Resumo: Os recentes avanços técnicos na brasagem de alumínio e ligas de alumínio foram revisados em termos de métodos de brasagem, metais de adição e fluxos, e suas respectivas direções de desenvolvimento foram introduzidas.
Observa-se que a brasagem de alumínio e ligas de alumínio é um campo de pesquisa em rápido desenvolvimento e possui uma ampla gama de aplicações. A tecnologia de brasagem para alumínio e ligas de alumínio está atraindo cada vez mais atenção e parece ter um potencial significativo.
1. Status de pesquisa de brasagem de alumínio e ligas de alumínio
As ligas de alumínio são uma escolha popular em diversas indústrias devido à sua baixa densidade, alta resistência e excelente resistência à corrosão. Eles são amplamente utilizados em automóveis, veículos ferroviários de alta velocidade, aplicações aeroespaciais e militares.
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As propriedades físicas e químicas únicas das ligas de alumínio podem resultar em diversas dificuldades durante o processo de soldagem, como oxidação, trincas a quente e poros na solda. O método tradicional de soldagem de ligas de alumínio é a soldagem por fusão, que requer equipamentos complexos e soldadores altamente qualificados com requisitos técnicos rigorosos.
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A brasagem de alumínio é um método crucial de conexão de ligas de alumínio e é conhecida por sua deformação mínima das peças soldadas. Nos últimos anos, ganhou amplo uso na China devido à sua alta precisão dimensional.
A tecnologia de brasagem para alumínio e ligas de alumínio tem sido objeto de extensas pesquisas nos últimos anos, levando a rápidos avanços nos métodos de brasagem, metais de adição e fluxos.
A brasagem de alumínio e ligas de alumínio é um campo em rápido desenvolvimento devido às suas excelentes propriedades, como alta resistência, boa resistência à corrosão, alta condutividade e condutividade térmica. Como resultado, está sendo cada vez mais utilizado em diversas indústrias, incluindo aeroespacial, aviação, eletrônica, metalurgia, fabricação de máquinas e indústria leve.
Em alguns casos, o uso do alumínio substituiu o cobre e o aço, impulsionado pelo aumento substancial no custo dos materiais de cobre e pelo desejo de reduzir o peso, melhorar a eficiência e melhorar a estética. Um exemplo disso é a substituição da caixa d'água de cobre dos automóveis por uma caixa d'água de alumínio.
Na China, existem apenas alguns fabricantes de fluxo de alumínio em grande escala, e a maior parte do fluxo de alumínio utilizado é importada do exterior.
O alumínio e as ligas de alumínio têm baixo ponto de fusão, forte reatividade química e alto ponto de fusão, o que dificulta o uso de fluxos de brasagem tradicionais. Portanto, fluxos de brasagem especiais para alumínio e ligas de alumínio devem ser usados para garantir uma brasagem adequada.
Além disso, a resistência à corrosão das juntas soldadas de alumínio e ligas de alumínio pode ser facilmente comprometida pelo uso de solda e fluxo. Isso ocorre porque existe uma diferença significativa no potencial do eletrodo entre a solda e o metal base, o que reduz a resistência à corrosão da junta, principalmente no caso de juntas de solda macias.
A maioria dos fluxos usados para remover a película de óxido da superfície do alumínio e suas ligas contém materiais altamente corrosivos. Mesmo que estes materiais sejam limpos após a brasagem, é um desafio eliminar completamente o seu impacto na resistência à corrosão da junta.
2. Método de brasagem
O alumínio e as ligas de alumínio podem ser brasados usando brasagem por chama, brasagem em forno ou brasagem em banho de sal.
A brasagem por chama é um método popular devido ao seu equipamento simples, versatilidade em termos de fonte de gás e ampla gama de aplicações. É usado principalmente para brasagem de pequenos componentes e para produção de peças únicas. Existem muitos tipos de chamas disponíveis, incluindo um novo tipo de gás denominado gás Sharp, que é resultado da cooperação entre a China e outros países. Este gás tem chama suave e é uma boa fonte de aquecimento para brasagem de alumínio, pois fica entre as forças do gás liquefeito e do oxiacetileno. No entanto, em comparação com outros métodos de conexão, a temperatura de aquecimento para brasagem por chama de alumínio e ligas de alumínio é difícil de controlar, exigindo níveis mais elevados de experiência do operador.
A brasagem em banho de sal oferece aquecimento rápido e uniforme, deformação mínima dos componentes e remoção eficaz da película, resultando em componentes brasados de alta qualidade com alta eficiência de produção. Este método é particularmente adequado para produção em massa e para soldagem de estruturas densas. Pasta, folha de solda ou revestimento de solda são comumente usados para brasagem em banho de sal de alumínio. O revestimento de solda é tipicamente composto de composições eutéticas de Al Si ou hipoeutéticas de Al Si.
Atualmente, a produção de brasagem utiliza principalmente revestimento de metal de adição, o que pode melhorar a eficiência da produção e garantir a qualidade dos componentes soldados.
A brasagem tem algumas limitações:
Em primeiro lugar, o design complexo de alguns componentes pode dificultar o acesso ao banho de sal, limitando as opções de design e complicando o processo de brasagem. Isto também pode dificultar a garantia da qualidade da brasagem.
Em segundo lugar, embora a brasagem em banho de sal possa atender a requisitos rigorosos de resistência à corrosão, ela pode resultar em uma grande quantidade de resíduos de fluxo no componente, exigindo uma limpeza extensa. Além disso, o equipamento de brasagem em banho de sal é caro e o processo é complexo, levando a um longo ciclo de produção.
A brasagem do forno a ar oferece um investimento de equipamento de baixo custo e um processo de brasagem simples e fácil de gerenciar. Contudo, o processo de aquecimento é lento e a superfície do componente pode oxidar quando exposta ao ar, especialmente a altas temperaturas. Isto torna difícil remover a película de fluxo e o fluxo também pode falhar devido à umidade do ar durante o aquecimento.
Para superar esses desafios, a brasagem em forno ao ar seco e a brasagem a vácuo em atmosfera protetora foram desenvolvidas e ganharam uso generalizado na brasagem de alumínio e ligas de alumínio. Esses métodos oferecem processos aprimorados e tiveram um rápido crescimento nos últimos anos.
2.1 Brasagem a vácuo
O alumínio é conhecido por ser ativo e formar facilmente uma densa película de óxido em sua superfície.
Durante o processo de brasagem, pode ser um desafio remover óxidos apenas através de condições de vácuo. Como resultado, ativadores metálicos como Mg e Bi devem ser utilizados.
É amplamente aceito que o mecanismo de remoção do ativador funciona da seguinte forma:
Primeiramente, o ativador reage com O residual e HO no vácuo, neutralizando seus efeitos nocivos na brasagem de alumínio.
Em segundo lugar, o vapor de Mg penetra na camada de material abaixo do filme e forma uma liga de Al Si Mg de baixo ponto de fusão junto com Si difundido.
Durante a brasagem, a fusão da liga quebra a ligação entre o filme de óxido e o material de base, permitindo que a solda derretida molhe o material de base, espalhe-se sobre ele sob o filme e levante o filme de óxido da superfície, removendo-o efetivamente.
Na brasagem a vácuo de ligas de alumínio, o forno a vácuo deve ser escolhido com base em fatores como produtividade, custo, tamanho da soldagem e estrutura.
É importante limpar completamente a soldagem antes da brasagem. O óxido da superfície pode ser removido com ácido ou álcali, e as manchas de óleo podem ser removidas com álcool.
Para a preparação do metal de adição, costuma-se usar lixa para remover a película de óxido da superfície, seguida de limpeza com álcool para remover manchas de óleo.
Para peças maiores, recomenda-se o pré-aquecimento antes da soldagem para garantir o aquecimento uniforme de todas as peças antes de atingir a temperatura de brasagem.
A brasagem a vácuo de ligas de alumínio depende fortemente do ativador de Mg para remover o filme de óxido. Para garantir que o metal base fique totalmente exposto ao vapor de Mg em soldagens com estruturas complexas, algumas unidades nacionais adotaram medidas complementares como blindagem local, resultando em melhoria da qualidade da brasagem.
Um método comum é colocar a peça dentro de uma tampa de aço inoxidável com lascas de Mg e depois no forno de brasagem a vácuo para brasagem. Isto pode melhorar significativamente a qualidade da brasagem.
O grau de vácuo é o parâmetro de processo mais crucial e desafiador para controlar na brasagem a vácuo. Para obter juntas de alta qualidade, o grau de vácuo depende em grande parte do tamanho da peça de trabalho.
Com base em anos de experiência de alguns especialistas, é aconselhável que se o equipamento de brasagem não tiver sido utilizado por um longo período, o forno a vácuo deve ser operado por várias horas antes do uso. No uso regular, especialmente para produção em lote, é recomendado manter o intervalo de tempo entre os usos o mais curto possível para garantir que o grau de vácuo do forno a vácuo atenda aos requisitos de maneira fácil e rápida.
Embora a brasagem a vácuo seja um método de brasagem eficaz, ela também apresenta algumas limitações, como equipamentos complexos e caros e a dificuldade de manutenção do sistema de vácuo.
2.2 Brasagem em atmosfera protetora
O uso de brasagem a vácuo de alumínio é limitado devido ao equipamento caro e à tecnologia complexa envolvida. Para resolver esse problema, uma atmosfera neutra pode substituir o vácuo. Isto reduz os requisitos para a taxa de vazamento do sistema e a complexidade do equipamento. Além disso, reduz problemas de manutenção de equipamentos causados pela deposição de elementos voláteis, resultando em menor custo de produção.
O aquecimento neste método é obtido principalmente por meio de corrente e é rápido e uniforme. Isto não só garante a qualidade do produto, mas também melhora a produtividade.
A brasagem de alumínio com proteção de gás neutro ganhou cada vez mais atenção e teve um rápido desenvolvimento nos últimos anos. É considerado um método promissor de brasagem de alumínio.
O mecanismo de remoção de película para brasagem com proteção a gás de ligas de alumínio é semelhante ao da brasagem a vácuo de alumínio e é realizado principalmente usando ativador de Mg. A qualidade da brasagem pode ser melhorada adicionando Bi ao metal de adição.
Argônio e nitrogênio puro, com pureza superior a 99,99%, são comumente usados como atmosfera para brasagem com proteção a gás de liga de alumínio.
Para juntas Al/Al e Al/Cu, foi relatado que um método de ligação eficaz é usar o princípio da brasagem por difusão. Um pó misto composto de fluxo de brasagem de fluoreto de alumínio e potássio é pulverizado sobre a superfície do alumínio em uma atmosfera de nitrogênio próxima à pressão atmosférica para brasagem. O Si pode ser substituído por outros metais eutéticos de baixo ponto de fusão, como Cu, Ge ou Zn, que se formam com Al.
3. Solda
Durante a brasagem, a ligação entre as soldagens é feita pela solidificação da solda derretida. Como resultado, a qualidade da solda depende em grande parte do metal de adição utilizado.
O principal metal de adição de alumínio é a liga Al Si, mas às vezes Cu, Zn, Ge e outros elementos são adicionados para melhorar o desempenho do processo.
Com anos de experiência e experimentação, diversas séries de metais de adição para brasagem de alumínio foram desenvolvidas, muitas das quais produziram resultados satisfatórios com os processos corretos.
A seguir, apresentaremos alguns dos metais de adição para brasagem de liga de alumínio mais comumente usados.
3.1 Solda Al Si
As soldas da série Al Si são baseadas na composição eutética Al Si e também incluem ligas hipoeutéticas, hipereutéticas e Al Si com no máximo 5% de elementos adicionados. Essas soldas são altamente soldadas, fortes, têm cor e brilho semelhantes ao metal base, oferecem revestimento e resistência à corrosão e são consideradas uma boa escolha para soldagem.
Além disso, esta série de soldas pode ser modificada, o que melhora significativamente sua resistência e desempenho de flexão em juntas de solda.
Recentemente, um novo tipo de metal de adição para brasagem de liga de Al Si foi desenvolvido usando tecnologia de solidificação rápida. Este metal de adição para brasagem tem um ponto de fase líquida mais baixo, em torno de 3-5°C, comparado aos metais de adição de brasagem cristalinos comuns com a mesma composição. Seu coeficiente de molhabilidade aumentou 18% e sua resistência aumentou 28,4%. Suas flutuações também são mínimas, proporcionando certo grau de flexibilidade de processamento.
3.2 Solda de cobre
A soldagem de cobre é realizada com base no princípio da brasagem reativa por contato. Atualmente, a brasagem reativa de contato de alumínio é considerada a solução ideal para problemas de brasagem de alumínio.
Este método oferece vários benefícios, incluindo:
① Não necessita de fluxo, tornando-o ecologicamente correto e evitando a contaminação dos produtos de brasagem. Não há necessidade de limpar os produtos soldados e não há corrosão química na costura de brasagem.
② A seleção da camada de liga reativa eutética apropriada pode diminuir a temperatura de brasagem, reduzindo o consumo de energia, tornando o processo de brasagem mais fácil de controlar e tendo baixos requisitos de equipamento.
A reação de contato do Cu no substrato de alumínio apresenta um notável espalhamento superficial preferencial, rompendo o filme de óxido e promovendo a formação de uma camada uniforme de enchimento de fase líquida entre as interfaces de junta no processo de brasagem reativa por contato. Por outro lado, o contorno de grão com reação de contato na direção da profundidade da matriz de alumínio penetra preferencialmente, garantindo a resistência de ligação da junta soldada.
Os dados mostram que os parâmetros de processo apropriados para a brasagem reativa por contato de alumínio com Cu como material intercalar são uma temperatura de brasagem de 570-580°C e um tempo de retenção de 15-20 minutos. No entanto, a resistência à corrosão eletroquímica das juntas soldadas com Cu é fraca e a camada de reação eutética é frágil.
Para melhorar o desempenho do Cu como metal de adição, outros elementos podem ser adicionados, como Ag, Ni, Si, Zn, Ti, etc. O metal de adição para brasagem reativa com ligas de alumínio inclui estes elementos.
3.3 Camada composta de cobre e zinco como metal de adição reativo
Para resolver as limitações do uso de Zn e Cu como metais de adição separadamente, uma camada composta de ambos pode ser utilizada. A brasagem por reação eutética de contato é realizada utilizando a camada composta de Cu e Zn.
Uma reação peritética ocorre na interface Cu/Zn, enquanto uma reação eutética ocorre na interface Cu/Al, formando uma fase líquida eutética que rompe o filme de óxido na superfície do alumínio.
Ao usar Cu e Zn como metal de adição reativo para brasagem de alumínio, o conteúdo apropriado de ambos os metais na camada composta é crucial. Foi sugerido que os melhores resultados de brasagem são alcançados quando a espessura da camada de Zn é de 0,2 mm e a espessura da camada de Cu é inferior a 0,1 mm.
Neste ponto, a camada de reação não apenas rompe o filme de óxido, mas também proporciona forte resistência à corrosão eletroquímica e alta resistência ao cisalhamento.
3.4 Solda Al Si Cu Zn
A faixa de temperatura do ponto da fase líquida da solda está entre 500-577°C. Quando Cu é adicionado à solda Al Si, sua fluidez é bastante melhorada.
No entanto, devido ao alto teor de composto intermetálico CuAl2, esta solda eutética ternária é muito frágil e só é adequada para moldagem em tiras, dificultando o processamento em forma de fio ou folha.
Adicionar Zn ao metal de adição Al Si aumenta sua molhabilidade e fluidez. À medida que a concentração de Zn aumenta, a solubilidade do Si diminui rapidamente. Como não há compostos no metal de adição, sua trabalhabilidade a quente é melhor comparada ao sistema Al Si Cu.
Solda da série 3.5 Al Cu Ag Zn
A faixa de temperatura da fase líquida da solda é de 400-500°C, que está próxima da faixa da solda de liga de alumínio. A composição eutética ternária Al Cu Ag confere ao metal de adição uma cor muito próxima do metal base Al.
Este metal de adição tem boa fluidez, mas é relativamente frágil. Outro sistema ternário é o metal de adição Al Cu Zn, que também possui cor próxima ao metal base e pode produzir peças melhor usinadas.
Adicionar 0,05% – 0,08% (em massa) de Mg, 0,05% de Ni ou 0,05% de Cr ao metal de adição pode melhorar sua resistência à corrosão.
Existem muitos outros metais de adição ideais para o alumínio, mas, em geral, a maioria dos metais de adição para brasagem de alumínio existentes tem um ponto de fusão próximo ao das ligas de alumínio.
Como resultado, é um desafio para a maioria dos trabalhadores de soldagem encontrar um metal de adição com ponto de fusão mais baixo e melhor desempenho tecnológico.
4. Fluxo para alumínio
O alumínio é relativamente ativo e sua superfície forma facilmente uma camada de óxido densa e quimicamente estável, que é um grande obstáculo na brasagem de alumínio e ligas de alumínio. Para obter juntas de alta qualidade, o óxido da superfície deve ser removido.
Na brasagem de alumínio e suas ligas, o uso de um fluxo de brasagem pode remover a película de óxido da superfície do alumínio e reduzir a tensão interfacial entre o metal de adição e o metal base.
O fluxo de brasagem para alumínio é dividido em fluxo de solda suave e fluxo de brasagem, sendo este último utilizado para temperaturas de brasagem superiores a 450°C e o primeiro para temperaturas inferiores a 450°C.
O fluxo de brasagem de alumínio Nocolok de rápido desenvolvimento é apresentado abaixo. O fluxo de brasagem de alumínio tradicional é principalmente um fluxo de brasagem com sal de cloro, geralmente baseado no sistema LiCl-KCl ou LiCl-KCl-NaCl. Este fluxo tem as vantagens de alta atividade, estabilidade durante o aquecimento e não perder facilmente sua eficácia. Pode ser usado com diversas fontes de aquecimento, o que o torna conveniente e barato.
No entanto, a desvantagem deste fluxo é que a presença de íons Cl provoca forte corrosão eletroquímica no metal base, tem forte absorção de umidade e é difícil de preservar.
Portanto, é fundamental a limpeza dos resíduos ao utilizar esse tipo de fluxo para brasagem.
No final da década de 1970, o desenvolvimento de um fluxo de brasagem não corrosivo e insolúvel estava em andamento. Este fluxo é sintetizado utilizando o eutético A-KF e sua solubilidade em água é mínima.
Evita a desvantagem do fluxo de cloreto, que absorve facilmente a umidade e tem pouquíssima corrosividade, daí o seu apelido de fluxo Nocolok.
4.1 Propriedades do fluxo
O fluxo Nocolok é um pó branco fino, composto principalmente de uma mistura de fluoaluminato de potássio que pode conter água cristalina.
O fluxo fundido dissolve os óxidos na superfície do alumínio e evita a reoxidação. Sob a influência do fluxo, o metal de adição penetra livremente na superfície da junta através da capilaridade.
Após o resfriamento, o fluxo forma uma película pastosa com forte adesão na superfície do componente. A camada residual do fluxo não é higroscópica, não corrosiva e insolúvel em solventes aquosos.
Embora a solubilidade do fluxo de fluoaluminato de potássio em água seja mínima, sua estabilidade térmica não é forte e ocorrerão reações químicas quando aquecido ao ar.
4.2 Melhoria e novos progressos do fluxo Nocolok
Nos últimos anos, muitos estudos concentraram-se na melhoria do método Nocolok de duas maneiras principais: adição de sais adicionais ao fluxo de fluoaluminato de potássio para aumentar a sua atividade e outras propriedades, e desenvolvimento de novos métodos de utilização do fluxo de fluoaluminato de potássio.
O Si pode aumentar a atividade do fluxo de fluoaluminato de potássio.
A forma ideal é adicioná-lo na forma de K2SiF6mas o valor do excesso de KF deve ser calculado.
Quando W (Si)> 2%, ele pode perfurar automaticamente.
Adicionando K2GeF6SnF2ZnF2etc. pode melhorar a atividade do fluxo, especialmente K2GeF6.
No aprimoramento do Nocolok, alguém misturou o pó do metal de adição com esse tipo de fluxo.
Outros consideram KAlF4 como método de brasagem em fase gasosa:
Uma é misturar diretamente KAlF4 vapor na atmosfera sem oxigênio de baixa pressão para brasagem de liga de alumínio;
A outra é depositar a vácuo uma camada de KA1F4 na parte externa das peças de alumínio e, em seguida, monte e solde novamente conforme necessário.
A solda composta formada pela deposição de uma camada de KAlF4 o fluxo na superfície do pó de solda eutética Al Si pode ser misturado à pasta de solda com solvente orgânico.
5. Conclusão
A brasagem de alumínio e ligas de alumínio tem sido extensivamente estudada e rapidamente desenvolvida nos últimos anos.
Estudiosos estrangeiros demonstraram a excepcional resistência de ligação da solda eutética Sn-Zn (8,9%) na brasagem de ligas de alumínio abaixo de 350°C, investigando a reação de interface entre a liga eutética Sn-Zn em fase líquida e o Al.
A brasagem por difusão do alumínio também tem recebido atenção considerável nos últimos anos.
Uma abordagem envolve a pulverização de um pó misto composto de Si e fluxo de fluoreto de alumínio e potássio na superfície do Al e a brasagem em um N2 atmosfera próxima da pressão atmosférica.
Entre os materiais utilizados, o Si pode ser substituído por Cu, Ge, Zn e outros metais que formam eutéticos de baixo ponto de fusão com o alumínio.
Este método pode ser utilizado para soldar juntas de Al/Al, Al/Cu, Cu/Cu e Cu/latão.
A brasagem por difusão também é usada para soldar peças fundidas de liga de Al-Si, resolvendo o problema de corrosão e baixa umectação de peças fundidas de liga de Al na solda fundida.
Ainda há muito progresso a ser feito na tecnologia de brasagem de alumínio e ligas de alumínio, e alguns avanços já foram aplicados à produção prática.
A aplicação da tecnologia de brasagem de alumínio e liga de alumínio concentra-se principalmente em radiadores de alumínio, materiais diferentes de alumínio-aço inoxidável, molduras de portas de micro-ondas em liga de alumínio e outros produtos.
Outra área de pesquisa e aplicação é a brasagem de fundos de panelas compostos de alumínio e aço inoxidável.
Embora a brasagem de alumínio e ligas de alumínio seja uma excelente tecnologia de união, ainda existem muitos desafios a serem enfrentados.
