Soldagem de metais diferentes – unir dois materiais metálicos diferentes é um desafio e uma oportunidade na fabricação e reparo modernos.
De aplicações automotivas e aeroespaciais à geração de energia e eletrônica, os engenheiros frequentemente enfrentam a necessidade de combinar metais com propriedades contrastantes: alumínio com aço, cobre com aço inoxidável ou titânio com ligas de níquel.
Este artigo explora os obstáculos metalúrgicos, as técnicas disponíveis, as considerações práticas e as melhores práticas que tornam a soldagem de metais diferentes não apenas possível, mas, em muitos casos, econômica e tecnicamente vantajosa.
1. O desafio metalúrgico
No centro do dilema da soldagem de metais diferentes estão as diferenças em:
- Ponto de fusão: O alumínio derrete a aproximadamente 660 °C, enquanto o aço começa a derreter perto de 1.500 °C. Aquecer ambos até um estado fundido comum corre o risco de superaquecer o metal de fusão mais baixa ou subfundir o de fusão mais alta.
- Condutividade térmica: O cobre e o alumínio conduzem o calor com eficiência, dissipando o calor da solda mais rapidamente do que os aços ou as ligas de níquel. A retenção inadequada do calor pode impedir a fusão adequada.
- Coeficiente de expansão térmica: Quando os metais são aquecidos ou resfriados, eles se expandem e contraem em taxas diferentes, o que pode causar tensões residuais, distorção ou até mesmo rachaduras na junta.
- Solubilidade e formação intermetálica: Quando dois metais se dissolvem um no outro durante a soldagem, podem se formar compostos intermetálicos frágeis, como aluminetos de ferro em soldas de alumínio-aço, enfraquecendo gravemente a junta.
Esses fatores significam que uma solda por fusão convencional – derretendo os dois materiais originais juntos – frequentemente produz juntas afetadas por porosidade, diluição excessiva, rachaduras e falhas frágeis.
2. Técnicas de soldagem para metais dissimilares
Várias abordagens especializadas ajudam a superar a incompatibilidade inerente de metais diferentes:
2.1 Inserções de transição bimetálicas (soldadas por explosão ou por rolo)
- A soldagem por explosão usa uma detonação controlada para acelerar uma placa de metal contra outra em alta velocidade, criando uma ligação metalúrgica em estado sólido sem fusão. Isso produz uma camada de transição graduada, minimizando a formação intermetálica.
- A ligação por rolo alcança um resultado semelhante, passando folhas de metal por rolos sob alta pressão e temperatura, fundindo-as na fase sólida.
2.2 Seleção do metal de enchimento (soldagem com manteiga)
A soldagem com manteiga deposita uma camada intermediária de um metal de enchimento compatível em um substrato antes de soldar o segundo metal. Por exemplo, uma junta de alumínio-aço pode usar um enchimento à base de níquel ou ferro-alumínio para criar uma microestrutura graduada que reduz a tensão e a formação intermetálica.
2.3 Soldagem a frio e união em estado sólido
- A soldagem por fricção e a soldagem por fricção e agitação (FSW) geram calor por meio de fricção mecânica sem atingir a fusão total. Na FSW, uma ferramenta rotativa agita os materiais abaixo do ponto de fusão, minimizando defeitos e produzindo uma junta de grão fino e sem defeitos.
- A soldagem ultrassônica usa vibrações de alta frequência sob pressão para unir seções transversais finas, comumente usadas para interconexões elétricas de cobre-alumínio.
2.4 Brasagem e soldagem
Embora não seja considerada uma soldagem verdadeira, a brasagem envolve o uso de um metal de adição com um ponto de fusão mais baixo que flui entre os metais de base e os une sem derreter as próprias bases. As juntas brasadas de cobre com aço ou alumínio com aço podem atingir boa resistência e condutividade quando projetadas e fluxadas adequadamente.
3. Considerações importantes sobre o processo
3.1 Pré-aquecimento e temperatura entre passes
O pré-aquecimento pode reduzir os gradientes térmicos e o risco de trincas. Para aços de alto carbono, o pré-aquecimento a 150–300 °C antes da aplicação de uma camada de níquel ajuda a mitigar microestruturas duras e frágeis.
3.2 Controle da entrada de calor
O controle preciso do calor — usando corrente de soldagem pulsada, técnicas de cordão estreito ou controle CNC automatizado — minimiza o superaquecimento do material de ponto de fusão mais baixo e reduz a diluição.
3.3 Projeto e preparação da junta
- Juntas de topo vs. juntas sobrepostas: As juntas sobrepostas podem acomodar uma camada de manteiga mais facilmente e fornecem maior área de superfície, mas podem ser mais volumosas.
- Geometria da ranhura: Um chanfro e uma face da raiz cuidadosamente projetados permitem uma penetração completa sem diluição excessiva.
- Limpeza: A remoção de óxidos, óleos e contaminantes por limpeza química ou fresagem a plasma é fundamental, especialmente para alumínio ou titânio.
3.4 Tratamento térmico pós-soldagem (PWHT)
Os ciclos térmicos após a soldagem, como o recozimento para alívio de tensões, ajudam a reduzir as tensões residuais, temperar microestruturas martensíticas em aços e homogeneizar a região da junta.
4. Exemplos de soldagem de metais dissimilares
- Alumínio com aço: Frequentemente visto em trocadores de calor automotivos e gabinetes de bateria. Um calço de aço inoxidável revestido com uma camada intermediária de níquel é untado com manteiga no aço e, em seguida, o alumínio é soldado por fricção e agitação à camada de níquel, produzindo juntas resistentes à corrosão e de alta resistência.
- Cobre com aço inoxidável: Comum em aplicações de vasos de pressão e tubulações. A soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) com um enchimento à base de prata pode unir tubos de cobre a portas de aço. O pré-aquecimento a cerca de 300 °C evita rachaduras por calor no cobre.
- Titânio com aço: O setor aeroespacial e o processamento químico às vezes exigem a resistência à corrosão do titânio soldada à alta resistência do aço. A soldagem explosiva pode unir placas de titânio a suportes de aço, seguida por soldagem convencional ou usinagem.
5. Melhores práticas e recomendações
5.1 Realize um estudo de viabilidade
Avalie os requisitos mecânicos, o ambiente de serviço e a análise de custo-benefício antes de se comprometer com uma solução de metais diferentes.
5.2 Selecione o método de união correto
- Use técnicas de estado sólido (FSW, soldagem por fricção) onde a formação mínima de intermetálicos e a alta resistência à fadiga são críticas.
- Escolha a brasagem para seções finas ou quando forem necessárias juntas estanques e à prova de vazamentos.
5.3 Otimize os metais de adição e as camadas de transição
Faça soldagem em manteiga ou use camadas intermediárias – níquel, cobre ou ligas especializadas para criar uma zona de transição graduada que acomode a expansão diferencial e reduza a fragilidade.
5.4 Implemente um controle rigoroso do processo
Braçadeiras automatizadas, fontes de calor controladas por CNC e monitoramento em linha garantem juntas repetíveis e de alta qualidade.
5.5 Planeje a inspeção e a manutenção
Especifique técnicas de avaliação não destrutiva (NDE) adequadas e medidas de proteção contra corrosão galvânica na fase de projeto.