Design and development of an aluminum brazing process with penetration depth induction

Abstract

Técnicas de união de materiais, como a soldagem, são essenciais em setores como o automotivo e aeroespacial. No entanto, quando se trata de alumínio, a soldagem enfrenta desafios devido à formação de óxidos e características térmicas do material. Nesse contexto, o método de brasagem, especialmente por indução, destaca-se, pois permite a união de componentes de alumínio sem fundi-los, por meio da adição de uma liga de brasagem, que funde e forma a junta. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um processo de brasagem por indução por penetração profunda de tubos de alumínio da liga 3103 utilizados em trocadores de calor de sistemas de refrigeração, com foco nos parâmetros de processo (frequência, tempo, potência e modulação da largura de pulso). Inicialmente, projetou-se um indutor de cobre adequado à geometria dos tubos, buscando aquecimento uniforme e eficiente. Foram realizados testes com a liga de adição Filalu 1192, composta pela liga 4047A e fluxo de fluoraluminato de potássio, variando a potência e o tempo para duas abordagens de brasagem por indução: uma com potência constante e outra em duas etapas, reduzindo a potência após um pico inicial para evitar superaquecimento. Testes em tubos com diferentes espessuras permitiram identificar os parâmetros ideais de brasagem, incluindo uma abordagem de duas etapas, que foi o melhor parâmetro encontrado: alta potência inicial (100% por 10 s), seguida de redução para 65% pelo restante do tempo, utilizando um capacitor de 6 μF, frequência de 15,8 kHz e pulso de 8 μs. Esse parâmetro proporcionou um bom preenchimento da junta e um tempo de brasagem adequado. Para comparar os métodos, também foi realizada a brasagem por chama. Avaliações da qualidade das juntas incluíram inspeção visual, microscopia óptica e eletrônica (MEV), análise química (EDS) e ensaios de tração. A inspeção visual permitiu ajustar os parâmetros ao identificar defeitos como excesso ou falta de material, superaquecimento e desalinhamento. As análises microscópicas mostraram uma distribuição adequada do material de enchimento na maioria das amostras, com exceções que apresentaram preenchimento incompleto. Imagens da interface das juntas por MEV revelaram porosidade e microestruturas dendríticas, enquanto o EDS confirmou a composição e a distribuição de alumínio e silício na área de fusão. Os resultados dos ensaios de tração indicaram variações significativas na resistência à tração e deformação entre os grupos amostrais. A amostra sem brasagem apresentou a maior resistência à tração, atingindo 53,16 MPa, enquanto as amostras brasadas exibiram resistência inferior, chegando a 37,81 MPa, um valor consistente com outras referências, embora inferior ao do tubo sem brasagem. As curvas tensão-deformação evidenciaram que as amostras brasadas suportam forças significativas sem fraturar na junta, sugerindo que a resistência à tração da junta era superior à do próprio tubo. A pressão máxima suportável pelos tubos foi calculada usando a equação de Lamé, com um resultado mínimo de 26,8 bar.

Material joining techniques, like welding, are essential in fields such as automotive and aerospace. However, when it comes to aluminum, welding faces challenges due to oxide formation and the material's thermal properties. In this context, brazing, especially induction brazing, stands out, as it allows aluminum components to be joined without melting them. This is done by adding a brazing alloy that melts to form the joint. This study aims to develop a depth penetration induction brazing process for aluminum 3103 tubes used in heat exchangers for cooling systems, focusing on process parameters like frequency, time, power, and pulse width modulation. To start, a copper inductor was designed to match the geometry of the tubes, aiming for homogeneous and efficient heating. Tests were carried out with Filalu 1192 filler alloy, made of 4047A alloy with potassium fluoroaluminate flux, adjusting power and time for two induction brazing methods: one with constant power and another in two stages, reducing power after an initial peak to avoid overheating. Tests on tubes with different wall thicknesses allowed for the identification of the ideal brazing parameters, including a two-step approach, which was the best parameter found: high initial power (100% for 10 s), followed by a reduction to 65% for the rest of the process, using a 6 μF capacitor, 15.8 kHz frequency, and an 8 μs pulse. This parameter provided good joint filling and an adequate brazing time. Joint quality was examined through visual inspection, optical and electron microscopy (SEM), chemical analysis (EDS), and tensile testing. Visual inspection helped refine the parameters by identifying defects such as excess or lack of material, overheating, and misalignment. Microscopic analysis showed good filler distribution in most samples, except for a few with incomplete filling. SEM images of joint interfaces revealed porosity and dendritic microstructures, while EDS confirmed the aluminum and silicon composition in the fusion area. Tensile tests showed notable differences in strength and strain among sample groups. The unbrazed sample had the highest strength, reaching 53.16 MPa, while brazed samples showed lower strength, reaching 37.81 MPa—a consistent value with other references, though lower than the unbrazed tube. The stress-strain curves indicated that brazed samples withstood significant forces without joint fracture, suggesting that the joint strength was higher than that of the tube itself. The tube's maximum withstandable pressure was calculated using Lamé’s equation with a minimum result of 26,8 bar.