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Soldagem
O principal fator a ser considerado na soldagem do cobre é sua elevada condutividade térmica, que, se for menosprezada, pode levar ao surgimento de diversos tipos de defeitos de soldagem. Se não forem tomadas medidas adequadas para contrabalançar o rápido fluxo de calor a partir da solda, não será possível obter boas características de fusão, dificultando, por exemplo, a obtenção de plena penetração na raiz da solda e de fusão lateral adequada, gerando um cordão de solda defeituoso.
À temperatura ambiente a condutividade térmica do cobre é aproximadamente 7 vezes superior à do aço, porém a 1000 ºC, a condutividade do cobre atinge um valor 10 vezes superior à condutividade do aço na mesma temperatura. Por esse motivo torna-se essencial o pré-aquecimento do cobre antes da operação de soldagem, quando a espessura for superior a cerca de 6 mm. As temperaturas de pré-aquecimento recomendadas variam de 150 a 700 ºC, dependendo da espessura, do gás de proteção, da corrente de soldagem e do próprio tipo de processo de soldagem aplicado.
Um elevado valor de corrente de soldagem não exime o material da necessidade do pré-aquecimento, embora neste caso o pré-aquecimento necessário possa ser menos intenso. Por outro lado, uma corrente de soldagem excessiva pode causar turbulência anormalmente intensa na poça de fusão, levando ao surgimento de defeitos de soldagem, como poros e trincas. Por esta razão o valor de corrente de soldagem deve ser ajustado, levando em consideração a espessura do material. Uma vez estabelecido o valor adequado de corrente de soldagem, define-se o nível de intensidade do pré-aquecimento de modo a garantir um adequado grau de penetração na raiz e de fusão lateral, estabelecendo-se assim o tamanho ideal da poça de fusão para uma dada posição de soldagem.
Outra propriedade física do cobre que influi bastante nas condições de soldagem é a sua elevada expansão térmica. Essa expansão provoca o fechamento dos espaços da raiz à medida que a soldagem prossegue, motivo pelo qual é necessário calcular corretamente o posicionamento das partes a serem soldadas, levando em conta essa expansão. De um modo geral uma tolerância da ordem de 15 mm por m deve ser considerada no caso de juntas geometricamente mais simples, porém no caso de geometrias mais complexas, além de um cálculo mais preciso, é necessária a experiência do soldador. Quando a tolerância não é bem calculada podem ocorrer problemas como distorções, empenamento e, no caso, de tolerância muito pequena levando ao completo fechamento dos espaços, penetração incompleta na raiz do cordão de solda. Os efeitos da elevada contração térmica, que ocorre durante o resfriamento após o término da operação de soldagem, também devem ser levados em conta, podendo exigir uma redução artificial na taxa de resfriamento, de modo a permitir que, num intervalo de tempo adequado, essas tensões possam ser acomodadas.
Os fatores metalúrgicos que afetam a soldabilidade são aqueles que se manifestam principalmente durante a soldagem do cobre eletrolítico (ETP), já que na condição de material deformado esse cobre apresenta partículas de óxido cuproso distribuídas aleatoriamente, e, portanto, sem efeito significativo nas propriedades mecânicas, ao passo que na condição de material fundido o mesmo cobre apresenta segregação dessas partículas nos contornos de grãos, evidentemente prejudicando as propriedades mecânicas do material. Sendo assim, o cobre eletrolítico não deve ser soldado em processo autógeno e sim com metal de adição que contenha poderosos desoxidantes, de modo a garantir a produção de um cordão de solda isento de óxidos. Na zona termicamente afetada (ZTA) as temperaturas são elevadas o suficiente para permitir a dissolução das partículas de óxidos, liberando oxigênio que migra para os contornos, onde se forma uma rede quase contínua de óxidos durante o resfriamento. Evidentemente esse processo depende de temperatura e tempo, de modo que na soldagem do cobre eletrolítico é necessária ma maior rapidez possível, também para restringir o aquecimento generalizado do componente que está sendo soldado.
Já a soldagem do cobre isento de oxigênio (OFHC) e desoxidado com fósforo (DHP e DLP) não apresenta as mesmas dificuldades encontradas na soldagem do cobre eletrolítico (ETP). Apesar da presença do fósforo no DHP e no DLP, tanto nesses tipos de cobre como no OFHC há uma certa tendência de formação de porosidade na poça de fusão e na ZTA devido à inevitável contaminação atmosférica e pela difusão de hidrogênio e oxigênio do metal de base para a zona de soldagem. Como também no caso do ETP, metal de adição com desoxidantes deve ser utilizado sempre que possível, embora haja aplicações para as quais soldas de boa qualidade são obtidas no caso do OFHC e DHP/DLP sem o uso de desoxidantes no metal de adição. Nestes casos a proteção é garantida pelo uso de uma atmosfera de gases protetores inertes, cujo fluxo deve ser cuidadosamente observado.
O segredo da soldagem bem sucedida de ligas de cobre reside basicamente na rapidez e na eficiência. Demora excessiva na operação de soldagem, temperaturas de pré-aquecimento desnecessariamente altas, pausas para a remoção de defeitos de soldagem enquanto o componente ainda está quente e o descuido que permite a oxidação causada pela atmosfera, deteriorando permanentemente o metal de base e exaustão dos desoxidantes do metal de adição.
Soldagem TIG de Cobre/Ligas de Cobre
Três tipos de gases protetores são utilizados na soldagem TIG de cobre e suas ligas: argônio, hélio e nitrogênio. O hélio é um gás mais comum nos Estados Unidos do que em outros países, razão pela qual é mais usado naquele país, ao passo que o argônio é mais usado na Europa, no Brasil e em outros países e regiões. O nitrogênio é o gás mais barato dos três, porém só permanece inerte em temperaturas não muito elevadas, e na prática é pouco usado na proteção da poça de fusão durante a soldagem do cobre e de suas ligas. A quantidade de oxigênio e de umidade misturados a cada um desses gases protetores deve ser controlada em níveis muito baixos. O nitrogênio exige que o comprimento do arco seja de cerca de 12 mm: acima desse valor o arco pode ser extinto e abaixo ocorre excessiva turbulência na poça de fusão. No caso do argônio e do hélio o comprimento ideal do arco é bem menor: cerca de 3 mm. Para o mesmo valor de corrente do arco, o nitrogênio é o gás para o qual a voltagem do arco, conseqüentemente sua potência e o aporte térmico, são os mais elevados, sendo cerca de 4 vezes superior aos mesmos valores para o argônio. No caso do hélio esses valores não são tão elevados como no caso do nitrogênio, mas mesmo assim atingem o dobro dos mesmos valores obtidos com o argônio. Entretanto, com menores valores de corrente no arco é mais difícil iniciar o arco no caso do hélio, devido ao seu maior potencial de ionização. A soldagem com proteção de nitrogênio é mais complicada devido ao maior comprimento do arco e à baixa fluidez da poça de fusão (quando comparada á proteção com hélio ou argônio), que favorece a ocorrência de defeitos de soldagem, devido ao aprisionamento de gases durante uma solidificação rápida de uma poça de fusão estreita, como, por exemplo, porosidade.
Na soldagem do cobre não se utiliza muito misturas gasosas, entretanto, misturas de argônio com até 30 % de nitrogênio ou hélio oferecem como vantagens o maior aporte térmico e velocidades de soldagem mais altas, em comparação com o argônio puro.
Os desoxidantes utilizados nos metais de adição apresentam maior afinidade pelo oxigênio, quando comparados com o cobre, como, por exemplo, o silício, o manganês, o alumínio, o boro e o titânio, presentes em teores muito baixos, entre 0,02 e 0,35 %. Quando a condutividade elétrica é uma propriedade muito importante para uma dada aplicação, utiliza-se o boro como desoxidante no metal de adição, uma vez que este elemento afeta menos a condutividade elétrica do cobre. O metal de adição contendo silício e manganês como desoxidantes foi inicialmente desenvolvido para aplicações nas quais o hélio e o argônio são usados como gases protetores, porém mais recentemente tem sido usado também quando a proteção gasosas é feita com nitrogênio, já que atualmente este gás tem sido produzido com níveis de pureza mais elevados, prescindindo assim do uso de desoxidantes mais fortes como alumínio e titânio. Sendo assim, atualmente os metais de adição com desoxidantes silício e manganês são usados com qualquer um dos três tipos de proteção gasosa.
Antes de iniciar o processo de soldagem TIG de cobre e suas ligas pode ser necessário calcular as folgas que compensem a expansão térmica decorrente do aquecimento gerado pela soldagem, de modo a minimizar distorções e desalinhamento das peças soldadas. Na soldagem de materiais com espessura muito fina (inferior a cerca de 1,5 mm) deve ser feita preferencialmente uma soldagem autógena (sem metal de adição), ao contrário da soldagem de material com maior espessura. Em ambos os casos é recomendável o uso de aparas da mesma liga posicionadas ao lado das peças a serem soldadas de modo que a soldagem seja iniciada nessas aparas, pois eventuais defeitos associados ao início da operação de soldagem (abertura do arco) ficariam restritos a estas aparas. Entretanto, após a soldagem essas aparas soldadas devem ser removidas, pois poderiam levar á propagação de trincas para as peças efetivamente soldadas. Do mesmo modo, após a soldagem deve ser feito uma limpeza com escova de arame para a remoção de óxidos.
O pré-aquecimento ajuda a obtenção de uma poça de fusão mais fluida, que de outro modo poderia se muito mais difícil de se obter. Normalmente não é necessária nenhuma operação de acabamento no cordão de solda, e a deformação a frio ou a quente do mesmo pode levar ao surgimento de trincas. Um cuidado especial deve ser tomado durante e após o depósito do passe de raiz, que não pode ser muito pequeno, devendo ter as dimensões mínimas necessárias para não trincar devido às restrições térmicas impostas pela deposição dos passes posteriores, os quais deve suportar. Adicionalmente, após a soldagem deve ser feita uma cuidadosa limpeza para a remoção de óxidos da superfície do cordão do passe de raiz sobre a qual serão depositados os passes posteriores. O processo TIG pode ser aplicado a qualquer tipo de posição de soldagem, com exceção da posição vertical, porém a facilidade com a qual a operação de soldagem nas demais posições é realizada depende de alguns fatores como a habilidade do operador e a espessura do material, que por sua vez determina o tamanho da poça de fusão.
Soldagem MIG de Cobre/Ligas de Cobre
Argônio é o gás convencional para a proteção durante a soldagem MIG de cobre e suas ligas, porém existem vantagens significativas com o uso de misturas gasosas de argônio com hélio ou nitrogênio. Essas adições aumentam o aporte térmico, resultando em maior velocidade de soldagem, penetração mais profunda, melhor perfil do cordão de solda e melhor qualidade de deposição do mesmo. Além disso, o uso dessas misturas reduzem a intensidade do pré-aquecimento necessário. Porém, para espessuras inferiores a 12 mm a proteção com argônio puro é satisfatória.
Metais de adição contendo boro só devem ser evitados quando a proteção gasosa contém nitrogênio, pois neste caso o nitrogênio reage com o boro.
A soldagem MIG pode ser feita tanto em direção á direita como em direção à esquerda, porém a preferência recai no primeiro caso, uma vez que assim se reduzem os riscos aprisionamento de inclusões de óxidos no metal de solda. Quando a soldagem é feita para a direita, o arco atinge a poça de fusão de maneira contínua, dando mais tempo para ocorrer a desoxidação. O ângulo de posicionamento da pistola de soldagem também é importante e deve ser de 70 a 80 º da vertical para evitar o risco de deslocamento da poça de fusão para longe do arco e de sua proteção gasosa, o que pode acontecer durante a soldagem em direção à esquerda.
O comprimento do arco durante a soldagem MIG deve ser mantido entre 3 e 6 mm para todos os tipos de proteção gasosa para que se obtenham as melhores propriedades possíveis na junta soldada. A voltagem do arco deve estar entre 24 e 30 V para permitir o comprimento adequado para o arco elétrico. Um comprimento de arco mais curto provoca turbulência na poça de fusão e falta de penetração com acúmulo de respingos no bocal da pistola. Um arco muito longo permite intensa oxidação e falta de fusão lateral e na raiz.
A soldagem MIG convencional é adequada a todas as posições de soldagem com exceção da posição sobre-cabeça, pois nesse caso, como no caso da soldagem TIG, é difícil estabelecer um balanço de condições de soldagem para resultar num perfil de cordão de solda satisfatório. Sendo assim, a soldagem do cobre na posição sobra-cabeça deve ser evitada sempre que possível. A posição ideal para soldagem MIG, assim como TIG, e a posição plana, de modo a minimizar as dificuldades de controle da poça de fusão. Há poucas referências sobre a soldagem MIG com arame fino e soldagem MIG com corrente pulsada no caso de posições complicadas, porém deve ser dada alguma atenção a esses processos. A soldagem com corrente pulsada permite um certo controle do aporte térmico e do tamanho da poça de fusão em relação à taxa de deposição de metal, enquanto a soldagem com arame fino permite melhor acesso a determinadas regiões da peça que está sendo soldada, particularmente quando a espessura do material é muito pequena.
Soldagem de Cobre/Ligas de Cobre com Eletrodo Revestido
A maior diferença entre a soldagem de ligas de cobre e a soldagem do cobre comercialmente puro é o menor aporte térmico e a menor necessidade de pré-aquecimento no caso das ligas, o que facilita muito a operação de soldagem ao tornar as condições muito mais favoráveis. Isso se deve à menor condutividade térmica das ligas de cobre em comparação com o metal comercialmente puro. Como no caso destas ligas raramente surgem problemas relacionados com o aporte térmico, a soldagem com eletrodo revestido é feita geralmente com argônio como gás protetor, embora o uso do argônio apresente algumas vantagens, que posteriormente serão abordadas. Apesar da eliminação de muitos problemas relacionados com o aporte térmico, podem surgir outros problemas relacionados com outros fatores, como a contaminação pela atmosfera ou por impurezas presentes tanto no metal de base como no metal de adição, por exemplo.
Em geral as ligas de cobre mais facilmente soldadas são os bronzes de alumínio (Cu-Al), os cuproníqueis (Cu-Ni) e os latões (Cu-Zn), desde que as variáveis do processo sejam razoavelmente controladas e que o metal de base e o metal de adição atendam às especificações de composição química, principalmente no que concerne ao nível de impurezas.
Metais de adição: A tabela 9.1 apresenta algumas faixas de composição química de metais de adição para soldagem de ligas de cobre, de acordo com a British Standard (BS 2901: Parte 3 [7]:
Tabela 9.1 – Composição química de metais de adição
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Tipo de metal de adição |
Classificação BS |
Composição química (% em massa) |
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Bronze de silício |
C9 |
Cu-0,75 a 1,25 Mn-2,75 a 3,25 Si |
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Bronze de estanho fosforoso |
C10 |
Cu-4,5 a 6,0 Sn – 0,02 a 0,40 P |
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Bronze de alumínio |
C12 |
Cu-6,0 a 7,5 Al – 1 a 2,5 Fe + Ni + Mn |
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C12 Fe |
Cu-6,5 a 8,5 Al – 2,5 a 3,5 Fe |
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C13 |
Cu-9,0 a 10,0 Al – 0,75 a 1,5 Fe |
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C20 |
Cu-8,0 a 9,5 Al – 1,5 a 3,5 Fe – 3,5 a 5,0 Ni – 0,5 a 2,0 Mn |
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Cuproníquel |
C16 |
Cu-0,2 a 0,5 Ti – 1,5 a 1,8 Fe – 10,0 a 12,0 Ni – 0,5 a 1,0 Mn |
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C18 |
Cu-0,2 a 0,5 Ti – 0,4 a 1,0 Fe – 30,0 a 32,0 Ni – 0,5 a 1,5 Mn |
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Bronze de alumínio e manganês |
C22 |
Cu-7,0 a 8,5 Al – 2,0 a 4,0 Fe – 1,5 a 3,0 Ni – 11,0 a 14,0 Mn |
Em geral a composição química do metal de adição se aproxima razoavelmente da composição química do metal base, porém no caso de ligas de cobre endurecíveis por precipitação, como cobre-cromo e cobre-berílio, não existe uma composição ideal de metal de adição, devendo se usar basicamente no metal de adição a mesma composição química do metal base, quando disponível.
Uma das funções importantes do metal de adição é a de desoxidar o metal de solda, e isso é obtido mediante o uso da capacidade desoxidante dos elementos já presentes no metal de adição, ou pela incorporação de desoxidantes específicos no metal de adição. No primeiro caso enquadram-se os bronzes de alumínio, já que o alumínio é um poderoso desoxidante por si só. No segundo caso estão os cuproníqueis, que necessitam da incorporação de desoxidantes específicos ao metal de adição.
Soldagem do Bronze de Silício (Cu-Si)
A condutividade térmica do bronze de silício é cerca de 1/12 da condutividade do cobre desoxidado com fósforo., portanto um valor comparável ao da condutividade do aço baixo carbono, não apresentando assim problemas relacionados com requisitos de aporte térmico para soldagem. Apenas com peças muito espessas, raramente encontradas na prática industrial, é necessário algum grau de pré-aquecimento.
O principal fator a ser considerado durante a soldagem deste material é a existência de um intervalo de temperaturas, entre 800 e 950 ºC, no qual ocorre fragilidade a quente. Esse fenômeno pode levar ao surgimento de trincas no metal de solda e na zona termicamente afetada em condições de restrições na peça, particularmente durante o resfriamento após a soldagem. O resfriamento dentro deste intervalo deve ser o mais rápido possível. Outra consideração importante, particularmente durante a soldagem MIG deste material , principalmente com altas velocidades de soldagem e altas taxas de deposição, é a possibilidade de formação fases frágeis de não equilíbrio no metal de solda durante a solidificação rápida. Novamente, em condições de restrição na peça pode ocorrer trincamento no metal de solda, o qual pode ser evitado pela redução da velocidade de soldagem pelo ajuste adequado dos parâmetros de soldagem.
Na soldagem TIG geralmente se utiliza polaridade negativa em corrente contínua, sendo esse processo mais adequado para soldagem de peças com espessura de até 12 mm. Se a manipulação da poça de fusão se tornar complicada, devido à formação de uma camada de sílica refratária sobre a poça, o uso de uma técnica com corrente alternada pode melhorar a manipulação. A corrente alternada exerce uma ação de limpeza do arco, que efetivamente dispersa a camada de óxido.
A soldagem MIG convencional pode ser usada para materiais acima de 4 mm de espessura. Abaixo desse valor o efeito de aquecimento pelo arco é excessivo. Entretanto, a soldagem MIG com arame fino pode ser usada para materiais com espessuras da ordem de 1 mm. Se altas velocidades de soldagem MIG originam trincas, a velocidade de soldagem deve ser reduzida e as condições de soldagem ajustadas.
Como sempre na soldagem de cobre e suas ligas deve ser feita uma limpeza adequada com escova de arame para eliminar todo tipo de contaminação superficial, principalmente quando mais de um passe de soldagem é depositado.
Na soldagem TIG a técnica com movimento para a esquerda é empregada, soldando-se na posição plana sempre que possível. Entretanto, é possível soldar em outras posições, pois sendo um material de condutividade térmica relativamente baixa, a poça de fusão pode ser mantida em pequenas dimensões, em comparação com a soldagem do cobre comercialmente puro, por exemplo.
Soldagem do Bronze de Alumínio (Cu-Al)
Até cerca de 7 % de alumínio essas ligas Cu-Al são monofásicas, porém acima desse teor e até 11 % as ligas desse sistema são bifásicas. A soldagem afeta a microestrutura destas ligas (6 a 8 % de alumínio e 2 a 3,5 % de ferro), geralmente utilizadas em trocadores de calor e que podem sofrer fragilização na raiz no caso de soldagem multipasse autógena. Essa fragilização provavelmente é causada pela decomposição da fase b retida em fase frágil g2 durante o reaquecimento do metal de solda, o qual é rapidamente resfriado após o passe na raiz. O problema de trincamento na raiz da solda é geralmente resolvido pelo uso de metal de adição com composição química diferente da liga bifásica.
A fase b do metal de adição bifásico pode, sob determinadas condições, sofrer um tipo de corrosão conhecido como desaluminificação, podendo ser necessário depositar um revestimento final de metal de solda com composição química semelhante a do metal base para evitar esse tipo de corrosão eletroquímica. O fenômeno amplamente divulgado de trincamento no metal base pode ser evitado pelo controle cuidadoso dos procedimentos de laminação e reaquecimento durante a fabricação das chapas.
Em comum com outro tipos de ligas de cobre os bronzes de alumínio apresentam perda de dutilidade num certo intervalo de temperaturas particularmente crítico durante a soldagem, dificultando este processo. Devido aos problemas de soldagem apresentados pelas ligas Cu-Al foram desenvolvidas as novas ligas Cu-Al-Si, contendo cerca de 6 % de alumínio e 2 % de silício, que mostraram ser alternativas bastante viáveis às aplicações tradicionais do bronze de alumínio, tanto como metal base quanto como metal de adição nas aplicações em que média resistência mecânica é solicitada. Outro grupo de ligas que deve ser considerado é o do sistema Cu-Al-Mn, que contêm até cerca de 9 % de alumínio, 12 % de manganês e adições de ferro e níquel, sendo que essas ligas são destinadas basicamente à produção de peças fundidas. São ligas que apresentam excelente soldabilidade e não sofrem fragilização em temperaturas intermediárias, embora necessitem de tratamento térmico pós-soldagem para restaurar as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão.
Todos os bronzes de alumínio, mesmo com a melhor proteção gasosas possível, formam o óxido refratário alumina (Al2O3) devido á oxidação da poça de fusão. De modo a se obter boa fluidez na poça e evitar o aprisionamento de inclusões de óxidos, essas camadas de óxidos devem ser dispersas, o que obriga ao uso de corrente alternada na soldagem TIG, de modo a se aproveitar a ação de limpeza proporcionada pelo uso da corrente alternada. Argônio é o gás normalmente usado como proteção. Na soldagem MIG é possível se obter uma ação de limpeza contínua do arco através do uso de polaridade positiva. Em ambos os processos TIG e MIG o fluxo de gás deve ocorrer a uma taxa que seja suficiente para evitar oxidação excessiva da zona de soldagem e evitar defeitos de falta de fusão e de aprisionamento de inclusões de óxidos. A proteção gasosa com hélio na soldagem TIG também é vantajosa, pois a corrente contínua com polaridade negativa proporciona satisfatória ação de limpeza da poça de fusão. O uso de hélio também proporciona melhor penetração e mais altas velocidades de soldagem.
O pré-aquecimento deve ser evitado sempre que possível e as temperaturas interpasse devem ser mantidas num valor mínimo, e modo a evitar um superaquecimento que poderia causar perda de dutilidade e problemas de trincamento. É essencial a limpeza com escovas após a deposição de cada passe de soldagem para se obter boa qualidade na junta soldada.
Soldagem do Bronze de Estanho (Cu-Sn)
Os bronzes de estanho trabalhados contêm até 8 % de estanho com um teor de fósforo sempre inferior a 0,05 % e mesmo dentro dessa faixa são denominados bronzes fosforosos. As ligas fundidas podem conter até 12 % de estanho. Os bronzes de estanho utilizados na fabricação de canhões contêm também zinco (até 9 %) e chumbo (até 5 %) e este último elemento prejudica consideravelmente a soldabilidade dessas ligas, de modo que a brasagem com prata é preferível para a junção de peças destas ligas. As partículas de chumbo presentes de forma dispersa nestas ligas fundem nas temperaturas usuais de soldagem, provocando trincamento a quente tanto no metal de solda como na zona afetada pelo calor. Outra característica nociva à soldagem destas ligas é o seu amplo intervalo de solidificação, que causa porosidade por contração térmica e induz o trincamento de solidificação à medida que o metal de solda se solidifica, principalmente em condições de restrições físicas a esta solidificação. Também é possível, em condições de resfriamento rápido pós-soldagem e especialmente em ligas com alto teor de estanho, a formação da fase d dura e frágil, que prejudica as propriedades mecânicas da junta soldada. Isso pode ser evitado por um resfriamento pós-soldagem mais lento e controlado, ou, se a fase d já está formada, pela sua remoção através de tratamento térmico pós-soldagem a cerca de 600 ºC. A soldagem destas ligas leva à formação de vapores de zinco, embora em geral isso não seja prejudicial.
A soldagem TIG deve ser realizada com corrente contínua em polaridade negativa, tanto com argônio quanto hélio como proteção gasosa. A soldagem MIG também é satisfatória. Como a condutividade térmica destas ligas é muito menor do que a do cobre comercialmente puro, não há necessidade de pré-aquecimento. Existem metais de adição com composição próxima à dos bronzes de estanho comuns, mas o mesmo não ocorre com os bronzes destinados à fabricação de canhões. Estes são soldados com metais de adição compostos por bronze de estanho comum ou por ligas muito diferentes como bronzes de alumínio, por exemplo. Mais recentemente foi desenvolvido um metal de adição para soldar bronzes para canhões que consiste basicamente num bronze de estanho com certas adições de níquel e silício e um teor de fósforo relativamente mais alto.
Soldagem do Cuproníquel (Cu-Ni)
Os cuproníqueis comerciais contêm de 10 a 30 % de níquel. Adições de manganês e de ferro podem ser feitas com o intuito de melhorar a resistência à corrosão e à cavitação em certos ambientes, particularmente na água do mar.
O cobre e o níquel são mutuamente solúveis em qualquer proporção de composição química e em qualquer temperatura e a adição de ferro e de manganês não afeta substancialmente a microestrutura destas ligas, ou seja, não ocorre a formação de fases secundárias. Estas ligas são utilizadas principalmente na condição de trabalhadas, mas também podem ser fundidas.
O principal problema encontrado na soldagem dos cuproníqueis são aqueles associados à presença de elementos residuais que podem levar ao trincamento do metal de solda e da zona afetada pelo calor, e a porosidade causada pelo aprisionamento de gases. Entretanto, como o trabalho a quente é uma etapa essencial na fabricação destas ligas, já nesta etapa o fabricante deve minimizar a presença desses elementos residuais para evitar o trincamento a quente durante a laminação a quente. Por esse motivo, raramente ocorrem casos de trincamento no metal de solda devido à presença significativa desses elementos residuais nocivos. Entretanto, ainda é essencial o cuidado para evitar contaminações externas, como as que são causadas por descuido na manipulação e na limpeza das peças a serem soldadas. Sem esses cuidado poderia ocorrer contaminação por enxofre e chumbo proveniente de óleos e camadas de tinta aderidos à superfície das peças. Os cuproníqueis são particularmente susceptíveis à absorção de oxigênio, hidrogênio e nitrogênio na poça de solda fundida. A porosidade surge como conseqüência do aprisionamento do gás no metal em solidificação, e a oxidação pode ser evitada pelo uso de desoxidantes no metal de adição. Por esse motivo, a soldagem autógena de cuproníquel quase sempre resultará em juntas soldadas porosas. Até o momento o titânio é o elemento desoxidante mais poderoso encontrado nos metais de adição usados para soldagem de cuproníquel, juntamente com o manganês. Estão disponíveis comercialmente dois tipos de metal de adição com teores de níquel de 10 e de 30 %, respectivamente.
Metais de adição estão disponíveis para a soldagem MIG e TIG dos cuproníqueis, e embora seja comum selecionar um metal de adição com composição química próxima à do metal base, a soldagem de ligas com baixo teor de níquel usando metais de adição com 30 % de níquel pode apresentar vantagens, principalmente no que se refere á melhoria de propriedades mecânicas. Entretanto, esse procedimento deve ser adotado com certo cuidado, uma vez que há uma significativa diferença de intervalo de solidificação entre essas ligas e isso pode levar, em caso de restrições físicas á solidificação, ao trincamento nos contornos de grão parcialmente fundidos na zona afetada pelo calor após a solidificação do cordão de solda depositado.
Embora freqüentemente o argônio seja usado como proteção gasosa, o hélio pode oferecer algumas vantagens, particularmente quando a peça é muito espessa. No caso de soldagem TIG usa-se corrente contínua com polaridade negativa, tanto com argônio quanto com hélio. O processo TIG é o mais adequado para a soldagem de chapas, placas e tubos com até 6 mm de espessura. No caso da soldagem de tubos o processo TIG é aplicado para produzir um passe de raiz controlado, completando-se a solda nos passes subseqüentes com o processo de soldagem MIG manual.
Tanto no processo TIG quanto no processo MIG, devem ser evitadas velocidades de soldagem excessivas que possam causar falhas na proteção gasosa. A soldagem de peças como tubulações necessita do uso de uma proteção traseira de argônio, para evitar a contaminação atmosférica do pé do cordão de solda e assim produzir uma solda de boa qualidade.
Soldagem do Latão (Cu-Zn) e da Alpaca (Cu-Zn-Ni)
Do ponto de vista de soldagem os comportamentos do latão e da alpaca são muito semelhantes. As alpacas podem ser consideradas latões com substanciais adições de níquel. Ambos os grupos de ligas podem conter chumbo com o objetivo de melhorar a usinabilidade, e assim, como ocorre com os bronzes de estanho, a soldagem dessas ligas pode ser complicada. Do ponto de vista de soldabilidade os latões podem ser considerados em três grupos principais: 1) Latão com alumínio (Cu-22Zn-2Al); 2) Latão do almirantado (Cu-29Zn-1Sn); 3) Latão Naval (Cu-36,75 Zn – 1,25 Sn). Sob ponto de vista semelhante, as alpacas podem ser consideradas em três grupos principais: 1) Alpacas monofásicas (alfa) contendo até 65 % de cobre e 20 % de níquel (zinco remanescente); 2) Alpacas bifásicas (alfa + beta) contendo até 47 % de cobre, 25 % de níquel (zinco remanescente geralmente com até 2, 5 % de chumbo para melhorar a usinabilidade); 3) Alpacas de fundição contendo até 65 % de cobre, 25 % de níquel (zinco remanescente com até 9 % de chumbo).
Os comentários sobre a soldagem do latão aplicam-se igualmente à soldagem dos cuproníqueis.
Por causa da evolução de vapores de zinco a soldagem de qualquer liga contendo zinco é complicada. Entretanto, a soldagem com proteção gasosa pode minimizar a volatilização do zinco, devendo também ser considerada a possibilidade de soldar com metal de adição com composição química diferente da do metal base, pois isso reduziria o risco de formar uma camada de óxido refratário sobre a superfície da poça de fusão. Sob esse ponto de vista metais de adição com composição ideal seriam os bronzes de silício e de alumínio. Contudo, ao se soldar com esse tipo de metal de adição deve se trabalhar com corrente alternada no caso de processo TIG com proteção d argônio, de modo a garantir o necessário efeito de limpeza do arco. Também há certo risco de trincamento na zona afetada pelo calor se o metal de adição com composição diferente se solidificar antes do metal base. Isso pode ser evitado por meio de um resfriamento lento e sem perturbações desde as temperaturas de soldagem, para assegurar solidificação completa de ambos os metais de solda e metal base. A soldagem TIG com bronze de alumínio e proteção gasosa com argônio requer o uso de corrente alternada devido à formação de óxido de alumínio na poça de fusão durante a soldagem.
Latões com teor de zinco muito baixo (até cerca de 3 % de zinco) podem ser úteis em certas aplicações como substitutos do cobre desoxidado com fósforo. A volatilização de zinco é pequena nessas ligas e excelentes resultados são obtidos com o processo TIG tanto com o uso de argônio quanto hélio como proteção gasosa. O nitrogênio não deve ser usado com essa finalidade. A maior vantagem sobre o cobre desoxidado com fósforo no caso de soldagem de chapas com pequenas espessuras é a possibilidade de soldagem autógena, por causa das características desoxidantes da adição de zinco.
Soldagem dos Cobres Ligados e das Ligas de Cobre Endurecíveis por Precipitação
Cobre-Cádmio
O trabalho a frio do cobre-cádmio pode resultar em propriedades mecânicas muito boas, estando o cádmio presente inteiramente em solução sólida e conferindo resistência ao amolecimento em temperaturas moderadamente elevadas. Como o aumento de dureza é obtido por encruamento (deformação plástica a frio), evidentemente a soldagem elimina esse ganho de dureza e assim tanto o metal de solda quanto a zona afetada pelo calor apresentarão menor resistência mecânica do que o metal base. Por esse motivo raramente o cobre cádmio é soldado por fusão. A característica do cádmio como elemento muito tóxico também dificulta a operação de soldagem, pois os vapores de cádmio são muito nocivos à saúde do operador. As soldas feitas com esse tipo de material apresentam elevada porosidade e grande diminuição de dutilidade e de resistência mecânica simultaneamente. Como metal de adição o cobre desoxidado com boro tem sido usado com sucesso na soldagem de ligas cobre-cádmio.
Cobre-Zircônio
As ligas de cobre-zircônio em geral contém até 0,15 % de zircônio e até certo ponto podem ser endurecidas por precipitação. A dureza máxima é obtida após deformação a frio seguida de envelhecimento, e assim não pode ser mantida com a soldagem. Assim, o metal de solda e a zona afetada pelo calor apresentarão propriedades mecânicas inferiores às do metal base e estas não podem ser recuperadas por tratamento térmico pós-soldagem.
Estas ligas são soldadas com metal de adição com composição química bem próxima à do metal base e o zircônio presente também age como um eficiente agente desoxidante. Entretanto, a possibilidade de ocorrer trincamento a quente não deve ser descartada, uma vez que em condições de resfriamento fora do equilíbrio termodinâmico pode se formar um eutético Cu-Zn de baixo ponto de fusão.
Cobre-Berílio
Cu-Be com alto teor de berílio
As ligas cobre-berílio de alto teor contêm normalmente de 1,7 a 1,9 % de berílio com pequenas adições (da ordem de 0,25 %) de cobalto ou níquel para possibilitar um envelhecimento controlado. Estas ligas são endurecíveis por precipitação e caracterizadas por elevada dureza, resistência mecânica, á fadiga e ao desgaste, além de apresentarem considerável resistência à corrosão. Os avanços tecnológicos nos processos de soldagem podem tornar estas ligas adequadas a aplicações estruturais na indústria química, porém a evolução dos vapores tóxicos de berílio durante a soldagem por fusão convencional requer precauções adicionais.
Como no caso de todas as ligas termicamente tratadas surgem dificuldades durante a soldagem por fusão, de modo que deve ser aplicado um tratamento térmico pós-soldagem para possibilitar recuperação das propriedades do material e a homogeneização da microestrutura da zona afetada pelo calor e do metal de solda.
Estas ligas Cu-Be apresentam condutividade térmica equivalente a cerca de 25 % da condutividade térmica do cobre comercialmente puro, o que favorece a operação de soldagem sob esse ponto de vista. Entretanto, pode ser necessário certo pré-aquecimento no caso de peças com grande espessura.
Quando a peça a ser soldada apresenta pequena espessura a zona afetada pelo calor tende a ser estreita e o material apresenta elasticidade suficiente para acomodar as tensões de origem térmica que surgem durante o ciclo de soldagem. Sendo assim, o material fino pode ser soldado sem dificuldade tanto na condição de trabalhado a frio quanto na condição de envelhecido. Em materiais mais espessos as tensões térmicas não são acomodadas tão facilmente e pode ocorrer trincamento tanto no metal de solda quanto na zona afetada pelo calor. Nesse caso é recomendável soldar o material na condição de superenvelhecimento, pois assim o material estará mais macio devido ao coalescimento dos precipitados e não endurecerá sem tratamento de solubilização posterior. Por outro lado, a soldagem do material solubilizado é complicada devido à precipitação diferenciada na zona afetada pelo calor durante a operação de soldagem.
Em todos os casos o tratamento térmico pós-soldagem deve ser realizado como uma operação em duas etapas, envolvendo uma nova solubilização e novo envelhecimento de modo a se obter propriedades razoavelmente uniformes ao longo de toda a área de solda. Evidentemente o metal de solda manterá uma microestrutura bruta de fusão, porém as propriedades mecânicas serão apenas um pouco inferiores às do metal base.
Devido à formação de camadas de óxidos refratários os processos de soldagem com proteção gasosa são os únicos que permitem resultados favoráveis. Tanto o processo TIG quanto o processo MIG são adequados com o uso de metal de adição com composição química semelhante à do metal base. A proteção com argônio é a ideal no caso de soldagem TIG de materiais com espessura de até 6 mm com corrente alternada para garantir a limpeza da poça de fusão, ao passo que o mesmo tipo de liga é soldada pelo processo MIG com espessuras maiores, de até 50 mm. O pré-aquecimento deve ser evitado sempre que possível, mas pode ser necessário para peças mais espessas. As temperaturas de pré-aquecimento devem ficar entre 100 e 200 ºC. O uso de gás inerte na parte posterior da solda protege a penetração do cordão, reduzindo a formação de camadas de óxidos refratários e promovendo fusão adequada.
Cu-Be com baixo teor de berílio
Estas ligas com baixo teor contêm tipicamente 0,4 a 0,6 % de berílio e 2,5 % de cobalto ou níquel. Também são ligas endurecíveis por precipitação, porém, ao contrário das ligas Cu-Be de alto teor, nas ligas de baixo teor os precipitados endurecedores são compostos intermetálicos de cobalto e berílio ou de níquel e berílio. Estas ligas apresentam propriedades mecânicas inferiores às encontradas nas ligas de alto teor, porém condutividade elétrica mais elevada, podendo ser usadas na fabricação de molas, diafragmas e eletrodos e garras para soldagem por resistência elétrica. Como no caso das ligas de alto teor, as de baixo teor também são usadas nas condições de fundidas e de trabalhadas.
As ligas de baixo teor apresentam várias características em comum com as de alto teor, no que diz respeito à soldabilidade, necessitando também de tratamentos térmicos pós-soldagem. Como apresentam condutividade térmica superior à das ligas de alto teor, a soldagem das ligas de baixo teor geralmente é mais difícil.
Em geral as ligas de baixo teor são soldadas com metais de adição com composição química significativamente diferente, com o objetivo de evitar trincamento a quente, sendo usado como metal de adição geralmente ligas Cu-Be de alto teor. Como as condições de tratamento térmico ideais para otimização de dureza variam de um tipo de liga (baixo teor) para as de outro tipo (alto teor), o tratamento térmico de envelhecimento deve ser balanceado para obter propriedades mecânicas razoáveis tanto no metal base (baixo teor) como no metal de solda e na zona termicamente afetada que resultam do uso de um metal de adição diferente (alto teor).
Do mesmo modo, para as ligas de baixo teor a soldagem de peças espessas também é mais fácil quando a liga se encontra na condição superenvelhecida, mas o tratamento térmico pós-soldagem subseqüente na faixa de temperaturas de 850 a 900 ºC pode resultar na fusão de fases metaestáveis presentes no metal de adição com alto teor de berílio através do resfriamento rápido durante a soldagem. Esse risco pode ser minimizado por meio de um tratamento de homogeneização entre 800 e 850 ºC antes da solubilização. Com um bom ajuste do tratamento térmico pós-soldagem é possível obter boas propriedades mecânicas tanto no metal base quanto no metal de solda.
Os processos de soldagem a arco elétrico com proteção gasosa podem ser aplicados de modo similar aos que são aplicados para ligas de alto teor de berílio, mas deve se dar maior atenção ao pré-aquecimento por causa da alta condutividade térmica.
Cobre-Cromo
Essas ligas Cu-Cr contêm de 0,5 a 1,0 % de cromo e são endurecíveis por precipitação, atingindo boas propriedades mecânicas e mantendo boa condutividade elétrica. Produtos fundidos e trabalhados destas ligas são usados numa ampla variedade de aplicações que exijam resistência mecânica moderada e alta condutividade elétrica.
Estas ligas apresentam tendência de fragilidade a quente num amplo intervalo de temperaturas. A presença de impurezas, mesmo em pequenos teores, favorece a formação de camadas frágeis nos contornos de grãos. Isso provavelmente causa trincamento durante a soldagem e, do mesmo modo que ocorre com as ligas cobre-berílio, é recomendável que a peça seja soldada na condição superenvelhecida quando a região de solda é submetida a restrições físicas. Estas ligas possuem elevada condutividade térmica na condição envelhecida, necessitando de pré-aquecimento no caso de peças mais espessas. Após a soldagem deve ser realizado um tratamento térmico completo de solubilização e envelhecimento.
Devido à formação de óxidos refratários, a soldagem sempre deve ser feita por arco elétrico com proteção gasosa para se obter bons resultados, e no caso da soldagem TIG geralmente é usada corrente alternada e argônio como gás protetor para evitar dificuldades decorrentes da formação de camadas de óxidos. Geralmente se utiliza metal de adição com composição química bem próxima à do metal base. O processo MIG também é usado quando se necessita de maiores velocidades de soldagem e maior deposição de metal de solda, principalmente em seções mais espessas.
A soldagem TIG com hélio como gás protetor também pode ser usada com corrente contínua e polaridade negativa para melhorar as condições de soldagem [7].
Corrosão
O cobre comercialmente puro e as ligas de cobre são muito usados em diversos ambientes e aplicações por causa de sua excelente resistência à corrosão, combinada com outras propriedades desejáveis como alta condutividade térmica e elétrica, facilidade de fabricação por diferentes processos, uma grande amplitude de valores de propriedades mecânicas que podem ser obtidos e a resistência à degradação por agentes biológicos. O cobre sofre corrosão, porém em taxas muito reduzidas, no ar não poluído, na água e na presença de ácidos não oxidantes em ambientes não areados. Artefatos de cobre enterrados por milênios apresentam-se em condições bem razoáveis como materiais pouco usados, e telhados de cobre em atmosfera rural sofreram corrosão em taxas inferiores a 0,4 mm em 200 anos. As ligas de cobre resistem a muitas soluções salinas, alcalinas e substâncias químicas orgânicas. Entretanto, o cobre é suscetível a um ataque muito mais rápido por ácidos oxidantes, sais oxidantes de metais pesados, enxofre, amônia (NH3) e alguns compostos de enxofre e de amônia. A resistência a soluções ácidas depende principalmente do grau de severidade das condições oxidantes na solução. A relativa facilidade de reação do cobre com o enxofre e sulfetos para formar sulfetos de cobre (CuS e Cu2S) impede a utilização do cobre e das ligas de cobre em ambientes contendo enxofre ou seus compostos.
O cobre e suas ligas apresentam excelente comportamento em serviço nas seguintes aplicações:
-Aplicações que exigem resistência à exposição à atmosfera, como o uso em telhados na construção civil e outros usos arquitetônicos como maçanetas de portas, por exemplo.
-Encanamentos e tubulações de água que necessitem de elevada resistência à corrosão causada por vários tipos de águas e solos.
-Aplicações navais, como por exemplo tubulações de água fresca e de água salgada, trocadores de calor, condensadores, válvulas, nas quais o material deve resistir ao ataque da água salgada, de depósitos de sais hidratados e de agentes biológicos.
-Trocadores de calor e condensadores em serviço marítimo, usinas de energia a vapor e componentes usados na indústria química em contato com produtos orgânicos e inorgânicos.
-Fiação elétrica, hardware, conectores, circuitos impressos e dispositivos eletrônicos em geral, que necessitam de uma boa combinação de condutividade térmica e elétrica com boas propriedades mecânicas.
A oxidação do cobre leva à formação do óxido cuproso (Cu2O), que se forma de acordo com a seguinte reação: 4Cu + O2 à 2Cu2O.
Efeito dos Elementos de Liga na Resistência à Corrosão do Cobre
O cobre comercialmente puro e os chamados cobres ligados apresentam excelente resistência à corrosão causada por águas salgadas e por agentes biológicos, mas são suscetíveis à corrosão-erosão causada por águas em movimento com altas velocidades. O processamento mecânico com o objetivo de melhorar a resistência mecânica de cobres ligados também aumenta sua resistência à corrosão-erosão, sem prejudicar sensivelmente sua condutividade térmica e elétrica e sua resistência á corrosão atmosférica.
Os latões com teores de zinco de até 15 % apresentam satisfatória resistência à corrosão causada por soluções aquosas, mas acima desse teor podem sofrer dezincificação, que é um ataque corrosivo preferencial que leva à oxidação e eliminação do zinco presente no latão, que assim assume coloração mais avermelhada em determinados locais. Soluções salinas mesmo com velocidade moderada, água salobra e soluções suavemente ácidas já são suficientes para levar à dezincificação do latão. Do mesmo modo, a susceptibilidade á corrosão sob tensão também é dependente do teor de zinco do latão, sendo mais acentuada nos latões com mais alto teor de zinco (15 % ou mais). A corrosão sob tensão praticamente não ocorre no cobre comercialmente puro.
Elementos de liga adicionados com o objetivo de aumentar a usinabilidade, como o chumbo, ou a resistência mecânica, como berílio, telúrio, cromo, fósforo e manganês, praticamente não têm efeito, ou têm um efeito muito limitado sobre a resistência sobre a resistência à corrosão do cobre comercialmente puro e dos latões.
Os latões com estanho possuem resistência à corrosão significativamente maior do a dos latões binários (Cu-Zn), principalmente melhor resistência à dezincificação, devido à presença do estanho como elemento de liga em teores significativos. É o caso do latão do almirantado (C443), modificação do latão para cartuchos (C280) ao qual 1 % de estanho é adicionado, e do latão naval (C464), modificação do metal de Muntz (C280) ao qual 0,75 % de estanho é adicionado. Outros elementos em menor escala podem ser adicionados ao latão para aplicações navais, como o níquel e o chumbo.
Os latões (Cu-Zn-Al) e bronzes de alumínio (Cu-Al) se beneficiam, no que se refere à resistência à corrosão, pela formação da camada passivada protetora de alumina (Al2O3) que impede o prosseguimento da corrosão. O uso de inibidores, como arsênico, fósforo e antimônio evita a dezincificação nos latões.
Os bronzes fosforosos apresentam boa resistência à corrosão causada por águas salgadas em movimento e pela maioria dos ácidos não oxidantes, exceto o ácido clorídrico (HCl). Ligas contendo 8 a 10 % de estanho apresentam alta resistência à corrosão associada ao impacto de partículas e gotas. Os bronzes fosforosos são muito menos suscetíveis à corrosão sob tensão do que os latões são tão resistentes ao ataque pelo ácido sulfúrico quanto o cobre comercialmente puro. De um modo geral os bronzes também resistem bem à corrosão causada por agentes biológicos.
Os cuproníqueis se constituem no grupo de ligas de alumínio com maior resistência à corrosão, principalmente o cuproníquel C715 (70% de cobre e 30 % de níquel), que apresenta a maior resistência à corrosão aquosa, embora muitas vezes o cuproníquel C706 (10 de níquel) seja preferido por apresentar resistência à corrosão ainda muito boa, porém com menor custo do que o C715. São ligas que apresentam resistência à corrosão causada por soluções ácidas em nível superior à do cobre comercialmente puro e à das outras ligas de cobre, além de uma elevada resistência à corrosão sob tensão e à corrosão associada ao impacto de partículas e gotas.
As alpacas apresentam boa resistência à corrosão causada por água fresca e por água salgada. O elevado teor de níquel inibe a dezincificação. Alpacas como a C752 e C770 são muito mais resistentes à corrosão em soluções salinas do que latões com teores de zinco semelhantes.
