Soudage du cuivre avec des robots industriels

Le cuivre et les alliages de cuivre offrent une combinaison unique de propriétés matérielles qui les rendent idéaux pour de nombreux environnements de fabrication. Ils sont largement utilisés en raison de leurs excellentes conductivités électriques et thermiques, de leur résistance exceptionnelle à la corrosion, de leur facilité de fabrication, de leur bonne résistance et de leur résistance à la fatigue. D'autres caractéristiques utiles incluent la résistance aux étincelles, la résistance à l'usure métal sur métal, les propriétés de faible perméabilité et la couleur distinctive.

Procédés de soudage du cuivre

Le cuivre est souvent joint par soudage. Les procédés de soudage à l'arc sont une préoccupation majeure. Le soudage à l'arc peut être effectué en utilisant le soudage à l'arc sous protection (SMAW), le soudage à l'arc gaz-tungstène (GTAW), le soudage à l'arc gaz-métal (GMAW), le soudage à l'arc plasma (PAW) et le soudage à l'arc submergé (SAW).

Les procédés de soudage qui utilisent une protection contre les gaz sont généralement préférés, bien que SMAW puisse être utilisé pour de nombreuses applications non critiques. L'argon, l'hélium ou des mélanges des deux sont utilisés comme gaz de protection pour GTAW, PAW et GMAW. Généralement, l'argon est utilisé lorsque le matériau de soudage manuel a une épaisseur inférieure à 3 mm, une faible conductivité thermique ou les deux. L'hélium ou un mélange de 75 % d'hélium et de 25 % d'argon est recommandé pour le soudage à la machine de sections minces et pour le soudage manuel de sections plus épaisses d'alliages à conductivité thermique élevée. De petites quantités d'azote peuvent être ajoutées au gaz de protection argon pour augmenter l'apport de chaleur efficace. Le soudage à l'arc sous protection peut être utilisé pour souder une large gamme d'épaisseurs d'alliage de cuivre. Les électrodes enrobées pour le soudage à l'arc submergé (SAW) des alliages de cuivre sont disponibles dans des tailles standard allant de 2,4 à 4,8 mm.

Soudage à l'arc gaz-tungstène

Le soudage à l'arc gaz-tungstène est bien adapté au cuivre et aux alliages de cuivre en raison de son arc intense, qui produit une température extrêmement élevée au niveau du joint et une zone affectée par la chaleur (ZAT) étroite.

Dans le soudage du cuivre et les alliages de cuivre les plus thermiquement conducteurs, l'intensité de l'arc est importante pour achever la fusion avec un échauffement minimum du métal de base hautement conducteur environnant. Une ZAT étroite est particulièrement souhaitable dans le soudage d'alliages de cuivre qui ont été durcis par précipitation.

De nombreuses électrodes standard en tungstène ou en alliage de tungstène peuvent être utilisées dans le GTAW du cuivre et des alliages de cuivre. Les facteurs de sélection normalement considérés pour les électrodes en tungstène s'appliquent en général au cuivre et aux alliages de cuivre. À l'exception des classes spécifiques d'alliages de cuivre, le tungstène thorié (généralement EWTh-2) est préféré pour ses meilleures performances, sa durée de vie plus longue et sa plus grande résistance à la contamination.

Soudage à l'arc gaz-métal

Le soudage à l'arc gaz-métal est utilisé pour assembler le cuivre et les alliages de cuivre d'une épaisseur inférieure à 3 mm, tandis que le soudage GMAW est préféré pour les épaisseurs de section supérieures à 3 mm et pour assembler les bronzes d'aluminium, les bronzes au silicium et les alliages cuivre-nickel.

Soudage à l'arc plasma

Le soudage des cuivres et des alliages de cuivre à l'aide de PAW est comparable au soudage GTAW de ces alliages. L'argon, l'hélium ou des mélanges des deux sont utilisés pour le soudage de tous les alliages. Le gaz hydrogène ne doit jamais être utilisé lors du soudage des cuivres.

Le soudage à l'arc plasma présente deux avantages distincts par rapport au GTAW :

1. Le tungstène est dissimulé et entièrement blindé, ce qui réduit considérablement la contamination de l'électrode, en particulier pour les alliages avec des constituants à basse température d'ébullition tels que les laitons, les bronzes, les bronzes phosphoreux et les bronzes d'aluminium.
2. Le panache d'arc construit donne lieu à des énergies d'arc plus élevées tout en minimisant la croissance de la ZAT. Comme avec GTAW, la pulsation de courant et la rampe de courant peuvent également être utilisées. L'équipement de soudage à l'arc plasma a été miniaturisé pour les travaux complexes, connus sous le nom de soudage microplasma.

Le soudage à l'arc plasma des cuivres et des alliages de cuivre peut être réalisé de manière autogène ou avec un métal d'apport. La sélection des métaux d'apport est identique à celle décrite pour GTAW. L'automatisation et la mécanisation de ce processus sont faciles à réaliser et sont préférables au GTAW où la contamination peut limiter l'efficacité de la production. Les positions de soudage pour PAW sont identiques à celles pour GTAW. Cependant, le mode plasma en trou de serrure a été évalué pour des sections plus épaisses en position verticale vers le haut. Généralement, toutes les informations présentées pour GTAW s'appliquent à PAW.

Soudage à l'arc submergé

Le soudage de matériaux de calibre épais, tels que des tuyaux formés à partir de tôles fortes, peut être réalisé par une opération continue à l'arc métallique sous un flux granulaire. Une désoxydation efficace et des réactions laitier-métal pour former la composition de métal fondu requise sont essentielles et le procédé SAW est encore en cours de développement pour les matériaux à base de cuivre. Une variante de ce processus peut être utilisée pour le rechargement ou le rechargement dur. Les flux disponibles dans le commerce doivent être utilisés pour les alliages cuivre-nickel.

Métallurgie des alliages et soudabilité

De nombreux métaux communs sont alliés au cuivre pour produire les divers alliages de cuivre. Les éléments d'alliage les plus courants sont l'aluminium, le nickel, le silicium, l'étain et le zinc. D'autres éléments et métaux sont alliés en petites quantités pour améliorer certaines caractéristiques des matériaux, telles que la résistance à la corrosion ou l'usinabilité.

Neuf groupes de cuivre et d'alliages de cuivre :

1. Les cuivres, qui contiennent au moins 99,3 % de Cu
2. Alliages à haute teneur en cuivre, qui contiennent jusqu'à 5 % d'éléments d'alliage
3. Alliages cuivre-zinc (laitons), qui contiennent jusqu'à 40 % de zinc
4. Alliages cuivre-étain (bronzes phosphorés), qui contiennent jusqu'à 10 % de Sn et 0,2 % de P
5. Alliages cuivre-aluminium (bronzes d'aluminium), qui contiennent jusqu'à 10 % d'Al
6. Alliages cuivre-silicium (bronzes au silicium), qui contiennent jusqu'à 3 % de Si
7. Alliages cuivre-nickel, qui contiennent jusqu'à 30 % de Ni
8. Alliages de cuivre-zinc-nickel (argent de nickel), qui contiennent jusqu'à 7 % de Zn et 18 % de Ni
9. Alliages spéciaux, qui contiennent des éléments d'alliage pour améliorer une propriété ou une caractéristique spécifique, par exemple l'usinabilité.

De nombreux alliages de cuivre ont des noms communs, tels que le cuivre sans oxygène (99,95 % Cu min), le cuivre au béryllium (0,02 à 0,2 % Be), le métal Muntz (Cu40Zn), le laiton naval (Cu-39,5Zn-0,75Sn) et le cuivre commercial. bronze (Cu-10Zn).

Propriétés

De nombreuses propriétés physiques des alliages de cuivre sont importantes pour les procédés de soudage, notamment la température de fusion, le coefficient de dilatation thermique et la conductivité électrique et thermique. Certains éléments d'alliage diminuent les conductivités électriques et thermiques du cuivre et des alliages de cuivre.

Soudabilité

Plusieurs éléments d'alliage ont des effets prononcés sur la soudabilité du cuivre et des alliages de cuivre. De petites quantités d'éléments d'alliage volatils et toxiques sont souvent présentes dans le cuivre et ses alliages. Par conséquent, l'exigence d'un système de ventilation efficace pour protéger le soudeur et/ou l'opérateur de la machine à souder est plus critique que lors du soudage de métaux ferreux.

Le zinc réduit la soudabilité de tous les laitons en proportion relative du pourcentage de zinc dans l'alliage. Le zinc a une température d'ébullition basse, ce qui entraîne la production de vapeurs toxiques lors du soudage d'alliages cuivre-zinc.

Le silicium a un effet bénéfique sur la soudabilité des alliages cuivre-silicium en raison de ses actions désoxydantes et fondantes.

Étain

L'étain augmente la susceptibilité à la fissuration à chaud pendant le soudage lorsqu'il est présent en quantités de 1 à 10 %. L'étain, comparé au zinc, est beaucoup moins volatil et toxique. Lors du soudage, l'étain peut s'oxyder préférentiellement par rapport au cuivre. Les résultats seront un piégeage d'oxyde, ce qui peut réduire la résistance de la soudure.

Oxydes tenaces

Le béryllium, l'aluminium et le nickel forment des oxydes tenaces qui doivent être éliminés avant le soudage. La formation de ces oxydes pendant le processus de soudage doit être empêchée par un gaz de protection ou par fluxage, en conjonction avec l'utilisation du courant de soudage approprié. Les oxydes de nickel gênent moins le soudage à l'arc que ceux de béryllium ou d'aluminium. Par conséquent, les maillechorts et les alliages cuivre-nickel sont moins sensibles au type de courant de soudage utilisé au cours du procédé. Les alliages contenant du béryllium produisent également des fumées toxiques pendant le soudage.

Oxygène

L'oxygène peut provoquer une porosité et réduire la résistance des soudures réalisées dans certains alliages de cuivre qui ne contiennent pas des quantités suffisantes de phosphore ou d'autres désoxydes. L'oxygène peut se trouver sous forme de gaz libre ou sous forme d'oxyde cuivreux. Les alliages de cuivre les plus couramment soudés contiennent des éléments désoxydants, généralement du phosphore, du silicium, de l'aluminium, du fer ou du manganèse.

Le fer et le manganèse n'affectent pas significativement la soudabilité des alliages qui les contiennent. Le fer est généralement présent dans certains laitons spéciaux, bronzes d'aluminium et alliages cuivre-nickel en quantités de 1,4 à 3,5 %. Le manganèse est couramment utilisé dans ces mêmes alliages, mais à des concentrations inférieures à celles du fer.

Additifs d'usinage libre

Le plomb, le sélénium, le tellure et le soufre sont ajoutés aux alliages de cuivre pour améliorer l'usinabilité. Le bismuth commence également à être utilisé à cette fin lorsque des alliages sans plomb sont souhaités. Ces agents d'alliage mineurs, tout en améliorant l'usinabilité, affectent de manière significative la soudabilité des alliages de cuivre en rendant les alliages sensibles à la fissuration à chaud. L'effet néfaste sur la soudabilité est évident avec environ 0,05 % d'additif et est plus sévère avec des concentrations plus importantes. Le plomb est le plus nocif des agents d'alliage en ce qui concerne la sensibilité à la fissuration à chaud.

Facteurs affectant la soudabilité

Outre les éléments d'alliage qui composent un alliage de cuivre spécifique, plusieurs autres facteurs affectent la soudabilité. Ces facteurs sont la conductivité thermique de l'alliage à souder, le gaz de protection, le type de courant utilisé pendant le soudage, la conception du joint, la position de soudage, ainsi que l'état et la propreté de la surface.

Effet de la conductivité thermique

Le comportement du cuivre et des alliages de cuivre lors du soudage est fortement influencé par la conductivité thermique de l'alliage. Lors du soudage de cuivres commerciaux et de matériaux en cuivre légèrement alliés à conductivité thermique élevée, le type de courant et de gaz de protection doit être sélectionné pour fournir un apport de chaleur maximal au joint. Cet apport de chaleur élevé compense la dissipation rapide de la tête loin de la zone de soudure localisée.

Selon l'épaisseur de la section, un préchauffage peut être nécessaire pour les alliages de cuivre avec des conductivités thermiques plus faibles. La température entre passes doit être la même que pour le préchauffage. Les alliages de cuivre ne sont pas traités en tête après soudage aussi fréquemment que les aciers, mais certains alliages peuvent nécessiter des vitesses de refroidissement contrôlées pour minimiser les contraintes résiduelles et la brièveté à chaud.

Position de soudage

En raison de la nature très fluide du cuivre et de ses alliages, la position à plat est utilisée autant que possible pour le soudage. La position horizontale est utilisée dans certains soudages d'angle des joints d'angle et des joints en T.

Alliages durcissables par précipitation

Les réactions de précipitation-durcissement les plus importantes sont obtenues avec le béryllium, le chrome, le bore, le nickel, le silicium et le zirconium. Des précautions doivent être prises lors du soudage d'alliages de cuivre durcissables par précipitation pour éviter l'oxydation et la fusion incomplète. Dans la mesure du possible, les composants doivent être soudés à l'état recuit, puis la soudure doit subir un traitement thermique de durcissement par précipitation.

Craquage à chaud

Les alliages de cuivre, tels que le cuivre-étain et le cuivre-nickel, sont sensibles à la fissuration à chaud aux températures de solidification. Cette caractéristique est présente dans tous les alliages de cuivre avec une large plage de températures liquidus-solidus. Des contraintes de retrait sévères produisent une séparation interdendritique lors de la solidification du métal. La fissuration à chaud peut être minimisée en réduisant la retenue pendant le soudage, en préchauffant pour ralentir la vitesse de refroidissement et réduire l'ampleur des contraintes de soudage, et en réduisant la taille de l'ouverture de racine et en augmentant la taille de la passe de racine.

Porosité

Certains éléments (par exemple, le zinc, le cadmium et le phosphore) ont des points d'ébullition bas. La vaporisation de ces éléments lors du soudage peut entraîner une porosité. Lors du soudage d'alliages de cuivre contenant ces éléments, la porosité peut être minimisée par des vitesses de soudage plus élevées et un métal d'apport pauvre en ces éléments.

État de surface

La graisse et l'oxyde sur les surfaces de travail doivent être enlevés avant le soudage. Une brosse métallique ou un trempage brillant peuvent être utilisés. Le millicalcaire sur les surfaces des bronzes d'aluminium et des bronzes au silicium est éliminé sur une distance de la zone de soudure d'au moins 13 mm, généralement par des moyens mécaniques. La graisse, la peinture, les marques de crayon, la saleté d'atelier et les contaminants similaires sur les alliages cuivre-nickel peuvent provoquer une fragilisation et doivent être éliminés avant le soudage. Le millicalcaire sur les alliages cuivre-nickel doit être éliminé par meulage ou décapage ; la brosse métallique n'est pas efficace.

Alliages de soudage au cuivre

Le matériau d'électrode idéal aurait la résistance à la compression de l'acier à outils et la conductivité de l'argent. Malheureusement, un tel matériel n'existe pas. Ainsi, plusieurs alliages de cuivre différents ont été développés. Tous les matériaux recommandés par RWMA ont des températures de recuit ou de ramollissement plus élevées que le cuivre pur, ainsi qu'une résistance à la compression et une résistance à l'usure améliorées. Étant donné que le cuivre a été allié pour obtenir des propriétés de résistance et d'usure plus élevées, la conductivité est sacrifiée.

Classes d'alliages de cuivre :

Classe 1 :Cette classe est le plus souvent spécifiée pour le soudage de l'aluminium et d'autres matériaux hautement conducteurs. C'est le plus conducteur des alliages RWMA. C'est aussi le plus doux (et a les caractéristiques de résistance et d'usure les plus faibles).

Classe 2 :Cette classe d'alliage de cuivre est l'alliage de cuivre le plus utilisé et le plus recommandé. Il est recommandé pour une large gamme d'alliages d'acier. Le matériau est recommandé pour le soudage par points, à la molette, par projection et par fil croisé. Il a une conductivité légèrement inférieure à la classe 1 et présente des caractéristiques de résistance et d'usure plus élevées.

Classe 3 :Celui-ci a la conductivité la plus faible, mais les propriétés de résistance les plus élevées des trois principales qualités de matériau d'électrode en cuivre. Il est recommandé pour la plupart des applications où une résistance élevée et une résistance à l'usure sont impératives.