldagem é fundamental para obter a melhor qualidade de solda em cobre e 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) Arame de solda:
Ao selecionar o arame de solda para cobre e ligas de cobre, é fundamental não apenas atender aos requisitos gerais de processo e metalurgia, mas também controlar cuidadosamente o teor de impurezas e aprimorar os recursos de desoxidação. Isso é essencial para evitar a formação de trincas térmicas e porosidade, que são problemas comuns na soldagem de cobre.
Para a soldagem de cobre puro, o arame é normalmente ligado a elementos desoxidantes, como silício (Si), manganês (Mn) e fósforo (P). Esses elementos ajudam a eliminar o oxigênio do banho de solda, reduzindo o risco de porosidade e melhorando a qualidade geral da solda. Uma opção amplamente utilizada é o fio de solda de cobre de alta pureza HSCu. Esse arame é versátil e pode ser empregado em vários processos de soldagem:
2) Eletrodos de soldagem:
Os eletrodos de soldagem a arco para aplicações de cobre podem ser categorizados em dois tipos principais: cobre e bronze. Entre eles, os eletrodos de bronze são utilizados com mais frequência devido às suas características de desempenho superiores.
Os eletrodos de cobre, especialmente os que contêm zinco (como nas ligas de latão), raramente são usados em processos de soldagem a arco. Isso se deve principalmente à alta pressão de vapor do zinco em temperaturas de soldagem, o que pode levar à geração excessiva de fumaça, porosidade e comportamento inconsistente do arco.
Os eletrodos de bronze, por outro lado, oferecem um arco mais estável e melhor soldabilidade. Eles são particularmente eficazes ao soldar cobre a si mesmo ou a outras ligas de cobre. Dois tipos de eletrodos comumente usados nessa categoria são:
Ao selecionar os eletrodos, fatores como a composição do metal de base, as propriedades mecânicas necessárias e os requisitos específicos da aplicação devem ser cuidadosamente considerados para garantir os melhores resultados de soldagem.
Os requisitos de pré-tratamento para soldas de cobre e ligas de cobre são rigorosos devido à alta condutividade térmica dos materiais e à suscetibilidade à oxidação. O foco principal da limpeza pré-solda é a remoção de contaminantes e filmes de óxido para garantir a qualidade e o desempenho ideais da solda.
Comece desengordurando completamente a junta de solda e a área ao redor (aproximadamente 30 mm de cada lado) usando um solvente adequado, como acetona ou álcool isopropílico. Essa etapa é fundamental para remover quaisquer óleos ou contaminantes orgânicos que possam comprometer a integridade da solda.
Após o desengorduramento, use um processo de limpeza química em duas etapas:
Para a remoção mecânica de óxido, utilize uma escova de arame de aço inoxidável ou uma roda específica para cobre. As ferramentas pneumáticas podem aumentar a eficiência, mas é preciso tomar cuidado para evitar a remoção excessiva de material ou a contaminação da superfície. Continue escovando até obter um brilho metálico uniforme e brilhante.
Os metais de enchimento requerem atenção semelhante. Limpe os arames de solda mecanicamente usando um pano que não solte fiapos ou uma lixa fina para remover os óxidos da superfície imediatamente antes do uso. Para operações maiores, considere sistemas automatizados de limpeza de arame para manter a qualidade consistente.
Após a limpeza, minimize o tempo entre a preparação e a soldagem para evitar a re-oxidação. Se a soldagem imediata não for possível, armazene os componentes preparados em um ambiente controlado com baixa umidade e proteja as superfícies com compostos antioxidantes adequados compatíveis com o processo de soldagem.
Implemente medidas de segurança adequadas ao manusear produtos químicos, incluindo equipamento de proteção individual (EPI) apropriado e ventilação adequada. Cumpra as normas ambientais locais para o descarte de soluções de limpeza usadas.
Soldagem a gás:
A soldagem a gás é adequada para unir componentes finos de cobre, reparar peças de cobre ou soldar estruturas não críticas. Sua versatilidade o torna particularmente útil em operações de manutenção e reparo.
1) Pré-aquecimento antes da soldagem:
O pré-aquecimento é essencial para a soldagem a gás de cobre puro para atenuar as tensões internas, evitar rachaduras, reduzir a porosidade e garantir a penetração completa. Para chapas finas e pequenas soldagens, faça o pré-aquecimento a 400-500°C (752-932°F). Aumente a temperatura de pré-aquecimento para 600-700°C (1112-1292°F) para soldas grossas e grandes. As ligas de latão e bronze normalmente exigem temperaturas de pré-aquecimento um pouco mais baixas devido às suas diferentes propriedades térmicas.
2) Seleção dos parâmetros e da técnica de soldagem:
Devido à alta condutividade térmica do cobre, a energia da chama para a soldagem deve ser de 1 a 2 vezes maior do que a usada para o aço carbono. Ao soldar cobre puro, é fundamental manter uma chama neutra.
Uma chama oxidante pode levar à oxidação da solda e à perda de elementos de liga, comprometendo a integridade da junta. Por outro lado, uma chama de carburação aumenta o teor de hidrogênio na solda, promovendo a formação de porosidade.
Para chapas finas, use a técnica de soldagem à esquerda para minimizar o crescimento de grãos. Para peças de trabalho com espessura superior a 6 mm (0,24 polegadas), o método de soldagem à direita é o preferido, pois facilita um maior aquecimento do metal de base e proporciona melhor visibilidade da poça de fusão, aumentando a eficiência operacional.
Mantenha um movimento rápido e contínuo da tocha de soldagem, evitando interrupções aleatórias em cada cordão de solda. O ideal é concluir cada cordão de solda em um único passe para garantir a uniformidade e reduzir o risco de defeitos.
Ao soldar costuras longas, incorpore as devidas tolerâncias para o encolhimento antes da soldagem e garanta o posicionamento adequado. Utilize o método de retrocesso segmentado durante a soldagem para minimizar a deformação e as tensões residuais.
Para soldas de cobre críticas ou que suportam estresse, implemente tratamentos pós-soldagem:
Esses tratamentos pós-soldagem ajudam a refinar a estrutura do grão, aliviar as tensões residuais e melhorar a qualidade geral da solda, garantindo o desempenho ideal dos componentes de cobre soldados.
Há uma camisa de água do eletrodo, feita de cobre desoxidado TU1. A junta do eletrodo é soldada usando a soldagem MIG, e o processo de soldagem específico é mostrado na Tabela 5-37.
Tabela 5-37 Cartão de processo de soldagem para a junta TU1
| Cartão de processo de soldagem para soldagem de juntas | Número | |||
Diagrama de junção: | Material de base Material | TU1 | TU1 | |
| Espessura do material de base | 15 mm | 15 mm | ||
| Posição de soldagem | Solda plana | |||
| Técnica de soldagem | Caminho de solda reto | |||
| Temperatura de pré-aquecimento | 500℃ | |||
| Temperatura interpasse | ≥500℃ | |||
| Diâmetro do bocal | Φ26mm | |||
| Gás de proteção | Ar | Vazão de gás (L/min) | Dianteiro: 25~30 Voltar: | |
| Sequência de soldagem | |
| 1 | Inspecione as dimensões da ranhura e a qualidade da superfície. |
| 2 | Remova qualquer óleo ou sujeira da ranhura e de suas proximidades. Limpe a graxa usando uma solução aquosa de NaOH 10% a uma temperatura de 30~40°C, depois enxágue com água limpa e seque. Remova a película de óxido esmerilhando-a com uma roda de arame de aço inoxidável, depois enxágue com água alcalina, seguido de enxágue com água limpa e secagem. |
| 3 | Realize a soldagem de aderência para a primeira camada usando uma técnica de soldagem de posicionamento externo. O comprimento deve ser de 100 mm e a distância entre os pontos de solda não deve exceder 300 mm. Se aparecerem rachaduras na costura da solda de aderência, remova-as e faça uma nova solda. |
| 4 | Emende os eletrodos em um dispositivo de fixação especialmente projetado. Pré-aqueça a peça de trabalho usando aquecimento elétrico, com uma temperatura de pré-aquecimento de 500°C, e garanta que a temperatura da camada intermediária não seja inferior a 500°C. |
| 5 | Comece a soldar pelo lado de fora para evitar a formação de cordões de solda na parte interna do cordão de solda. Certifique-se de que a redondeza do círculo interno do eletrodo e a suavidade da superfície interna. |
| 6 | Realizar inspeção visual. |
| 7 | Endireite, se necessário. |
| 8 | Realize o tratamento térmico pós-soldagem. |
Parâmetros de especificação de soldagem
| Passes | Método de soldagem | Grau do material de soldagem | Especificação do material de soldagem | Tipos de corrente e polaridade | Corrente de soldagem (ampere) | Tensão do arco (Volt) | Velocidade de soldagem (mm/por passagem) | Observações |
| 1~2 | MIG (Semi-Automático) | HSCu | 1.6 | DCEP | 350~400 | 30~35 | 250~300 |
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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