Brasagem de alumínio em fornos a vácuo

Neste artigo apresentamos uma introdução sobre os aspectos gerais da brasagem de alumínio. Uma breve descrição de dois dos três processos mais utilizados também é discutida: a brasagem em um forno com atmosfera inerte com fluxo (é necessária uma purga por meio de vácuo, no início do ciclo) e a brasagem em forno a vácuo, sem fluxo

O mundo da brasagem de alumínio utiliza diferentes processos que podem ser divididos em duas grandes famílias: com fluxo e sem fluxo (Tabela 1). Os fluxos que são utilizados para a brasagem de alumínio são misturas muito corrosivas que requerem efluentes bastante pesados e caros para serem processados.

Pontos Gerais da Brasagem de Alumínio

Princípio Básico

Assim como em todos os outros processos de brasagem, a brasagem do alumínio permite a montagem de componentes, que consistam de uma liga de “base” por meio de uma liga de solda, cujo ponto de fusão é inferior à do material de base. É inserido o material de adição metálico entre os elementos a serem soldados na forma de uma tira ou rolo de colagem no material de base.

O metal de adição da brasagem funde em temperaturas entre 580 e 620°C, mas o metal base não funde. O metal de adição fundido se espalha e preenche as fendas entre os elementos a serem soldados. O metal de adição solidifica durante o período de resfriamento e forma a junta soldada entre as superfícies das diferentes peças de trabalho a serem unidas.

Problemas na Brasagem de Alumínio

O alumínio é um material altamente oxidável. Desenvolve-se uma camada de oxidação muito estável sobre a superfície – o óxido de alumínio (Al2O3). Os metais de adição não molham esta camada oxidada. Assim, é necessário suprimir essa camada antes da soldagem e evitar que voltem a se formar antes do final da fusão e da solidificação do metal de adição.

A supressão da camada de óxido de alumínio pode ser conseguida in situ, geralmente, por uma ação química (fluxo corrosivo, ataque ácido ou básico, utilização de magnésio). Uma preparação externa preliminar também pode ser obtida por meio de uma ação mecânica (lixamento).

De forma contrária à soldagem convencional, as faixas de fusão dos metais de base e do material de adição são muito próximas. Algumas ligas não podem sequer serem brasadas. Além disso, o método de brasagem deve tornar possível a verificação da temperatura de brasagem com muita precisão e garantir uma distribuição térmica homogênea dentro da carga e sobre as peças.

Todas as ligas de alumínio podem ser brasadas?

A temperatura solidus das ligas de alumínio determina se elas podem ou não podem ser brasadas. Esta temperatura solidus deve ser maior do que a temperatura mínima de brasagem do metal de adição utilizado. Em geral, a temperatura solidus tem de ser maior do que 600°C. É por isso que muitos tipos de alumínio fundido (solidus em cerca de 570°C) não podem ser brasados.

O teor de magnésio da liga a ser brasada também deve ser levado em conta. Para teores de magnésio acima de 2%, o óxido gerado na superfície das peças torna-se muito estável. Neste caso, a soldagem por brasagem deve ser evitada.

As seguintes ligas podem ser brasadas:

1.Ligas não endurecíveis (não tratáveis termicamente):

• Série 1xxx (99% Al): 1050, 1100, 1200, 1350

• Série 3xxx (Al-Mn): 3003, 3004, 3105, 3005

• Série 5xxx (Al-Mg): para um nível baixo de magnésio: 5005, 5050, 5052

No entanto, estes materiais, cujas propriedades mecânicas são obtidas por meio de trabalho a frio e recozimento, perderão parte destas propriedades durante a operação de brasagem, e isto será irreversível.

2. Ligas endurecíveis (chamadas de endurecíveis por precipitação):

• Série 6xxx (Al-Si-Mg) – 6053, 6060, 6063, 6101, 6951, 6061 – algumas precauções devem ser tomadas para certas ligas devido à baixa temperatura de solidificação.

• Por outro lado, as séries 2xxx (Al-Cu) e 7xxx (Al-Zn-Mg) estão entre as ligas endurecíveis por precipitação que não podem ser brasadas, pois seu ponto de fusão é muito baixo. As ligas 7004 (604-646°C), 7005 (607-646°C) e 7072 (646-657°C) podem ser brasadas sob condições particulares.

• As ligas endurecíveis por precipitação oferecem a vantagem de que podem ser processadas termicamente após a operação de brasagem, de forma a reestabelecer as propriedades mecânicas que foram alteradas durante a operação de brasagem. Quando as ligas a serem brasadas não sofrem qualquer processamento térmico prévio, a operação de brasagem também é uma oportunidade para que ocorra o endurecimento por precipitação.

Em todos os casos, a brasagem é seguida por um resfriamento rápido e sofre, então, um envelhecimento natural ou artificial.

Ligas dos Metais de Adição

As ligas dos metais de adição pertencem à série 4000. Elas têm a característica de um baixo ponto de fusão e um intervalo limitado de solidificação. Suas composições são próximas às do eutético Al-Si (aproximadamente 12% Si).

As ligas utilizadas com mais frequência são mostradas na Tabela 2.

A alta quantidade de magnésio das ligas 4004 e 4014 facilita a redução da camada de óxido pelo seu efeito desgaseificador, mas reduz a molhabilidade da superfície. Estas classes são utilizadas principalmente na brasagem sob vácuo sem fluxantes.

Processos de Brasagem de Alumínio a Vácuo e/ou com Gás Inerte

Uma alternativa às desvantagens associadas com os procedimentos que utilizam fluxantes é fornecida por outros dois processos. Um processo utiliza um fluxo não-corrosivo em uma atmosfera protetora e o outro utiliza a brasagem a vácuo com evaporação do magnésio.

As vantagens da brasagem em um forno são encontradas na sua velocidade de execução, na possibilidade de brasar diversas peças ao mesmo tempo, na baixa quantidade de fluxo necessária, bem como na possibilidade de processamento das peças próximas à sua forma.

Brasagem com Fluxo Não-Corrosivo em uma Atmosfera Inerte

A prática mais comum, incluindo o processo Nocolok®, utiliza um fluxo não-corrosivo, fluoroaluminato de potássio, com fórmula geral principal de K1-3AlF4-6, na forma de KAlF4 e menos na forma de K2AlF5. Este produto vem na forma de um pó branco depositado como uma camada fina na montagem a ser brasada. Ele somente é ativo com o alumínio na forma líquida e não interage com o substrato em temperatura ambiente.

A faixa de fusão do fluxo é de 565 a 572°C. Além disso, ele funde antes do metal de adição e molha toda a superfície. Sua função é dissolver a camada de óxido e permitir um preenchimento por ação capilar por meio de trincas entre as superfícies para formar a junta soldada. Após o período de resfriamento, o fluxo permanece altamente adesivo na forma de uma fina camada.

A brasagem necessita de uma atmosfera que seja isenta de qualquer tipo de oxidante, oxigênio e especialmente água. É mandatório evitar que a camada de óxido se forme novamente e a utilização de ácido hidrofluorídrico, o qual é corrosivo para a montagem brasada. O equipamento e as condições para o ciclo de brasagem precisam fazer com que seja garantida a conformidade da atmosfera. Nós geralmente consideramos que a atmosfera precisa alcançar pelo menos as seguintes condições:

• Gás neutro (nitrogênio puro)

• Teor de oxigênio < 100 ppm

• Umidade < -40°C

Os mecanismos para este processo de brasagem são compostos por quatro fases sucessivas.

• 1ª fase: Início a 400°C, a camada de óxido de alumínio se quebra sob o efeito da expansão diferencial entre o óxido de alumínio e o metal base.

• 2ª fase: Para temperaturas abaixo de 565°C, o metal base, o fluxo e o metal de adição somente existem na forma sólida.

• 3ª fase: Para temperaturas entre 565 e 572°C, entramos na zona de fusão do fluxo. O metal base e o metal de adição permanecem sólidos. O fluxo líquido terá o efeito de quebrar a camada de óxido de alumínio que está presente na superfície das peças. A camada de óxido se torna fragmentada graças à reação de redução do óxido de alumínio com o fluxo liquefeito.

• 4ª fase: Para temperaturas entre 577 e 600°C, o metal de adição se funde. Isto causa a criação da junta brasada juntamente ao fluxo fundido.

Princípio da Convecção de Nitrogênio na Carga do Forno

A carga do forno permite a brasagem de muitos produtos, chamada de batelada. Os fornos adaptados pertencem à série BA4x. Para garantir as condições atmosféricas necessárias para a brasagem na câmara é feita uma purga com vácuo.

O ciclo se inicia primeiramente com a purga, com o vácuo que evacua o ar ambiente presente na câmara. Uma vez que o nível de vácuo necessário é atingido, o nitrogênio preenche o compartimento. Os resistores aquecem o exterior da câmara enquanto a turbina fornece a convecção que garanta a transferência de calor para a carga e a homogeneidade térmica no volume útil.Uma vez que a brasagem ocorre, a câmara é resfriada por circulação de ar entre a câmara e o material isolante com o auxílio de um ventilador. O interior da câmara e a carga recebem um resfriamento acelerado por um módulo externo, incluindo uma turbina e um trocador de ar.

É possível o descarregamento da máquina quente e muitas vezes ele é aplicado com o objetivo de ganhar tempo, se o ambiente de trabalho permitir isto com garantias de segurança para o operador.

Vácuo

A brasagem a vácuo ocorre sob uma pressão entre 10-4 e 10-6 mbar. A eficiência do processo é baseada na ação do magnésio, o qual pode estar contido na liga de soldagem ou vir de uma fonte separada.

O magnésio tem afinidade maior com o oxigênio do que elementos como o alumínio e, desta forma, tem um efeito “desgaseificador” na atmosfera do forno. Na pressão de operação, o magnésio sublima sob o efeito da temperatura. Esta sublimação produz vapores que, consequentemente, eliminam ou reduzem consideravelmente qualquer traço de oxigênio e água que sempre permanecem no forno de brasagem mesmo sob alto vácuo.

A presença dos vapores de magnésio também ajudam a quebrar o filme de óxido que sempre está presente no alumínio pela redução do óxido de alumínio. O magnésio, por meio do seu contato, também tem o efeito de diminuir a temperatura eutética do metal de adição (Al-Si).

Assim como no caso da brasagem com fluxo, a camada de óxido de alumínio se quebra sob o efeito da expansão diferencial entre o óxido de alumínio e o metal base acima de 400°C. O alumínio é bastante reativo com o oxigênio. Se qualquer pequeno traço de oxigênio permanecer no forno, o óxido se formará novamente. Isto fará com que não ocorra um molhamento adequado da superfície do metal a ser brasado. Reduzindo a espessura da camada de óxido que será (re)formada, o magnésio contribui de forma eficiente para o processo de molhamento, para o fluxo da brasagem e para a qualidade da junta.

Um ciclo se inicia com a purga da atmosfera com um nível de pressão na faixa de 10-6 mbar. Uma vez que o vácuo desejado for atingido, o processo de aquecimento se inicia sob vácuo, graças às seis zonas de aquecimento por radiação. O magnésio é então vaporizado na câmara de aquecimento dando o efeito de “desgaseificação. O oxigênio remanescente, bem como outros dessorventes, são capturados pelo magnésio conforme a temperatura aumenta. Ao mesmo tempo, o magnésio reduz a camada de óxido de alumínio que está presente. Uma vez que o estágio de brasagem, +/- 3°C, seja alcançado, o metal de adição se liquefaz e forma a junta brasada. Um sub-resfriamento sob vácuo ocorre logo abaixo da temperatura solidus. Se segue, então, um resfriamento rápido com gás inerte, resultando no retorno a temperatura ambiente.

Conclusão

Há diversas vantagens na brasagem sob vácuo: as peças estão limpas após deixarem o forno; não há risco de corrosão e não há risco da presença do fluxo na junta brasada; é fácil fazer a brasagem de peças pequenas e grandes que tenham formas complicadas e mesmo que já estejam na forma final.

A brasagem em uma carga de forno com convecção de nitrogênio torna possível fazer a brasagem de diversas montagens de alumínio com fluxo simultaneamente. A purga inicial com vácuo permite que a atmosfera do forno seja condicionada quase que instantaneamente. Não leva tempo para ser iniciada ou para mudar uma corrida da produção.

As características dos fornos de brasagem, temperatura, nível de vácuo ou umidade e teor de oxigênio são registrados. Os arquivos garantem uma rastreabilidade das condições de brasagem para cada lote.

Brasagem de uma carga de trocadores de calor em um forno a vácuo com gás inerte

A escolha dos parâmetros que definem o ciclo de brasagem representa o know-how de todo brasador.

Como é o caso para qualquer brasagem, a temperatura de encharque e os parâmetros de tempo são essenciais. Mais especificamente, deve-se notar que é encontrado um balanço entre o tamanho da montagem e a espessura do elemento mais fino. É necessário que se atinja uma certa temperatura que garanta a brasagem completa do dispositivo. Entretanto, o tempo é levado em consideração a partir do início da fusão da brasagem. O silício, o qual está presente em grande concentração no metal de adição, migrará da fase líquida para o metal base. Este enriquecimento local com silício será importante, especialmente para peças finas. Isto causará uma diminuição da temperatura de fusão. Um tempo de encharque muito longo se transforma em uma fusão localizada dos elementos mais finos da montagem.

No nosso caso, os seguintes parâmetros devem ser considerados:

• Mais de 5 minutos com a temperatura = 577°C;

• Máximo de 1 a 8 minutos com a temperatura = 585°C;

• Máxima temperatura de 600°C.

Os resultados foram determinados com base em uma carga industrial que consiste de 28 trocadores de calor na sua montagem. A carga completa foi submetida a um teste de vazamento por unidade. Além disso, alguns dispositivos foram enviados para estudos metalográficos e ensaios destrutivos.

As inspeções efetuadas nas montagens brasadas foram convincentes, tanto quanto à impermeabilidade quanto à estrutura. Não foram observados vazamentos. As montagens não apresentaram qualquer traço de oxidação intergranular ou de fusão excessiva em certas zonas.

 

Para mais informações: Nicolas Weiss, gerente de marketing, BMI Fours Industriels, membro do Tenova Group, 65, rue du Ruisseau / BP 736 38297 Saint Quentin Fallavier, França; tel: +33(0)47494-3444; e-mail: nicolas.weiss@tenova.com; web: www.bmi-fours.com.

 

Marc Devienne
Marc Devienne
BMI Fours Industriels; Saint Quentin Fallavier, França

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