Soldadura de cobre con robots industriales

El cobre y las aleaciones de cobre ofrecen una combinación única de propiedades materiales que los hacen ideales para muchos entornos de fabricación. Son ampliamente utilizados debido a sus excelentes conductividades eléctricas y térmicas, excelente resistencia a la corrosión, facilidad de fabricación, buena resistencia y resistencia a la fatiga. Otras características útiles incluyen resistencia a las chispas, resistencia al desgaste de metal a metal, propiedades de baja permeabilidad y color distintivo.

Procesos de soldadura de cobre

El cobre a menudo se une mediante soldadura. Los procesos de soldadura por arco son de interés primordial. La soldadura por arco se puede realizar usando soldadura por arco de metal blindado (SMAW), soldadura por arco de gas y tungsteno (GTAW), soldadura por arco de gas y metal (GMAW), soldadura por arco de plasma (PAW) y soldadura por arco sumergido (SAW).

Por lo general, se prefieren los procesos de soldadura que usan protección de gas, aunque SMAW se puede usar para muchas aplicaciones no críticas. El argón, el helio o mezclas de ambos se utilizan como gases de protección para GTAW, PAW y GMAW. Generalmente, el argón se usa cuando el material de soldadura manual tiene menos de 3 mm de espesor, tiene baja conductividad térmica o ambos. Se recomienda helio o una mezcla de 75 % de helio y 25 % de argón para la soldadura mecánica de secciones delgadas y para la soldadura manual de secciones más gruesas de aleaciones que tienen una alta conductividad térmica. Se pueden agregar pequeñas cantidades de nitrógeno al gas de protección de argón para aumentar la entrada de calor efectiva. La soldadura por arco de metal blindado se puede utilizar para soldar una amplia gama de espesores de aleaciones de cobre. Los electrodos revestidos para soldadura por arco sumergido (SAW) de aleaciones de cobre están disponibles en tamaños estándar que van de 2,4 a 4,8 mm.

Soldadura por arco de tungsteno y gas

La soldadura por arco de tungsteno y gas es muy adecuada para el cobre y las aleaciones de cobre debido a su arco intenso, que produce una temperatura extremadamente alta en la unión y una zona afectada por el calor (HAZ) estrecha.

En la soldadura de cobre y las aleaciones de cobre más conductoras térmicamente, la intensidad del arco es importante para completar la fusión con un calentamiento mínimo del metal base altamente conductor circundante. Una ZAT angosta es particularmente deseable en la soldadura de aleaciones de cobre que han sido endurecidas por precipitación.

Muchos de los electrodos de tungsteno estándar o de tungsteno aleado se pueden usar en GTAW de cobre y aleaciones de cobre. Los factores de selección normalmente considerados para los electrodos de tungsteno se aplican en general al cobre y aleaciones de cobre. A excepción de las clases específicas de aleaciones de cobre, se prefiere el tungsteno toriado (generalmente EWTh-2) por su mejor rendimiento, vida más larga y mayor resistencia a la contaminación.

Soldadura por arco con gas y metal

La soldadura por arco gas-metal se utiliza para unir cobre y aleaciones de cobre para espesores inferiores a 3 mm, mientras que GMAW se prefiere para espesores de sección superiores a 3 mm y para unir bronces de aluminio, bronces de silicio y aleaciones de cobre-níquel.

Soldadura por arco de plasma

La soldadura de cobres y aleaciones de cobre mediante PAW es comparable a la GTAW de estas aleaciones. El argón, el helio o mezclas de ambos se utilizan para soldar todas las aleaciones. Nunca se debe usar gas hidrógeno al soldar cobres.

La soldadura por arco de plasma tiene dos ventajas distintas sobre GTAW:

1. El tungsteno está oculto y completamente protegido, lo que reduce en gran medida la contaminación del electrodo, especialmente para aleaciones con componentes de baja temperatura de ebullición, como latones, bronces, bronces fosforosos y bronces de aluminio.
2. El penacho de arco construido da lugar a energías de arco más altas mientras minimiza el crecimiento de la ZAT. Al igual que con GTAW, también se pueden usar la pulsación de corriente y la rampa de corriente. El equipo de soldadura por arco de plasma ha sido miniaturizado para trabajos complejos, conocido como soldadura por microplasma.

La soldadura por arco de plasma de cobres y aleaciones de cobre se puede realizar de forma autógena o con metal de aporte. La selección del metal de aporte es idéntica a la descrita para GTAW. La automatización y mecanización de este proceso se realiza fácilmente y es preferible a GTAW donde la contaminación puede restringir la eficiencia de producción. Las posiciones de soldadura para PAW son idénticas a las de GTAW. Sin embargo, el modo ojo de cerradura de plasma ha sido evaluado para secciones más gruesas en una posición vertical hacia arriba. En general, toda la información presentada para GTAW se aplica a PAW.

Soldadura por arco sumergido

La soldadura de material de calibre grueso, como tuberías formadas a partir de placas gruesas, puede lograrse mediante una operación continua de arco metálico bajo un fundente granular. Las reacciones efectivas de desoxidación y escoria-metal para formar la composición de metal de soldadura requerida son críticas y el proceso SAW aún está en desarrollo para materiales a base de cobre. Se puede utilizar una variación de este proceso para el revestimiento de soldadura o el revestimiento duro. Deben usarse fundentes disponibles comercialmente para las aleaciones de cobre-níquel.

Metalurgia de aleaciones y soldabilidad

Muchos metales comunes se alean con cobre para producir las diversas aleaciones de cobre. Los elementos de aleación más comunes son el aluminio, el níquel, el silicio, el estaño y el zinc. Otros elementos y metales se alean en pequeñas cantidades para mejorar ciertas características del material, como la resistencia a la corrosión o la maquinabilidad.

Nueve grupos de cobre y aleaciones de cobre:

1. Cobres, que contienen un mínimo de 99,3% Cu
2. Aleaciones con alto contenido de cobre, que contienen hasta un 5 % de elementos de aleación
3. Aleaciones de cobre-zinc (latones), que contienen hasta un 40 % de Zn
4. Aleaciones de cobre-estaño (bronce fosforoso), que contienen hasta un 10 % de Sn y un 0,2 % de P
5. Aleaciones de cobre y aluminio (bronce al aluminio), que contienen hasta un 10 % de Al
6. Aleaciones de cobre-silicio (bronce al silicio), que contienen hasta un 3 % de Si
7. Aleaciones de cobre-níquel, que contienen hasta un 30 % de Ni
8. Aleaciones de cobre-zinc-níquel (alpacas), que contienen hasta un 7 % de Zn y un 18 % de Ni
9. Aleaciones especiales, que contienen elementos de aleación para mejorar una propiedad o característica específica, por ejemplo, la maquinabilidad.

Muchas aleaciones de cobre tienen nombres comunes, como cobre libre de oxígeno (99,95 % Cu min), cobre berilio (0,02 a 0,2 % Be), metal Muntz (Cu40Zn), latón naval (Cu-39,5Zn-0,75Sn) y comercial. bronce (Cu-10Zn).

Propiedades

Muchas de las propiedades físicas de las aleaciones de cobre son importantes para los procesos de soldadura, incluida la temperatura de fusión, el coeficiente de expansión térmica y la conductividad eléctrica y térmica. Ciertos elementos de aleación reducen la conductividad eléctrica y térmica del cobre y las aleaciones de cobre.

Soldabilidad

Varios elementos de aleación tienen efectos pronunciados sobre la soldabilidad del cobre y las aleaciones de cobre. Pequeñas cantidades de elementos de aleación volátiles y tóxicos suelen estar presentes en el cobre y sus aleaciones. Como resultado, el requisito de un sistema de ventilación efectivo para proteger al soldador y/o al operador de la máquina de soldar es más crítico que cuando se sueldan metales ferrosos.

El zinc reduce la soldabilidad de todos los latones en proporción relativa al porcentaje de zinc en la aleación. El zinc tiene una temperatura de ebullición baja, lo que resulta en la producción de vapores tóxicos cuando se sueldan aleaciones de cobre y zinc.

El silicio tiene un efecto beneficioso sobre la soldabilidad de las aleaciones de cobre y silicio debido a sus acciones desoxidantes y fundentes.

Estaño

El estaño aumenta la susceptibilidad a las grietas en caliente durante la soldadura cuando está presente en cantidades del 1 al 10%. El estaño, en comparación con el zinc, es mucho menos volátil y tóxico. Durante la soldadura, el estaño puede oxidarse preferentemente en relación con el cobre. Los resultados serán un atrapamiento de óxido, lo que puede reducir la resistencia de la soldadura.

Óxidos tenaces

El berilio, el aluminio y el níquel forman óxidos tenaces que deben eliminarse antes de soldar. La formación de estos óxidos durante el proceso de soldadura debe evitarse mediante gas de protección o fundente, junto con el uso de la corriente de soldadura adecuada. Los óxidos de níquel interfieren menos con la soldadura por arco que los de berilio o aluminio. En consecuencia, las alpacas y las aleaciones de cobre-níquel son menos sensibles al tipo de corriente de soldadura utilizada durante el proceso. Las aleaciones que contienen berilio también producen humos tóxicos durante la soldadura.

Oxígeno

El oxígeno puede causar porosidad y reducir la resistencia de las soldaduras realizadas en ciertas aleaciones de cobre que no contienen cantidades suficientes de fósforo u otros desoxidantes. El oxígeno se puede encontrar como gas libre o como óxido cuproso. Las aleaciones de cobre soldadas con mayor frecuencia contienen elementos desoxidantes, generalmente fósforo, silicio, aluminio, hierro o manganeso.

El hierro y el manganeso no afectan significativamente la soldabilidad de las aleaciones que los contienen. El hierro suele estar presente en algunos latones especiales, bronces de aluminio y aleaciones de cobre y níquel en cantidades de 1,4 a 3,5 %. El manganeso se usa comúnmente en estas mismas aleaciones, pero en concentraciones más bajas que el hierro.

Aditivos de libre mecanizado

Se agregan plomo, selenio, telurio y azufre a las aleaciones de cobre para mejorar la maquinabilidad. El bismuto también se está comenzando a usar para este propósito cuando se desean aleaciones sin plomo. Estos agentes de aleación menores, aunque mejoran la maquinabilidad, afectan significativamente la soldabilidad de las aleaciones de cobre al hacer que las aleaciones sean susceptibles al agrietamiento en caliente. El efecto adverso sobre la soldabilidad es evidente con aproximadamente 0,05% del aditivo y es más severo con concentraciones mayores. El plomo es el más dañino de los agentes de aleación con respecto a la susceptibilidad al agrietamiento en caliente.

Factores que afectan la soldabilidad

Además de los elementos de aleación que componen una aleación de cobre específica, varios otros factores afectan la soldabilidad. Estos factores son la conductividad térmica de la aleación que se suelda, el gas de protección, el tipo de corriente utilizada durante la soldadura, el diseño de la junta, la posición de la soldadura y la condición y limpieza de la superficie.

Efecto de la conductividad térmica

El comportamiento del cobre y las aleaciones de cobre durante la soldadura está fuertemente influenciado por la conductividad térmica de la aleación. Cuando se sueldan cobres comerciales y materiales de cobre de aleación ligera con conductividades térmicas altas, se debe seleccionar el tipo de corriente y gas de protección para proporcionar la máxima entrada de calor a la unión. Esta alta entrada de calor contrarresta la rápida disipación de cabeza lejos de la zona de soldadura localizada.

Dependiendo del espesor de la sección, puede ser necesario precalentar las aleaciones de cobre con conductividades térmicas más bajas. La temperatura entre pases debe ser la misma que para el precalentamiento. Las aleaciones de cobre no reciben un tratamiento de cabeza posterior a la soldadura con tanta frecuencia como los aceros, pero algunas aleaciones pueden requerir velocidades de enfriamiento controladas para minimizar las tensiones residuales y la fragilidad en caliente.

Posición de soldadura

Debido a la naturaleza altamente fluida del cobre y sus aleaciones, la posición plana se usa siempre que sea posible para soldar. La posición horizontal se utiliza en algunas soldaduras de filete de juntas de esquina y juntas en T.

Aleaciones endurecibles por precipitación

Las reacciones de endurecimiento por precipitación más importantes se obtienen con berilio, cromo, boro, níquel, silicio y circonio. Se debe tener cuidado al soldar aleaciones de cobre endurecibles por precipitación para evitar la oxidación y la fusión incompleta. Siempre que sea posible, los componentes deben soldarse en estado recocido y, luego, la soldadura debe someterse a un tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación.

Agrietamiento en caliente

Las aleaciones de cobre, como cobre-estaño y cobre-níquel, son susceptibles de agrietarse en caliente a las temperaturas de solidificación. Esta característica se exhibe en todas las aleaciones de cobre con un amplio rango de temperatura de liquidus a solidus. Las tensiones severas de contracción producen la separación interdendrítica durante la solidificación del metal. El agrietamiento en caliente se puede minimizar reduciendo la restricción durante la soldadura, precalentando para disminuir la velocidad de enfriamiento y reducir la magnitud de las tensiones de soldadura, y reduciendo el tamaño de la abertura de la raíz y aumentando el tamaño del paso de la raíz.

Porosidad

Ciertos elementos (por ejemplo, zinc, cadmio y fósforo) tienen puntos de ebullición bajos. La vaporización de estos elementos durante la soldadura puede resultar en porosidad. Cuando se sueldan aleaciones de cobre que contienen estos elementos, la porosidad se puede minimizar mediante velocidades de soldadura más altas y un metal de aporte bajo en estos elementos.

Condición de la superficie

La grasa y el óxido de las superficies de trabajo deben eliminarse antes de soldar. Se puede usar cepillado de alambre o inmersión brillante. La miliescala en las superficies de los bronces al aluminio y los bronces al silicio se elimina a una distancia de al menos 13 mm de la región de soldadura, generalmente por medios mecánicos. La grasa, la pintura, las marcas de crayón, la suciedad del taller y otros contaminantes similares en las aleaciones de cobre y níquel pueden causar fragilidad y deben eliminarse antes de soldar. La miliescala de las aleaciones de cobre-níquel debe eliminarse mediante molienda o decapado; el cepillo de alambre no es efectivo.

Aleaciones de soldadura de cobre

El material de electrodo ideal tendría la resistencia a la compresión del acero para herramientas y la conductividad de la plata. Desafortunadamente, no existe tal material. Así que se han desarrollado varias aleaciones de cobre diferentes. Todos los materiales recomendados por RWMA tienen temperaturas de recocido o ablandamiento más altas que el cobre puro, junto con una mejor resistencia a la compresión y al desgaste. Debido a que el cobre ha sido aleado para lograr una mayor resistencia y propiedades de desgaste, se sacrifica algo en la conductividad.

Clases de aleaciones de cobre:

Clase 1:esta clase se especifica con mayor frecuencia para soldar aluminio y otros materiales altamente conductores. Esta es la más conductora de las aleaciones RWMA. También es el más suave (y tiene las características de resistencia y desgaste más bajas).

Clase 2:esta clase de aleación de cobre es la aleación de cobre más utilizada y recomendada. Se recomienda para una amplia gama de aleaciones de acero. El material se recomienda para soldadura por puntos, costura, proyección y soldadura de alambre cruzado. Tiene una conductividad ligeramente más baja que la clase 1 y tiene mayor resistencia y características de desgaste.

Clase 3:este tiene la conductividad más baja, pero las propiedades de resistencia más altas de los tres grados principales de material de electrodo de cobre. Se recomienda para la mayoría de las aplicaciones donde la alta resistencia y la resistencia al desgaste son imprescindibles.