8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 SOLDAGEM BRANDA POR INDUÇÃO COM ADIÇÃO DE LIGA DE ESTANHO ISENTA DE CHUMBO Monezi, C. A. 1, Vitoriano, R. S. 2, Stipkovic, M. A. 3 1 Universidade Presbiteriana Mackenzie - Departamento de Engenharia Mecânica, Rua da Consolação, 896-01302-907 - São Paulo - SP. carlosmonezi@mackenzie.com.br 1 Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos, Av. Prof. Mello Moraes, 2231-05508-900 São Paulo - SP. 2 Universidade Presbiteriana Mackenzie - Departamento de Engenharia Mecânica, Rua da Consolação, 896-01302-907 - São Paulo - SP. rodrigovitoriano@hotmail.com 3 Instituto Mauá de Tecnologia - Departamento de Engenharia Mecânica, Praça Mauá, 1-04039-033 - São Caetano do Sul - SP. marco.stipkovic@schuler.com.br RESUMO A soldagem branda consiste em um processo de união e se faz presente em grande número de aplicações, principalmente na indústria eletrônica. A delimitação da quantidade de determinadas substâncias nocivas pela RoHS, a exemplo do chumbo, obrigou a indústria a uma adaptação de tecnologia para produtos em circulação no mercado europeu. Neste cenário, novas tecnologias são desenvolvidas com o objetivo de suprir esta demanda sem causar alterações bruscas de projeto e nos processos industriais, através de soldas alternativas à de estanho com chumbo, como aquelas de estanho com prata, estanho com índio, estanho com cobre. Este trabalho tem como finalidade determinar quais os parâmetros de maior relevância na soldagem branda com o aquecimento do metal base realizado por meio da indução elétrica, expor a questão da eliminação do chumbo contido em soldas de ligas de estanho e apresentar as novas alternativas, levando em consideração a relação entre custo, impacto ambiental e comportamento satisfatório da solda. Fatores como a natureza química do metal base (essencial na seleção do metal de adição e do fluxo), a freqüência de corrente alternada na espira indutora e o número de voltas da espira (na fase de aquecimento por indução) mostram-se como principais fatores influentes. PALAVRAS-CHAVE Solda isenta de chumbo. Soldagem branda. Aquecimento por indução. RoHS.
FUNDAMENTOS DO PROCESSO Evidências mostram que a soldagem branda já era usada há 5.000 anos na região da Mesopotâmia [1]. Posteriormente, foi levada para Grécia e Roma, provavelmente por intermédio do Egito [2]. Os metais base mais comuns eram o ouro, o cobre e a prata e indícios mostram que uma resina era utilizada como fluxo [2]. No século vinte, a metalurgia desenvolveu-se ao ponto de confeccionar novas soldas específicas para aplicações elétricas, tubulações ou estruturais [1]. Hoje o maior desafio na área está relacionado à substituição do chumbo, uma das vinte substâncias mais tóxicas no mundo, encontrado nas soldas à base de estanho utilizadas na indústria eletrônica [3]. A qualidade da soldagem branda está diretamente ligada ao desempenho satisfatório de três principais interações entre o metal base, o fluxo e o metal de adição: o molhamento, o espalhamento e a formação de intermetálicos. Molhamento Xiaogang [4] explica que as ligações químicas são forças atrativas entre moléculas adjacentes que mantêm a matéria coesa. Em moléculas próximas em um líquido ou sólido, os átomos se arranjam de modo a organizar satisfatoriamente as forças entre os vizinhos mais próximos. [5]. O desbalanceamento das ligações químicas na superfície origina a tensão superficial. Por isso as superfícies são sempre regiões de maior energia potencial. A diferença entre as energias na superfície e no interior se denomina energia de superfície. Brandi e Taniguchi [3] explicam que durante a soldagem branda há a coexistência de três fases, a sólida, a líquida e o sistema fluxante, podendo o último ser líquido e/ou gasoso. O balanço entre a tensão superficial entre um sólido e uma atmosfera (γ sv ), a tensão superficial entre um sólido e um líquido (γ sl ) e a tensão superficial entre o líquido e a atmosfera (γ lv ) determina o ângulo de contato (θ) a partir do qual se pode avaliar termodinamicamente se um líquido molha ou não o sólido e é dado pela equação de Young (1): γsv γsl cosθ = (1) γlv sendo: θ = ângulo de contato ( ) γ sv = energia de superfície sólido/vapor (J/m²) γ sl = energia de superfície sólido/líquido (J/m²) γ lv = energia de superfície líquido/vapor (J/m²) Se o ângulo de contato (θ) for menor que 90 significa que o líquido molha o sólido, se for maior não molha. Neste último caso, se houver alguma adesão entre os materiais será apenas por ancoramento mecânico nas rugosidades superficiais do sólido. A rugosidade pode afetar também o ângulo, gerando um ângulo de contato aparente, tendo este maior valor quanto maior for a rugosidade da superfície [4]. Em aplicações como de equipamentos eletrônicos, o ângulo de contato desejado é inferior a 30, enquanto para fins de selagem de componentes, este ângulo é da ordem de 60 [3]. A Figura 1 mostra a condição de molhamento e a de não-molhamento, respectivamente. Figura 1 - Ângulo de contato e molhamento, (a) θ < 90º, o líquido molha o sólido, (b) θ > 90º, não molha. Espalhamento Pode-se entender o espalhamento como o fenômeno transiente até o líquido atingir sua forma de equilíbrio, definindo o valor do ângulo de contato e a máxima superfície líquido/vapor. Está associado à facilidade de preenchimento da junta por capilaridade. A taxa de espalhamento de um metal de adição líquido é função da viscosidade do fluido, do tipo de atmosfera atuante, da natureza e estado da superfície. A viscosidade do metal líquido será maior quanto maior for a quantidade de material sólido no líquido durante a solidificação. Deve-se
utilizar de ligas eutéticas sempre que possível, pois estas apresentam a menor temperatura de fusão da liga e não apresenta intervalo de solidificação [3]. A Figura 2 mostra o diagrama de fases com as linhas liquidus e solidus, assim como o ponto eutético (B) para uma liga binária de estanho e chumbo.. Figura 2 - Diagrama de fase esquemático de liga binária estanho-chumbo. A velocidade de espalhamento depende da taxa na qual a matéria se move dentro do interior para linha de contato, dirigida por diferenças nas pressões capilares dadas pela equação de Laplace. Além da viscosidade, há outros fatores que também afetam a velocidade de espalhamento sobre uma superfície sólida os quais são apresentados simplificadamente sob a forma da equação (2), a qual é válida para regime laminar: D.f ( γ) Vespalhamento = k. (2) μ.x sendo: Vespalhamento = velocidade de espalhamento (m/s) k = constante D = folga da junta (m) f(γ) = função das energias de superfície envolvidas μ = viscosidade (kg/m.s) x = comprimento da junta (m) Formação de intermetálicos A interação metalúrgica que deve ocorrer na soldagem branda na interface entre o metal base e o de adição resulta na formação de uma fina camada de um composto intermetálico [6]. É importante que haja uma afinidade química maior entre os átomos da solda e do metal base, o que também implica em um melhor molhamento [7]. São tipicamente formados por uniões iônicas, as quais fazem com que, em comparação à liga da solda, os intermetálicos sejam duros e frágeis. Em juntas submetidas a solicitações como ciclos térmicos e vibrações, a falha invariavelmente ocorre nas camadas intermetálicas. Portanto é procurada a menor formação possível dessa camada e executar a soldagem branda o mais rápido possível quando se atinge a temperatura de processo mínima requerida. A quantidade de intermetálico formada depende da solubilidade dos elementos da solda no metal base, do tempo e da temperatura durante o processo. Esta última exerce uma influência exponencial nessa formação. Conforme a solda se solidifica e o metal base dissolvido na solda líquida precipita, obtêm-se os intermetálicos. ADIÇÕES APLICADAS AO PROCESSO Na soldagem branda, são adicionados metais cujo ponto de fusão seja inferior a 450 C. Constituem o elo de ligação entre os metais base envolvidos [8]. Para que a interação entre o metal base e de adição seja maior e resulte em uma junta de boa qualidade, adiciona-se também fluxo [1] o qual impede a contaminação da região e colabora para redução do ângulo de contato, por afetar as energias de superfície nas interfaces entre o sólido e o fluxo (γ sv,) e entre o líquido e o fluxo (γ lv ) [3]. O poder de desoxidação do fluxo depende da temperatura, há uma faixa de temperatura na qual sua capacidade de remoção de oxidação superficial é máxima, para um dado metal base [9].
Há soldas que já contêm em seu núcleo, na proporção adequada em relação à quantidade de liga metálica, fluxo e deste modo evita a necessidade da aplicação das adições separadas e aumenta a versatilidade do processo. O tipo de fluxo contido está relacionado com a aplicação desejada [10]. Ligas à base de estanho contendo chumbo Nas ligas de estanho-chumbo, o estanho exerce a função de promover o espalhamento e o molhamento. O chumbo serve como elemento de diluição para redução de custo, por seu menor valor comercial [6]. Também altera propriedades mecânicas, a temperatura de fusão [14], a energia de superfície líquido/vapor [3] e a condutividade térmica e elétrica [6]. RoHS Restriction of Use of Certain Hazardous Substances e WEEE Waste Electrical and Electronic Equipment Dada a toxicidade do chumbo, causador de malefícios à saúde tais como desordens do sistema nervoso e reprodutivo e atraso neurológico e no desenvolvimento físico, vem se implantando legislações para o controle de sua utilização [14]. Concentrações no sangue superiores a 25mg/dl caracterizam o envenenamento por chumbo [4]. A União Européia aprovou as diretivas WEEE e RoHS como meio de controlar o despejo de substâncias tóxicas no ambiente. A WEEE visa comprometer os fabricantes de produtos elétricos e eletrônicos a recolhê-los e reciclálos. Sua implantação era prevista para 13 de agosto de 2005, porém nem todos os países comprometidos conseguiram atender neste tempo, a exemplo do Reino Unido e Alemanha [11]. Entretanto, a WEEE não elimina o risco imposto ao meio ambiente e à saúde o que levou a União Européia ao estudo e aprovação de uma nova diretiva [12], a RoHS a qual limita a um valor de 0,1% da massa, para materiais homogêneos, a utilização do chumbo, mercúrio, cromo hexavalente, bifenilos polibromados e éteres difenílicos polibromados e a 0,01% da massa para o cádmio em equipamentos elétricos e eletrônicos, ou seja, aqueles cujo funcionamento depende de correntes elétricas ou campos magnéticos. Todos os produtos inseridos no mercado europeu posteriormente a 1 de julho de 2006 devem obedecer aos limites mencionados. Como a diretiva é apenas aplicada a produtos de mercado, ainda se pode fabricar protótipos industriais fora dos parâmetros estabelecidos [13]. A avaliação de medidas semelhantes a RoHS e WEEE também são tratadas em outras regiões do mundo, em países como a China, Japão e Estados Unidos [11]. Ligas a base de estanho isentas de chumbo Os elementos mais comumente adicionados ao estanho para formação de ligas isentas de chumbo são a prata, o cobre, o índio, o bismuto, o antimônio e em menor escala o zinco. A prata eleva a resistência mecânica e à oxidação [14], embora implique em uma redução da ductilidade da solda e possua restrições devido à contaminação que pode causar e de custo. O cobre reduz o ponto de fusão, melhora o molhamento, a resistência à fadiga devido a oscilações térmicas e retarda a dissolução de cobre dos componentes na solda fundida durante o processo. O índio também reduz a temperatura de fusão e a resistência mecânica e confere uma boa ductilidade, porém seu custo elevado é um item a ser considerado. O bismuto é capaz de reduzir o ponto de fusão, melhorar o molhamento, entretanto em quantidades maiores que 8% fragiliza a junta soldada e em ligas estanho-bismuto submete a solda a um grau maior de oxidação. O antimônio forma intermetálicos com outros materiais, os quais tornam superior a resistência mecânica da solda [15], no entanto sua utilização possui restrições devido à contaminação. O zinco atua na redução da temperatura de fusão, mas apresenta uma elevada suscetibilidade à corrosão o que minimiza sua aplicação [16]. A Tabela 1 exibe o custo destes materiais alternativos para substituição do chumbo Tabela 1 Materiais alternativos para substituir o chumbo e seus respectivos custos. Elementos substitutos para o Chumbo Custo Relativo Chumbo (Pb) para referência 1 Antimônio 2.2 Bismuto 7.1 Cobre 2.5 Índio 194 Prata 212 Estanho 6.4 Zinco 1.3 As ligas mais utilizadas são as de estanho-cobre, estanho-prata e estanho-prata-cobre, também denominada SAC (Sn-Ag-Cu).
AQUECIMENTO POR INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA No processo de soldagem branda, eleva-se a temperatura dos elementos submetidos ao processo de tal modo que ocorra a fusão do metal de adição e a formação de intermetálicos. No aquecimento por indução, o indutor gera um campo magnético, a partir da corrente alternada que passa por ele, o qual induz uma corrente ao redor da superfície das peças. A resistência destas ao fluxo de corrente causa o aquecimento sem que haja o contato físico [17]. As vantagens incluem a possibilidade de um aquecimento localizado e uniforme nos casos em que a elevação da temperatura da peça inteira é indesejada e implica em gastos dispensáveis; e o curto intervalo de tempo no qual a temperatura aumenta. Princípios do Aquecimento Uma corrente alternada passando por uma bobina implica na formação de um campo magnético variável, o qual excita uma corrente na peça posicionada concentricamente e, conseqüentemente, a formação de um campo magnético no sentido oposto àquele gerado pela bobina [17]. A variação do fluxo magnético induz a formação de correntes em forma de rodamoinhos na superfície da peça, decorrentes da diferença de potencial de vários pontos do material [17], conhecidas como correntes parasitas ou correntes de Foucault. Devido à intensidade destas correntes, o efeito Joule resultante propicia uma grande elevação da temperatura [18]. A freqüência da corrente alternada tem influência direta na profundidade de penetração do aquecimento. A ASM define esta profundidade como a distância da superfície do sólido na qual a magnitude do campo magnético decresce para aproximadamente 37% do valor na superfície e pode ser dado pela equação (3). ρ δ = (3) π. p. f sendo: δ = profundidade de penetração do aquecimento (m) ρ = resistividade do material (Ω.m) p = permeabilidade absoluta (V.s/m.A) f = freqüência (Hz) A Figura 3 mostra uma relação entre freqüência e aplicações do aquecimento por indução. Figura 3 Aplicações do aquecimento por indução como função da freqüência em ciclos por segundo. A potência requerida pode ser estimada a partir da equação (4), fornecida pela ASM International. A máquina de aquecimento por indução deve ter uma capacidade superior à calculada para ser possível executar o processo.
d. c. ΔT. V P = (4) t sendo: P = potência (W) d = densidade do material (kg/m³) c = calor específico (J/kg.K) ΔT = incremento de temperatura (K) V = Volume a ser aquecido (m 3 ) t = tempo para que o incremento de temperatura aconteça (s) ESTUDO DE CASO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A Figura 3 exibe um dipolo para antena omnidirecional, responsável pela irradiação da antena, o qual é constituído por dois tubos de latão de diâmetros diferentes e uma base, também de latão, sobre a qual os tubos são fixados concentricamente por soldagem branda. A união entre as três partes é realizada pela soldagem branda dos tubos com a base por meio de dois cordões de solda de perímetros diferentes. Figura 3 Dipolo soldado e os cordões de solda. Com a implantação da RoHS, a solda de liga eutética estanho-chumbo utilizada precisou ser substituída. Para atender às solicitações mecânicas e elétricas deste produto, a liga mais adequada é a SAC 305 com núcleo resinoso, composta de 3,0% de prata, 0,5 % de cobre e o restante de estanho. A fusão da liga SAC 305 ocorre à temperatura aproximadamente 35 C maior que a liga eutética estanho-chumbo. Quando aplicada ao processo utilizando o equipamento de aquecimento por resistência elétrica, os resultados obtidos no que tange a resistência mecânica e desempenho elétrico do dipolo não foram satisfatórios, possivelmente devido à ausência de formação consistente de intermetálicos pelo aquecimento insuficiente das peças com a nova solda. Dada à situação, optou-se pelo aquecimento por indução eletromagnética. A máquina responsável pelo aquecimento por indução é capaz de fornecer uma potência de saída de até 1kW, com intervalo de freqüências possíveis na saída de 50 a 200 khz e um sistema integrado automático que seleciona a freqüência. O arrefecimento e o controle da água que escoa pelo indutor é feito por meio de dois sensores, um para confirmação da vazão do fluido e outro para controle de temperatura do mesmo, a qual não deverá ultrapassar 50 C. A elaboração do indutor foi o principal ponto na adaptação. Os indutores foram confeccionados a partir de tubo de cobre de três quartos de polegada e com o auxílio de um dispositivo de nylon para a conformação das espiras, e foram revestidos por um isolante para evitar que o escorrimento de fluxo ou contato com alguma das peças aquecidas danificasse-os. A Figura 4 mostra três tentativas para a geometria do indutor. (a) (b) (c) Figura 4 - (a) Primeiro indutor desenvolvido, (b) indutor com três espiras, (c) indutor com 5 espiras. No primeiro teste (a) o aquecimento não teve início. O sistema automático de ajuste reconheceu que para aquele conjunto de peças e indutor, a freqüência requerida era superior àquelas proporcionadas pela máquina.
Com o indutor (b), o processo teve início, porém como as espiras cercavam apenas lateralmente o conjunto soldado, a fusão do cordão para soldagem do tubo interno se dava principalmente pela condução do calor da região do tubo externo e pouco pela indução, resultando em um aquecimento excessivo dessa região e, devido ao tempo até a completa fusão do cordão interno, havia a oxidação da peça final. Foi então desenvolvido um indutor com cinco espiras (c) que também provoca a indução da porção inferior do conjunto. A freqüência de 156 khz foi a definida pelo sistema de ajuste automático. O dispositivo para essa aplicação foi construído de celeron de malha fina, um material não metálico, para que a indução surtisse efeito apenas nas peças a se soldar. Na Figura 5 pode-se observar o dispositivo, o indutor e o dipolo montados na máquina prontos para a operação. Figura 5 - Equipamento em condições de operação. O passo seguinte foi definir a regulagem da tensão em volts que promovesse uma potência adequada de modo que não danificasse as peças devido a um aquecimento excessivo, mas que, contudo, elevasse a temperatura em um curto intervalo de tempo. Para um bom desempenho, deve-se trabalhar na região C do gráfico da Figura 6. Figura 6 - Gráfico de operação segura fornecido pelo fabricante da máquina de aquecimento por indução. A regulagem mais adequada encontrada para os resultados desejados foi em uma tensão de 145 V, corrente de 3A e, conseqüentemente, uma potência de 435 W. O tempo de aquecimento determinado foi de 25 segundos. Também foi adicionada uma válvula para submeter a peça a uma corrente de ar comprimido e assim acelerar o resfriamento da peça por meio de convecção. Deve-se acionar e manter a válvula aberta por aproximadamente vinte segundos. CONCLUSÃO A tendência do aumento das iniciativas visando a proteção da vida e meio ambiente requer desenvolvimento de novas tecnologias as quais nem sempre atendem perfeitamente a critérios como custo econômico e comportamento satisfatório durante o processo, como é caso das soldas que devem ter o chumbo eliminado como elemento de liga para circulação de produtos submetidos a esse processo de união intermetálica na Europa por determinação da RoHS. O aquecimento por indução na soldagem branda, além de solucionar um problema de fabricação com respeito à eliminação das soldas que contêm chumbo, também proporcionou um aumento substancial da produtividade, já que pelo processo de aquecimento por indução incide em um tempo equivalente a 37,5% do tempo pelo processo de aquecimento por resistências elétricas. As soldas atualmente mais adequadas para a substituição do chumbo são àquelas à base de estanho com elementos de liga como o cobre, a prata e o índio. Como o principal responsável pela união é o estanho, a formação de
intermetálicos característica do processo não foi prejudicada, já que sua quantidade percentual em massa aumentou para grande parte dessas novas ligas. O problema é encontrar um substituto para o chumbo que, assim como este, reduza a tensão superficial e a temperatura de fusão da solda e apresente um custo semelhante. Os fluxos aplicados possuem um bom desempenho, auxiliando no molhamento da solda, reduzindo essa tensão superficial, porém ainda não aos níveis da solda contendo chumbo. Quando a solda SAC 305 foi empregada, obteve-se uma união consistente tanto do ponto de vista mecânico quanto elétrico. Durante o desenvolvimento, notou-se a importância da configuração do indutor, cercando a uma curta distância a região a ser aquecida, da freqüência de corrente alternada no indutor e de seu número de espiras. REFERÊNCIAS 1. ASM International. ASM handbook: welding, brazing and soldering, 1998. 2. A. Rahn, The basis of soldering. New York: John Wiley, 1993. 3. S. D. Brandi, C. Taniguchi, Soldagem branda: desafios na substituição do chumbo. Revista M&M Metalurgia e Materiais, São Paulo, v.59, n. 533, 2003. 4. S. Xiaogang, Determinação da dinâmica de espalhamento e ângulo de contato de ligas para soldagem branda utilizadas na indústria eletrônica. 2005, 199p. Tese (Doutorado em Engenharia). Escola Politécnica da USP. 5. Grupo de Plasmas e Materiais. Ângulo de contato e energia de superfície. 2007?. http://www.sorocaba.unesp.br. 6. M. G. Pecht, Soldering processes and equipment. New York: Wiley, 1993 7. American Welding Society Comitee on Brazing and Soldering. Soldering Manual. 2. ed.miami, 1978. 8. Brastak. Catálogo Geral: Ligas especiais para Brasagem, Soldagem, Metalização e Revestimento. 9. F. Dragojevic, Influência da temperatura e da natureza do fluxo no molhamento de Cu e Cu-Zn por ligas Pb-Sn. Revista Soldagem & Inspeção, São Paulo 10. Soft Metais. Manuais soft metais: manual completo. 2004. 11. Premier Farnell, Manual técnico e legislação RoHS (guia passo a passo). 2005. 12. Directive 2002/95/EC of the european parliament and of the council of 27 January 2003. Official Journal of the European Union, 13 fev. 2003. 13. G. Nevison, RoHS Forum. Revista Electronics World, cidade, p. 43, ago. 2006 14. E. A.C. Aranha Neto,. Solda estanho-chumbo - aplicações na eletrônica. http://www.eletrica.ufpr.br 15. D. Suraski, A study of antimony in solder. 2007. http://www.aimsolder.com/techarticles/antimony%20study.pdf 16. Kester solder Alloy selection Hhttp://www.kester.com/en-us/leadfree/lfsfaq_alloyselection.aspxH. 17. F. W. Curtis, High-frequency induction heating. New York: McGraw-Hill, 1944. 18. L. F. Netto, Correntes de Foucault. 2007? http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_32.asp. NOMECLATURA θ ângulo de contato γ sv energia de superfície sólido/vapor (fluxo) γ sl energia de superfície sólido/líquido γ lv energia de superfície líquido/vapor (fluxo) Vespalhamento velocidade de espalhamento k constante D folga da junta f(γ) função das energias de superfície envolvidas μ viscosidade x comprimento da junta δ profundidade de penetração do aquecimento ρ resistividade do material p permeabilidade absoluta f freqüência P potência d densidade do material c calor específico ΔT incremento de temperatura V volume a ser aquecido t tempo para que o incremento de temperatura aconteça WEEE Waste Electrical and Electronic Equipment RoHS Restriction of use of certain Hazardous Substances