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Brasagem

Características do processo

A brasagem é um processo de soldagem originado da solda forte. Solda forte, também conhecida por “brazing”, é a soldagem em que o metal de adição apresenta temperatura acima de 450°C, mas inferior à temperatura de fusão do metal de base. A solda forte dá origem à brasagem e à soldabrasagem ou solda brasada. Existe outro método de soldagem, conhecido como solda branda ou fraca, em que o metal de adição tem o ponto de fusão abaixo de 450°C.

Segundo definição da AWS-Associação Americana de Soldagem -a brasagem reúne um grupo de processos de união que liga metais pelo aquecimento adequado e pelo uso de um metal de adição com temperatura de fusão mais baixa do que a temperatura “solidus” do metal de base; o metal de adição preenche a junta por capilaridade. Neste tipo de união, o metal de base nunca se funde e é este fato que diferencia a brasagem de outros processos de soldagem por fusão.

capilaridade

A capilaridade ou ação capilar é a capacidade que um metal em estado líquido apresenta de preencher espaços existentes entre os grãos das peças a soldar. No processo de brasagem não é necessário trabalhar o perfil das peças, pois estas não se fundem. O que vai unir as peças é o metal de adição, este sim, fundido, que penetra pelos espaços existentes entre elas.

molhagem

A brasagem de qualidade vale-se da propriedade de molhagem do metal de adição sobre o material a ser brasado. A molhagem é a ação de espalhar o metal líquido sobre uma superfície sólida. Para que ocorra a molhagem entre uma superfície sólida e um líquido, é importante que exista alguma afinidade entre estes dois materiais e que as faces a serem unidas estejam perfeitamente limpas de graxa e óxidos. A limpeza pode ser feita por decapagem química ou mecânica.

metal de base

Em adição aos requisitos mecânicos do metal de base na junta brasada, o efeito do ciclo de brasagem sobre o metal de base e sobre a resistência final deve ser considerado. A resistência do metal de base tem um profundo efeito na resistência da junta brasada; deste modo, deve ser claramente considerada quando for feito o projeto, especialmente no caso de projetos específicos. Alguns metais de base são mais difíceis de brasar do que outros; por exemplo, quando o metal de base é níquel com alto teor de titânio e/ou alumínio, existem dificuldades para a brasagem por forno.

uma boa junta brasada considera quatro aspectos: projeto da junta, metal de adição, uniformidade de distribuição de calor e adequada proteção com fluxo ou atmosfera

O processo de brasagem se inicia pela limpeza prévia das partes a serem soldadas para remover contaminantes e óxidos e pela aplicação de um fluxo capaz de dissolver óxidos metálicos sólidos que ainda estejam presentes, de modo a prevenir nova oxidaçáo; em seguida, aquece-se a área a ser soldada até que o fluxo responsável pela proteção do metal de base atinja a temperatura de fusão e que o metal de adição também esteja na adequada temperatura de fusão.

Como a fluidez do material de adição é muito maior do que a do fluxo, o material de adição desloca o fluxo e o substitui na junta; após o resfriamento, o material de adição preenche a junta e o fluxo se distribui pela periferia da junta, protegendo-a ainda durante o resfriamento. Esse fluxo remanescente deve ser removido com água quente ou fria e escova, pois é quimicamente agressivo, podendo causar corrosão na área brasada.

Aplicação

A solda forte foi inicialmente desenvolvida para reparar peças trincadas ou quebradas. Quando se solda ferro fundido por fusão, o processo requer alto pré- aquecimento e baixa velocidade de resfriamento, para minimizar o aparecimento de trincas e a formação de cementita; a utilização da solda forte evita as trincas, de modo que poucos problemas com expansão e contração são encontrados.

Na maioria dos casos, a solda forte é feita pelo processo de soldagem oxicombustível, com uma liga de cobre em forma de vareta e um fluxo adequado; no entanto, é possível utilizar os processos TIG ou arco plasma, sem a necessidade da utilização de fluxos e sem fundir o metal de base.

A brasagem é utilizada na união de metais dissimilares, de peças de pequena espessura, de metais tratados termicamente e em uniões de metal com cerâmica. Abrange um campo vasto que vai desde a indústria elétrica e eletrônica atéa indústria automobilística e de aviação.

A soldabrasagem é empregada na soldagem de tubos, varões, barras e componentes fundidos e forjados, quando se desejam resultados com pequenas deformações. É geralmente utilizada para unirferrofundido e aços, mas pode também ser empregada para unir cobre, níquel e sua ligas. Outros metais podem ser unidos por soldabrasagem com um adequado metal de adição, além de metais dissimilares.

A solda branda é utilizada principalmente nas indústrias elétrica e eletrônica, na soldagem de circuitos impressos, de componentes e em ligações de terminais elétricos.

vantagens

A solda forte apresenta algumas vantagens, em relação aos processos de soldagem por fusão; requer menor calor, o que acarreta maior rapidez para realizar o união, embora produza pequenas distorções; o metal de adição apresenta baixa tensão residual e sua ductilidade permite usinagem; as soldas têm resistência adequada para muitas aplicações; o equipamento empregado é simples e de fácil utilização; metais frágeis, como ferro fundido cinzento, podem ser unidos sem alto pré-aquecimento.

desvantagens

As desvantagens da solda forte são a resistência de solda, que é limitada à resistência do metal de adição; a temperatura de serviço, que é limitada ao ponto de fusão do metal de adição, como acontece com as ligas de cobre, limitadas à temperatura de serviço de 260°C; e a possibilidade de a solda forte provocar corrosão galvânica na junta.

Processos de brasagem

      A brasagem admite alguns processos que são relacionados às fontes de calor necessárias à soldagem. Os processos são: brasagem por maçarico, por forno, por indução, por resistência, por imersão e por infravermelho.

brasagem por maçarico

A brasagem por maçarico utiliza o calor de um ou mais maçaricos. Dependendo da temperatura, o gás utilizado como combustível pode seracetileno, propano, ou outros, enquanto que o gás comburente pode ser ar comprimido ou oxigênio. O ar comprimido tem a vantagem de ser mais barato, mas fornece chama de menor temperatura; o oxigênio, apesar de ser mais caro, fornece maior temperatura para a chama.

Projetos especiais de maçaricos podem ter múltiplos bicos, com a vantagem de aumentar a área aquecida. Cuidados devem ser tomados para evitar um super-aquecimento localizado; por essa razão, deve-se movimentar constantemente o maçarico sobre a peça.

O maçarico manual é particularmente útil para peças de secções e massas desiguais. Operações mecanizadas podem ser feitas onde há alta produção, sendo possível utilizar um ou mais maçaricos com um ou múltiplos bicos. Nas operações mecanizadas, é possível movimentar a peça ou o maçarico ou, ainda, ambos.

A temperatura para a brasagem é limitada ao metal de adição. O metal de adição pode ser colocado antes do aquecimento da junta ou pode ser adicionado durante o aquecimento. O calor éaplicado na junta, fundindo primeiro o fluxo e depois o metal de adição. O metal de adição se apresenta de diversas formas: em anéis, arruelas, fitas, varetas, pós, pastas, e pode ser alimentado manualmente, por meio de uma vareta.

brasagem por forno

A brasagem por forno utiliza fornos a gás, a óleo ou elétricos; é muito utilizada em algumas situações: quando as peças a serem brasadas podem ser pré-montadas em sua posiçáo correta; quando o metal de adição é colocado previamente na junta; no caso de várias juntas serem formadas simultaneamente para completar o conjunto; quando formas complexas são aquecidas uniformemente para prevenir distorções e no caso de haver grande número de peças ou conjuntos pequenos.

A brasagem por forno exige o uso de u ma atmosfera adequada para proteger as peças contra oxidação. A principal vantagem da brasagem por forno sobre os outros processos de brasagem é que é possível usar uma variedade de atmosferas de proteção, tais como atmosfera exotérmica, endotérmica ou de nitrogênio, que pode ser líquido.

Em razão de a atmosfera protetora ter a capacidade de reduzir alguns óxidos como o óxido de ferro, não há a necessidade da utilização de fluxos. Outra vantagem da brasagem por forno é a possibilidade de brasar grandes quantidades de peças, reduzindo o preço unitário. A brasagem por forno é mais eficiente e econômica quando se trata de grandes quantidades de peças.

Uma das limitações da brasagem por forno é a alta temperatura requerida para brasar alguns materiais, como por exemplo aços, principalmente quando o metal de adição é o cobre. O custo do forno e do gerador de atmosfera é alto se comparado com os equipamentos utilizado nos outros processos; por isso, a compra de um forno para produzir pequenos lotes deve ser bem

planejada, pois outro processo pode ser mais econômico.

Outra limitação é a atmosfera de proteção, que contém componentes tóxicos e gases combustíveis capazes de provocar incêndios e explosões.

sequencia de operações básicas no forno

A brasagem por forno requer quatro operações básicas: limpeza, montagem e fixação, brasagem e resfriamento.

A limpeza geralmente é limitada à remoção de óleos utilizados na operação de usinagem. Os métodos preferidos para a limpeza são os produtos alcalinos ou solventes. Deve-se tomar o cuidado de sempre remover os produtos alcalinos antes de executar a brasagem.

Na montagem e fixação, os componentes para a brasagem por forno são geralmente projetados para evitar a necessidade de dispositivos de fixação; no entanto, é possível, ocasionalmente, utilizar dispositivos.

Na brasagem, as peças são colocadas na câmara do forno onde são aquecidas sob uma atmosfera adequada. Quando as peças atingem a temperatura de fusão do metal de adição, este molha e flui sobre a superfície, penetrando na junta por ação capilar.

Após o tempo de brasagem, as peças são transportadas para a câmara de resfriamento, onde são resfriadas sob atmosfera protetora.

tipos de forno

Os fornos para brasagem são classificados em quatro grupos: forno intermitente, em que as peças são carregadas e descarregadas manualmente; forno contínuo, que apresenta transporte automático das peças; forno retorta, em que as peças são colocadas em uma retorta, aquecida no forno depois que o ar contido nela é purgado com uma atmosfera protetora e resfriada a vácuo após o tempo de brasagem; e forno a vácuo, que permite dois tipos de brasagem: alto vácuo e baixo vácuo. Alto vácuo é adequado para brasagem de metais que tenham óxidos de difícil remoção, como níquel e superligas; baixo vácuo é indicado quando o metal de base ou metal de adição são voláteis na temperatura de brasagem.

Quando comparada com outros processos, a brasagem a vácuo apresenta as seguintes vantagens: o vácuo remove essencialmente todos os gases da área de brasagem, o que elimina a necessidade de purga; um sistema a vácuo pode ser usado a 10″5 Torr, contendo até a quantidade aproximada de 0,000001% de gases residuais.

brasagem por indução

O calor para a brasagem por indução é obtido por uma corrente elétrica alternada induzida nas peças a serem brasadas. As peças são colocadas dentro de uma espira refrigerada a água que passa uma corrente alternada ou próximo a ela. As peças não fazem parte do circuito elétrico. O equipamento é composto por uma fonte de energia elétrica e uma bobina, refrigerada a água.

brasagem por resistência

O calor necessário para a brasagem por resistência é obtido pela circulação de uma corrente elétrica através de eletrodos e da peça a ser brasada. O metal de adição, em alguns casos com formatos especiais, é colocado previamente na junta a ser brasada ou pode ser adicionado durante a brasagem. O equipamento pode ser o mesmo utilizado na soldagem por resistência ou por eletrodo de carvão.

brasagem por imersão

A brasagem por imersão pode ser feita segundo dois métodos: brasagem em banho de metal fundido e brasagem por imersão com banho químico.

O banho de metal fundido é normalmente limitado à brasagem de pequenos conjuntos. Um cadinho de dimensões adequadas, geralmente feito de grafite, é aquecido externamente até a temperatura necessária para manter o metal de adição no estado liquido. O método de aquecimento deve ser tal que a temperatura do banho não fique abaixo da temperatura de brasagem quando as peças forem introduzidas. Uma cobertura de fluxo é mantida sobre o banho. As peças devem estar limpas e protegidas por um fluxo antes de serem introduzidas no banho e devem estar presas, firmes e seguras. Quando retiradas do banho, é importante deixar o metal de adição se solidificar completamente.

antes da imersão no banho, as peças devem ser limpas, montadas, e preferencialmente seguras por dispositivos

O banho químico fundido requer um contêiner metálico ou cerâmico para o fluxo e um método de aquecimento para elevar a temperatura do fluxo até a temperatura de brasagem. O aquecimento pode ser externo, aplicado com um maçarico, ou interno, com uma resistência elétrica. Um terceiro método, por indução, também pode ser usado para aquecimento externo do fluxo. Para manter o fluxo dentro da faixa de temperatura são necessários controles. As dimensões do banho devem ser de tal forma que a imersão das peças para brasar não esfrie o fluxo abaixo da temperatura de brasagem.

brasagem por infravermelho

A brasagem por infravermelho pode ser considerada uma forma de brasagem por forno, em que o calor é gerado por radiação invisível de alta intensidade por meio de lâmpadas de quartzo capazes de provocar uma energia radiante de até 5 000 watts. Para concentrar a radiação no localda brasagem usam-serefletores.Ocaloréinversamente proporcional ao quadrado da distância da fonte.

No caso de brasagem a vácuo ou com utilização de gás inerte, as peças montadas e as lâmpadas são colocadas em uma redoma ou retorta que pode ser evacuada ou purgada com gás inerte; as peças são então aquecidas e a temperatura controlada durante todo o processo.

Soldabrasagem

A soldabrasagem ou soldabrasada utiliza um metal de adição com temperatura acima de 450°C mas abaixo do ponto de fusão do metal de base; o metal de adição não se distribui por capilaridade, mas é adicionado na junta por meio de vareta ou por arco elétrico; o metal de base não se funde, somente o metal de adição. O projeto de juntas e o equipamento para a soldabrasagem são os mesmos utilizados na soldagem oxicombustível.

aplicação

A soldabrasagem foi inicialmente desenvolvida para reparar peças trincadas ou quebradas. A soldagem por fusão do ferro fundido requer alto pré-aquecimento e baixa velocidade de resfriamento para minimizar o aparecimento de trincas e a formação de cementita. Os metais de base que mais utilizam a soldabrasada são aço, ferro fundido e cobre.

A soldabrasagem é, na maioria das vezes, feita pelo processo de soldagem oxicombustível, com liga de cobre em forma de vareta e fluxo adequado; também pode ser feita utilizando os processos TIG ou plasma, sem a necessidade da utilização de fluxos e sem fundir o metal de base.

vantagens

A soldabrasagem tem algumas vantagens em relação aos processos de soldagem por fusão. Menor calor é necessário para realizar o união, o que permite rapidez no processo e redução de pequenas distorções. O metal de adição apresenta baixa tensão residual e é geralmente dúctil, o que permite ser usinado. As soldas têm resistência adequada a muitasaplicações. O equipamento utilizado é simples e de fácil utilização. Metais frágeis como ferro fundido cinzento podem ser unidos sem pré- aquecimento alto.

desvantagens

Algumas desvantagens da soldabrasagem são: a resistência da solda é limitada à resistência do metal de adição; a temperatura de serviço é limitada ao ponto de fusão do metal de adição, como por exemplo as ligas de cobre, que são limitadas à temperatura de serviço de 260°C; a soldabrasada pode provocar corrosão galvânica na junta.

Solda branda

Solda branda, também conhecida por solda fraca, mole ou “soldering”, é considerada um tipo de brasagem que utiliza metal de adição com ponto de fusão abaixo de 450°C. A solda branda é utilizada principalmente nas indústrias elétrica e eletrônica, na soldagem de circuitos impressos, de componentes e em ligações de terminais elétricos.

O metal de adição utilizado na solda branda é constituído basicamente pela liga estanho-chumbo, à qual podem ser adicionados vários elementos químicos, de modo a formar ligas diferentes, adequadas a cada aplicação. Ferro e níquel geralmente não estão presentes nas ligas para solda branda; seu limite máximo está especificado em 0,02%, pois há uma considerável redução da propriedade de molhamento quando tal limite é ultrapassado.

a liga estanho-chumbo será sempre indicada pelo primeiro número; por exemplo, a liga 45/65 contém 45% de estanho e 65% de chumbo

impurezas

A liga estanho-chumbo pode sofrer contaminação por impurezas durante a fabricação ou durante o uso. O limite máximo de impurezas geralmente é limitado por normas, como por exemplo a norma ASTM B32. As impurezas podem reduziras propriedades de molhamento, aumentar a taxa de oxidação, mudar o ponto de fusão, afetar a resistência da junta e aumentar a tendência a trincas.

As principais impurezas que podem ocorrer são as provocadas por alumínio, antimônio, arsênio, bismuto, cádmio, cobre, ferro, níquel, fósforo, enxofre e zinco.

Tanto o alumínio quanto o óxido de alumínio aumentam a oxidação da solda; o teor máximo permitido é de 0,005%.

Adiciona-se antimônio para prevenir os efeitos da contaminação do alumínio e regular a transformação beta para alfa, a qual provoca fragilização sob baixas temperaturas. O antimônio também reduz a propriedade de molhamento e a fluidez da solda; o limite máximo de antimônio é 0,5%.

A contaminação por arsênio provoca uma aparência granulada ou arenosa. O arsênio deve ser controlado devido a sua elevada toxicidez; o teor máximo permitido é de 0,05%.

O bismuto aumenta o tamanho de grão da estrutura da solda, provocando uma melhor molhagem pela maior taxa de espalhamento, mas diminui a resistência mecânica da solda.

O cádmio aumenta a tensão superficial da liga e pode causar danos à saúde.

A quantidade de cobre presente nas ligas, sem causar problemas, depende da aplicação.

Fósforo e enxofre devem ser mantidos no valor mínimo possível para evitar problemas como oxidação.

O zinco afeta a propriedade de molhamento e de tensão superficial das ligas e também causa danos à saúde. O limite máximo geralmente está especificado em 0,005%.

Consumíveis

A brasagem pode ser executada com ou sem o uso de fluxo, dependendo da liga de adição e do metal de base. No caso de brasagem sem fluxo, utilizam-se ligas autofluxantes; a soldagem sem fluxo é possível desde que se use proteção gasosa ou vácuo. A brasagem a vácuo geralmente é usada para aplicações em metais cujos óxidos são estáveis, como: alumínio, titânio e aços inoxidáveis.

As ligas autofluxantes mais comuns são as ligas de cobre-fósforo (CuP) e cobre-fósforo-prata (CuPAg), conhecidas como foscoper ou silfoscoper, usadas sobre cobre puro; nestas ligas, o fósforo tem a função de fluxo, desoxidante e metal de base Cu. Estas ligas não são recomendadas para ligas ferrosas, pois formam compostos frágeis Fe2P e Fe3P.

Aços carbono e cobre podem ser brasados sem fluxo através do uso de atmosferas protetoras, uma vez que tanto o aço com baixo teor de carbono quanto o cobre podem ter seus óxidos superficiais facilmente reduzidos por atmosferas contendo hidrogênio ou CO, na temperatura aproximada de 800°C.

Para garantir uma solda de boa qualidade é necessária a utilização de um fluxo adequado, capaz de efetuar a limpeza química das peças a serem brasadas, proteger o metal liquido e as superfícies limpas durante o processo de aquecimento.

fluxos para solda branda

Os fluxos para solda branda podem estarem estado sólido, liquido ou gasoso. Um método funcional de classificação dos fluxos é baseado na propriedade de remover metal oxidado; assim, os fluxos se classificam em três grupos: fluxos inorgânicos ou mais ativos, fluxos orgânicos ou de moderada atividade e fluxos resinosos.

fluxos inorgânicos para solda branda

Os fluxos inorgânicos incluem os ácidos inorgânicos e os sais; são utilizados com excelentes vantagens onde as condições exigem uma rápida e alta ação do fluxo e podem ser aplicados como soluções, pasta ou sais secos.

Os constituintes típicos dos fluxos inorgânicos são: cloreto de zinco, cloreto de amônia, cloreto de estanho, ácido clorídrico, ácido fosfórico e outros cloretos.

Os fluxos ativos são particularmente úteis em aplicações onde a quantidade certa de fluxo pode ser usada e onde uma quantidade de calor possa ser utilizada para decompor totalmente os elementos corrosivos.

fluxos orgânicos para solda branda

Os fluxos orgânicos são menos ativos do que os inorgânicos; são eficientes na temperatura de 90 a 320°C e se compõem de ácidos orgânicos e bases. São ativos na temperatura de brasagem mas este período de atividade é muito curto por causa de sua decomposição térmica e da tendência de volatizar, carbonizar ou queimar quando aquecido a certa temperatura. Se utilizados corretamente, os resíduos são relativamene inertes e podem ser removidos com água.

Os constituintes típicos dos fluxos orgânicos são: ácido abiético, etiletilena diamina, ácido oléico e ácido octodecanóico.

fluxos resinosos para solda branda

Os fluxos resinosos apresentam propriedades físicas e químicas que os tornam adequados para uso na indústria elétrica. São ativos na temperatura entre 117°C e 316°C; seu resíduo é duro, não higroscópico, possui alta resistência elétrica e não é corrosivo.

Os fluxos podem ser aplicados de quatro maneiras: o metal de adição aquecido pode ser mergulhado no fluxo e transferido à junta durante a soldabrasagem; o fluxo pode ser colocado na junta antes de se executar a soldabrasada; o metal de adição pode ser revestido com fluxo; o fluxo pode ser introduzido através da chama oxigás.

Os metais de adição comercialmente utilizados contêm aproximadamente 60% de cobre e 40% de zinco. Ligas com pequena quantidade de estanho, ferro, manganês e silício melhoram as características de fluidez, diminuem a volatilização do zinco, eliminam o oxigênio e aumentam a resistência e a dureza. Metal de adição com 10% de níquel tem uma coloração branca e maior resistência na solda, como é o caso da alpaca.

Numa junta brasada, o metal de adição deverá atender às exigências de temperatura do projeto. Uma orientação sobre a escolha do metal de adição em função do metal de base e do tipo de solda pode ser encontrada em quadros.

Projetos de juntas

Muitas variáveis devem ser consideradas nos projetos de juntas. Do ponto de vista mecânico, o projeto de uma junta brasada não é diferente de um projeto de qualquer outra peça. Recomendam-se normas quando há concentração de cargas, tensões, esforços estáticos e mecânicos, que se aplicam à usinagem ou a outros processos de fabricação.

O projeto de uma junta brasada tem requisitos específicos: a composição química do metal de base e do metal de adição, que pode ser similar ou dissimilar; o tipo de junta, que deve ser adequado ao produto final; e os serviços requeridos, que abrangem desempenhos mecânicos, condutividade elétrica, pressões, resistência à corrosão e temperatura de serviço.

tipos de juntas

Muitos fatores influenciam a seleção do tipo de junta a ser utilizada. Esses fatores incluem o processo de brasagem a ser utilizado, técnicas de fabricação antes da brasagem, número de itens a serem brasados, método de aplicação do metal de adição e os requisitos de serviços da junta.

Existem basicamente dois tipos de juntas que são utilizadas nas operações de brasagem: junta sobreposta e junta de topo.

abertura entre as peças

A abertura entre as peças é a distância entre as superfícies da junta a ser brasada. A distância entre membros similares é facilmente garantida em conjuntos em que as peças são submetidas a pressão ou ajustamento a quente. Em algumas peças, é necessário o uso de fios espaçadores, calços, marcação com punção, para garantir a abertura própria para um ótimo fluxo no interior da junta. Além disso, a abertura entre as peças brasadas deve levar em consideração as condições locais, isto é, temperatura ambiente e temperatura de brasagem.

Quando se utilizam materiais similares de massas aproximadamente iguais, a abertura antes da brasagem em temperatura ambiente é uma boa referência; no entanto, em materiais dissimilares, em que um deles tem maior expansão térmica, pode haver uma tendência a aumentar ou diminuirá abertura, dependendo da posição e da configuração do metal de base. A abertura também influencia a resistência ao cisalhamento.

Aabertura entre as peças tem uma grande influência no desempenho mecânico da junta brasada. Essa influência se aplica a todos os tipos de carga, incluindo estática, fadiga, impacto. É aplicada a todos os projetos de juntas.

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