Cobre,titânio, e as ligas de titânio são materiais metálicos estruturais amplamente utilizados no setor industrial. Ambos os materiais possuem excelentes propriedades mecânicas e resistência à corrosão, e sua aplicação em estruturas compostas envolvendo materiais diferentes,-como em equipamentos-de última geração, equipamentos de processamento químico e fabricação de precisão-continua a crescer. No entanto, o cobre e o titânio diferem significativamente em termos de estrutura cristalina, ponto de fusão, condutividade térmica, coeficiente de expansão linear e propriedades químicas. Eles constituem uma combinação típica de metais diferentes que são difíceis de soldar, e o processo de soldagem é altamente sujeito a defeitos como porosidade, rachaduras e declínio nas propriedades mecânicas. Este artigo analisa sistematicamente os desafios envolvidos na soldagem de materiais diferentes de cobre{7}}titânio e fornece uma explicação detalhada dos principais pontos operacionais e padrões de parâmetros para processos de soldagem convencionais e maduros.
I. Principais desafios na soldagem de metais diferentes de cobre-titânio
O cobre e o titânio são metais com propriedades físicas e químicas muito diferentes. O processo metalúrgico de soldagem é complexo e sua compatibilidade é extremamente pobre, levando a uma alta incidência de defeitos, que se manifestam principalmente como três problemas principais: porosidade, trincas de solda e degradação das propriedades da junta.
1. Rachaduras intergranulares induzidas por eutéticos de baixo-ponto de fusão-: elementos de impureza no cobre, como bismuto, chumbo, enxofre e oxigênio, formam várias fases eutéticas de baixo-ponto de fusão-com o cobre, incluindo o cobre-bismuto eutético a 270 graus, o cobre-chumbo eutético a 326 graus e o óxido de cobre-cobre (I) eutético a 1067 graus. Essas estruturas de baixo ponto de-fusão-são distribuídas nos limites dos grãos e são altamente propensas a causar trincas quebradiças intergranulares durante o processo de resfriamento da soldagem.
2. Fragilização por fragilização por hidrogênio no lado do titânio: depois de absorver hidrogênio em altas temperaturas, o titânio forma uma estrutura frágil, em flocos-como hidreto de titânio, resultando em fragilização severa por hidrogênio. Isto reduz significativamente a tenacidade da junta no lado do titânio e induz defeitos de fissuração.
3. Fissuração por concentração de tensão térmica: Os coeficientes de expansão linear do cobre e do titânio diferem em mais de um fator de dois. Durante o aquecimento e o resfriamento rápido da solda, os dois metais básicos se contraem e se deformam em taxas diferentes, gerando tensões residuais de soldagem significativas dentro da junta, o que acaba levando à trinca na solda e na zona-afetada pelo calor.
II. Processos de soldagem convencionais e maduros para ligas de cobre e titânio
Para enfrentar o desafio dos defeitos de soldagem em materiais diferentes de cobre-titânio, a indústria realizou extensos testes de processo e verificou que a soldagem por difusão a vácuo, a soldagem TIG, a soldagem a arco de plasma, a brasagem e a soldagem por feixe de elétrons podem alcançar soldas estáveis, produzindo juntas com excelentes propriedades mecânicas e defeitos controláveis. Entre estes, a soldagem por difusão a vácuo e a soldagem TIG são os principais processos mais utilizados em aplicações industriais.
(1) Soldagem por difusão a vácuo (processo preferido para alta precisão) A soldagem por difusão a vácuo não envolve nenhum processo metalúrgico de fusão e oferece as vantagens de juntas-livres de oxidação, acabamentos esteticamente agradáveis, defeitos mínimos e desempenho estável. É o processo preferido para soldagem de componentes diferentes de cobre{3}}titânio de precisão e é adequado para a produção de peças-de precisão de alta qualidade.
1. Pré-soldagem Pré-tratamento do material base - Tratamento de cobre (cobre puro T2): Limpe completamente a superfície de óleo e impurezas usando tricloroetileno; gravar em solução de ácido sulfúrico a 10% por 1 minuto; enxaguar abundantemente com água destilada; em seguida, execute o recozimento. Controle a temperatura de recozimento entre 820 graus e 830 graus e mantenha por 10 minutos para eliminar tensões internas no material de base. - Tratamento de titânio (titânio puro GR2): Após desengorduramento e limpeza com tricloroetileno, o material é submetido a gravação vibratória por 4 minutos em uma solução aquosa de ácido fluorídrico a 2% e ácido nítrico a 50% para remover completamente a camada de óxido superficial. Por fim, ele é enxaguado sequencialmente com água e álcool, depois-seco ao ar e reservado para uso.
2. Parâmetros do processo de soldagem do núcleo: Monte com precisão os materiais de base pré-tratados de cobre e titânio e coloque-os em um forno de soldagem a vácuo para processamento. Parâmetros de processo padrão: temperatura de soldagem de 810 graus ± 10 graus, pressão de soldagem de 5–10 MPa, tempo de retenção sob pressão de 10 minutos e nível de vácuo mantido de forma estável entre 1,3332 × 10⁻⁸ e 1,3332 × 10⁻⁹ MPa. O processo pode ser otimizado de forma flexível; o nióbio pode ser adicionado como uma camada intermediária de difusão para suprimir ainda mais a formação de compostos intermetálicos frágeis e melhorar o desempenho da junta. Quando não existem requisitos especiais de desempenho, a soldagem direta também é possível, seguida de limpeza fina da superfície da junta após a soldagem.
(II) Soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) (Processo de alta eficiência-para fins industriais gerais-) A soldagem TIG é fácil de operar e altamente adaptável, tornando-a adequada para a produção em lote de componentes compostos de cobre-de tamanho médio- a grande-de cobre{4}}titânio. Ao otimizar os consumíveis e os processos, os defeitos de soldagem podem ser efetivamente evitados. Eletrodos de cério-tungstênio são a escolha preferida para soldagem; em comparação com eletrodos de tungstênio tradicionais, eles oferecem iniciação de arco estável e entrada de calor concentrada, o que não apenas melhora a qualidade da formação do cordão de solda, mas também oferece a vantagem de ser ecologicamente correto e não{8}}tóxico. Para soldagem diferente de liga de cobre-cromo QCr0,5 e liga de titânio TC2, a solução{13}}padrão do setor é usar nióbio como camada tampão de transição para evitar reação direta entre cobre e titânio. Combinado com proteção de gás argônio com 99,8% de alta-pureza, isso suprime efetivamente a oxidação, a porosidade e a formação de microestruturas frágeis, produzindo juntas soldadas de alta-qualidade que atendem aos requisitos de resistência mecânica e à corrosão.
Devido às diferenças significativas em suas propriedades físicas e químicas, a soldagem de ligas diferentes de cobre e titânio apresenta três grandes desafios técnicos: alta incidência de porosidade, sensibilidade a trincas e fragilização das juntas. Os principais problemas estão na absorção de gases em altas-temperaturas, na formação de eutéticos de baixo-ponto de fusão-, na precipitação de compostos intermetálicos frágeis e na concentração de tensões de soldagem. Na produção industrial real, a soldagem por difusão a vácuo é o método preferido para componentes de alta-precisão para garantir a estabilidade da junta e a precisão da formação; para componentes industriais convencionais, a soldagem TIG com processos otimizados pode ser selecionada para equilibrar a eficiência da produção e a qualidade da solda. Por meio do pré-tratamento padronizado do metal base, do controle preciso dos parâmetros de soldagem e da seleção apropriada dos materiais da camada de transição, os defeitos na soldagem diferente de cobre{7}}titânio podem ser resolvidos de forma eficaz, permitindo a aplicação composta desses dois materiais de alto-desempenho e aproveitando totalmente suas vantagens estruturais e funcionais.
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