La brasatura del rame e dell'acciaio è un processo comune di giunzione di metalli diversi ampiamente utilizzato nel condizionamento e nella refrigerazione, nell'HVAC, nei componenti automobilistici, nelle apparecchiature elettriche, negli scambiatori di calore, nelle parti di valvole e negli assemblaggi di tubazioni industriali. Poiché il rame e l'acciaio presentano differenze significative in termini di conduttività termica, punto di fusione, coefficiente di dilatazione termica e comportamento all'ossidazione superficiale, è molto importante selezionare il giusto metallo d'apporto, il fondente e il metodo di riscaldamento.
Se la scelta del materiale non è appropriata, potrebbero verificarsi problemi quali scarsa bagnabilità del metallo d'apporto, giunti deboli, fessurazioni, perdite, resistenza insufficiente dei giunti o ridotta resistenza alla corrosione. Questo articolo spiega come scegliere i materiali adatti per la brasatura del rame-all'-acciaio in base agli aspetti relativi alle caratteristiche del metallo di base, alla selezione del metallo d'apporto, alla selezione del flusso, al controllo del processo e alle applicazioni tipiche.
1. Perché la brasatura da rame-a-acciaio è speciale?
Il rame e l'acciaio sono metalli tipicamente dissimili. Il rame ha una conduttività termica molto elevata, quindi il calore si diffonde rapidamente durante il riscaldamento. L'acciaio ha una conduttività termica relativamente inferiore, quindi il calore è più concentrato. Quando questi due materiali vengono riscaldati insieme, può facilmente verificarsi una distribuzione non uniforme della temperatura.
Inoltre, il rame e l'acciaio hanno coefficienti di dilatazione termica diversi, che possono causare stress termico durante il raffreddamento. Se la progettazione del giunto non è corretta o il metallo d'apporto non è adatto, potrebbero verificarsi crepe o resistenza del giunto instabile.
Sia le superfici in rame che quelle in acciaio possono anche formare strati di ossido. Gli ossidi di rame influiscono sul flusso del metallo d'apporto, mentre gli strati di ossido sull'acciaio riducono significativamente le prestazioni di bagnatura. Pertanto, la pulizia della superficie e la selezione del flusso sono particolarmente importanti nella brasatura del rame-all'acciaio-.
2. Metalli d'apporto comuni per la brasatura del rame-all'-acciaio
I metalli d'apporto comuni per la brasatura del rame-all'-acciaio includono principalmente metalli d'apporto a base di argento-, metalli d'apporto a base di rame-, metalli d'apporto di ottone e alcuni metalli d'apporto per usi speciali-. Tra questi, i metalli d'apporto a base di argento- sono i più utilizzati e offrono prestazioni complessive migliori.
Metalli d'apporto a base di argento-
I metalli d'apporto a base di argento- sono una delle scelte più comuni e stabili per la brasatura di rame e acciaio. Hanno buona fluidità, prestazioni di bagnatura e resistenza dei giunti, che li rendono adatti per unire il rame con acciaio al carbonio, acciaio inossidabile, ottone e altri materiali.
I vantaggi dei metalli d'apporto a base di argento- includono:
Buone prestazioni di bagnatura
Buona scorrevolezza
Resistenza articolare relativamente elevata
Adatto per giunzioni di metalli diversi
Temperatura di brasatura relativamente bassa
Impatto termico ridotto
Per i giunti da rame-a-acciaio che richiedono prestazioni di tenuta, resistenza e affidabilità, i metalli d'apporto a base di argento-sono solitamente la scelta preferita. Sono comunemente utilizzati in condotte di refrigerazione, raccordi per tubi in pressione, collegamenti di valvole, connettori elettrici e assemblaggi di precisione.
Tuttavia, i metalli d'apporto a base di argento- sono relativamente costosi. La selezione dovrebbe considerare il valore del prodotto, i requisiti di qualità e il costo di produzione.
Metalli d'apporto Rame-Fosforo
I metalli d'apporto rame-fosforo sono molto comuni nelle giunzioni da rame-a-rame, ma non sono adatti per la brasatura diretta da rame-a-acciaio. Questo perché il fosforo nel metallo d'apporto rame-fosforo può reagire con il ferro nell'acciaio, formando composti fragili che rendono fragile il giunto e ne riducono la resistenza.
Perciò:
I metalli d'apporto rame-fosforo sono adatti per la brasatura da rame-a-rame, ma non sono consigliati per la brasatura da rame-a-acciaio.
Se il prodotto prevede connessioni da tubo in rame a parti in acciaio, da parti in rame ad acciaio al carbonio o da parti in rame a parti in acciaio inossidabile, i metalli d'apporto in rame-fosforo comunemente utilizzati nella brasatura dei tubi in rame non devono essere applicati direttamente.
Metalli d'apporto in ottone
I metalli d'apporto in ottone possono essere utilizzati anche per alcune connessioni da rame-ad-acciaio. Il loro costo è solitamente inferiore a quello dei metalli d'apporto a base di argento-, ma la temperatura di brasatura è più elevata e richiede un migliore controllo del riscaldamento e dell'ossidazione.
I metalli d'apporto in ottone hanno le seguenti caratteristiche:
Costo relativamente più basso
Buona forza articolare
Temperatura di brasatura più elevata
Requisiti di flusso più elevati
Maggiore rischio di ossidazione durante tempi di riscaldamento lunghi
I metalli d'apporto in ottone sono adatti per alcune parti strutturali, connettori meccanici o prodotti-sensibili ai costi. Tuttavia, se il prodotto ha requisiti elevati in termini di prestazioni di tenuta, aspetto, impatto termico o stabilità dimensionale, i metalli d'apporto a base di argento- sono generalmente più adatti.
Metalli d'apporto a base di nichel-
I metalli d'apporto a base di nichel-vengono utilizzati principalmente per condizioni di lavoro-alte-temperature, resistenti alla corrosione-o speciali. Vengono spesso utilizzati per unire acciaio inossidabile e leghe ad alta temperatura-, ma sono meno comuni nelle normali connessioni di tubazioni in rame-ad-acciaio.
Se il prodotto deve funzionare a lungo in condizioni di temperatura elevata, ambienti corrosivi o condizioni industriali speciali, è possibile prendere in considerazione metalli d'apporto a base di nichel- in base all'applicazione effettiva. Tuttavia, questo tipo di metallo d'apporto presenta requisiti di processo più elevati e solitamente richiede ambienti di riscaldamento e controllo del processo più severi.
3. Come scegliere il giusto metallo d'apporto a base di argento-
Per la brasatura di rame-su-acciaio, se sono richieste buone prestazioni generali, il metallo d'apporto a base di argento-è solitamente una scelta affidabile. Tuttavia, i metalli d'apporto a base di argento-hanno contenuti e composizioni di argento diversi, pertanto devono essere selezionati in base ai requisiti effettivi.
In generale, i metalli d'apporto con un contenuto di argento più elevato hanno solitamente una migliore scorrevolezza e prestazioni di bagnatura, nonché temperature di brasatura relativamente più basse. Sono adatti per parti di precisione, parti a pareti-sottili e prodotti sensibili alla deformazione. I metalli d'apporto con un contenuto di argento inferiore sono meno costosi, ma la loro fluidità e la finestra di processo potrebbero essere leggermente più deboli.
Quando si selezionano metalli d'apporto a base di argento-, è necessario considerare i seguenti fattori:
Tipo di metallo base: acciaio al carbonio, acciaio inossidabile, rame, ottone
Requisiti di resistenza congiunta
Requisiti prestazionali di tenuta
Temperatura di lavoro
Ambiente corrosivo
Metodo di riscaldamento
Requisiti di costo del prodotto
Idoneità alla produzione automatizzata
Per applicazioni quali tubazioni per il condizionamento dell'aria e la refrigerazione, connessioni tra tubi di rame e raccordi in acciaio e connessioni tra rame e acciaio inossidabile, in genere si consiglia di scegliere metalli d'apporto a base di argento- con buona fluidità, prestazioni di bagnatura stabili e idoneità per giunzioni di metalli diversi.
4. La selezione del flusso è fondamentale
Il disossidante è solitamente necessario per la brasatura del rame-all'acciaio-. La sua funzione principale è quella di rimuovere gli ossidi superficiali del metallo, prevenire ulteriore ossidazione durante il riscaldamento e migliorare la bagnatura del metallo d'apporto sul metallo base.
Senza un flusso adeguato, il metallo d'apporto potrebbe non diffondersi correttamente, causando giunti deboli, inclusioni di scorie, porosità o perdite.
Quando si seleziona il flusso, considerare:
Indica se è adatto per la brasatura di metalli dissimili da rame-a-acciaio
Se il suo intervallo di temperatura di lavoro corrisponde al metallo d'apporto
Se può rimuovere efficacemente gli ossidi dalla superficie dell'acciaio
Se il residuo è facile da pulire
Se è adatto per l'applicazione automatizzata
Se può causare rischi di corrosione al prodotto
Per la brasatura da rame-a-acciaio, il normale flusso per brasatura al rame potrebbe non essere sempre adatto. È necessario selezionare un flusso speciale progettato per la brasatura di acciaio, acciaio inossidabile o metalli dissimili.
5. Influenza del trattamento superficiale sulla scelta dei materiali
Anche se il metallo d'apporto e il flusso sono selezionati correttamente, è difficile ottenere una qualità di brasatura stabile se la superficie del metallo base non è pulita. Prima della brasatura del rame-all'acciaio-, è necessario rimuovere dalla superficie olio, strati di ossido, ruggine, umidità e residui di lavorazione.
I metodi comuni di trattamento superficiale includono:
Sgrassaggio e pulizia
Lucidatura o molatura meccanica
Decapaggio o pulizia chimica
Rimozione di strati di ruggine e ossido
Mantenere il giunto asciutto prima della brasatura
Evitare la contaminazione secondaria da sudore o olio
Se la superficie dell'acciaio presenta ruggine o incrostazioni, la bagnabilità del metallo d'apporto ne risentirà seriamente. Se la superficie del rame presenta olio o ossidi, anche il flusso del metallo d'apporto ne risentirà. Pertanto, il trattamento superficiale dovrebbe essere considerato come parte della selezione del materiale per la brasatura del rame-all'acciaio-.
6. Progettazione del giunto e scelta del metallo d'apporto
La brasatura da rame-a-acciaio si basa solitamente sull'azione capillare per riempire il gap del giunto, quindi la progettazione del giunto ha un impatto notevole sulla qualità della brasatura. I tipi di giunti più comuni includono giunti a manicotto, giunti a sovrapposizione, giunti a innesto-e giunti ad anello.
Se il gioco del giunto è troppo piccolo, il metallo d'apporto potrebbe non fluire. Se il gioco è troppo grande, l'azione capillare diventa insufficiente, riducendo la resistenza del giunto e le prestazioni di tenuta. Pertanto, la scelta del metallo d'apporto deve corrispondere al gioco del giunto.
In generale, i metalli d'apporto a base di argento- con buona fluidità sono adatti per strutture di giunzione più precise e possono fornire migliori prestazioni di riempimento. Per spazi più ampi o strutture più spesse, potrebbero essere necessari metalli d'apporto con adeguata fluidità, resistenza e capacità di riempimento degli spazi-.
Nelle tubazioni di condizionamento dell'aria, refrigerazione e HVAC, le connessioni da rame-ad-acciaio richiedono solitamente buone prestazioni di tenuta, pertanto è necessario controllare attentamente il gioco del giunto e la fluidità del metallo d'apporto.
7. Influenza del metodo di riscaldamento sulla scelta del materiale
La brasatura da rame-a-acciaio può essere eseguita mediante brasatura a fiamma, brasatura a induzione, brasatura in forno o altri metodi di riscaldamento. Diversi metodi di riscaldamento influiscono anche sulla scelta del metallo d'apporto e del fondente.
La brasatura alla fiamma è flessibile e adatta per la produzione di piccoli-lotti o per lavori di riparazione, ma la coerenza della temperatura viene facilmente influenzata dall'esperienza dell'operatore. Quando si utilizza la brasatura a fiamma, è necessario selezionare metalli d'apporto e flussi con una finestra di processo relativamente ampia e buone prestazioni di bagnatura.
La brasatura a induzione è adatta alla produzione di massa. Offre un'elevata velocità di riscaldamento, un controllo stabile della temperatura e una piccola area-interessata dal calore. Per la giunzione di rame-e-acciaio, la progettazione della bobina di induzione è molto importante. Deve garantire che sia la parte in rame che quella in acciaio siano riscaldate in modo uniforme, evitando surriscaldamenti da un lato o riscaldamento insufficiente dall'altro.
La brasatura in forno è adatta per prodotti che richiedono un'elevata consistenza del lotto, ma presenta requisiti più elevati per i materiali del pezzo, la forma del metallo d'apporto e il controllo dell'atmosfera.
8. Problemi comuni nella brasatura del rame-all'acciaio-
I problemi comuni nella brasatura del rame-all'-acciaio includono:
Il metallo d'apporto non scorre
Il metallo d'apporto aderisce solo al lato in rame o acciaio
Giunti deboli
Perdita dopo la brasatura
Rottura articolare
Grave ossidazione superficiale
Residuo corrosivo dopo la brasatura
Forza articolare instabile
Questi problemi sono solitamente legati alla scelta del metallo d'apporto, alla scelta del flusso, alla pulizia della superficie, al gioco dei giunti, alla temperatura di riscaldamento e all'uniformità del riscaldamento.
Ad esempio, l'utilizzo di un metallo d'apporto non adatto all'acciaio può causare una scarsa bagnabilità. L'uso di metalli d'apporto di rame-fosforo per unire l'acciaio può causare infragilimento delle articolazioni. Se l'intervallo di temperatura del flusso non corrisponde al metallo d'apporto, il flusso potrebbe guastarsi prima che il metallo d'apporto si sciolga.
9. Raccomandazioni per la selezione del materiale per la brasatura da rame-a-acciaio
Per le connessioni generiche da rame-ad-acciaio al carbonio, da rame-ad-acciaio inossidabile e da tubi di rame ad acciaio inossidabile, la soluzione consigliata è generalmente:
Dai la priorità ai metalli d'apporto a base di argento-
Utilizzare un disossidante speciale adatto alla brasatura di metalli dissimili da rame-a-acciaio
Evitare l'uso di metalli d'apporto rame-fosforo direttamente sulle parti in acciaio
Seleziona diversi livelli di contenuto di argento in base ai requisiti di resistenza e costo
Utilizzare metalli d'apporto con migliore scorrevolezza per prodotti che richiedono elevate prestazioni di tenuta
Pulire accuratamente le superfici in rame e acciaio prima della brasatura
Controllare il corretto gioco del giunto e la temperatura di riscaldamento
Per la produzione di massa, prendere in considerazione la brasatura a induzione o la brasatura automatizzata
Se il prodotto viene utilizzato in ambienti ad alta-temperatura, corrosivi o ad alta-resistenza, è necessario selezionare metalli d'apporto e soluzioni di processo speciali in base alle condizioni di lavoro specifiche.
Conclusione
La scelta del materiale per la brasatura da rame-a-acciaio influisce direttamente sulla resistenza del giunto, sulle prestazioni di tenuta, sulla resistenza alla corrosione e sulla stabilità della produzione. Poiché il rame e l'acciaio sono metalli diversi con conduttività termica, coefficienti di dilatazione e comportamento di ossidazione superficiale diversi, i materiali per brasatura da rame-a-rame non possono essere semplicemente applicati ai giunti da rame-a-acciaio.
Nella maggior parte delle applicazioni di brasatura da rame-a-acciaio, il metallo d'apporto a base di argento-combinato con un flusso speciale è una scelta stabile. Sebbene il metallo d'apporto rame-fosforo sia adatto per la giunzione di rame-a-rame, non è adatto per la brasatura diretta di rame-ad-acciaio. Per applicazioni strutturali o-sensibili ai costi, è possibile prendere in considerazione anche metalli d'apporto in ottone o altri metalli d'apporto speciali in base ai requisiti effettivi.
Quando si scelgono i materiali per brasatura per rame e acciaio, i produttori dovrebbero considerare il tipo di metallo di base, la struttura del giunto, i requisiti di resistenza, i requisiti di tenuta, l'ambiente di lavoro, il metodo di riscaldamento e le esigenze di produzione di massa. Solo quando il metallo d'apporto, il fondente, la progettazione del giunto e il processo di riscaldamento sono abbinati correttamente è possibile ottenere un giunto brasato stabile e affidabile tra rame-e-acciaio.
