Comportamento de tiras laminadas de cobre e alumínio durante a união a laser

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Quando se une cobre e alumínio, normalmente tem-se como objetivo conseguir uma junta com as melhores propriedades elétricas possíveis. Contudo, isso leva à formação de fases intermetálicas frágeis devido à baixa solubilidade metalúrgica entre ambos os materiais. O uso de tiras bimetálicas laminadas como camada de transição permite evitar a presença de uma junta soldada entre metais nãosimilares e, como resultado disso, é possível aumentar a estabilidade a longo prazo da união. Este trabalho investiga as propriedades a longo prazo das tiras bimetálicas laminadas e de seu comportamento durante a soldagem a laser, com base em simulações digitais.

K. Hofmann, M. Holzer, V. Mann, F. Hugger e S. Roth

Data: 18/04/2017

Edição: CCM Março 2017 - Ano XII - N^o 143

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Muitos projetistas tendem a substituir amplamente as ligas de cobre em aplicações nas áreas de armazenamento e condução de energia para aplicações eletrônicas de potência em sistemas móveis, devido à sua alta densidade ⁽¹⁾ e preço ⁽²⁾. Como alternativa a esses materiais na fabricação de estruturas condutoras pode -se usar par ticularmente as ligas de alumínio ^(3,4), uma vez que esse metal apresenta densidade cerca de 60% inferior à do cobre ^(5,6), além de proporcionar vantagens financeiras, já que seu uso permite uma considerável economia de custos, da ordem de 70%.

Essa substituição desejada de materiais vem ocorrendo sobretudo nos circuitos de bordo em sistemas móveis ^(3,7) , mas em muitos componentes usados em circuitos eletrônicos de potência não é possível uma substituição tot al do cobre p elo alumínio, ao menos dentro de um futuro previsível ^{(8 -10)} , uma vez que o cobre apresenta um espectro de propriedades único para o uso em grupos construtivos elétricos. Devido a essa situação, a implantação de medidas viáveis para a redução de custos requer a confecção econômica de uniões que se mantenham estáveis durante longos períodos de tempo ^(11,12). Com o desdobramento de uma única união entre metais dissimilares em duas uniões entre materiais similares, utilizando-se uma tira bimetálica laminada intermediária entre os dois componentes a serem unidos, é possível uma separação total entre as poças de fusão do alumínio e do cobre. Contudo, no momento ainda faltam conhecimentos livremente disponíveis sobre a possível degradação da zona de união (ou de difusão) entre os dois metais que constituem a tira bimetálica, a qual pode ser causada pelos processos de difusão induzidos termicamente durante a soldagem a laser.

O estado da técnica

A causa para a relativamente baixa resistência à fadiga mecânica e térmica dos contatos entre alumínio e cobre soldados a laser é a baixa solubilidade de ambos os elementos entre si e a resultante formação de fases intermetálicas com maior dureza e fragilidade ^(13,15) , as quais reduzem a ductilidade das juntas soldadas ⁽¹⁶⁾. A formação de uma série de soluções sólidas ao longo de toda a faixa de concentrações para os dois metais faz com que geralmente a junta soldada seja constituída por soluções sólidas dúcteis e não sujeitas a trincamento, e que também apresentam propriedades mecânicas favoráveis. Em razão das altas velocidades de resfriamento que ocorrem nos processos térmicos de união, pode-se esperar altos níveis de heterogeneidade térmica, as quais podem promover a formação de trincas a quente ⁽¹⁷⁾. Após o resfriamento rápido surge primeiramente uma microestrutura eutética muito fina nos contornos dos grãos já formados, a qual geralmente é mais dura e frágil do que os cristais primários. Nas soluções sólidas que apresentam tendência à formação de fases intermetálicas, mesmo pequenas frações desses constituintes microestruturais frágeis já podem dar origem a juntas soldadas com baixa ductilidade e sujeitas a trincamento ⁽¹⁸⁾.

Abordagens para a solução do problema

O objetivo deste trabalho foi prolongar a durabilidade a longo prazo das uniões soldadas a laser entre cobre e alumínio. Neste caso específico foram usadas tiras bimetálicas laminadas intermediárias constituídas de cobre e alumínio entre os dois componentes a serem unidos, as quais evitam que as fases fundidas de cobre e alumínio se misturem durante a união térmica com outro componente. Contudo, para que as tiras bimetálicas não sofram degradação, é essencial conhecer bem a influência exercida pelos processos de soldagem térmicos sobre as propriedades da zona de transição entre cobre e alumínio (ou zona de difusão) da tira bimetálica. Portanto, é obrigatório um entendimento pleno das relações entre o processo de soldagem, das características da tira bimetálica e as resultantes propriedades a longo prazo, o qual viabilizará a confecção de juntas com nível adequado de qualidade e sob baixos custos. Para atender esse objetivo, foram feitos ensaios experimentais e simulações numéricas visando determinar os campos de temperatura sobre a zona de difusão da tira bimetálica. Os cálculos sobre o crescimento das fases intermetálicas foram efetuados com base nas evoluções simuladas de temperatura.

Aparato experimental e resultados da investigação

Os dados sobre os materiais empregados e dos equipamentos para a execução dos ensaios são apresentados na tabela 1. Os ensaios foram feitos num dispositivo de fixação em que ambas as peças a serem unidas foram posicionadas em configuração de sobreposição, de forma a se obter uma junta inclinada entre metais similares (figura 1).

Durante a soldagem a laser usando fonte em regime contínuo é imperativo que seja feito um dimensionamento da tira bimetálica intermediária que seja adequado ao processo de união utilizado, de forma a evitar a mistura de ambos os metais no estado fundido. A partir das temperaturas reinantes na face inferior da tira bimetálica, as quais foram medidas experimentalmente, foi feito o ajuste de um modelo numérico para o cálculo dessas temperaturas, que foi desenvolvido usando o programa computacional para simulação Comsol Multiphysics. Dessa forma as temperaturas resultantes na zona de difusão da tira bimetálica podem ser calculadas a partir das simulações executadas, assumindo diferentes combinações de espessuras e intensidades do feixe de laser.

Essa determinação constitui o fundamento para o cálculo do crescimento das fases intermetálicas induzidas pelo aporte de energia térmica durante a soldagem. A seguir, com base nos modelos numéricos, procedeu-se ao dimensionamento numérico das espessuras a serem adotadas na tira bimetálica, com o objetivo de evitar uma mistura direta entre os diferentes metais fundidos e quantificar, de forma analítica, o crescimento das fases intermetálicas. Em função dos testes efetuados com diferentes valores de espessura da tira bimetálica sob a evolução de temperaturas resultante do processo de soldagem, ficou evidente que a espessura global da tira bimetálica (que apresentava relação de espessuras entre alumínio e cobre igual a 2:1) deve ser superior a 1 mm, de forma a evitar a ocorrência de temperaturas críticas da ordem de 660°C (aproximadamente a temperatura de fusão do alumínio) na zona de difusão. As figuras 2 e 3 mostram fusãoantes da soldagem; à direita, depois dauma comparação entre as simulações numéricas e os resultados experimentais.

A partir das evoluções de temperatura na zona de difusão pode-se efetuar o cálculo analítico do crescimento induzido termicamente das fases intermetálicas. Os coeficientes de difusão foram calculados em função da temperatura ⁽¹⁹⁾.

A combinação de coeficientes de difusão específicos para a temperatura com os tempos requeridos para o tempo de soldagem possibilitou o cálculo do crescimento de todas as cinco fases intermetálicas a partir das equações (1) e (2) descritas a seguir. O crescimento das fases metálicas é calculado a partir de uma lei parabólica baseada nos coeficientes de difusão dependentes da temperatura e específicos para as fases K, da constante de crescimento k0, da energia de ativação para crescimento de fases Q, da constante dos gases ideais R e também da temperatura reinante na zona de difusão T (20) :

O cálculo numérico do crescimento induzido termicamente das fases intermetálicas permite uma avaliação da degradação térmica da tira bimetálica durante o processo de solda gem. Contudo, de forma geral, pode ser constatado que o crescimento de fases interme tálicas em tiras bimetálicas com 1,5 mm de espessura não ultrapassa mais do que um mícron no caso de tempos de processo muito curtos (168 ms, figura 4)

A figura 4 mostra os valores medidos da espessura da zona de difusão antes e depois do processo de soldagem. A espessura da tira bimetálica e a intensidade do feixe de laser determinam a distribuição de temperaturas decorrente da soldagem na zona de difusão, da qual resulta o crescimento das fases intermetálicas, conforme mostrado na figura 5. Pode-se constatar um aumento do crescimento induzido termicamente das fases intermetálicas sob níveis crescentes de intensidade do feixe de laser, bem como para menores valores de espessura da tira bimetálica. No caso de tiras bimetálicas com espessura mínima de 1,5 mm, em que foram mantidos os níveis de aporte térmico da soldagem aplicados na simulação, foi constatado que a espessura do crescimento das fases intermetálicas foi limitada a, no máximo, um mícron, independentemente da espessura da tira bimetálica. Isso pode ser resultado dos tempos de soldagem muito curtos (menores do que 0,5 segundos por trilha de soldagem), bem como da alta condutividade térmica do cobre, uma vez que um curto tempo de permanência de, no máximo, 168 ms, já resulta na formação de picos de temperatura na zona de difusão. Além disso, as solicitações térmicas na zona de difusão ficaram restritas exclusivamente à região abaixo do cordão de solda, uma vez que a maior parte da tira bimetálica de cobre e alumínio não sofreu solicitações térmicas.

Conclusões

Foram feitos ensaios experimentais, bem como cálculos analíticos e numéricos, para determinar o crescimento de fases intermetálicas e, dessa forma, estimar a degradação da zona de difusão durante a soldagem a laser de juntas de cobre-alumínio usando tiras bimetálicas intermediárias. Os estudos efetuados mostraram que os curtos tempos de soldagem, menores do que 200 ms, levaram a um crescimento das fases intermetálicas na zona de difus ão da tira bimet álic a da ordem de 10% da espessura original da fase intermetálica (o que corresponde a um mícron). Por meio do uso de tiras bimetálicas intermediárias com esp es sura mínima de 1,5 mm foi possível evitar a fusão da zona de difusão ao usar valores da intensidade do feixe de laser menores do que 5,5 x 10 6 W /cm2 e, dessa forma, restringir o crescimento de fases intermetálicas e evitar a degradação da zona de contato entre os dois componentes da tira bimetálica por processos de difusão.

Agradecimentos

O projeto IGF 17.624 B/ DVS-No 10.071, desenvolvido pela Associação de Pesquisa em Soldagem e Processos Aplicados da Associação Alemã para Soldagem e Processos Aplicados (Foschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren des Deutscher Verband für Schweißen und verwandt Verfahren – D.V.S.), com sede em Aachener Strasse 172, 4 0223 Düsseldor f, Alemanha, foi apoiado pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft indus trielle r F or schungs ve re i nigungen, A.i.F.) e pela A sso ciação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento ( I ndus trielle Gemeinschaftsforschung, I.G.F.) do Ministério Federal Alemão para Economia e Energia, com base numa resolução do Parlamento Alemão.

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