Temple del cobre y radio mínimo de doblado

«Barra colectora de cobre, 100 × 10, 3 metros» no es una especificación que se pueda comprar. Nombra un metal y una sección y deja fuera la única propiedad que decide si la barra doblará al radio de su plano o se agrietará a lo ancho de la cara exterior en la primera pieza. Esa propiedad es el temple, y es un campo de la cadena de suministro antes que un problema de taller: una vez que la barra está en la estantería, nadie puede cambiarlo sin un horno.

Lo que sigue indexa la orientación sobre radio de doblado a los códigos de temple que aparecen en los pedidos de compra y en los certificados de colada, en lugar de al espesor solo. El espesor importa, pero es la segunda variable.

Qué significan los códigos de EN 13601

EN 13601 cubre varilla, barra y alambre de cobre para uso eléctrico y, para el trabajo de barra colectora, la calidad que interesa es Cu-ETP, designación CW004A. La norma identifica el estado del material de dos maneras, y ambas aparecen en los certificados.

La designación R está indexada a la resistencia a tracción mínima en N/mm². R220 significa una tracción mínima de 220. La designación H está indexada a la dureza Vickers mínima. H040 significa 40 HV mínimo. Ambas van en paralelo, y por eso se ven emparejadas.

Los rangos de tracción son los de la norma. Las cifras de límite elástico, alargamiento y dureza son las que las fichas de laminador publican junto a estas designaciones para el Cu-ETP y deben tomarse como típicas y no como normativas; la guía de barra colectora de la Copper Development Association da de 50 a 55 N/mm² de límite elástico para cobre de sección de barra totalmente recocido y de 170 a 200 N/mm² para semiduro, lo que en el extremo blando es más bajo que las cifras de fleje de arriba.

De la tabla se siguen dos cosas y ambas importan más que las cifras mismas.

Primera, la cadena va en un solo sentido. La deformación en frío sube la resistencia a tracción, sube el límite elástico, sube la dureza y recorta el alargamiento. Todas las propiedades de la fila se mueven juntas porque todas salen de la misma densidad de dislocaciones. No se puede comprar cobre duro que además tenga la conformabilidad del cobre blando.

Segunda, la columna de alargamiento se desploma mucho más deprisa de lo que suben las columnas de resistencia. Pasar de R220 a R290 le gana en torno a un 40 % de resistencia a tracción y le cuesta alrededor del 88 % de su alargamiento. Esa asimetría es la razón de que la elección de temple la dominen consideraciones de conformado y no de resistencia.

El efecto de tamaño que nadie menciona

Hay una salvedad sobre el temple duro que pilla desprevenida a mucha gente en secciones grandes. La resistencia máxima alcanzable depende de la sección, porque la cantidad de reducción en frío que un laminador puede meter en una barra está limitada por la reducción de área que permite el proceso. La guía de la CDA sitúa la barra en estado duro entre 250 y 340 N/mm² según el área de la sección, con las secciones mayores en el extremo bajo.

Así que «duro» en una barra de 30 × 5 y «duro» en una de 200 × 12 no son el mismo estado de material, aunque los dos certificados digan R290. La sección grande estará más cerca del fondo de la banda, será algo más indulgente al doblar y recuperará algo menos. Si traslada una tabla de compensación probada de una sección pequeña a una grande, espere que sea conservadora y no que esté equivocada.

Radio mínimo de doblado, de plano

El punto de partida publicado es la guía de la CDA para cobre de alta conductividad en temple semiduro o duro, que da los radios mínimos de matriz como múltiplo del espesor:

Por encima de 50 mm, la barra normalmente no se dobla en absoluto; la CDA señala que puede hacerse con recocido localizado antes del conformado.

Esas cifras ya suponen los temples más duros, así que son un suelo seguro para R240 y R290. Para R220 se puede ir más ajustado, pero rara vez hay motivo. Lo que las bandas de espesor no muestran es el eje del temple, así que en la práctica una tabla de trabajo se parece más a esto:

Tome la columna de R220 y la de R290 como indicativas. La tabla de la CDA es el anclaje verificado; la horquilla a ambos lados refleja práctica normal de taller y debería confirmarse con una primera pieza para cada combinación de material, espesor y utillaje.

El alargamiento ordena los temples; no presupuesta la deformación del doblez

La deformación ingenieril en la fibra exterior de un doblez se deduce directamente de la geometría:

ε = t / (2R + t) = 1 / (2·(R/t) + 1)

Con R/t = 1 eso es un 33 %. Con R/t = 2 es un 20 %. Con R/t = 4 es un 11 %. Compárelo con la columna de alargamiento: el R290 se especifica con un 4 % mínimo, lo que en una lectura ingenua exigiría un R/t por encima de 11 para que la fibra exterior sobreviva.

No es así, y saber por qué evita que la gente sobreespecifique radios. Un ensayo de tracción mide el alargamiento hasta rotura en una longitud calibrada uniforme donde la estricción puede formarse y progresar libremente. En un doblez, la deformación máxima existe solo en la superficie exterior y a lo largo de un arco corto, y el material sin deformar de alrededor impide que se desarrolle ninguna estricción. La deformación de doblado alcanzable supera por tanto el alargamiento de tracción con un margen amplio, que es exactamente cómo la CDA puede especificar 1 t para cobre duro de hasta 10 mm de espesor en un material con un 4 % de alargamiento.

Use la cifra de alargamiento para ordenar los temples entre sí y para predecir cuál agrietará antes. No la use como presupuesto de deformación de doblado.

Qué aspecto tiene el fallo

El agrietamiento en la fibra exterior progresa por etapas reconocibles, y detectarlo en la primera salva el lote.

La piel de naranja llega primero. La superficie exterior se vuelve rugosa hasta formar una textura visible, porque los granos individuales se deforman de manera independiente. Por sí sola es cosmética, pero le dice que la fibra exterior está cerca de su límite, y empeora con el tamaño de grano grueso, que es a su vez un síntoma de recocido excesivo.

Después vienen las microfisuras transversales, paralelas al eje del doblez y cruzando la cara exterior. En una barra recubierta pueden mostrarse solo como roturas del recubrimiento. La pieza es chatarra en ese punto, porque la fisura es un concentrador de tensiones situado justo donde la carga de fatiga es máxima en servicio. La fisuración pasante es la etapa terminal y no necesita descripción.

En la cara interior el modo de fallo es distinto: inestabilidad a compresión, que se manifiesta como pandeo o arrugamiento. En un doblado de plano suele ser señal de que la barra estaba mal sujeta. En un doblado de canto es la restricción que gobierna, no un fenómeno accesorio.

El doblado de canto necesita radios radicalmente mayores

Todo lo anterior es para doblado de plano, donde la barra se pliega a través de su espesor y la dimensión pequeña gobierna la deformación. Doble la misma barra por el lado difícil, a través de su ancho, y la geometría cambia por completo: la fibra exterior queda ahora a medio ancho de barra del eje neutro en lugar de a medio espesor, y la fibra interior tiene un vano largo sin apoyo trabajando a compresión.

La evidencia práctica está en las tablas de capacidad de las máquinas. La SMART-603CNC-S está declarada en 260 × 20 mm para doblado de plano y 125 × 15 mm para doblado de canto, y ese reducirse aproximadamente a la mitad en ambas dimensiones es un patrón que encontrará en general en los equipos de doblado de barra. Los radios mínimos para el trabajo de canto van en múltiplos del ancho de la barra, no del espesor, y suelen ser varias veces la cifra de plano. La comparación entre doblado de canto y doblado de plano cubre la mecánica y las alternativas de diseño.

No traslade una regla de radio de plano a un doblado de canto. Es la vía más rápida a un canto exterior agrietado.

Dirección del grano

El cobre laminado y estirado lleva una textura cristalográfica alineada con la dirección de trabajo, y como consecuencia la conformabilidad es direccional. Se aplica la regla general del conformado de chapa: un doblez cuyo eje va perpendicular a la dirección de laminación es la orientación favorable, y un doblez cuyo eje va paralelo a ella es el que agrieta.

Para la barra colectora corriente esto juega a su favor sin ningún esfuerzo. La barra se lamina o se estira a lo largo, y un doblez transversal normal deja el eje del doblez cruzando la barra, perpendicular a la dirección de trabajo. Usted ya está en la orientación buena.

Donde deja de ser automático es en barra cortada de chapa ancha o cortada en tiras de bobina, donde la longitud de la barra acabada puede no alinearse con la dirección de laminación original. Si un proveedor sustituye barra estirada por material cortado en tiras, el comportamiento en doblado puede cambiar aunque el certificado sea idéntico en resistencia. Es una buena razón para registrar la forma del material, y no solo la calidad y el temple, en el registro de proceso de doblado.

Leer el certificado de colada

Un certificado útil para barra colectora lleva la calidad y la norma, Cu-ETP CW004A según EN 13601. Lleva la designación de temple en las dos formas cuando el laminador da ambas, R240 / H065. Lleva la resistencia a tracción, el alargamiento y la dureza medidos contra el número de colada o de lote. Lleva la conductividad como porcentaje de IACS, que para material recocido debería ser del 100 % o mejor y para material estirado en duro al menos del 97 %, porque la deformación en frío cuesta entre un 2 y un 3 % de conductividad.

Lo que normalmente no lleva, salvo que usted lo pida, es el límite elástico convencional al 0.2 % medido. Esa es la cifra que necesita el cálculo de la recuperación elástica y, para R220, es la que lleva la horquilla admisible más amplia. La norma fija un techo al límite elástico del material blando, no un suelo, así que dos barras R220 conformes pueden diferir en un factor de dos en cuánto recuperan. Si usted trabaja cobre blando en producción, ponga el Rp0.2 medido en el pedido de compra.

Lo otro que hay que comprobar es que el certificado se refiera al lote entregado y no a un ensayo de tipo. Los certificados de ensayo de tipo son frecuentes y no son la misma evidencia.

Cuándo recocer es la respuesta correcta

Hay casos legítimos. Barra de más de 50 mm de espesor, donde el recocido localizado en el doblez antes de conformar es la única vía práctica. Retrabajo de una barra ya conformada, donde la zona del doblez se ha endurecido por deformación en la primera operación y un segundo doblez en el mismo sitio agrietaría. Radios muy ajustados en una reforma donde la barra ya está cortada y la alternativa es la chatarra.

Hay también un caso frecuente que no es una razón legítima: comprar barra dura porque es lo que tenía el distribuidor y recocerla después para poder doblarla. Esa secuencia paga la deformación en frío y vuelve a pagar por quitarla, y descarta las propiedades mecánicas que el temple duro estaba aportando. La barra dura resiste la flecha en vanos largos sin apoyo y resiste la distorsión permanente bajo los esfuerzos electrodinámicos de cortocircuito. Recueza la barra entera y no habrá comprado ni la conformabilidad del R220 ni la rigidez del R290.

Antes de comprometerse con un recocido se aplican dos restricciones técnicas. El Cu-ETP ablanda progresivamente por encima de unos 150 °C, y un recocido completo de recristalización se hace normalmente en torno a 400 °C, donde la recristalización se completa esencialmente en cuestión de minutos. Los mantenimientos más largos engrosan el grano, y el grano grueso da piel de naranja en el siguiente doblez, así que un recocido largo puede empeorar el acabado superficial mientras ablanda el material.

La segunda restricción es específica de esta calidad. El Cu-ETP contiene oxígeno residual. Recuézalo en una atmósfera con hidrógeno y el hidrógeno difunde hacia dentro, reduce las inclusiones de óxido y forma vapor de agua en los bordes de grano, lo que fragiliza el material de forma irreversible. EN 13601 incluye un requisito de ausencia de fragilización por hidrógeno exactamente por esta razón. Si el recocido forma parte de su proceso, controle la atmósfera del horno o especifique en su lugar una calidad exenta de oxígeno.

Redactar el pedido de compra

El conjunto mínimo para un pedido de barra colectora es calidad y norma, designación de temple, sección, forma y el requisito de certificado. Añadir el límite elástico medido no le cuesta nada al laminador y elimina la mayor fuente individual de deriva en el doblado. Si una barra va a ir a una dobladora con una tabla de compensación de recuperación elástica guardada, el código de temple es la clave de esa tabla, y un temple sin especificar significa que la tabla no tiene ninguna entrada válida.

El temple tampoco influye en la capacidad de conducción de corriente, que la fijan la sección, la disposición y el entorno térmico; si esa es la restricción con la que usted trabaja, la calculadora de capacidad de corriente la resuelve con independencia de cómo se haya trabajado la barra. Las dos decisiones son separables, y mantenerlas separadas evita que las discusiones de conformabilidad se filtren en las de dimensionado.