Capítulo Sétimo: Soldagem (Parte Um)

O olhar de Xiao Hei tornou-se um tanto enevoado e ele soltou um suspiro leve:
— Soldagem.
— Com certeza, é soldagem — Fu Xin pensou consigo mesmo, rindo amargamente.

A soldagem geralmente consiste no uso de calor para unir dois objetos metálicos. Se, durante o processo de soldagem, for necessário fundir uma terceira substância, o processo é chamado de brasagem, e a terceira substância adicionada e fundida é chamada de material de achega ou metal de adição.

De acordo com o ponto de fusão do metal de adição, a brasagem é dividida em soldagem forte e soldagem branda. O limite geralmente considerado é de 450°C, sendo chamada de soldagem branda quando a temperatura é inferior a 450°C. O processo conhecido como "soldagem" na tecnologia de montagem de produtos eletrônicos é uma forma de soldagem branda, que utiliza principalmente ligas de baixo ponto de fusão, como estanho e chumbo, como material de solda, sendo popularmente conhecida como soldagem a estanho.

Para compreender a soldagem, é preciso primeiro entender as ferramentas de soldagem.

A primeira é o ferro de solda elétrico. Durante o processo manual de soldagem a estanho, o ferro de solda desempenha múltiplas tarefas: aquecer os metais a serem soldados na zona de solda, fundir o material de solda, transportar a solda e regular a quantidade de material utilizada.

A estrutura de um ferro de solda elétrico é muito simples e é composta principalmente por cinco partes: o cabo, feito de madeira ou plástico resistente ao calor, possui uma cavidade oca que pode ser aberta. Dentro da cavidade encontram-se os terminais de conexão entre o fio de aquecimento elétrico e o cabo de alimentação. Antes de passar pela capa de borracha na parte traseira do cabo, o cabo de alimentação é travado por um parafuso ou grampo de plástico, capaz de suportar uma certa tração para garantir a segurança.

Na parte dianteira do cabo há um tubo de ferro que forma o corpo do ferro de solda. Bem próximo à extremidade frontal deste tubo, encontra-se a resistência de aquecimento (o núcleo do ferro de solda). O núcleo é feito de um fio fino de forno elétrico enrolado em camadas sobre um tubo de ferro fino isolado com mica. A parte traseira da ponta do ferro de solda penetra nesse tubo de ferro fino, cuja extremidade frontal é encaixada firmemente em uma bucha de junção. Na bucha, há dois parafusos travados transversalmente: um menor e mais curto, usado para fixar o núcleo do ferro de solda ao corpo do tubo, e um maior e mais longo, usado para fixar a ponta do ferro de solda. Para ajustar a temperatura de trabalho do ferro, é preciso afrouxar este parafuso mais longo.

A ponta do ferro de solda é feita de cobre eletrolítico (cobre vermelho), que possui uma capacidade térmica por unidade de volume relativamente grande e alta condutividade térmica.

A tensão de trabalho, a potência e outros parâmetros do ferro de solda elétrico são geralmente marcados no cabo para fácil identificação durante a seleção.

O princípio de funcionamento de um ferro de solda elétrico é, em termos simples, o processo de um aquecedor elétrico que, sob a ação da energia elétrica, gera, conduz e dissipa calor: após ser conectado à rede elétrica, sob a tensão nominal, o núcleo do ferro de solda gera calor cuja potência é determinada pela resistência do fio de aquecimento.

O calor é transmitido preferencialmente à ponta do ferro de solda, fazendo com que sua temperatura aumente, e então é dissipado da superfície da ponta para o ambiente circundante.

A velocidade de dissipação do calor é diretamente proporcional ao aumento da temperatura da ponta do ferro de solda; quanto maior for a diferença de temperatura, mais rápido o calor será dissipado. Ao atingir uma determinada temperatura, a potência de dissipação de calor iguala-se à potência de geração de calor, alcançando um equilíbrio dinâmico e cessando o aumento da temperatura, o que conclui a fase de pré-aquecimento do ferro de solda.

Nesse momento, a temperatura da ponta do ferro de solda é a temperatura de pré-aquecimento a vazio do ferro, geralmente ultrapassando trezentos graus, o que excede em muito o ponto de fusão do material de solda.

O calor do núcleo de aquecimento também é transmitido para trás, em direção ao corpo do tubo. Como o corpo do tubo é feito de um tubo de aço de parede fina com um certo comprimento, sua resistência térmica é relativamente alta. Além disso, a seção traseira de alguns tubos possui furos de dissipação de calor ou aletas térmicas integradas, o que faz com que o aumento da temperatura no cabo seja mínimo.

Na temperatura de pré-aquecimento a vazio, cada parte do ferro de solda armazena uma certa quantidade de calor de acordo com a relação: Calor = Capacidade Térmica × Temperatura.

Durante a operação de soldagem, quando a superfície de trabalho da ponta do ferro de solda entra em contato com o material de solda e com a peça a ser trabalhada, o equilíbrio original é quebrado. O calor é imediatamente transferido para a zona de trabalho da solda através da área de contato, cuja resistência térmica é muito menor do que a do ar, elevando rapidamente a temperatura da solda e da peça.

Desde que a capacidade térmica da ponta do ferro de solda seja suficientemente maior do que a capacidade térmica da peça na zona de soldagem, é possível fazer com que a temperatura da solda e do ponto de união da peça ultrapasse o ponto de fusão da solda em um lapso de tempo curtíssimo, concluindo assim o processo de soldagem, enquanto a temperatura da própria ponta sofre uma queda insignificante.

A segunda parte é a ponta do ferro de solda. As peças de desgaste mais comum em um ferro de solda são a ponta e o núcleo de aquecimento. O núcleo de aquecimento é relativamente simples; desde que as dimensões sejam consistentes e a potência seja a mesma, ele funciona adequadamente, por isso não será detalhado aqui.

As formas externas da ponta do ferro de solda dividem-se principalmente em reta e curvada. As formas da extremidade de trabalho incluem cônica, em forma de pá, em bisel, além de formatos especiais personalizados. No entanto, em ferros de solda de baixa potência, utilizam-se predominantemente pontas cônicas retas, enquanto as pontas em forma de pá e curvas são mais adequadas para ferros de solda acima de setenta e cinco watts.

A escolha do formato da ponta do ferro de solda pode ser determinada de acordo com o objeto a ser trabalhado e os hábitos pessoais.

As pontas de ferro de solda comuns são feitas de cobre puro (cobre vermelho), que possui grande capacidade térmica e alta condutividade térmica. Existe uma excelente afinidade entre o estanho e o cobre, razão pela qual a solda fundida é facilmente adsorvida pela ponta do ferro de solda e manipulada à vontade.

No entanto, o cobre e o estanho geram uma liga de cobre-estanho cujo ponto de fusão é consideravelmente inferior ao do cobre puro, sofrendo fusão parcial na temperatura de operação do ferro de solda.

A velocidade dessa fusão é diretamente proporcional à temperatura. As temperaturas em diferentes pontos da superfície de trabalho da ponta do ferro de solda não são exatamente iguais; nos locais onde a temperatura é mais alta, o metal de cobre consome-se mais rapidamente, formando uma depressão na superfície de trabalho. Essa superfície deprimida concentra ainda mais a temperatura, acelerando a taxa de fusão localizada.

Esse ciclo vicioso faz com que apareça uma cavidade profunda na superfície de trabalho originalmente plana da ponta do ferro de solda, obrigando o operador a reprocessar, retificar e estanhar novamente o componente. Como resultado, a ponta do ferro de solda não dura muito tempo antes de tornar-se imprestável, e o trabalho constante de manutenção acarreta grandes transtornos.

Fu Xin já conhecia esse defeito há muito tempo. Por isso, utilizando as memórias de sua vida anterior, ele desenvolveu uma ponta de ferro de solda de longa duração. Esta não apenas passou a ser amplamente adotada pelas Fábricas de Eletrônicos Huaxing e Xunyang, como também, em parceria com a Fábrica de Cobre Zhongnan da Cidade Marítima, transformou essa tecnologia em um produto comercializado para o mercado interno e externo, trazendo lucros colossSAis para a Huaxing Indústria e para a Fábrica de Cobre Zhongnan.

O metal base da ponta de longa duração continua sendo o cobre vermelho, exceto pelo fato de que a extremidade de trabalho é revestida com uma camada de ferro puro para bloquear a erosão da solda. Para manter a capacidade de adsorção da ponta em relação à solda, aplica-se sobre o ferro um fluxo de solda de maior atividade — Fu Xin, por exemplo, utilizou cloreto de zinco —, revestindo-o por imersão a quente com uma camada de estanho puro.

Como o ferro basicamente não reage com o estanho na temperatura de trabalho do ferro de solda, esse problema é resolvido.

Ao utilizar a ponta de ferro de solda de longa duração, deve-se tomar o cuidado de proteger o revestimento de sua superfície. Jamais se deve lixá-la com lixa ou limá-la com lima, como se faz com as pontas comuns. Caso algum resíduo preto se fixe na ponta, basta limpá-la levemente em uma esponja de celulose úmida específica para expor novamente a superfície estanhada brilhante.

Além disso, durante pausas na operação, o ferro deve ser apoiado no suporte com a ponta voltada para baixo, permitindo que a extremidade esteja sempre envolvida por gotículas de solda líquida, evitando que a ponta seja "queimada". A capacidade da ponta de longa duração de transportar material de solda é ligeiramente inferior à de uma ponta comum, mas, quando usada em conjunto com o fio de solda, o impacto é insignificante.

A terceira parte é o suporte para o ferro de solda. A estrutura do suporte é extremamente simples. No entanto, na produção em massa, a área da bancada de trabalho é limitada e a eficiência é fundamental, de modo que a forma como o ferro de solda é colocado não pode ser negligenciada. Nesse contexto, um suporte prático torna-se essencial.

O suporte para ferro de solda utilizado pelas fábricas Huaxing e Xunyang também foi aprimorado por Fu Xin. Ele não teve o trabalho de desenhar do zero algo tão trivial; limitou-se a copiar o suporte da marca Frante de sua vida anterior: a base tem o formato de uma gota d'água e, na parte superior, está embutida uma malha de arame de ferro inclinada a quarenta e cinco graus.

Concluída a seção sobre as ferramentas de soldagem, passamos aos materiais de solda.

O material de solda, também conhecido como metal de achega ou brasagem, é a solda propriamente dita utilizada no processo de soldagem a estanho. Geralmente é uma liga composta de estanho (Sn) e outro metal de baixo ponto de fusão, o chumbo (Pb). Para melhorar o desempenho físico-químico da solda, pequenas quantidades de metais como antimônio (Sb), bismuto (Bi) e prata (Ag) são às vezes adicionadas intencionalmente.

O ponto de fusão, a resistência mecânica e outras propriedades físicas das ligas de estanho-chumbo variam conforme as diferentes proporções de sua formulação. Quanto maior o teor de estanho na solda de estanho-chumbo, maior será sua molhabilidade. Por outro lado, quanto maior o teor de chumbo, melhor será a resistência à corrosão na superfície do ponto de solda. Para a soldagem manual, deve-se optar, sempre que possível, por soldas eutéticas.

De acordo com as necessidades, as soldas de chumbo-estanho podem ser transformadas em varetas, fitas, fios, anéis, folhas, esferas de solda, entre outros formatos.

Também é possível misturar pó de solda de uma granulação específica com fluxo de solda para produzir uma solda pastosa — a chamada "pasta de prata" ou "pasta de solda" —, utilizada para a instalação e soldagem de componentes de montagem em superfície.

Atualmente, a soldagem manual utiliza amplamente fios de solda com núcleo de fluxo de resina ativada. O diâmetro do fio de solda varia desde cerca de 0,5 mm até 2,0 mm, dividindo-se em mais de dez especificações.

Para a instalação e soldagem de produtos eletrônicos gerais, um fio de cerca de 0,8 mm é suficiente; fios de solda abaixo de 0,5 mm são utilizados para a soldagem de minúsculos componentes em placas de circuito de montagem de alta densidade.

Após discutir as especificações da solda, chegamos ao último tipo de material de solda: a pasta de solda.

A pasta de solda, popularmente conhecida como pasta de prata, é uma massa composta por pó de liga de solda de alta pureza, fluxo de solda e uma pequena quantidade de aditivos de impressão. Pode ser aplicada em placas de circuito por meio de impressão com estêncil ou tela de seda, sendo o material crítico da tecnologia moderna de montagem em superfície, conhecida como SMT.

Com os materiais de solda esclarecidos, o passo seguinte é a operação prática. Naturalmente, antes de iniciar a operação, os preparativos devem ser rigorosamente concluídos, caso contrário, problemas certamente surgirão.

Antes de iniciar a soldagem, é obrigatório preparar ferramentas como o material de solda e o fluxo. A temperatura de trabalho do ferro de solda elétrico deve ser ajustada de modo que a superfície de trabalho da ponta permaneça completamente estanhada.

Antes de energizar um ferro de novo pela primeira vez, a ponta deve ser puxada para fora cerca de dois centímetros. Após o pré-aquecimento completo e um teste de soldagem, se a temperatura parecer insuficiente, deve-se afrouxar o parafuso de fixação e empurrar a ponta levemente para dentro, testando novamente. Se ainda não for suficiente, empurra-se mais um pouquinho. Ajustando gradualmente dessa forma e realizando vários testes, é preferível começar com a temperatura ligeiramente baixa do que excessivamente alta; caso contrário, a ponta do ferro de solda será queimada.

O chamado "queimar" refere-se ao fato de que a camada de estanho na superfície frontal da ponta do ferro é oxidada devido a uma temperatura excessivamente alta, formando uma camada superficial de óxido de cobre preto.

Nesse estado, a ponta do ferro não conduz calor nem retém estanho. Se for forçada sobre a solda, demorará muito tempo até que a solda derreta de repente e escorra para o lado, recusando-se totalmente a aderir à ponta. É impossível trabalhar com um ferro nessas condições.

Assim que a ponta de um ferro de solda é queimada, sua camada superficial deve ser limada e reestanhada, o que representa uma perda crítica no caso de uma ponta de longa duração.

Trabalhadores de qualquer nível devem prestar muita atenção a esse procedimento. Ao trocar de ferro de solda, mudar de ambiente de trabalho ou notar variações na tensão da rede elétrica, é fundamental ajustar a temperatura de trabalho do ferro de solda para que ela se mantenha em torno de 300°C.

A diretriz para a operação prática é: ajustar a temperatura o mais alto possível, desde que se evite queimar a ponta do ferro. A extremidade da ponta deve ser mantida sempre prateada e perfeitamente estanhada. (Continua...)