Soldadura de cobre y aleaciones de cobre: Explicación | MachineMFG

Soldadura del cobre y sus aleaciones: Explicación

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El cobre y las aleaciones de cobre se utilizan ampliamente debido a sus propiedades integrales únicas y superiores. El cobre y las aleaciones de cobre tienen una excelente conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión en agua dulce, agua salada, soluciones alcalinas y productos químicos orgánicos.

Sin embargo, son susceptibles a la corrosión en ácidos oxidantes. Las aleaciones de cobre tienen una buena trabajabilidad en frío y en caliente y una mayor resistencia. El cobre y las aleaciones de cobre se han utilizado ampliamente en industrias como la eléctrica, electrónica, química, alimentaria, energética, de transporte, aeroespacial y de defensa.

Existen varios tipos de cobre y aleaciones de cobre en la producción industrial, y la mayoría de los países los clasifican en función de su composición química. El cobre y las aleaciones de cobre pueden clasificarse en cobre puro, latón, bronce y cobre blancoentre otros.

El cobre puro recocido blando se utiliza generalmente para soldar estructuras. Los tipos más comunes de cobre puro son T1, T2, T3, T4 y cobre desoxidado (cobre sin oxígeno) TU1, TU2, etc. El latón es una aleación de cobre compuesta principalmente por zinc.

El latón y las aleaciones especiales de latón más comunes son H62, H68, H96, HPb59-1, HSn62-1, etc. El bronce se refería originalmente a las aleaciones de cobre y estaño, pero ahora se utiliza comúnmente para describir las aleaciones de cobre que no tienen zinc o níquel como elemento de aleación principal. Común tipos de bronce incluyen el bronce al estaño (QSn4-3), el bronce al aluminio (QAl9-2), el bronce al silicio (QSi3-1), etc.

Además, las aleaciones de cobre con níquel como principal elemento de aleación se denominan cobre blanco.

1. Soldabilidad del cobre y sus aleaciones

En soldabilidad del cobre y de las aleaciones de cobre es comparativamente pobre, lo que hace que sea mucho más difícil de soldar que el acero con bajo contenido en carbono. Las principales dificultades se observan en los siguientes aspectos:

(1) Escasa capacidad de formación de soldaduras:

Al soldar cobre y la mayoría de las aleaciones de cobre, se tiende a tener dificultades para lograr la fusión, una penetración incompleta de la unión y una formación deficiente de la superficie. Esto se debe principalmente a la alta conductividad térmica del cobre, siendo la conductividad térmica del cobre y de la mayoría de las aleaciones de cobre de 7 a 11 veces mayor que la del acero al carbono ordinario.

Como resultado, el calor se disipa rápidamente del zona de soldadura. Cuanto más gruesa sea la pieza, más grave será la disipación del calor. Aunque el cobre tiene un punto de fusión y una capacidad calorífica específica inferiores a los del hierro, sigue siendo difícil alcanzar la temperatura de fusión en la zona de soldadura, lo que dificulta la fusión del metal base y el metal de aportación.

Además, la excelente conductividad térmica del cobre da lugar a una zona afectada por el calor más amplia, lo que puede provocar una deformación importante cuando la pieza de trabajo tiene poca rigidez. Por el contrario, cuando la rigidez es alta, puede provocar tensiones de soldadura importantes dentro de la pieza.

La escasa formación de superficie en el cobre y las aleaciones de cobre se atribuye principalmente al hecho de que la tensión superficial durante la fusión es un tercio de la del acero, y la fluidez es de 1 a 1,5 veces mayor que la del acero, lo que lo hace más susceptible a la pérdida de metal durante la fusión.

Por lo tanto, al soldar cobre puro y la mayoría de las aleaciones de cobre altamente conductoras, además de utilizar alta potencia y alta densidad de energía métodos de soldaduraTambién es necesario incorporar diversos grados de precalentamiento. No está permitido realizar soldaduras por una sola cara sin soporte, y cuando se realicen soldaduras por una sola cara, debe añadirse una placa de soporte para controlar la formación de la junta de soldadura.

(2) Alta susceptibilidad al agrietamiento por calor en soldaduras y zonas afectadas por el calor:

La tendencia al agrietamiento por calor en las soldaduras está relacionada con la influencia de las impurezas en la soldadura y también está influenciada por las tensiones generadas durante el proceso de soldadura. El oxígeno es una impureza común en el cobre, y tiene un impacto significativo en la tendencia al agrietamiento por calor en las soldaduras.

A altas temperaturas, el cobre reacciona con el oxígeno del aire para formar Cu2O. Cu2O es soluble en cobre líquido pero no en cobre sólido, formando un eutéctico de bajo punto de fusión. Impurezas como el Bi y el Pb en el cobre y sus aleaciones tienen puntos de fusión bajos.

Durante el proceso de solidificación del baño de soldadura, forman eutécticos de bajo punto de fusión que se distribuyen entre las dendritas o en los límites de grano, causando una fragilidad térmica significativa en el cobre y las aleaciones de cobre. Cuando la soldadura está en la fase sólido-líquido, las eutécticas de bajo punto de fusión en la zona afectada por el calor vuelven a fundirse bajo la influencia de las tensiones de soldadura, lo que da lugar a grietas por calor.

El cobre y las aleaciones de cobre tienen coeficientes de dilatación lineal e índices de contracción relativamente altos, y también presentan una gran conductividad térmica. Al soldar, se requieren fuentes de calor de alta potencia, lo que da lugar a una zona afectada por el calor más amplia. En consecuencia, la uniones soldadas experimentan importantes tensiones internas, que es otro factor que provoca la fisuración en las soldaduras de cobre y aleaciones de cobre.

Además, al soldar cobre puro, el metal de soldadura está formado por una estructura monofásica. Debido a la elevada conductividad térmica del cobre puro, la soldadura tiende a formar granos gruesos. Esto agrava aún más la formación de grietas térmicas.

Por lo tanto, para evitar la formación de grietas por calor cuando se utiliza la soldadura por fusión para soldar cobre y aleaciones de cobre, deben tomarse las siguientes medidas metalúrgicas:

1) Controlar estrictamente el contenido de impurezas (como oxígeno, bismuto, plomo, azufre, etc.) en el cobre.

2) Aumentar la capacidad de desoxidación de la soldadura añadiendo al alambre de soldadura elementos de aleación como silicio, manganeso, fósforo, etc.

3) Seleccione materiales de soldadura que puede obtener una estructura dúplex, que interrumpe la continuidad de las películas eutécticas de bajo punto de fusión y cambia la dirección de los granos columnares.

4) Aplicar medidas como el precalentamiento y el enfriamiento lento para reducir las tensiones de soldadura, minimizar el tamaño de la ranura de raíz y aumentar las dimensiones de la pasada de raíz para evitar la formación de grietas.

(3) Susceptibilidad a la formación de porosidad:

Al soldar por fusión cobre y aleaciones de cobre, la tendencia a la formación de porosidad es mucho más significativa en comparación con el acero con bajo contenido en carbono. Para reducir y eliminar la porosidad en las soldaduras de cobre, las principales medidas son reducir las fuentes de hidrógeno y oxígeno y precalentar para prolongar el tiempo de existencia del baño de fusión, facilitando la salida de los gases.

Utilizar alambres de soldadura con desoxidantes fuertes como el aluminio, titanioetc. (que también pueden eliminar el nitrógeno y el hidrógeno) o la adición de elementos como el aluminio y el estaño a las aleaciones de cobre pueden dar buenos resultados en términos de desoxidación.

(4) Disminución junta de soldadura rendimiento:

Durante el proceso de soldadura por fusión del cobre y las aleaciones de cobre, las juntas de soldadura experimentan un fuerte crecimiento del grano, evaporación y quemado de los elementos de aleación, así como infiltración de impurezas, lo que provoca una disminución de las propiedades mecánicas, la conductividad eléctrica y la resistencia a la corrosión de las juntas soldadas.

1) Disminución significativa de la ductilidad:

La soldadura y la zona afectada por el calor experimentan un engrosamiento del grano, y en los límites del grano aparecen diversas eutécticas frágiles de bajo punto de fusión, lo que debilita la fuerza de unión del metal y reduce significativamente la ductilidad y tenacidad de la unión. Por ejemplo, cuando se utilizan electrodos de soldadura de cobre puro para soldadura por arco o soldadura por arco sumergido, el alargamiento de la unión es sólo de unos 20% a 50% del material base.

2) Disminución de la conductividad eléctrica:

La adición de cualquier elemento al cobre disminuirá su conductividad eléctrica. Por lo tanto, la fusión de impurezas y elementos de aleación durante el proceso de soldadura deteriorará en cierta medida la conductividad eléctrica del cobre articulaciones.

3) Disminución de la resistencia a la corrosión:

La resistencia a la corrosión de las aleaciones de cobre se consigue mediante la aleación con elementos como zinc, manganeso, níquel, aluminio, etc. La evaporación y oxidación de estos elementos durante el proceso de soldadura por fusión reducirá en cierta medida la resistencia a la corrosión de la unión. La generación de tensiones de soldadura también aumenta el riesgo de corrosión bajo tensión.

Las medidas para mejorar el rendimiento de la unión consisten principalmente en controlar el contenido de impurezas, reducir el quemado de la aleación y realizar un tratamiento térmico para modificar la microestructura de la soldadura. También es beneficioso minimizar el aporte de calor durante la soldadura y aplicar un tratamiento de alivio de tensiones después de soldar.

2. Selección de los métodos de soldadura

Actualmente, existen muchos métodos de soldadura disponibles para el cobre y las aleaciones de cobre. Entre los métodos de soldadura más utilizados se encuentran la soldadura con gas, la soldadura por arco metálico protegido, la soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG), la soldadura con electrodo consumible soldadura por arco de argóny soldadura por arco sumergido.

La selección de los métodos de soldadura debe basarse en la composición, el espesor, las características estructurales y los requisitos de rendimiento del material que se va a soldar.

El cobre es el metal con la mejor conductividad térmica de los utilizados habitualmente. soldadura de metales. Por lo tanto, la soldadura del cobre y sus aleaciones requiere métodos de soldadura de alta potencia y densidad energética.

Se prefiere una mayor eficacia térmica y una energía más concentrada. Los distintos grosores de material presentan una adaptabilidad diferente a los distintos métodos de soldadura.

Por ejemplo, las placas finas son las más adecuadas para Soldadura TIG y la soldadura con gas. Las chapas medianas y gruesas son más adecuadas para la soldadura por arco sumergido, la soldadura por arco de argón con electrodo consumible y la soldadura por haz de electrones. Para placas gruesasSe recomienda la soldadura MIG y la soldadura por arco metálico protegido.

3. Selección de materiales de soldadura

1) Alambre de soldadura:

Además de cumplir los requisitos generales del proceso y metalúrgicos, el alambre para soldar cobre y aleaciones de cobre debe controlar principalmente el contenido de impurezas y mejorar la capacidad de desoxidación para evitar la formación de grietas por calor y porosidad.

Para soldar cobre puro, los elementos desoxidantes como Si, Mn, P se añaden principalmente al alambre de soldadura. Los alambres de soldadura más utilizados son los de alta pureza soldadura de cobre alambre HSCu, que suele utilizarse en la soldadura con gas junto con el disolvente CJ301, y en la soldadura por arco sumergido junto con el fundente HJ431.

2) Electrodos de soldadura:

Los electrodos de soldadura por arco para cobre pueden dividirse en tipos de cobre y de bronce, siendo los electrodos de bronce los más utilizados. Debido a la tendencia del zinc del bronce a evaporarse, los electrodos de cobre rara vez se utilizan para la soldadura por arco.

En tales casos, pueden utilizarse electrodos de bronce. Los electrodos de cobre más utilizados son el electrodo de cobre puro T107 y el electrodo de bronce al silicio T207.

4. Preparación previa a la soldadura

Los requisitos para el pretratamiento de soldaduras de cobre y aleaciones de cobre son relativamente estrictos. La limpieza previa a la soldadura de cobre y aleaciones de cobre consiste principalmente en eliminar las películas de aceite y óxido. Antes de eliminar la película de óxido, limpie la ranura y las impurezas en un intervalo de 30 mm a ambos lados de la unión utilizando gasolina o acetona.

A continuación, limpie la ranura de la contaminación por aceite utilizando una solución de hidróxido de sodio 10% a una temperatura de 30-40℃, seguida de un aclarado con agua. Sumerja la junta en una solución de ácido nítrico 35%-40% durante 2-3 minutos, aclárela de nuevo con agua y séquela.

La eliminación de las películas de óxido puede realizarse mediante limpieza mecánica y química. Para la limpieza mecánica, utilice una rueda de alambre neumática o un cepillo de alambre para pulir la superficie del alambre de soldadura y la soldadura hasta que se vea un brillo metálico.

La limpieza química consiste en sumergir la soldadura en una solución mixta de 70mL/L de HNO3, 100mL/L de H2SO4 y 1mL/L de HCl para limpiarla, seguida de neutralización con una solución alcalina, aclarado con agua limpia y secado con aire caliente.

5. Puntos clave del proceso de soldadura

Soldadura con gas:

Soldadura con gas es adecuado para la soldadura de piezas finas de cobre, la reparación de piezas de cobre o la soldadura de estructuras no críticas.

1) Precalentamiento antes de soldar:

El precalentamiento suele ser necesario para soldar cobre puro con gas a fin de evitar la aparición de tensiones internas, grietas, porosidad y penetración incompleta. En temperatura de precalentamiento para chapas finas y soldaduras de pequeño tamaño es de unos 400-500℃, mientras que para soldaduras gruesas y grandes, la temperatura de precalentamiento debe aumentarse a 600-700℃. La temperatura de precalentamiento para latón y bronce puede ser ligeramente inferior.

2) Selección de parámetros de soldadura y la técnica de soldadura: El cobre tiene una alta conductividad térmica, por lo que la energía de la llama utilizada para soldar es generalmente 1-2 veces mayor que la utilizada para soldar acero al carbono. Al soldar cobre puro, debe utilizarse estrictamente una llama neutra.

Una llama oxidante puede provocar la oxidación de la soldadura y quemar los elementos de aleación. Una llama carburizante puede aumentar el contenido de hidrógeno en la soldadura y provocar la formación de porosidad.

Cuando se sueldan con gas chapas finas, debe utilizarse el método de soldadura a la izquierda, ya que ayuda a suprimir el crecimiento del grano. Cuando el grosor de la pieza es superior a 6 mm, se prefiere el método de soldadura a derechas, ya que permite calentar el metal base a mayor temperatura y ofrece una mejor visibilidad del baño de fusión, lo que hace más cómoda la operación.

El movimiento del soplete debe ser lo más rápido posible, y cada costura de soldadura no debe interrumpirse aleatoriamente. Es preferible completar cada cordón de soldadura en una sola pasada.

Cuando se sueldan costuras largas, debe dejarse un margen adecuado para la contracción antes de soldar, y el posicionamiento debe hacerse antes de soldar. Durante la soldadura debe utilizarse el método de retroceso segmentado para reducir la deformación.

En el caso de las soldaduras de cobre sometidas a esfuerzos o de mayor importancia, deben tomarse medidas de martilleo de la unión después de la soldadura y de tratamiento térmico. Después de soldar piezas finas de cobre, la zona afectada por el calor a ambos lados de la soldadura debe martillearse inmediatamente.

Para placas de espesor medio superior a 5 mm, deben calentarse a 500-600℃ antes de martillar. Tras el martilleo, la pieza debe calentarse a 500-600℃ y luego enfriarse rápidamente en agua, lo que puede mejorar la plasticidad y tenacidad de la unión.

6. Ejemplos típicos de soldadura de cobre y aleaciones de cobre de uso común

Hay una camisa de agua del electrodo, hecha de cobre desoxidado TU1. La unión del electrodo se suelda mediante soldadura MIG, y el proceso de soldadura específico se muestra en la Tabla 5-37.

Tabla 5-37 Tarjeta de Proceso de Soldadura para la Junta TU1

Tarjeta de proceso de soldadura para la soldadura de juntasNúmero
Diagrama conjunto:
 
Material de base MaterialTU1TU1
Espesor del material base15 mm15 mm
Posición de soldaduraSoldadura plana
Técnica de soldaduraRecorrido de soldadura recto
Temperatura de precalentamiento500℃
Temperatura de paso≥500℃
Diámetro de la boquillaΦ26mm
Gas protectorArCaudal de gas (L/min)Delantero: 25~30
Atrás:
Secuencia de soldadura
1Inspeccionar las dimensiones de la ranura y la calidad de la superficie.
2Elimine cualquier resto de aceite o suciedad de la ranura y sus proximidades. Limpie la grasa utilizando una solución acuosa de NaOH 10% a una temperatura de 30~40℃, luego enjuague con agua limpia y seque. Elimine la película de óxido lijando con una rueda de alambre de acero inoxidable, luego enjuague con agua alcalina, seguido de enjuague con agua limpia y secado.
3Realice una soldadura por puntos para la primera capa utilizando una técnica de soldadura de posicionamiento exterior. La longitud debe ser de 100 mm y la distancia entre los puntos de soldadura no debe superar los 300 mm. Si aparecen grietas en el cordón de soldadura por puntos, elimínelas y vuelva a soldar.
4Empalme los electrodos en un accesorio especialmente diseñado. Precaliente la pieza mediante calefacción eléctrica, con una temperatura de precalentamiento de 500℃, y asegúrese de que la temperatura entre capas no sea inferior a 500℃.
5Comenzar a soldar desde el exterior para evitar la formación de cordones de soldadura en el interior del cordón de soldadura. Asegúrese de que la redondez del círculo interior del electrodo y la suavidad de la superficie interior.
6Realice una inspección visual.
7Enderezar si es necesario.
8Realizar el tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Parámetros de las especificaciones de soldadura

PasesMétodo de soldaduraGrado del material de soldaduraEspecificación del material de soldaduraTipos de corriente y polaridadCorriente de soldadura (amperios)Tensión del arco (voltios)Velocidad de soldadura (mm/por pasada)Observaciones
1~2MIG (semiautomático)HSCu1.6DCEP350~40030~35250~300 

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