Têmpera do cobre e raio mínimo de dobra

"Barramento de cobre, 100 × 10, 3 metros" não é uma especificação comprável. Nomeia um metal e uma seção e deixa de fora a única propriedade que decide se a barra vai dobrar no raio do seu desenho ou trincar na face externa na primeira peça. Essa propriedade é a têmpera, e ela é um campo de cadeia de suprimentos antes de ser um problema de oficina: uma vez que a barra está no rack, ninguém a muda sem um forno.

O que vem a seguir indexa a orientação de raio de dobra aos códigos de têmpera que aparecem em pedidos de compra e certificados de laminação, e não apenas à espessura. A espessura importa, mas é a segunda variável.

O que significam os códigos da EN 13601

A EN 13601 cobre vergalhão, barra e fio de cobre para fins elétricos, e para trabalho de barramento o grau de interesse é o Cu-ETP, designação CW004A. A norma identifica a condição do material de duas formas, e as duas aparecem em certificados.

A designação R é atrelada à resistência à tração mínima em N/mm². R220 significa tração mínima de 220. A designação H é atrelada à dureza Vickers mínima. H040 significa 40 HV no mínimo. As duas correm em paralelo, e é por isso que você as vê emparelhadas.

As faixas de tração são as da norma. Os valores de limite de escoamento, alongamento e dureza são os que as folhas de dados das laminações publicam ao lado dessas designações para o Cu-ETP e devem ser tratados como típicos, não como normativos; a orientação sobre barramento da Copper Development Association cita de 50 a 55 N/mm² de escoamento para cobre em seção de barramento totalmente recozido e de 170 a 200 N/mm² para o meio-duro, o que é mais baixo, na ponta mole, do que os valores de fita acima.

Duas coisas decorrem da tabela e as duas importam mais do que os próprios números.

Primeira, a cadeia é de mão única. O trabalho a frio eleva a resistência à tração, eleva o limite de escoamento, eleva a dureza e corta o alongamento. Toda propriedade da linha se move junto, porque todas vêm da mesma densidade de discordâncias. Não dá para comprar cobre duro que também tenha a conformabilidade do cobre mole.

Segunda, a coluna de alongamento desaba muito mais rápido do que as colunas de resistência sobem. Ir de R220 a R290 ganha cerca de 40% em resistência à tração e custa aproximadamente 88% do alongamento. É essa assimetria que faz a escolha de têmpera ser dominada por considerações de conformação, e não por resistência.

O efeito de tamanho que ninguém menciona

Há uma ressalva sobre a têmpera dura que pega as pessoas de surpresa em seções grandes. A resistência máxima obtenível depende da seção, porque a quantidade de redução a frio que uma laminação consegue impor a uma barra é limitada pela redução de área que o processo permite. A orientação da CDA coloca o barramento em condição dura na faixa de 250 a 340 N/mm² conforme a área de seção, com as seções maiores na ponta baixa.

Portanto, "duro" em uma barra de 30 × 5 e "duro" em uma barra de 200 × 12 não são o mesmo estado de material, mesmo quando os dois certificados dizem R290. A seção grande vai ficar mais perto do fundo da faixa, vai ser ligeiramente mais tolerante à dobra e vai retornar um pouco menos. Se você estiver transferindo uma tabela de compensação comprovada de uma seção pequena para uma grande, espere que ela seja conservadora, e não errada.

Raio mínimo de dobra, de plano

O ponto de partida publicado é a orientação da CDA para cobre de alta condutividade em têmpera meio-dura ou dura, que dá raios mínimos de matriz como múltiplo da espessura:

Acima de 50 mm, a barra normalmente não é dobrada; a CDA observa que isso pode ser feito com recozimento localizado antes da conformação.

Esses valores já supõem as têmperas mais duras, então são um piso seguro para R240 e R290. Para R220 dá para ir mais apertado, mas raramente há razão. O que as faixas de espessura não mostram é o eixo da têmpera, então na prática uma tabela de trabalho fica mais parecida com esta:

Trate a coluna R220 e a coluna R290 como indicativas. A tabela da CDA é a âncora verificada; a dispersão dos dois lados dela reflete a prática normal de oficina e deve ser confirmada em uma peça piloto para cada combinação de material, espessura e ferramental.

O alongamento ordena têmperas; não orça a deformação da dobra

A deformação de engenharia na fibra externa de uma dobra decorre diretamente da geometria:

ε = t / (2R + t) = 1 / (2·(R/t) + 1)

Em R/t = 1 isso dá 33%. Em R/t = 2 dá 20%. Em R/t = 4 dá 11%. Compare esses valores com a coluna de alongamento: o R290 é especificado em 4% no mínimo, o que, em leitura ingênua, exigiria R/t acima de 11 para a fibra externa sobreviver.

Não exige, e saber por quê evita que se superespecifiquem raios. Um ensaio de tração mede alongamento até a fratura em um comprimento útil uniforme, onde uma estricção pode se formar e correr livremente. Em uma dobra, a deformação de pico existe apenas na superfície externa, ao longo de um arco curto, e o material não deformado ao redor impede que uma estricção se desenvolva. A deformação de dobra alcançável excede, portanto, o alongamento em tração por larga margem, que é exatamente como a CDA consegue especificar 1 t para cobre duro até 10 mm de espessura em um material com 4% de alongamento.

Use o valor de alongamento para ordenar têmperas entre si e para prever qual vai trincar primeiro. Não o use como orçamento de deformação de dobra.

Como a falha se apresenta

O trincamento na fibra externa progride em estágios reconhecíveis, e pegá-lo no primeiro estágio salva o lote.

A casca de laranja vem primeiro. A superfície externa fica áspera, com textura visível, à medida que grãos individuais se deformam de forma independente. Sozinha, é estética, mas indica que a fibra externa está perto do seu limite, e piora com tamanho de grão grosseiro, que por sua vez é sintoma de recozimento excessivo.

Microtrincas transversais vêm em seguida, correndo paralelas ao eixo da dobra ao longo da face externa. Em uma barra revestida elas podem se manifestar apenas como rupturas no revestimento. A peça é sucata nesse ponto, porque a trinca é um concentrador de tensão situado exatamente onde o carregamento de fadiga é maior em serviço. A trinca passante é o estágio terminal e dispensa descrição.

Na face interna o modo de falha é outro: instabilidade em compressão, manifestando-se como flambagem ou enrugamento. Em uma dobra de plano isso costuma ser sinal de que a barra estava mal apoiada. Em uma dobra de cutelo, é a restrição que governa, e não um acidente.

A dobra de cutelo exige raios radicalmente maiores

Tudo o que está acima vale para dobra de plano, em que a barra se dobra através da espessura e a dimensão pequena governa a deformação. Dobre a mesma barra do jeito difícil, através da largura, e a geometria muda completamente: a fibra externa passa a ficar a meia largura de barra da linha neutra, em vez de meia espessura, e a fibra interna tem um vão longo e sem apoio em compressão.

A evidência prática está nas tabelas de capacidade das máquinas. A SMART-603CNC-S é classificada em 260 × 20 mm para dobra de plano e 125 × 15 mm para dobra de cutelo, e essa redução aproximada à metade nas duas dimensões é um padrão que você encontra em equipamentos de dobra de barramento em geral. Os raios mínimos para trabalho de cutelo correm em múltiplos da largura da barra, não da espessura, e comumente são várias vezes o valor de plano. A comparação entre dobra de cutelo e dobra de plano em barramento cobre a mecânica e as alternativas de projeto.

Não transporte uma regra de raio de plano para uma dobra de cutelo. É o caminho mais rápido para uma aresta externa trincada.

Direção do grão

Cobre laminado e trefilado carrega uma textura cristalográfica alinhada com a direção de trabalho e, por isso, a conformabilidade é direcional. Vale a regra geral da conformação de chapas: uma dobra cujo eixo corre perpendicular à direção de laminação é a orientação favorável, e uma dobra cujo eixo corre paralelo a ela é a que trinca.

Para barramento comum isso funciona a seu favor sem nenhum esforço. A barra é laminada ou trefilada ao longo do comprimento, e uma dobra transversal normal coloca o eixo da dobra atravessando a barra, perpendicular à direção de trabalho. Você já está na boa orientação.

Onde isso deixa de ser automático é em barra cortada de chapa larga ou fatiada de bobina, em que o comprimento da barra acabada pode não se alinhar com a direção original de laminação. Se um fornecedor substituir barra trefilada por material fatiado, o comportamento na dobra pode mudar mesmo que o certificado leia igual em resistência. É uma boa razão para registrar a forma do material, e não só grau e têmpera, no registro do processo de dobra.

Lendo o certificado da laminação

Um certificado útil para barramento traz o grau e a norma, Cu-ETP CW004A conforme a EN 13601. Traz a designação de têmpera nas duas formas, onde a laminação cita as duas, R240 / H065. Traz resistência à tração, alongamento e dureza medidos contra o número de corrida ou de lote. Traz a condutividade como percentual do IACS, que para material recozido deve ser 100% ou melhor e, para material encruado, pelo menos 97%, porque o trabalho a frio custa de 2 a 3% de condutividade.

O que ele normalmente não traz, a menos que você peça, é o limite de escoamento a 0.2% medido. É esse o número de que o cálculo do retorno elástico precisa, e para o R220 ele carrega a maior dispersão permitida. A norma fixa um teto de limite de escoamento para o material mole, não um piso, então duas barras R220 conformes podem diferir por um fator de dois em quanto retornam. Se você roda cobre mole em produção, coloque Rp0.2 medido no pedido de compra.

A outra coisa a conferir é se o certificado se refere ao lote entregue e não a um ensaio de tipo. Certificados de ensaio de tipo são comuns e não são a mesma evidência.

Quando recozer é a resposta certa

Há casos legítimos. Barra com mais de 50 mm de espessura, em que o recozimento localizado na dobra antes da conformação é a única rota prática. Retrabalho de uma barra já conformada, em que a zona da dobra foi encruada pela primeira operação e uma segunda dobra no mesmo local trincaria. Raios muito apertados em uma reforma em que a barra já está cortada e a alternativa é sucata.

Há também um caso comum que não é razão legítima: comprar barra dura porque era o que o distribuidor tinha e depois recozê-la para torná-la dobrável. Essa sequência paga pelo trabalho a frio e depois paga de novo para removê-lo, e descarta as propriedades mecânicas que a têmpera dura estava fornecendo. Barra dura resiste à flecha em vãos longos sem apoio e resiste à distorção permanente sob forças eletromagnéticas de curto-circuito. Recoza a barra inteira e você não comprou nem a conformabilidade do R220 nem a rigidez do R290.

Duas restrições técnicas se aplicam antes de você se comprometer com o recozimento. O Cu-ETP amolece progressivamente acima de aproximadamente 150 °C, e um recozimento pleno de recristalização é tipicamente feito em torno de 400 °C, temperatura em que a recristalização se completa em essência em minutos. Permanências mais longas engrossam o grão, e grão grosso dá casca de laranja na dobra seguinte, então um recozimento longo pode piorar o acabamento superficial enquanto torna o material mais mole.

A segunda restrição é específica deste grau. O Cu-ETP contém oxigênio residual. Recoza-o em atmosfera com hidrogênio e o hidrogênio se difunde para dentro, reduz as inclusões de óxido e forma vapor nos contornos de grão, o que fragiliza o material de forma irreversível. A EN 13601 traz um requisito de isenção de fragilização por hidrogênio exatamente por essa razão. Se o recozimento faz parte do seu processo, controle a atmosfera do forno ou especifique um grau isento de oxigênio.

Escrevendo o pedido de compra

O conjunto mínimo para um pedido de barramento é grau e norma, designação de têmpera, seção, forma e a exigência de certificado. Acrescentar o limite de escoamento medido não custa nada à laminação e remove a maior fonte isolada de deriva na dobra. Se uma barra vai para uma dobradeira com tabela de compensação de retorno elástico armazenada, o código de têmpera é a chave dessa tabela, e uma têmpera não especificada significa que a tabela não tem entrada válida.

A têmpera também não influi na capacidade de condução de corrente, que é fixada pela seção, pelo arranjo e pelo ambiente térmico; se essa é a restrição com que você está trabalhando, a calculadora de capacidade de corrente cuida disso de forma independente de como a barra foi trabalhada. As duas decisões são separáveis, e mantê-las separadas impede que argumentos de conformabilidade vazem para argumentos de dimensionamento.