Soldagem desmistificada: Noções básicas para ter sucesso na soldagem

Soldar é uma habilidade surpreendentemente fácil de adquirir, desde que você saiba o que está fazendo. O último é crítico porque a nave envolve a manipulação de componentes classificados para resistir a um máximo de 250 ° F com uma ferramenta que opera a 650 ° F.

A margem de erro aqui é muito pequena e os erros costumam ser catastróficos e caros, o que desencoraja a maioria dos iniciantes de persistir nas falhas iniciais. No entanto, isso pode ser evitado por completo, obtendo-se os princípios básicos desde o início.

Continue lendo para aprender os fundamentos da soldagem e poupar-se dos horrores da eletrônica carbonizada e dos sonhos desfeitos.

Por que você deve incomodar a solda?

No nível mais básico, a soldagem cria conexões elétricas confiáveis ​​(e, conseqüentemente, mecânicas) entre os componentes de metal condutores. Isso envolve a ligação de um par de fios ou um componente eletrônico a uma placa de circuito impresso (PCB).

Os pensadores críticos entre vocês podem se perguntar por que não apenas torcer os fios juntos ou anexar componentes em PCBs usando porcas e parafusos. Existem dois problemas principais com essa abordagem. Para começar, tais conexões não são mecanicamente estáveis ​​sob movimento ou vibração. Em segundo lugar, embora mecanicamente sólidos, os fixadores não são eletricamente estáveis.

Buscamos contribuições de Dr. Lakshmi Narayan Ramasubramanian de Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto Indiano de Tecnologia de Delhi, para maior clareza sobre alguns dos aspectos mais técnicos da soldagem.

Os eletrônicos sensíveis precisam absolutamente de conexões elétricas de baixa resistência para manter a condutividade consistente ao longo da vida útil do produto. Isso é difícil de conseguir simplesmente combinando componentes com fixadores. A lacuna de ar inevitável entre os componentes em tais juntas leva à oxidação (ou ferrugem para metais ferrosos), o que diminui significativamente a condutividade elétrica. Esses obstáculos tornam a soldagem indispensável para aplicações eletrônicas de precisão de baixa tensão.

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Quando você solda dois componentes, a própria solda se combina com o metal (geralmente cobre) para formar uma liga inteiramente nova. A soldagem essencialmente une os componentes no nível molecular, não deixando nenhum espaço de ar e, assim, eliminando a possibilidade de oxidação. A estabilidade mecânica adicionada é um bônus bem-vindo.

A união de metais derretendo-os é uma proposta arriscada, considerando como a maioria dos componentes semicondutores são classificados para operar a uma temperatura máxima de 250 ° F. Usar calor para fundir os terminais de um chip integrado com as almofadas em um PCB não é viável, uma vez que o cobre derrete em 1984 ° F de dar água aos olhos. Você deve fritar o componente muito antes de estabelecer uma junta confiável.

É aqui que a composição única e as propriedades termodinâmicas da solda entram em ação.

A solda é uma liga eutética composta de chumbo e estanho. A broca eutética é importante porque permite que a liga derreta a uma temperatura significativamente mais baixa em comparação com seus metais constituintes. Enquanto o chumbo puro e o estanho derretem a 620 ° F e 450 ° F, respectivamente, uma liga de solda composta desses dois metais misturados em uma proporção de 63:37 começa a fluir a apenas 361 ° F.

Embora a soldagem possa parecer que envolve a fusão de fios de cobre ou terminais de componentes em um PCB, na realidade, o processo funciona aproveitando a ação do metal solvente da solda. Quando a solda quente é introduzida nos condutores do componente de cobre, ela atua como um solvente penetrando e dissolvendo as superfícies de cobre expostas. Esta ação do solvente os funde em um nível molecular para formar uma liga completamente nova na camada intermetálica.

Este fenômeno é chamado de ação de umedecimento e é absolutamente crítico para o processo de solda, isto é, transformar componentes díspares em um corpo contínuo e eletricamente condutor de liga híbrida.

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Derrotando a oxidação com fluxo

A ação do solvente do metal da solda é a base do sucesso das juntas soldadas. No entanto, em termos práticos, a solda não pode iniciar a ação de umedecimento por conta própria. Este processo é catalisado pelo fornecimento de calor para a solda e também para os condutores do componente de cobre.

Isso é um problema porque o calor também faz com que as superfícies de cobre expostas oxidem rapidamente na presença de ar. A camada limite de óxido resultante atua como uma barreira que impossibilita o umedecimento. O problema fica pior com sujeira, fuligem, oleosidade dos dedos, graxa e outros contaminantes presentes nas superfícies dos componentes. Estes inibem ainda mais a ação do solvente do metal necessária para uma junta soldada bem-sucedida.

Você pode tentar esfregar as superfícies para limpar, mas você encontrará uma camada de óxido totalmente nova no momento em que reaplicar calor aos fios de cobre. Se ao menos houvesse uma maneira de remover a camada de óxido durante a soldagem. Bem, é exatamente isso que o fluxo faz.

O fluxo é composto de colofônia, que é uma forma sólida de resina obtida de plantas. Para fins eletrônicos, a resina é usada sozinha ou combinada com ativadores suaves que permitem que o fluxo resultante permaneça não corrosivo e não condutor à temperatura ambiente. O mesmo se torna suficientemente ativo para remover quimicamente óxidos e outros contaminantes quando fornecido com calor suficiente.

Quando você reveste superfícies que devem ser soldadas com fluxo, o calor aplicado durante o processo de soldagem catalisa o fluxo e remove as impurezas. Isso expõe cobre puro e torna a ação umectante possível. O fluxo pode ser aplicado aos componentes antes da soldagem, mas também é introduzido durante o processo por meio do próprio fio de solda.

A maioria dos fios de solda modernos tem um núcleo interno preenchido com fluxo de breu que é dispensado automaticamente durante a soldagem.

Quando soldar e quando não soldar

Agora que descobrimos a ciência por trás da soldagem, é igualmente importante saber quando soldar e quando é uma má ideia fazê-lo. Tudo o que envolve PCBs é quase exclusivamente soldado. O processo oferece excelente condutividade elétrica e um bom grau de fixação mecânica, enquanto reduz significativamente o tamanho geral de seus projetos eletrônicos.

No entanto, às vezes vale a pena saber exatamente quando você não deve recorrer à solda.

Embora os fios possam ser soldados uns aos outros ou em PCBs, você deve reconsiderar sempre que a aplicação desejada envolver qualquer grau de movimento ou vibração. Aplicativos automotivos, robóticos e de impressão 3D são ótimos exemplos em que a soldagem é geralmente restrita a PCBs e é categoricamente evitada para todas as terminações de cabos.

Isso ocorre porque as juntas soldadas são duras, mas frágeis e, portanto, vulneráveis ​​à fadiga de flexão. Definitivamente, não é uma característica desejável para juntas elétricas sujeitas a vibração e movimento constantes. Os cabos soldados em tais aplicações sofrem fadiga de flexão e, conseqüentemente, falham nas juntas frágeis.

É exatamente por isso que as terminações de cabo sujeitas a tais forças são crimpadas em vez de soldadas nessas aplicações.

Embora isso possa parecer contra-intuitivo, a soldagem não é a única maneira de obter juntas estanques ao gás e resistentes à oxidação. A tremenda pressão gerada durante a crimpagem funde os condutores de cobre no nível molecular, o que os torna perfeitamente estanques aos gases.

Na verdade, as juntas crimpadas são tanto mecânica quanto eletricamente superiores às suas contrapartes soldadas, ao mesmo tempo que são resistentes à fadiga por flexão. O Dr. Ramasubramanian cita a ausência de intermetálicos em conexões crimpadas como a principal razão para a interface de cobre puro exibir melhor condutividade em relação às juntas soldadas.

Ele também explica que a conexão cobre-cobre de juntas frisadas é inerentemente mais forte porque átomos semelhantes tendem a formar ligações fortes e estáveis. Por outro lado, os átomos diferentes de cobre, chumbo e estanho encontrados em conexões soldadas formam relativamente ligações mais fracas que estão sob deformação constante, o que por sua vez acelera a fissuração por fadiga sob condições mecânicas estresse.

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É também por isso que você não encontrará uma única terminação de cabo soldado no compartimento do motor do seu veículo. Idem para impressoras 3D e qualquer outro dispositivo sujeito a vibração e movimento constantes.

Quanto mais você sabe

Conhecer a mecânica subjacente da solda e quando é apropriado aplicá-la aos seus projetos fará a diferença entre o sucesso e uma centena de dólares em aparelhos eletrônicos danificados.

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