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1 B ra sa ge m Brasagem •Fundamentos •Equipamentos •Consumíveis •Técnica operatória •Aplicações Industriais B ra sa ge m Fundamentos O termo brasagem abrange um grupo de processos de união que produz a coalescência dos metais pelo aquecimento a uma temperatura adequada e pelo uso de metal de adição que tem um ponto de fusão abaixo da temperatura “solidus” do metal de base. Na brasagem, diferentemente da soldagem, o metal de base nunca é levado à fusão. Se o ponto de fusão do metal de adição é superior a 450oC o processo é dito “brasagem forte” (“brazing”) e, em caso contrário, é dito “brasagem fraca” (“soldering”). 2 B ra sa ge m Fundamentos Na brasagem o metal de adição preenche a junta por ação capilar. Assim, para realização de uma junta brasada com boa qualidade, é necessário que haja um perfeito molhamento das faces a serem unidas pelo metal de adição fundido Para isto, é imprescindível que as superfícies do metal de base estejam completamente isentas de óxidos, graxas, etc. A limpeza normalmente é feita por meios químicos ou mecânicos. Durante o aquecimento os metais precisam ser protegidos por um fluxo ou uma atmosfera adequada. B ra sa ge m Fundamentos Os fluxos usados se fundem a temperaturas inferiores à temperatura de fusão do metal de adição e atuam sobre as superfícies a serem unidas e áreas próximas, dissolvendo as camadas de óxido eventualmente formadas após a limpeza, permitindo assim que o metal de adição possa fluir livremente sobre as superfícies a serem unidas e aderir ao metal da base. 3 B ra sa ge m Fundamentos A brasagem pode ser feita em atmosfera ativa, inerte ou sob vácuo. O uso de atmosferas protetoras elimina a necessidade de limpeza após a operação, para eliminar da junta os materiais corrosivos dos fluxos. As juntas brasadas são preenchidas por capilaridade e para isto é necessário um controle rígido da distância de separação entre as peças. Se o espaçamento entre elas for muito pequeno, o preenchimento da junta é muito lento e pode ser apenas parcial. B ra sa ge m Fundamentos Espaçamentos exagerados também podem levar a tempos de preenchimento muito longos e à formação de bolhas de gás ou de inclusões de fluxo e óxidos. A ligação entre metal de adição e metal de base se dá por difusão, com a formação de ligas intermetálicas na interface entre estes materiais. 4 B ra sa ge m Fundamentos Os processos de brasagem podem ser classificados de acordo com os métodos de aquecimento usados. Em termos industriais, os mais importantes são a brasagem por chama, em forno, por indução, por resistência, por imersão e por infra-vermelho. B ra sa ge m Fundamentos Na brasagem por chama, o aquecimento é feito por uma ou mais tochas. Dependendo da temperatura e da quantidade de calor requeridos, o gás combustível pode ser o acetileno, propano, gás de rua, etc. O metal de adição pode ser colocado previamente na junta ou alimentado manualmente, como na soldagem a gás. Para este processo, o uso de fluxo é essencial. 5 B ra sa ge m Fundamentos A brasagem em forno é muito usada quando o metal de adição pode ser colocado previamente na junta. Este processo é aplicável geralmente em produção em série e em grande escala. A proteção é feita por fluxo, por atmosfera controlada ou a vácuo. B ra sa ge m Fundamentos Na brasagem por indução, o calor é obtido por uma corrente induzida nas peças a unir. Estas peças são colocadas no interior de uma bobina, na qual circula uma corrente alternada. É necessário um cuidadoso projeto da junta e da bobina para se garantir que as superfícies a serem brasadas atinjam ao mesmo tempo a temperatura de trabalho. O metal de adição é normalmente colocado com antecedência na junta e a proteção é feita por fluxo. 6 B ra sa ge m Fundamentos Na brasagem por resistência, o calor é obtido por efeito Joule. O metal de adição também é colocado previamente na junta e a proteção é feita por fluxo ou atmosfera adequada. A brasagem por imersão pode ser feita de em banho químico ou em metal fundido. No processo com imersão em banho químico, o metal de adição é colocado previamente na junta e o conjunto é imerso em um banho de sal fundido, aquecido por resistência elétrica. B ra sa ge m Fundamentos A proteção pode ser feita pelo próprio banho ou pelo uso de fluxo. Na brasagem por imersão em metal fundido, as partes a serem unidas são imersas em um banho fundido do metal de adição, contido em um recipiente adequado. A brasagem por infravermelho é um processo que utiliza o calor emitido por fontes de radiação infravermelha, em geral lâmpadas. 7 B ra sa ge m Fundamentos Um processo de união que se assemelha à brasagem é a solda-brasagem (“braze welding”), que difere da primeira pelo desenho da junta e pela forma de deposição do metal de adição, que são semelhantes ao que ocorre na soldagem. A temperatura de fusão do metal de adição é superior a 450oC. A solda- brasagem pode ser realizada com chama, em forno e a arco. Quando o aquecimento é a arco pode-se utilizar os processos GTAW e GMAW. B ra sa ge m Fundamentos Um processo de solda-brasagem que tem sido muito usado recentemente é o “MIG-Brazing”. Este processo reúne características da brasagem e da soldagem MIG (GMAW). Nele o arco elétrico é utilizado como fonte de calor. A transferência de metal pode ser do tipo spray, curto circuito ou pulsada. Como o aporte térmico é relativamente baixo e os efeitos térmicos são mínimos, o processo tem sido largamente utilizado na união de chapas galvanizadas, em vários ramos industriais, em situações em que é fundamental preservar as características da camada de zinco. 8 B ra sa ge m Equipamentos O equipamento usado para brasagem varia, dependendo do método de aquecimento utilizado. B ra sa ge m Equipamentos Para a brasagem em forno são usados fornos a gás, a óleo ou elétricos, sendo este último o tipo preferido. Os fornos devem permitir um bom controle de temperatura e ter uma distribuição homogênea de calor em seu interior. Os fornos podem ainda ser contínuos ou intermitentes e terem atmosfera controlada ou operarem com vácuo. 9 B ra sa ge m Equipamentos O equipamento para brasagem por indução consiste de uma fonte de energia elétrica e de uma bobina de indução. A corrente elétrica empregada é alternada, com freqüência entre 60 e 450.000Hz. As freqüências mais usadas são 10kHz, obtida de um motor-gerador e entre 350 e 450kHz, obtidas em geradores de faísca. A bobina é geralmente refrigerada a água e deve ter uma forma que permita envolver as peças a serem brasadas. B ra sa ge m Equipamentos Existem dois tipos de equipamento para brasagem por resistência. O primeiro se assemelha ao equipamento usado na soldagem por resistência e suas características dependem da dimensão, forma e material das peças a brasar. A proteção pode ser feita por fluxo ou atmosfera controlada. O segundo utiliza eletrodos de carvão, algumas vêzes chamado de brasagem a arco. O aquecimento é obtido pela passagem de uma corrente elétrica pelo eletrodo de carvão e pelas peças. 10 B ra sa ge m Equipamentos A brasagem por imersão em metal fundido normalmente é feita para peças pequenas. O metal fundido fica em um cadinho aquecido, que tem um tamanho adequado. O método de aquecimento deve garantir que o banho líquido e as peças fiquem a uma temperatura superior à temperatura de brasagem. Na brasagem por imersão em banho químico o aquecimento pode ser feito por resistência elétrica ou por umatocha. B ra sa ge m Equipamentos Na brasagem por infravermelho são usadas lâmpadas de quartzo de alta intensidade. Estas lâmpadas são capazes de liberar até 5.000W de energia radiante. Normalmente são empregados refletores para a concentração da radiação sobre a região a ser brasada. A solda-brasagem é feita com equipamentos similares aos usados na soldagem a gás. Em alguns casos é necessário o uso de pré- aquecimento. Para MIG-Brazing, os equipa- mentos são semelhantes aos utilizados no processo de soldagem MIG (GMAW) convencional. 11 B ra sa ge m Equipamentos A brasagem fraca pode ser feita com os mesmos tipos de equipamento usados na brasagem forte. Entretanto, o equipamento mais simples e de uso mais corrente é o “ferro de solda”, geralmente de cobre, com aquecimento por resistência elétrica ou por chama. B ra sa ge m Consumíveis A escolha de um metal de adição para uma determinada operação de brasagem é crítica para se obter uma junta com características adequadas a uma dada aplicação. Esta escolha é feita em função do metal de base, do método de aquecimento, do desenho da junta e da proteção. Além disso, o metal de adição deve ter uma temperatura de fusão adequada, boa molhabilidade, boa fluidez e propriedades mecânicas compatíveis com a aplicação. 12 B ra sa ge m Consumíveis Uma característica importante das ligas para brasagem é o seu intervalo de fusão. Metais puros e ligas eutéticas possuem temperaturas de fusão bem definidas. Já as demais ligas apresentam intervalos de fusão, isto é, as fases líquida e sólida coexistem numa determinada faixa de temperatura. A linha “solidus” é definida pelas mais altas temperaturas em que a liga é completamente sólida e a linha “liquidus” é definida pelas mais baixas temperaturas em que a liga é completamente líquida. No intervalo de temperaturas entre estas duas linhas, o líquido e o sólido coexistem. B ra sa ge m Consumíveis 13 B ra sa ge m Consumíveis De modo geral, se utilizam ligas de curto intervalo de fusão para juntas curtas e ligas de amplo intervalo para juntas longas. Em juntas horizontais, a distância percorrida pelo material de adição durante a brasagem pode ser estimada por: x é a distância brasada num tempo t, D é o espaçamento entre as peças, T é a tensão superficial do líquido e µ é a viscosidade do metal líquido. 2/1) 3 ( µtTDx = B ra sa ge m Consumíveis A temperatura não aparece explicitamente na equação, mas influencia fortemente a viscosidade do líquido. Nota-se ainda que não há limite teórico para o comprimento da junta horizontal; o processo continua indefinidamente enquanto houver metal líquido de adição suficiente e a temperatura das peças for mantida elevada. Para juntas verticais, por outro lado, existe um limite máximo para o comprimento da junta. 14 B ra sa ge m Consumíveis B ra sa ge m Consumíveis T é a tensão superficial, R é a densidade do metal líquido, g é a aceleração da gravidade e D é o espaçamento entre as peças. Este limite é atingido quando a pressão da coluna de líquido se iguala à pressão de Laplace, que é a força motriz do processo de capilaridade. gD R Tymáx 2. = 15 B ra sa ge m Consumíveis Outras considerações a serem feitas na escolha do metal de adição para brasagem são as possibilidades de interação entre metal de adição e metal de base, como formação de compostos, difusão e solubilização. Estas dependem fortemente do ciclo térmico de brasagem. Os metais de adição para brasagem são classificados pela norma AWS A 5.8 (Specification for Filler Metals for Brazing). B ra sa ge m Consumíveis Os metais de adição a base de Ag são usados para a união de muitos metais ferrosos e não ferrosos, exceto Al e Mg. Podem ser empregados com todos os métodos de aquecimento. Os metais a base de Ni são usados devido à sua boa resistência à corrosão e ao fato de que podem trabalhar a temperaturas até 980oC, em regime contínuo e são geralmente empregados em aços inoxidáveis das séries 300 e 400, ligas de Ni e Co. Também podem ser usados na brasagem de aços-carbono, aços baixa-liga e cobre. 16 B ra sa ge m Consumíveis Ligas de Co são usadas para serviço a alta temperatura em metais de base também a base de Co. Atmosferas protetoras de alta qualidade são necessárias. As ligas a base de Al-Si são adequadas à brasagem em forno e por imersão e, em certos casos, por chama. Au e suas ligas são usados para a brasagem de Fe, Ni e Co, quando a resistência à oxidação é necessária ou em aplicações em que componentes voláteis são indesejáveis. B ra sa ge m Consumíveis As ligas de Cu e Cu-Zn são usadas na união de materiais ferrosos e não-ferrosos, em juntas sobrepostas ou de topo, com os diferentes métodos de aquecimento. A resistência à corrosão destas ligas é geralmente inadequada para juntas de Cu, bronze-silício, ligas de Ni e aços inoxidáveis. CU puro é usado com metais ferrosos, níquel e ligas Cu-P são usadas principalmente com o Cu e suas ligas. Sua resistência à corrosão é satisfatória, exceto em atmosferas sulfurosas em temperaturas elevadas. Elas podem ser usadas com todos os métodos de aquecimento. 17 B ra sa ge m Consumíveis Metais de adição a base de Mg são adequados para brasagem por chama, em forno ou por imersão de ligas de magnésio, resultando em juntas com boa resistência a corrosão. Podem ainda ser usadas com outros materiais. B ra sa ge m Consumíveis BAlSiAl e ligas BMg(a)Mg e ligas BAg, BAu, BCuP, RBCuZn (a)(a)Cobre e ligas BAg, BAu, BCu, BNi, RBCuZn BAg, BAu, RBCuZn (a)BAlSi Aço carbono e baixa liga BAg, BNi, RBCuZn BAg, RBCuZn BAg, BAu, RBCuZn (a)(a)Ferro fundido BAg, BAu, BCu, Bni BAg, BAu, BCu, BNi BAg, BAu, BCu, BNi BAg, BAu(a)BAlSi Aço inoxidável BAg, BAu, BCu, BNi BAg, BAu, BCu, BNi BAg, BCu, RBCuZn BAg, BAu, BCu, BNi, RBCuZn BAg, BAu, RBCuZn (a)(a)Níquel e ligas BAg, BAu, BCu, BNi, RBCuZn BAg, BAu, BCu, BNi, RBCuZn BAg, BAu, RCu, BNi BAg, BAu, RBCuZn, BNi BAg, BAu, BCu, BNi, RBCuZn BAg, BAu, RBCuZn, BNi (a)(a)Aço ferramenta Aço ferramenta Níquel e ligas Aço inoxidável Ferro fundido Aço carbono e baixa liga Cobre e ligas Magnésio e ligas Alumínio e ligas Metal base (a) Não recomendado mas técnicas especiais podem ser utilizadas em alguns casos. 18 B ra sa ge m Consumíveis A brasagem é um processo atrativo na montagem de conjuntos em metais refratários, em particular, para seções finas. Os metais de adição usados para metais refratários têm temperatura de fusão na faixa de 650 a 2095oC. Metais de adição como AgCuZn, CuP e Cu são usados para brasagem de tungstênio, em aplicações onde é necessário um bom contato elétrico. Metais de adição a base de Ta e Nb são usados para aplicações em que a temperatura de serviço é elevada. B ra sa ge m Consumíveis Uma boa variedade de metais de adição está disponível para a brasagem de molibdênio, com intervalo de fusão na mesma faixa dos usados para tungstênio. Outros materiais de adição são também disponíveis para união de nióbio e tântalo. 19 B ra sa ge m Consumíveis Os metais de adição para soldabrasagem são, geralmente, a base de Cu e Zn. A junta solda- brasada pode estar sujeita à corrosão galvânica em certos ambientes e o metal de adição pode ser menos resistente que o metal de base em certas soluções químicas. Os metais de adição para brasagemfraca são dos tipos Sn-Zn, Sn-Pb, Sn-Ag, Sn-Sb, Sn-I, Zn-Al e Cd-Ag. B ra sa ge m Consumíveis A interação dos metais com o ambiente depende do metal e das condições ambientes, particularmente da temperatura, podendo ocorrer a formação de óxidos e nitretos, que são prejudiciais ao processo de brasagem e ao desempenho da junta. Os fluxos de brasagem precisam permanecer em contato com a área a ser brasada para impedir a formação de óxidos e facilitar a remoção de camadas já existentes. 20 B ra sa ge m Consumíveis A viscosidade do fluxo na temperatura de operação é uma característica importante para que o metal de adição consiga expulsar o fluxo da junta, preenchendo-a. Outra propriedade importante é a tensão superficial do fluxo, que também afeta a molhabilidade do metal de base e o deslocamento do metal de adição dentro da junta. B ra sa ge m Consumíveis De modo geral, os constituintes de fluxos para brasagem são cloretos, fluoretos, fluoboratos, boratos, bórax, ácido bórico, agentes umectantes e água. A maioria dos fluxos usados é uma combinação de alguns destes constituintes, misturados numa proporção adequada para produzir bons resultados numa dada situação. Na maioria dos trabalhos, o fluxo é aplicado na peça sob a forma de uma pasta, embora em algumas aplicações um fluxo volátil pode ser introduzido com o gás da chama. 21 B ra sa ge m Consumíveis Não existe um único fluxo aplicável a todas as situações. Os fluxos são classificados pela AWS em grupos, dependendo do seu desempenho em um certo tipo de metal de base, numa determinada faixa de temperatura. Alguns metais de adição são autofluxantes em certas ligas. Por exemplo, o Cu3P do cobre- fósforo age como fluxo quando usado em cobre e suas ligas. Entretanto, como este efeito fluxante ocorre apenas quando o metal de adição está líquido, pode ocorrer a oxidação das peças durante o aquecimento e resfriamento da junta brasada. B ra sa ge m Consumíveis Pasta595-870BAg e BCuPAlumínio-BronzeFB4 Pó, pasta e líquido565-1205 BAg, BCuP, BCu, BNi, BAu, RBCuZn Aço carbono e aço inoxidável FB3 Pó480-620BMgLigas de MgFB2 Pó540-615BAlSiLigas de AlFB1 Forma de fornecimento Faixa de temperatura recomendada (oC) Metal de adição recomendado Metal de base Classe AWS 22 B ra sa ge m Consumíveis Atmosferas controladas também podem ser usadas para prevenir a formação de óxidos. Esta técnica é usada principalmente na brasagem em forno, mas pode também ser empregada na brasagem por indução ou por resistência. Diversas combinações de gases, fluxos sólidos ou líquidos e vácuo podem ser usadas. B ra sa ge m Consumíveis Devido a sua utilização na união de chapas galvanizadas, os metais de adição indicados para o MIG-Brazing são arames de bronze, ligas Cu-Si e ligas Al-Bronze. O gás de proteção mais utilizado é o argônio, mas na brasagem com arames de liga Cu-Si poderão ser utilizadas misturas empobrecidas de oxigênio e gás carbônico. Este último contribui para um arco mais estável. No MIG-Brazing não se utilizam fluxos. 23 B ra sa ge m Técnica Operatória Para se produzir uma junta brasada com qualidade aceitável, além das técnicas normais de limpeza, brasagem propriamente dita e limpeza final, o projeto da junta é fundamental. A seleção do tipo de junta e de seus detalhes para uma dada aplicação depende da composição do metal de base, do metal de adição, das condições de serviço, do processo de brasagem, da quantidade de peças, do método de aplicação do metal de adição e do fluxo a ser usado, entre outros. B ra sa ge m Técnica Operatória Apenas dois tipos de junta são usados em brasagem: juntas sobrepostas e juntas de topo. Algumas variações destes dois tipos podem ser empregadas, para aumentar a área da junta. Deve-se lembrar que juntas sobrepostas são usadas preferencialmente, sempre que possível, para melhorar a resistência. 24 B ra sa ge m Técnica Operatória B ra sa ge m Técnica Operatória O espaçamento entre as peças pode ter grande influência sobre as características mecânicas da junta, independentemente do tipo de solicitação e do desenho desta. A variação da resistência ao cisalhamento de uma junta de aço de baixo carbono brasada com BAg-1 e a variação da resistência à tração com o espaçamento entre as peças, nas mesmas condições, é mostrada de modo esquemático a seguir. 25 B ra sa ge m Técnica Operatória B ra sa ge m Técnica Operatória 26 B ra sa ge m Técnica Operatória Espaçamentos recomendados à temperatura de brasagem. 0,15 – 0,61 0,03 – 0,12 0,05 – 0,12 0,05 – 0,12 0,00 – 0,05 0,05 – 0,12 0,10 – 0,25 0,05 – 0,12 BAlSi BCuP BAg BAu BCu RBCuZn BMg BNi Espaçamento da junta (mm) Metal de adição B ra sa ge m Técnica Operatória O espaçamento entre as peças pode variar em função da temperatura considerada. Em metais similares, de massas aproximadamente iguais, o espaçamento medido à temperatura ambiente é aproximadamente igual ao espaçamento na temperatura de brasagem. Entretanto, na brasagem de metais dissimilares, com diferentes coeficientes de expansão térmica (ou diferentes massas), este espaçamento pode variar bastante na temperatura de brasagem, em relação ao espaçamento à temperatura ambiente. 27 B ra sa ge m Técnica Operatória Após uma limpeza adequada da superfície a ser brasada, faz-se a aplicação do fluxo. Fluxos na forma de pasta ou líquidos são aplicados diretamente sobre a junta. Fluxos em pó são borrifados sobre a junta ou colocados no metal de adição, na forma de revestimento deste. Em geral isto é feito pelo aquecimento e mergulho da vareta em um recipiente contendo o fluxo. B ra sa ge m Técnica Operatória As peças devem ser imediatamente posicionadas após a aplicação do fluxo, antes que este tenha tempo de “secar”. O método mais econômico de se fazer isto é pela ação de seu próprio peso. Muitas vezes, o uso de posicionadores é necessário para manter um alinhamento e um espaçamento adequados. Os posicionadores devem ser colocados o mais longe possível da região a ser brasada e devem ter a menor área de contato possível com as peças, a fim de minimizar as perdas de calor por condução. 28 B ra sa ge m Técnica Operatória Na brasagem por chama, os posicionadores devem permitir o acesso da tocha e a alimentação do metal de adição. Na brasagem em forno, os fixadores não devem possuir constituintes voláteis, para não interferir com a atmosfera protetora, se for o caso. Na brasagem por indução, os fixadores são cerâmicos, para evitar a introdução de materiais estranhos no campo de indução da bobina. B ra sa ge m Técnica Operatória Independentemente do processo de brasagem, o fluxo deve ser removido da junta após a operação, em geral por água quente. Em alguns casos é necessário o uso de agentes químicos para isto. Áreas oxidadas durante o processo podem ser recondicionadas por meios químicos ou mecânicos. 29 B ra sa ge m Aplicações A brasagem forte, fraca e a soldabrasagem têm hoje uma grande faixa de aplicações industriais, sendo as principais: junção de metais dissimilares, união de peças de pequena espessura, que poderiam se deformar excessivamente se fossem soldadas, união de materiais tratados termicamente, para evitar perda do tratamento, união metal-cerâmica, etc. O MIG-Brazing tem sua grande aplicação a união de chapas galvanizadas e mais recentemente chapas finas de aço inoxidável.
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