Soldagem de cobre com robôs industriais

Cobre e ligas de cobre oferecem uma combinação única de propriedades de materiais que os tornam ideais para muitos ambientes de fabricação. Eles são amplamente utilizados por causa de suas excelentes condutividades elétrica e térmica, excelente resistência à corrosão, facilidade de fabricação, boa resistência e resistência à fadiga. Outras características úteis incluem resistência a faíscas, resistência ao desgaste de metal com metal, propriedades de baixa permeabilidade e cores distintas.

Processos de soldagem de cobre

O cobre é frequentemente unido por soldagem. Os processos de soldagem a arco são a principal preocupação. A soldagem a arco pode ser realizada usando soldagem a arco de metal blindado (SMAW), soldagem a arco gás-tungstênio (GTAW), soldagem a arco gás-metal (GMAW), soldagem a arco plasma (PAW) e soldagem a arco submerso (SAW).

Os processos de soldagem que usam proteção de gás são geralmente preferidos, embora o SMAW possa ser usado para muitas aplicações não críticas. Argônio, hélio ou misturas dos dois são usados ​​como gases de proteção para GTAW, PAW e GMAW. Geralmente, o argônio é usado quando o material de soldagem manual tem menos de 3 mm de espessura, tem baixa condutividade térmica ou ambos. O hélio ou uma mistura de 75% de hélio e 25% de argônio é recomendado para soldagem mecânica de seções finas e para soldagem manual de seções mais espessas de ligas com alta condutividade térmica. Pequenas quantidades de nitrogênio podem ser adicionadas ao gás de proteção de argônio para aumentar a entrada efetiva de calor. A soldagem a arco de metal blindado pode ser usada para soldar uma ampla gama de espessuras de liga de cobre. Eletrodos revestidos para soldagem a arco submerso (SAW) de ligas de cobre estão disponíveis em tamanhos padrão que variam de 2,4 a 4,8 mm.

Soldagem a arco de gás-tungstênio

A soldagem a arco gás-tungstênio é adequada para cobre e ligas de cobre por causa de seu arco intenso, que produz uma temperatura extremamente alta na junta e uma zona afetada pelo calor (HAZ) estreita.

Na soldagem de cobre e as ligas de cobre mais condutoras termicamente, a intensidade do arco é importante para completar a fusão com aquecimento mínimo do metal base altamente condutor circundante. Um HAZ estreito é particularmente desejável na soldagem de ligas de cobre que foram endurecidas por precipitação.

Muitos dos eletrodos padrão de tungstênio ou ligas de tungstênio podem ser usados ​​em GTAW de cobre e ligas de cobre. Os fatores de seleção normalmente considerados para eletrodos de tungstênio se aplicam em geral ao cobre e ligas de cobre. Com exceção das classes específicas de ligas de cobre, o tungstênio toriado (geralmente EWTh-2) é preferido por seu melhor desempenho, maior vida útil e maior resistência à contaminação.

Soldagem a arco gás-metal

A soldagem a arco gás-metal é usada para unir cobre e ligas de cobre com espessura inferior a 3 mm, enquanto GMAW é preferido para espessura de seção acima de 3 mm e para unir bronzes de alumínio, bronzes de silício e ligas de cobre-níquel.

Soldagem a arco plasma

A soldagem de cobres e ligas de cobre usando PAW é comparável ao GTAW dessas ligas. Argônio, hélio ou misturas dos dois são usados ​​para a soldagem de todas as ligas. O gás hidrogênio nunca deve ser usado ao soldar cobres.

A soldagem a arco plasma tem duas vantagens distintas sobre GTAW:

1. O tungstênio é oculto e totalmente blindado, o que reduz bastante a contaminação do eletrodo, principalmente para ligas com constituintes de baixa temperatura de ebulição, como latão, bronze, bronze fosforoso e bronze de alumínio.
2. A pluma de arco construída dá origem a energias de arco mais altas, minimizando o crescimento da HAZ. Assim como no GTAW, a pulsação de corrente e a rampa de corrente também podem ser usadas. O equipamento de soldagem a arco plasma foi miniaturizado para trabalhos complexos, conhecidos como soldagem microplasma.

A soldagem por arco plasma de cobre e ligas de cobre pode ser realizada de forma autógena ou com metal de adição. A seleção do metal de adição é idêntica à descrita para GTAW. A automação e a mecanização desse processo são prontamente executadas e são preferíveis ao GTAW, onde a contaminação pode restringir a eficiência da produção. As posições de soldagem para PAW são idênticas àquelas para GTAW. No entanto, o modo keyhole de plasma foi avaliado para seções mais espessas em uma posição vertical para cima. Geralmente, todas as informações apresentadas para GTAW são aplicáveis ​​a PAW.

Soldagem por arco submerso

A soldagem de materiais grossos, como tubos formados a partir de chapa grossa, pode ser obtida por operação contínua de arco metálico sob um fluxo granular. A desoxidação efetiva e as reações de escória-metal para formar a composição necessária do metal de solda são críticas e o processo SAW ainda está em desenvolvimento para materiais à base de cobre. Uma variação desse processo pode ser usada para revestimento de solda ou revestimento duro. Fluxos comercialmente disponíveis devem ser usados ​​para as ligas de cobre-níquel.

Metalurgia e soldabilidade de ligas

Muitos metais comuns são ligados ao cobre para produzir as várias ligas de cobre. Os elementos de liga mais comuns são alumínio, níquel, silício, estanho e zinco. Outros elementos e metais são ligados em pequenas quantidades para melhorar certas características do material, como resistência à corrosão ou usinabilidade.

Nove grupos de cobre e ligas de cobre:

1. Cobre, que contém no mínimo 99,3% de Cu
2. Ligas de alto teor de cobre, que contêm até 5% de elementos de liga
3. Ligas de cobre-zinco (latão), que contêm até 40% de Zn
4. Ligas de cobre-estanho (bronze fosforoso), que contêm até 10% de Sn e 0,2% de P
5. Ligas de cobre-alumínio (bronze de alumínio), que contêm até 10% de Al
6. Ligas de cobre-silício (bronze de silício), que contêm até 3% de Si
7. Ligas de cobre-níquel, que contêm até 30% de Ni
8. Ligas de cobre-zinco-níquel (pratas de níquel), que contêm até 7% de Zn e 18% de Ni
9. Ligas especiais, que contêm elementos de liga para melhorar uma propriedade ou característica específica, por exemplo, usinabilidade.

Muitas ligas de cobre têm nomes comuns, como cobre livre de oxigênio (99,95% Cu min), cobre berílio (0,02 a 0,2% Be), metal Muntz (Cu40Zn), latão naval (Cu-39,5Zn-0,75Sn) e liga comercial bronze (Cu-10Zn).

Propriedades

Muitas das propriedades físicas das ligas de cobre são importantes para os processos de soldagem, incluindo temperatura de fusão, coeficiente de expansão térmica e condutividade elétrica e térmica. Certos elementos de liga diminuem as condutividades elétrica e térmica do cobre e das ligas de cobre.

Soldabilidade

Vários elementos de liga têm efeitos pronunciados na soldabilidade do cobre e das ligas de cobre. Pequenas quantidades de elementos de liga voláteis e tóxicos estão freqüentemente presentes no cobre e suas ligas. Como resultado, a exigência de um sistema de ventilação eficaz para proteger o soldador e/ou o operador da máquina de solda é mais crítica do que na soldagem de metais ferrosos.

O zinco reduz a soldabilidade de todos os latões em proporção relativa à porcentagem de zinco na liga. O zinco tem uma baixa temperatura de ebulição, o que resulta na produção de vapores tóxicos ao soldar ligas de cobre-zinco.

O silício tem um efeito benéfico na soldabilidade de ligas de cobre-silício por causa de suas ações de desoxidação e fluxo.

Lata

O estanho aumenta a suscetibilidade à trinca a quente durante a soldagem quando presente em quantidades de 1 a 10%. O estanho, quando comparado com o zinco, é muito menos volátil e tóxico. Durante a soldagem, o estanho pode oxidar preferencialmente em relação ao cobre. O resultado será um aprisionamento de óxido, que pode reduzir a resistência da solda.

Óxidos Tenazes

Berílio, alumínio e níquel formam óxidos tenazes que devem ser removidos antes da soldagem. A formação destes óxidos durante o processo de soldagem deve ser evitada por meio de gás de proteção ou fluxo, em conjunto com o uso da corrente de soldagem adequada. Os óxidos de níquel interferem menos na soldagem a arco do que os de berílio ou alumínio. Consequentemente, as pratas de níquel e as ligas de cobre-níquel são menos sensíveis ao tipo de corrente de soldagem utilizada durante o processo. As ligas contendo berílio também produzem vapores tóxicos durante a soldagem.

Oxigênio

O oxigênio pode causar porosidade e reduzir a resistência das soldas feitas em certas ligas de cobre que não contêm quantidades suficientes de fósforo ou outros desoxidados. O oxigênio pode ser encontrado como um gás livre ou como óxido cuproso. As ligas de cobre mais comumente soldadas contêm elementos desoxidantes, geralmente fósforo, silício, alumínio, ferro ou manganês.

Ferro e manganês não afetam significativamente a soldabilidade das ligas que os contêm. O ferro está normalmente presente em alguns latões especiais, bronzes de alumínio e ligas de cobre-níquel em quantidades de 1,4 a 3,5%. O manganês é comumente usado nessas mesmas ligas, mas em concentrações mais baixas que o ferro.

Aditivos de Usinagem Livre

Chumbo, selênio, telúrio e enxofre são adicionados às ligas de cobre para melhorar a usinabilidade. O bismuto está começando a ser usado para esse fim também quando se deseja ligas sem chumbo. Esses agentes de liga menores, enquanto melhoram a usinabilidade, afetam significativamente a soldabilidade das ligas de cobre, tornando as ligas suscetíveis a trincas a quente. O efeito adverso na soldabilidade é evidente com cerca de 0,05% do aditivo e é mais severo com concentrações maiores. O chumbo é o mais prejudicial dos agentes de liga no que diz respeito à suscetibilidade à trinca a quente.

Fatores que afetam a soldabilidade

Além dos elementos de liga que compõem uma liga de cobre específica, vários outros fatores afetam a soldabilidade. Esses fatores são a condutividade térmica da liga que está sendo soldada, o gás de proteção, o tipo de corrente usada durante a soldagem, o desenho da junta, a posição da soldagem e a condição e limpeza da superfície.

Efeito da condutividade térmica

O comportamento do cobre e das ligas de cobre durante a soldagem é fortemente influenciado pela condutividade térmica da liga. Ao soldar cobre comercial e materiais de cobre de liga leve com alta condutividade térmica, o tipo de corrente e gás de proteção deve ser selecionado para fornecer o máximo de entrada de calor para a junta. Essa alta entrada de calor neutraliza a rápida dissipação da cabeça para longe da zona de solda localizada.

Dependendo da espessura da seção, o pré-aquecimento pode ser necessário para ligas de cobre com condutividades térmicas mais baixas. A temperatura de interpasse deve ser a mesma do pré-aquecimento. As ligas de cobre não são tratadas após a soldagem com tanta frequência quanto os aços, mas algumas ligas podem exigir taxas de resfriamento controladas para minimizar tensões residuais e falta de calor.

Posição de soldagem

Devido à natureza altamente fluida do cobre e suas ligas, a posição plana é usada sempre que possível para soldagem. A posição horizontal é usada em algumas soldas de ângulo de juntas de canto e juntas em T.

Ligas endurecíveis por precipitação

As reações de endurecimento por precipitação mais importantes são obtidas com berílio, cromo, boro, níquel, silício e zircônio. Deve-se tomar cuidado ao soldar ligas de cobre endurecíveis por precipitação para evitar oxidação e fusão incompleta. Sempre que possível, os componentes devem ser soldados na condição recozida e, em seguida, a soldagem deve receber um tratamento térmico de endurecimento por precipitação.

Rachadura a quente

Ligas de cobre, como cobre-estanho e cobre-níquel, são suscetíveis a rachaduras a quente em temperaturas de solidificação. Esta característica é exibida em todas as ligas de cobre com uma ampla faixa de temperatura de líquido a sólido. Tensões severas de contração produzem separação interdendrítica durante a solidificação do metal. A trinca a quente pode ser minimizada reduzindo a restrição durante a soldagem, pré-aquecendo para diminuir a taxa de resfriamento e reduzir a magnitude das tensões de soldagem, reduzindo o tamanho da abertura de raiz e aumentando o tamanho do passe de raiz.

Porosidade

Certos elementos (por exemplo, zinco, cádmio e fósforo) têm pontos de ebulição baixos. A vaporização desses elementos durante a soldagem pode resultar em porosidade. Ao soldar ligas de cobre contendo esses elementos, a porosidade pode ser minimizada por velocidades de solda mais altas e um metal de adição com baixo teor desses elementos.

Condição da superfície

Graxa e óxido nas superfícies de trabalho devem ser removidos antes da soldagem. Escova de arame ou imersão brilhante podem ser usados. Miliscale nas superfícies de bronzes de alumínio e bronzes de silício é removido a uma distância da região de solda de pelo menos 13 mm, geralmente por meios mecânicos. Graxa, tinta, marcas de giz de cera, sujeira de loja e contaminantes semelhantes em ligas de cobre-níquel podem causar fragilização e devem ser removidos antes da soldagem. Miliscale em ligas de cobre-níquel deve ser removido por moagem ou decapagem; escova de arame não é eficaz.

Ligas de soldagem de cobre

O material de eletrodo ideal teria a resistência à compressão do aço ferramenta e a condutividade da prata. Infelizmente, tal material não existe. Assim, várias ligas de cobre diferentes foram desenvolvidas. Todos os materiais recomendados pela RWMA têm temperaturas de recozimento ou amolecimento mais altas do que o cobre puro, juntamente com maior resistência à compressão e resistência ao desgaste. Como o cobre foi ligado para obter maior resistência e propriedades de desgaste, há algum sacrifício na condutividade.

Aulas de ligas de cobre:

Classe 1:Esta classe é mais frequentemente especificada para soldagem de alumínio e outros materiais altamente condutores. Esta é a mais condutora das ligas RWMA. É também o mais macio (e tem as menores características de resistência e desgaste).

Classe 2:Esta classe de liga de cobre é a liga de cobre mais utilizada e recomendada. É recomendado para uma ampla gama de ligas de aço. O material é recomendado para soldagem por ponto, costura, projeção e soldagem de arame cruzado. Tem condutividade ligeiramente inferior à da classe 1 e possui maior resistência e características de desgaste.

Classe 3:Este tem a condutividade mais baixa, mas as propriedades de resistência mais altas dos três principais graus de material de eletrodo de cobre. É recomendado para a maioria das aplicações onde alta resistência e resistência ao desgaste são imprescindíveis.