Quais são as melhores ligas de alumínio para soldagem?

O alumínio se tornou um dos materiais de engenharia mais importantes da atualidade com suas propriedades raras de leveza e resistência à corrosão, além de versatilidade. Esses tipos de espectros de aplicações abrangem uma ampla gama de usos, incluindo estruturas aeroespaciais e automotivas, embarcações marítimas, tubulações e produtos de consumo, aplicações em que o alumínio é frequentemente o metal preferido devido à relação resistência-peso e durabilidade. Uma das várias formas de fabricação conhecidas inclui o processo de soldagem, o que ajuda a criar montagens econômicas que são fortes e duradouras por natureza.

No entanto, em comparação com o aço e outros metais, a soldagem de alumínio não é tão fácil. Ele tem alta condutividade térmica, baixo ponto de fusão e uma camada transparente e dura, portanto, difícil de soldar. Além disso, as propriedades mecânicas das ligas de alumínio variam muito, e as ligas podem se comportar bem com relação à soldagem ou até mesmo ser altamente suscetíveis a trincas a quente, porosidade ou HAZ fraca. É muito importante que engenheiros e fabricantes saibam quais tipos de alumínio são os mais adequados para serem soldados.

As ligas de alumínio são diferenciadas em séries, por exemplo, 1xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx e 7xxx, e têm características diferentes. Algumas delas, como a série 5xxx, são bem conhecidas por terem excelentes propriedades de soldabilidade e resistência à corrosão, enquanto outras, como as séries 2xxx e 7xxx, são problemáticas. A escolha da liga adequada melhorará a qualidade da soldagem, além de garantir a integridade estrutural, a durabilidade e um produto final econômico.

Este artigo discute em profundidade quais são as melhores ligas de alumínio para soldar, as famílias de ligas, o problema, as soluções e as recomendações viáveis para o setor.

1. Classificação das ligas de alumínio

O alumínio raramente é usado em sua forma pura para aplicações estruturais porque o alumínio puro, embora seja altamente resistente à corrosão e dúctil, não tem a resistência necessária para fins de engenharia exigentes. Para melhorar suas propriedades mecânicas e físicas, o alumínio é combinado com outros elementos, como cobre, magnésio, silício, manganês e zinco, resultando em uma ampla variedade de ligas de alumínio. Essas ligas são classificadas de acordo com seu método de produção, mecanismo de reforço e composição química.

Ligas forjadas versus ligas fundidas

As ligas de alumínio são amplamente divididas em duas categorias:

• Ligas forjadas - São trabalhadas mecanicamente em formas como chapas, placas, barras e extrusões por meio de processos como laminação, forjamento ou extrusão. São as ligas mais amplamente usadas em soldagem e fabricação estrutural.
• Ligas de fundição - Produzidas pelo vazamento de alumínio fundido em moldes, essas ligas são comumente usadas para formas complexas em componentes automotivos e aeroespaciais. As ligas fundidas geralmente são mais difíceis de soldar em comparação com as ligas forjadas, mas algumas podem ser unidas com sucesso por meio de processos especializados.

Ligas tratáveis termicamente versus ligas não tratáveis termicamente

As ligas forjadas são ainda classificadas em dois grupos com base na forma como obtêm resistência:

• Ligas não tratáveis termicamente: Fortalecidos principalmente por meio do endurecimento por deformação (endurecimento por trabalho). Eles dependem da deformação mecânica para aumentar a dureza e a resistência à tração. Os exemplos incluem as séries 1xxx, 3xxx e 5xxx. Essas ligas geralmente mantêm suas propriedades após a soldagem, o que as torna altamente soldáveis.
• Ligas tratáveis termicamente: Reforçado por endurecimento por precipitação (tratamento térmico em solução seguido de envelhecimento). O tratamento térmico permite a formação de precipitados finos que aumentam a resistência. Os exemplos incluem as séries 2xxx, 6xxx e 7xxx. Embora essas ligas possam atingir níveis de resistência muito altos, elas geralmente perdem propriedades mecânicas na zona afetada pelo calor durante a soldagem.

Série de ligas de alumínio (ligas forjadas)

O Associação de Alumínio (AA) usa um sistema de numeração de quatro dígitos para classificar as ligas forjadas:

• Série 1xxx (essencialmente alumínio puro)Alumínio: teor de alumínio ≥99%, excelente resistência à corrosão, boa condutividade elétrica e térmica, mas baixa resistência. Muito soldável.
• Série 2xxx (ligas de alumínio-cobre): Alta resistência, usada no setor aeroespacial, mas com baixa soldabilidade devido a trincas a quente e perda de resistência.
• Série 3xxx (ligas de alumínio-manganês): Boa resistência à corrosão e soldabilidade, força moderada, usado em telhados, revestimentos e equipamentos químicos.
• Série 4xxx (ligas de alumínio-silício): Resistente ao desgaste, soldabilidade moderada, frequentemente usado como material de enchimento em vez de liga de base.
• Série 5xxx (ligas de alumínio e magnésio): Excelente resistência à corrosão, excelente soldabilidade, amplamente utilizado em aplicações marítimas e estruturais.
• Série 6xxx (ligas de alumínio, magnésio e silício): Resistência média, boa resistência à corrosão, soldável, mas perde força na ZTA; comum em automóveis e tubulações.
• Série 7xxx (ligas de alumínio-zinco): Extremamente resistente, amplamente utilizado no setor aeroespacial, mas com baixa soldabilidade, exceto em classes específicas como 7005 e 7039.
• Série 8xxx (ligas diversas): Geralmente usado para materiais de embalagem, como papel alumínio; as aplicações de soldagem são limitadas.

2. Desafios gerais na soldagem de alumínio

Embora o alumínio seja amplamente utilizado em aplicações estruturais, automotivas e aeroespaciais, sua soldagem apresenta desafios únicos em comparação com o aço ou outros metais de engenharia comuns. As características físicas e químicas do alumínio geralmente criam dificuldades durante o processo de soldagem que, se não forem tratadas adequadamente, podem comprometer a qualidade da solda, a resistência mecânica e o desempenho do serviço. Compreender esses desafios é essencial antes de selecionar ligas, metais de adição e processos de soldagem.

Alta condutividade térmica

O alumínio conduz o calor cerca de quatro a cinco vezes mais rápido do que o aço. Essa propriedade faz com que o calor da solda se dissipe rapidamente no metal de base circundante. Como resultado, os soldadores geralmente têm dificuldade para estabelecer e manter uma poça de solda derretida, especialmente em chapas finas, onde pode ocorrer superaquecimento e queima. Em seções mais espessas, a rápida transferência de calor exige correntes de soldagem mais altas e um controle preciso do aporte de calor para garantir a penetração total e evitar a formação de cordões frios ou a falta de fusão.

Baixa temperatura de fusão

O ponto de fusão do alumínio puro é de aproximadamente 660°C (1220°F), significativamente menor do que o do aço (cerca de 1500°C / 2730°F). Essa margem estreita entre a temperatura de fusão do metal de base e o alto aporte de calor necessário devido à condutividade térmica torna o alumínio particularmente sensível à distorção e ao empenamento durante a soldagem. O soldador deve equilibrar energia suficiente para obter a fusão sem superaquecer ou colapsar a junta.

Formação de filme de óxido

O alumínio forma naturalmente uma camada fina e resistente de óxido (Al₂O₃) em sua superfície quando exposto ao ar. Esse óxido tem uma temperatura de fusão muito mais alta (cerca de 2050°C / 3720°F) do que o próprio alumínio, o que pode impedir que o arco penetre no metal base. Se não for removido ou rompido adequadamente, o filme de óxido causa fusão ruim, inclusões e juntas fracas. Por esse motivo, a remoção do óxido por meio de limpeza mecânica, gravação química ou limpeza do arco (polaridade CA na soldagem TIG) é fundamental antes da soldagem.

Porosidade

A porosidade é um defeito comum em soldas de alumínio. O alumínio fundido tem alta solubilidade em hidrogênio, mas, à medida que se solidifica, sua solubilidade em hidrogênio diminui drasticamente. Qualquer hidrogênio retido na poça de fusão forma bolsões de gás (porosidade) dentro do metal de solda. As fontes de hidrogênio incluem umidade, lubrificantes, óleos, sujeira e óxidos hidratados. A porosidade reduz a força mecânica, a resistência à fadiga e a confiabilidade geral da estrutura soldada. As medidas preventivas incluem a limpeza completa da superfície, o pré-aquecimento e o uso de gás de proteção seco e arame de enchimento.

Rachadura a quente (Rachadura por solidificação)

Algumas ligas de alumínio, especialmente aquelas com alto teor de cobre ou zinco (por exemplo, séries 2xxx e 7xxx), são propensas a trincas a quente durante a solidificação. Isso ocorre devido a amplas faixas de congelamento, segregação de elementos de liga e tensões residuais no banho de solda. As trincas a quente geralmente se iniciam ao longo dos limites dos grãos e são difíceis de detectar até que a solda seja testada sob carga. A seleção adequada do metal de adição, o projeto da junta e o controle do processo são necessários para reduzir os riscos de trincas.

Perda de propriedades mecânicas na zona afetada pelo calor (HAZ)

Para ligas de alumínio tratáveis termicamente (como as séries 6xxx e 7xxx), a soldagem pode degradar as propriedades mecânicas na HAZ. O aporte de calor dissolve ou engrossa os precipitados de reforço, levando a uma redução da resistência à tração, da resistência ao escoamento e da dureza. Enquanto as ligas não tratáveis termicamente (por exemplo, série 5xxx) retêm amplamente suas propriedades após a soldagem, as ligas tratáveis termicamente geralmente exigem tratamento térmico pós-soldagem ou um projeto excessivo das estruturas para compensar o amolecimento da HAZ.

Distorção e estresse residual

Devido ao seu alto coeficiente de expansão térmica, o alumínio se expande e se contrai significativamente durante o aquecimento e o resfriamento. Isso pode causar distorção, empenamento e tensões residuais em montagens soldadas, especialmente em estruturas de paredes finas. A fixação, o pré-aquecimento, as sequências de soldagem controladas e as técnicas de baixa entrada de calor geralmente são necessárias para minimizar esses problemas.

3. Soldabilidade da série de ligas de alumínio

Série 1xxx (essencialmente alumínio puro)

• Exemplos: 1100, 1350.
• Características: Excelente resistência à corrosão, alta ductilidade, baixa resistência.
• Soldabilidade: Excelente - O alumínio puro quase não apresenta problemas de rachaduras. Ele solda facilmente usando TIG ou MIG.
• Aplicativos: Equipamentos químicos, fachadas arquitetônicas, equipamentos de processamento de alimentos.
• Desvantagem: A baixa resistência limita o uso estrutural.

Série 2xxx (ligas de alumínio-cobre)

• Exemplos: 2024, 2219.
• Características: Alta resistência, amplamente utilizado no setor aeroespacial.
• Soldabilidade: Ruim - Altamente suscetível a trincas a quente e perda de propriedades mecânicas na ZTA. O 2219 é um pouco soldável e usado em tanques aeroespaciais.
• Aplicativos: Aeroespacial, defesa.
• Veredicto: Em geral, não é recomendado para soldagem, exceto em casos especiais com o 2219 usando procedimentos controlados.

Série 3xxx (ligas de alumínio-manganês)

• Exemplos: 3003, 3105.
• Características: Boa resistência à corrosão, força moderada.
• Soldabilidade: Excelente - Essas ligas não podem ser tratadas termicamente, portanto, mantêm suas propriedades após a soldagem.
• Aplicativos: Chapas de telhado, revestimentos, latas de bebidas, equipamentos químicos.

Série 4xxx (ligas de alumínio-silício)

• Exemplos: 4032, 4045.
• Características: Resistente ao desgaste, o alto teor de silício reduz o coeficiente de expansão térmica.
• Soldabilidade: Moderado - Geralmente usado como material de enchimento (por exemplo, 4045) em vez de liga de base. O alto teor de Si pode reduzir a ductilidade.
• Aplicativos: Componentes de motores automotivos, peças de desgaste.

Série 5xxx (ligas de alumínio e magnésio)

• Exemplos: 5052, 5083, 5754, 5456.
• Características: Excelente resistência à corrosão, boa força, especialmente em ambientes marinhos.
• Soldabilidade: Excepcional - As ligas de alumínio mais comumente soldadas. Não são tratáveis termicamente, de modo que a HAZ mantém boas propriedades. Deve-se ter cuidado com a rachadura por corrosão sob tensão se o teor de Mg for >3%.
• Aplicativos: Construção naval, vasos de pressão, plataformas offshore, tanques criogênicos.
• Veredicto: Entre as melhores ligas de alumínio para soldagem.

Série 6xxx (ligas de alumínio, magnésio e silício)

• Exemplos: 6061, 6063, 6082.
• Características: Resistência média, boa resistência à corrosão, ligas estruturais muito comuns.
• Soldabilidade: Bom - Tratável termicamente, portanto, a soldagem reduz a resistência na ZTA. No entanto, o tratamento térmico pós-soldagem ou o projeto excessivo podem compensar. Geralmente, são soldados com cargas 4045 ou 5356.
• Aplicativos: Tubulações, vasos de pressão, estruturas automotivas, aeroespaciais, construção.
• Veredicto: Muito soldável mas exige que o projeto leve em consideração o amolecimento da HAZ.

Série 7xxx (ligas de alumínio-zinco)

• Exemplos: 7075, 7475.
• Características: Extremamente resistente, amplamente utilizado no setor aeroespacial.
• Soldabilidade: Ruim - Suscetível a rachaduras a quente, porosidade e perda severa de resistência. Geralmente evitado em estruturas soldadas. As exceções incluem o 7005 e o 7039, que são moderadamente soldáveis.
• Aplicativos: Aeroespacial, defesa, equipamentos esportivos.
• Veredicto: Não recomendado para soldagem, exceto em casos especiais.

4. Melhores ligas de alumínio para soldagem

Com base na análise acima, as melhores ligas de alumínio para soldagem são:

1. Série 1xxx (por exemplo, 1100) - Fácil de soldar, mas com baixa resistência.
2. Série 3xxx (por exemplo, 3003, 3105) - Ótima resistência à corrosão, boa soldabilidade.
3. Série 5xxx (por exemplo, 5052, 5083, 5754, 5456) - Excelente força e resistência à corrosão, especialmente em serviços marítimos.
4. Série 6xxx (por exemplo, 6061, 6063, 6082) - Ligas estruturais amplamente utilizadas; boa soldabilidade com metais de adição.

Entre elas, as ligas 5xxx são geralmente consideradas as mais confiáveis para soldagem, especialmente em ambientes exigentes, como aplicações marítimas e offshore.

5. Processos de soldagem para alumínio

A soldagem de alumínio exige técnicas especializadas e controle de processo devido aos desafios exclusivos associados ao material. Ao contrário do aço, o alumínio tem baixo ponto de fusão, alta condutividade térmica, uma película de óxido refratário e suscetibilidade a porosidade e rachaduras. Para superar esses problemas, os processos de soldagem do alumínio devem fornecer um aporte térmico preciso, blindagem eficaz e remoção de óxido. A escolha do processo depende de fatores como tipo de liga, espessura, projeto da junta, volume de produção e qualidade de solda necessária.

Os processos de soldagem mais comumente usados para o alumínio estão descritos abaixo.

Soldagem por arco de tungstênio a gás (GTAW / TIG)

A soldagem a arco de gás tungstênio, também conhecida como soldagem TIG, é amplamente usada para alumínio devido à sua capacidade de produzir soldas de alta qualidade, precisas e limpas.

• Princípio: Um arco é formado entre um eletrodo de tungstênio não consumível e a peça. O gás de proteção inerte usado é o argônio ou o hélio, que evita a oxidação atmosférica do banho de solda fundido.
• Principais recursos do alumínio:
  • Necessita de corrente alternada (CA) para remover periodicamente o filme de óxido por meio de limpeza catódica.
  • Oferece excelente controle sobre a entrada de calor, tornando-o adequado para chapas finas de alumínio.
  • Produz soldas com o mínimo de porosidade e respingos.
• Vantagens: Soldas de alta qualidade, controle preciso, excelente para aplicações críticas.
• Limitações: Mais lento do que outros processos, requer operadores qualificados, menos econômico para seções espessas.
• Subdivisão de aplicação de produtos: Componentes aeroespaciais, jogadores, vasos de pressão, assistente de carroceria de automóveis.

Soldagem por arco de metal a gás (GMAW / MIG)

O método mais comumente usado para soldar alumínio na indústria é a soldagem por arco de metal a gás, ou comumente chamada de soldagem MIG, que tem alto grau de velocidade, flexibilidade e produtividade.

• Princípio: Um eletrodo de arame consumível alimenta continuamente o banho de solda, com gás inerte (argônio ou mistura de argônio e hélio) protegendo a solda.
• Principais recursos do alumínio:
  • Geralmente usado com eletrodo positivo de corrente contínua (DCEP) para arco estável e boa penetração.
  • Requer pistolas de carretel ou alimentadores push-pull para evitar problemas de alimentação de arame devido à maciez do alumínio.
  • Eficaz para seções médias a grossas.
• Vantagens: Altas taxas de deposição, mais rápidas que a TIG, boas para a soldagem de produção.
• Limitações: Menos preciso que o TIG, mais propenso à porosidade se a limpeza e a proteção do gás não forem controladas.
• Aplicativos: Construção naval, estruturas automotivas, vagões ferroviários, tubulações, fabricação de estruturas.

Soldagem por resistência (soldagem a ponto e soldagem por costura)

Soldagem por resistência, especialmente soldagem por pontosO sistema de fixação de chapas de alumínio é ocasionalmente usado para a união de chapas de alumínio.

• Princípio: O calor é gerado nas superfícies de revestimento pela passagem de corrente pelos eletrodos durante a aplicação de pressão.
• Desafios com o alumínio:
  • A alta condutividade do alumínio requer correntes muito altas.
  • Os eletrodos se desgastam rapidamente devido à aderência do alumínio.
• Aplicativos: Uso limitado em painéis de carroceria automotiva e conexões elétricas que envolvam chapas finas de alumínio.

Soldagem por fricção (FSW)

A Friction Stir Welding é um processo de soldagem em estado sólido que transformou a tecnologia de união de alumínio, especialmente para os setores aeroespacial, automotivo e de construção naval.

• Princípio: Uma ferramenta rotativa não consumível com um pino e um ombro mergulha na junta, gerando calor por atrito que plastifica (mas não derrete) o metal. A ferramenta então agita e forja o material para formar uma solda em fase sólida.
• Principais recursos do alumínio:
  • Elimina problemas de porosidade e rachaduras a quente porque não há derretimento.
  • Mantém as propriedades mecânicas na zona afetada pelo calor melhor do que a soldagem por fusão.
  • Produz soldas com excelente resistência à fadiga e distorção mínima.
• Vantagens: Soldas de alta qualidade, baixa distorção, sem necessidade de metal de adição.
• Limitações: Requer equipamento especializado, velocidades de deslocamento mais lentas, limitado a juntas retas ou simples.
• Aplicativos: Painéis de fuselagem de aeronaves, chassis automotivos, vagões ferroviários, cascos marítimos.

Soldagem por feixe de laser (LBW)

A soldagem por feixe de laser oferece precisão e alta velocidade de soldagem para componentes finos de alumínio.

• Princípio: Um feixe de laser focalizado derrete e funde a junta, com proteção de gás de proteção.
• Principais recursos do alumínio:
  • A alta densidade de energia permite uma penetração profunda com soldas estreitas.
  • Sensível ao ajuste da junta devido ao tamanho pequeno do feixe.
  • Requer controle preciso para evitar a porosidade.
• Aplicativos: Eletrônicos, componentes aeroespaciais, gabinetes de baterias automotivas.

Soldagem por feixe de elétrons (EBW)

A soldagem por feixe de elétrons é um processo de alta precisão, baseado em vácuo, usado para componentes críticos de alumínio.

• Princípio: Um feixe focalizado de elétrons de alta velocidade atinge a peça de trabalho, gerando intenso calor localizado que funde a junta.
• Vantagens: Penetração extremamente profunda, distorção mínima, excelente qualidade.
• Limitações: Alto custo, requer câmara de vácuo, tamanho de peça limitado.
• Aplicativos: Aeroespacial e defesa, tanques criogênicos, componentes nucleares.

Soldagem com oxicorte e soldagem com arco metálico blindado (SMAW)

Os processos tradicionais, como a soldagem com gás oxicorte e a SMAW (soldagem com bastão), raramente são usados para alumínio devido à dificuldade de controlar a entrada de calor, à contaminação por óxido e à baixa qualidade da solda. Esses processos são geralmente limitados a trabalhos de reparo em que os processos modernos não estão disponíveis.

Tabela 1 Resumo dos processos

A escolha do processo de soldagem para alumínio depende dos requisitos da aplicação. Para soldas críticas, finas e de alta qualidade, o TIG é o preferido. Para a produção e seções mais espessas, o MIG predomina. Para aplicações de última geração que exigem resistência superior e juntas sem defeitos, os processos de estado sólido, como a soldagem por fricção, são cada vez mais populares. Métodos avançados, como a soldagem a laser e por feixe de elétrons, atendem a setores especializados e de alta precisão.

6. Aplicações industriais e estudos de caso

• Construção naval: 5083 e 5456 são as ligas preferidas para cascos e decks devido à resistência à água do mar e à soldabilidade.
• AeroespacialNo entanto, a maioria das estruturas evita a soldagem em favor da rebitagem devido à baixa soldabilidade das ligas 2xxx e 7xxx.
• AutomotivoOs modelos 6061 e 6082 são usados para quadros e estruturas de colisão; o FSW é cada vez mais aplicado.
• Construção: 3003 e 6063 são usados em telhados, revestimentos, tubulações e pontes.

7. Recomendações práticas

• Para fabricação geral: Use a série 5xxx (melhor combinação de força, resistência à corrosão e soldabilidade).
• Para chapas finas e painéis decorativos: Use as séries 1xxx ou 3xxx.
• Para aplicações estruturais que exigem maior resistência: Use a série 6xxx, mas leve em conta o amolecimento da HAZ.
• Evite as séries 2xxx e 7xxx, a menos que haja condições especiais (FSW ou soldagem aeroespacial especializada).
• Sempre selecione as ligas de enchimento adequadas (geralmente 4045, 5356 ou 5556) para reduzir os riscos de rachaduras.

Conclusão

Alumínio O alumínio é um importante material de engenharia usado em vários setores, mas a soldagem de alumínio tem seus próprios problemas, pois ele tem uma alta tendência a conduzir calor e, portanto, tende a ter baixos pontos de fusão, película de óxido, porosidade e desenvolvimento de trincas a quente. A seleção da liga é o principal parâmetro que determina a soldabilidade, as propriedades mecânicas e a falha de longo prazo das construções soldadas.

Das famílias de ligas, as melhores são as 1xxx, 3xxx, 5xxx e 6xxx. A mais confiável delas inclui a série 5xxx (ligas de alumínio-magnésio), que otimiza a combinação de fragilidade contra corrosão, resistência e facilidade de soldagem, especialmente no mar e offshore. A série 6xxx, apesar de ser suscetível ao amolecimento da zona afetada pelo calor, é continuamente utilizada devido à sua resistência/adaptabilidade estrutural. As séries 1xxx e 3xxx são facilmente soldadas, mas têm resistência bastante baixa e foram usadas em aplicações não estruturais/decorativas.

Em contraste, as ligas 2xxx (alumínio-cobre) e 7xxx (alumínio-zinco) não são soldáveis e são particularmente propensas a trincas a quente e perda de propriedades mecânicas, o que limita seu uso em estruturas soldadas a alguns casos de nicho, como no setor aeroespacial.

Por fim, a soldagem de alumínio será realizada com relação aos metais de adição a serem usados e aos processos de soldagem, juntamente com a preparação da superfície, além da seleção da liga. Combinando as decisões e os métodos corretos, o potencial completo do alumínio como material leve, durável e flexível pode ser alcançado.