Caracterização microestrutural e mecânica de juntas Al-Al e Cu-Cu obtidas por diferentes tempos de brasagem por indução

Abstract

A união de materiais e componentes metálicos é essencial em diversos setores industriais, especialmente pela demanda de alto desempenho mecânico e confiabilidade estrutural. Entre os métodos disponíveis para a união de metais e componentes metálicos, a brasagem se destaca por possibilitar a junção de metais por meio de uma liga de adição, sem a fusão do metal base. Dentre os tipos existentes, a brasagem por indução oferece vantagens como aquecimento rápido e localizado, sendo amplamente utilizada na união de ligas de alumínio e cobre, devido às suas propriedades térmicas e químicas, especialmente em aplicações como trocadores de calor e sistemas de refrigeração. A qualidade das juntas brasadas é diretamente influenciada pelos parâmetros operacionais, que impactam a microestrutura, a ocorrência de defeitos e o desempenho mecânico. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo caracterizar microestrutural e mecanicamente juntas brasadas de alumínio-alumínio (Al-Al), das ligas 3103 (metal base) e 4047A (liga de adição) e juntas cobre-cobre (Cu-Cu) das ligas Cu-DHP (metal base) e Sil-Fos 15 (liga de adição), obtidas por diferentes tempos de brasagem por indução. O processo foi realizado em uma máquina V4 da empresa alemã VauQuadrat, com sistema de aquecimento indutivo e resfriamento líquido, operando com capacitor de 5,4 µF e frequência de 15,8 kHz. Utilizou-se uma estratégia em duas etapas: primeira etapa com potência inicial (6,3 kW), seguida de redução na segunda etapa (3,7 kW), sob diferentes tempos de brasagem por indução. As microestruturas foram caracterizadas por microscopia óptica (MO) para avaliação da morfologia das fases, frações volumétricas e espaçamento dendrítico secundário, e por microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia de energia dispersiva (MEV-EDS), para análise da composição química e grau de diluição. Ensaios de microdureza Vickers e tração foram realizados para avaliar o desempenho mecânico. As zonas brasadas apresentaram dendritas de fases primárias (solução sólida no Al nas juntas Al-Al e solução sólida no Cu e fase rica em prata nas Cu-Cu) e microconstituintes eutéticos (Al+Al-Si e Cu-Cu3P). As propriedades microestruturais, como fração de fase e espaçamento dendrítico, mantiveram-se estáveis entre os grupos nos diferentes tempos. Os perfis de microdureza indicaram maior dureza na zona brasada, e os ensaios de tração mostraram fraturas fora da região de brasagem em todas as amostras, com tensões mínimas estimadas entre 35-39 MPa (Al) e 68-84 MPa (Cu), confirmando a integridade das uniões. A análise do grau de diluição indicou uma interação controlada entre o metal base e a liga de adição para os grupos de alumínio, com valores estáveis entre os grupos. Para as amostras de cobre, não foi possível estabelecer essa relação de forma precisa com as técnicas disponíveis neste estudo. Os resultados indicam que, nas condições estudadas, as variações entre os tempos de processo de brasagem por indução não trouxeram mudanças significativas nas características microestruturais e mecânicas, preservando a integridade e a qualidade final das juntas brasadas.

The joining of metallic materials and components is essential across various industrial sectors, particularly due to the demand for high mechanical performance and structural reliability. Among the available metal joining methods, brazing stands out by enabling the union of metals through a filler metal without melting the base material. Among its types, induction brazing offers advantages such as rapid and localized heating and is widely used for joining aluminum and copper alloys, owing to their thermal and chemical properties, especially in applications such as heat exchangers and refrigeration systems. The quality of brazed joints is directly influenced by operational parameters, which affect the microstructure, defect occurrence, and mechanical performance. In this context, this work aimed to characterize, from both microstructural and mechanical perspectives, aluminum-aluminum (Al-Al) brazed joints using 3103 alloy (base metal) and 4047A (filler metal), and copper-copper (Cu-Cu) joints using Cu-DHP alloy (base metal) and Sil-Fos 15 (filler metal), produced under different induction brazing times. The process was carried out using a V4 machine from the German company VauQuadrat, with an inductive heating and liquid cooling system, operating with a 5.4 µF capacitor and 15.8 kHz frequency. A two-stage strategy was employed: an initial stage with higher power (6.3 kW), followed by a second stage with reduced power (3.7 kW), under different brazing times. Microstructures were characterized by optical microscopy (OM) to evaluate phase morphology, volume fractions, and secondary dendritic arm spacing, as well as by scanning electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy (SEM-EDS) for chemical composition and dilution degree analysis. Vickers microhardness and tensile tests were performed to assess mechanical performance. The brazed zones exhibited primary phase dendrites (solid solution in Al for Al-Al joints and solid solution in Cu and Ag-rich phase for Cu-Cu joints) and eutectic microconstituents (Al+Al-Si and Cu-Cu3P). Microstructural properties such as phase fraction and dendritic spacing remained stable among the groups at different brazing times. Microhardness profiles indicated higher hardness in the brazed zone, and tensile tests showed fracture outside the brazed region in all samples, with minimum stress values estimated between 35–39 MPa (Al) and 68–84 MPa (Cu), confirming joint integrity. Dilution analysis indicated controlled interaction between the base metal and filler metal for the aluminum groups, with stable values among the groups. For copper samples, it was not possible to precisely establish this relationship with the techniques available in this study. The results indicate that, under the studied conditions, variations in induction brazing times did not lead to significant changes in microstructural or mechanical characteristics, preserving the integrity and final quality of the brazed joints.