Soldando alumínio com estanho
É voz corrente que alumínio não pode ser soldado com estanho, ou que “alumínio não pega
solda”. É uma pena que esta crença - muito antiga por sinal - tenha credibilidade, pois no
radioamadorismo este metal tem inúmeras aplicações práticas e viáveis. Chapas de
alumínio são utilizadas para confecção de chassis, caixas, suportes, cantoneiras e
blindagens. Canos e tubos de alumínio são elementos indispensáveis na construção de
antenas. Pela “impossibilidade” de se poder soldar com estanho, fios de alumínio são pouco
utilizados por radioamadores. A verdade é que alumínio pode ser soldado com estanho,
bastando que se aplique técnicas apropriadas, com base no adequado conhecimento da
estrutura da matéria e ciência dos materiais.
Metais
Metais são elementos químicos
inconfundíveis, pois, à exceção
do mercúrio, são encontrados
no
estado
sólido
em
temperatura ambiente. Metais
sempre são mais densos que a
água e possuem brilho
característico. Sua dureza é
também uma característica
importante
nas
escolhas
tecnológicas.
As mais significativas e
marcantes características de
cada tipo de átomo são
descritas
nas
Tabelas
Periódicas
utilizadas
em
Química (Figura 1), um bom
ponto
de
partida
para
compreensão dos processos de
soldagem dos metais.
Uma das mais marcantes
características de um átomo é a
quantidade de elétrons que
possui na camada mais externa.
Esta camada externa, mais
comumente
denominada
valência,
determina
um
conjunto comportamental do
Figura 1 – Tabela periódica dos elementos químicos
Fonte: http://grandeabobora.com/
Metais são maioria dos átomos na natureza. Há metais em
praticamente todas as colunas da tabela periódica. A distribuição
de elétrons nas diversas camadas sempre determina uma pequena
quantidade de elétrons na camada de valência.
O cobre (Cu) encontra-se na coluna 11, linha 4 da tabela. O
Alumínio (Al), na coluna 13, linha 3, e o Estanho (Sn) na coluna
14, linha 5. A quantidade de valência destes metais é:
Elemento químico
Cu
Al
Sn
Quantidade de elétrons na última camada
(valência)
1
3
4
átomo quando colocado próximo a outro átomo de mesma natureza ou de natureza distinta.
Os átomos de metais mais comuns possuem 1, 2 ou 3 elétrons na camada mais externa. O
Paládio é exceção, com valência zero. Outras exceções importantes são Germânio, Estanho
e Chumbo, com valência 4. Possuindo poucos elétrons de valência, metais estão disponíveis
para ceder ou compartilhar seus elétrons de valência com outros átomos a fim de se obter o
objetivo de 8 elétrons na camada eletrônica externa. Dessa maneira, é fácil encontrarmos
em estado natural, compostos químicos em que tal associação se produz. Quando o átomo
associado com o átomo de metal é o oxigênio, os compostos resultantes são denominados
óxidos. Quando outros átomos não metálicos são associados ao metal, os compostos
resultantes são denominados sais. Assim estão disponíveis na natureza a ferrugem (óxido
de ferro) e o sal de cozinha (cloreto de sódio), bem como uma infinidade de sais e óxidos.
Nestas associações, a ligação que o metal compõe com não-metais é de natureza química,
pois o composto resultante em nada se parece com cada átomo individual.
Átomos são entidades que possuem dois objetivos fundamentais de vida. Primeiro, o átomo tenta manter
um equilíbrio elétrico, em que a quantidade de cargas elétricas positivas (prótons) no seu interior
(núcleo) seja igual à quantidade de cargas elétricas negativas (elétrons) em seu exterior (eletrosfera). Em
segundo lugar, os elétrons da eletrosfera se organizam de tal maneira a tentar ocupar regiões
energéticas particulares, de modo que sua quantidade em cada região seja 2 (para átomos pequenos do
Hidrogênio ao Boro) ou 8 (para todos os demais átomos).
Apenas os átomos localizados na coluna 18, mais à direita na tabela periódica, conseguem este objetivo,
sendo assim muito estáveis, isto é, interagem com muita dificuldade com outros átomos. Costuma-se
chamá-los gases nobres. Todos os demais átomos encontráveis na Natureza e dispostos nas demais
colunas da tabela não atendem ao segundo requisito e são assim ávidos por interagir com outros átomos
de modo que todos os objetivos sejam alcançados. As estratégias adotadas pelos átomos para interagirem
são denominadas ligações químicas e o produto final da interação resulta em novos compostos químicos.
Nos metais puros, as ligações se fazem com átomos vizinhos da mesma natureza, sendo portando ligações
físicas, que não modificam as propriedades químicas do material.
Comportamentos metálicos
Se não houver átomos de outros elementos químicos disponíveis, os átomos metálicos
entram em acordo com eles mesmos, montando uma grade ou reticulado
espacial ,denominado estrutura cristalina, de maneira que elétrons externos de uns átomos
complementam a falta de elétrons externos com elétrons externos de outros átomos. A
ligação, neste caso, não altera as propriedades originais do átomo individual, e são
denominadas ligações físicas. Neste estado, o conjunto de átomos metálicos é denominado
corpo metálico, ou metal em estado puro ou ligado (em ligas metálicas). No metal em puro
ou ligado, os elétrons que participam da associação espacial possuem mobilidade, trocando
incessantemente de átomos, estando em permanente movimento no interior do corpo
metálico.
Uma das características mais notáveis do átomo de metal reside no fato dos elétrons de
valência, serem muito pouco acoplados ao átomo. Como o átomo é grande, este elétron
mais externo fica muito distante do núcleo, sofrendo fraca força atrativa de natureza elétrica
por parte dos prótons internos.
Também por causa do tamanho do átomo, há muitos outros elétrons em camadas
eletrônicas interiores que interagem com o elétron mais externo com uma força de repulsão,
já que são todos eles negativos. O resultado das forças de atração do núcleo e de repulsão
de outros elétrons mais internos acaba sendo uma força residual de intensidade muito
pequena, de modo que qualquer outra perturbação elétrica externa ao átomo age nos
elétrons de valência de maneira muito expressiva.
Um pequeno pedaço de metal, por menor que seja, contém uma enorme quantidade de
átomos, que interagem uns com os outros por causa da proximidade mútua na grade
espacial. Um átomo perturba seus vizinhos eletricamente de modo que cada elétron de
valência mais externo sofre influência de repulsão ou de atração por átomos vizinhos que
possam momentaneamente estar com desbalanceamento nos elétron de valência. O
resultado acaba sendo uma mobilidade enorme dos elétrons de valência, que migram de
átomo em átomo incessantemente. A migração de elétrons pode ser compreendida como
uma corrente elétrica interna, bastante caótica, sem direção e sentido bem definidos, que
produz na superfície do metal a aparência brilhante característica.
Elétrons metálicos são elétrons livres,
não acoplados especificamente a
átomos particulares. Movimentam-se
incessantemente e esta liberdade de
movimento, quando devidamente
organizada, é denominada corrente
elétrica. A quantidade de energia
necessária para organizar o movimento
dos elétrons metálicos é muito pequena.
Uma diferença de potencial ínfima
aplicada sobre dois pontos de uma peça metálica é suficiente para produzir uma ínfima
corrente elétrica organizada. Corrente
elétrica é a quantidade de elétrons Se a energia organizadora para produção de
corrente elétrica possui valor menor que a energia
livres que podem se movimentar na própria dos elétrons em movimento natural dentro
unidade de tempo. A relação entre a do metal, a corrente elétrica induzida
diferença de potencial aplicada e a externamente não se produz. O limiar deste nível
quantidade de elétrons deslocados na mínimo de energia determina o ruído natural do
unidade de tempo é denominada metal quando utilizado nos estágios iniciais de um
receptor de ondas de rádio. Este nível de ruído de
resistência elétrica do corpo metálico. fundo determina a capacidade de discernimento de
Cada átomo metálico apresenta uma um sinal desejado do sinal de ruído externo. A
resistência
característica
à relação entre o nível mínimo aceitável de sinal
movimentação dos elétrons metálicos, recebido e o ruído interno é denominada
e esta característica recebe a sensibilidade do receptor.
denominação resistividade do material.
Como há movimento de cargas elétricas no interior do
corpo metálico, também são produzidos campos
magnéticos, imperceptíveis de maneira geral, mas
bastante significativos nos materiais denominados
magnéticos, em que o movimento mais bem ordenado,
causado pela melhor organização espacial dos elétrons
(spin), faz com que o movimento seja menos caótico. O
comportamento eletromagnético dos metais é tão
intenso e significativo que seus elétrons de valência são
por vezes denominados elétrons metálicos.
Um corpo metálico pode receber energia de várias maneiras, sendo o modo térmico uma
das maneiras possíveis. Quando o metal é aquecido, seus elétrons metálicos ficam mais
excitados, mais energéticos, e movimentam-se desordenadamente de maneira mais intensa,
mudando até mesmo o aspecto visual, a cor e o brilho da peça metálica. Quanto maior a
temperatura, maior a desordem elétrica no corpo metálico.
Quando os elétrons estão muito excitados por calor, movimentam-se mais intensamente e
com maior velocidade, e seus caminhos naturais por dentro do corpo metálico ficam
bastante congestionados. A solução é - literalmente - “dar a volta por cima”. Assim,
elétrons metálicos muito excitados a altas temperaturas saem do corpo metálico para o meio
circundante e a ele voltam incessantemente.
Válvula termiônica
Este fenômeno termo-cinético, por vezes
denominado
Efeito
Edison,
é
propositalmente
explorado
na
construção de filamentos em válvulas
termiônicas (figura 2) e lâmpadas
fluorescentes (figura 3), pois facilita a
retirada dos elétrons metálicos com uma
diferença de potencial externa, sob
condições ambientais de gás em baixa
pressão.
Para
filamentos
de
válvulas
termiônicas, o ambiente deve ser
inerte, com alto vácuo de ar comum
ou dopagem com algum gás inerte
(nobre). Qualquer gás inerte da
coluna 18 da tabela periódica pode
ser utilizado. Quando o filamento se
destina a uma lâmpada fluorescente,
o ambiente circundante deve ser
capaz de condução elétrica de um
filamento a outro. Assim, o gás a
baixa pressão deve ser condutor,
sendo o mercúrio utilizado para
produzir o “vapor” interno condutivo,
pois sob baixa pressão o metal
mercúrio se apresenta em estado
gasoso.
Se no lugar de mercúrio houver
sódio gasoso, a cor emitida pela
lâmpada será de um amarelo
intenso.
Lâmpada fluorescente
Outra forma de se excitar elétrons periféricos de átomos
consiste em bombardeio por luz (fótons). O efeito é semelhante
ao efeito termo-cinético, e dependendo do material empregado,
obtém-se um fluxo ordenado de elétrons ao longo do material.
À corrente circulante é associada uma diferença de potencial
(Lei de Ohm). Esta constatação recebeu a denominação Efeito
Fotoelétrico e conferiu a Albert Einstein o Prêmio Nobel de
Física.
Por meio da tecnologia do semicondutor a ciência se torna
tecnologia útil, como no caso dos painéis fotovoltaicos.
Fonte: http://www.soliclima.com/
O aquecimento de metais até seu estado líquido produz uma atividade de movimentação de
elétrons metálicos muito intensa. Quando duas porções de metais aquecidos ao estado
líquido são colocadas em contato, seus elétrons trocam facilmente de corpos, unindo-os tal
como se une dois pedaços de tecidos por meio de linha de costura. Fisicamente, há um
acordo entre as estruturas cristalinas dos metais presentes na associação. Se as condições
ambientais estiverem adequadas, de modo que o meio circundante não interfira na livre
troca de elétrons, há então a soldadura de ambos os corpos. Este é o princípio básico para a
soldagem de duas peças metálicas, que são colocadas para derretimento por intermédio de
chama ou arco elétrico. O ambiente é controlado por meio de fluxos de solda presentes nas
varetas de eletrodos de “solda elétrica”, pó apropriado para varetas de solda óxido-acetileno,
ou ambiente gasoso inerte no caso de soldagem por tocha, como nas soldas MIG e TIG.
Uma alternativa de soldagem consiste em aquecer ao estado líquido apenas um dos corpos,
que então se deposita sobre o outro corpo em estado sólido, perfazendo todo o espaço
disponível na superfície. Novamente aqui, se as condições de ambiente estiverem
adequadas, há ligadura entre a peça metálica em estado sólido e a peça metálica em estado
líquido. Assim que a peça líquida é resfriada e se torna sólida, a soldadura se torna
permanente. Esta é a técnica fundamental para a soldagem por fluxo de estanho utilizada no
mundo elétrico e eletrônico.
Eletronegatividade
Eletronegatividade é uma medida indicativa da potencialidade do átomo atrair para
próximo de si outros átomos vizinhos. O conceito de eletronegatividade combina
simultaneamente a valência de um átomo com seu tamanho. Átomos menores são mais
eletronegativos, pois o núcleo positivo encontra-se a menor distância da periferia. Átomos
com mais elétrons na camada de valência são mais eletronegativos, pois fica mais fácil para
eles completarem os 8 elétrons de estabilidade (2 elétrons para átomos pequenos).
A escala mais utilizada para medida de eletronegatividade é Pauling. O átomo com maior
valor de eletronegatividade é o flúor, o mais reativo dos elementos químicos, que possui 4
Pauling de eletronegatividade. Os átomos de menor eletronegatividade são o Césio e o
Frâncio, com valor 0,7 Pauling, fracamente reativos.
As eletronegatividades dos átomos envolvidos determinam o tipo preferencial de ligação
química entre átomos de naturezas diferentes ou ligação física entre átomos de mesma
natureza. Quando a diferença de eletronegatividade é menor que 1,7 Pauling, a ligação é
denominada covalente e quando a diferença de eletronegatividades supera 1,7 Pauling, a
ligação é denominada iônica.
Ligação Iônica
Neste tipo de ligação, um átomo cede em definitivo seus elétrons de valência para um ou
mais átomos de diferente natureza. O balanço final de suas cargas elétricas fica positivo,
por ter perdido elétrons. O átomo que recebe em definitivo os elétrons extras fica com o
balanço de cargas negativo. Átomos que ficam positivos são denominados cátions e os que
se tornam negativos recebem a denominação ânions.
A ligação iônica é considerada fraca, isto é, se rompe com aplicação de pequenos níveis de
energia. Assim, a ligação iônica produz materiais quebradiços, pouco tenazes, encontráveis
na forma de pó, particulados ou cristais.
O sal de cozinha (cloreto de sódio ou NaCl) é um composto iônico,
formador de cristais quebradiços. Compostos iônicos se dissociam
em ânions e cátions com aplicação de pequenas quantidades de
energia, fornecidas por meio de polaridades elétricas. O sal de
cozinha, como quase todos os sais, se dissocia na água, um
solvente fracamente polar.
Fonte: http://educacao.uol.com.br
Toda substância iônica é diferente
de seus átomos originais tomados
individualmente, e a ligação iônica
formada é sempre de natureza
química.
Nenhum metal utiliza a estratégia
iônica para formação de sua
estrutura cristalina quando em
estado puro ou de liga metálica.
Nestas condições, as ligações são
sempre covalentes e físicas.
Ligação covalente
Na ligação covalente, os elétrons de valência de dois átomos vizinhos se associam para
obterem ambos o estado energético de 8 elétrons, sem no entanto cederem seus elétrons em
definitivo. Agem mutuamente, em verdadeira parceria.
Ligações covalentes são fortes, necessitando de grandes níveis de energia para romperem a
estrutura cristalina. Assim, compostos químicos formados por ligação covalente têm a
tendência de serem maleáveis, pois a região de parceria entre átomos ocupa um
determinado volume espacial, condicionado pela forma e extensão dos orbitais de cada um.
Quanto maior o volume espacial da parceria, mais maleável se torna o material resultante.
Poucos são os materiais covalentes solúveis em água ou solventes pouco polares.
A maleabilidade da ligação covalente depende diretamente da diferença de
eletronegatividade dos átomos ligados. Quanto menor a diferença de eletronegatividade
entre os átomos, maior a maleabilidade do material obtido.
Quando a ligação covalente se faz
entre átomos de natureza muito
diferente, a ligação é de natureza
química, e o composto resultante é
uma nova substância química, Se os
átomos envolvidos numa ligação
covalente são de mesma natureza ou
de naturezas similares, a ligação
covalente é física, não sendo
formado novo composto químico.
Metais em estado puro ou na forma
de ligas metálicas associam seus
átomos sempre da forma covalente
do tipo físico, pois são de mesma
A água (H2O) é um exemplo de composto químico
em que a ligação química é covalente. O oxigênio
com 6 elétrons de valência se associa com 1 elétron
de cada hidrogênio e perfaz os 8 elétrons desejados
(é átomo grande). O hidrogênio com 1 elétron de
valência se associa com 1 dos 6 elétrons de valência
do oxigênio e perfaz os 2 elétrons de estabilidade (é
átomo pequeno).
Fonte: http://www.tvcultura.com.br/
natureza ou naturezas similares. Assim, apresentam grande resistência e maleabilidade,
cujas intensidades dependem da natureza dos metais envolvidos.
Estrutura cristalina do estanho e sua eletronegatividade
A eletronegatividade do estanho vale 1,96 Pauling. O estanho nas condições ambientais
com temperaturas ambientes acima de 13 ºC apresenta sempre uma estrutura cristalina em
forma de tetraedro, apresentando valência 4. Só possuirá estrutura cúbica com valência 2
(hibridização), abaixo da temperatura de 13ºC e em estado puríssimo. Assim, para efeito
deste estudo, o estanho será sempre considerado como possuindo estrutura cristalina
tetragonal, pois os fios de solda são sempre ligas, feitos de estanho impuro.
E estrutura tetraédrica (Figura 2) é muito
rígida e versátil, permitindo combinações de
grades espaciais de várias formas, tanto com
outras estruturas tetraédricas como com
estruturas cúbicas, sendo estas últimas
facilmente deformáveis para alinhamento
espacial. Desta maneira, o estanho se
combina bem com praticamente todos os
metais, mantendo entre si ou com átomos de
outros metais uma ligação física do tipo
covalente.
O carbono também apresenta estrutura
tetragonal, pois é da mesma família de
elementos químicos. A habilidade do
carbono para formação de ligações
covalentes químicos com muitos átomos não
metálicos, entre eles o hidrogênio, formam
um importante grupo de compostos
químicos denominados hidrocarbonetos, a
base química da vida.
Figura 2 – Estrutura tetraédrica
Em cada vértice há um átomo de elemento
químico. As arestas do tetraedro formam as
ligações covalentes.
Fonte: http://www.azonano.com/
Estrutura cristalina do cobre e sua eletronegatividade
O cobre não sofre hibridização (mudança de valência por modificação de orbitais atômicos)
e apresenta sempre uma valência 2 com estrutura cristalina cúbica simples (figura 3). A
eletronegatividade do cobre tem valor 1,9 Pauling.
Uma estrutura cúbica simples pode ser facilmente deformável sob efeito de esforços
externos. Elementos químicos com estrutura cúbica simples podem se ligar fisicamente a
muitas outras formas estruturais por causa desta facilidade de deformação.
Estrutura cristalina do alumínio e sua eletronegatividade
O alumínio também apresenta estrutura cristalina cúbica simples (Figura 3), com valência 3,
sem sofrer quaisquer tipos de hibridização. A eletronegatividade do alumínio vale 1,61 Pauling.
Figura 3 – Estrutura cúbica simples
Em cada vértice há um átomo de elemento químico. As arestas
do tetraedro representam as ligações covalentes.
Fonte: http://www.ufsm.br/
Soldagem por fusão do elemento de solda
A soldagem com estanho – e com todos processos de soldagem com fusão de material - se
baseia no fato de todas substâncias absorverem a energia fornecida externamente também
para produzir uma agitação molecular, além da parcela de energia que excita os elétrons
externos dos átomos. A coesão da matéria em estado sólido é determinada por um jogo de
forças: de um lado gravitacional, que aproxima os átomos e moléculas, e de outro pela
força elétrica negativa da periferia dos átomos que produz repulsão mútua.
Quando a energia interna da substância é pequena, diz-se que a matéria se encontra no
estado sólido, pois não há energia suficiente para movimentar átomos ou moléculas além de
uma distância determinada pela agitação molecular. Átomos e moléculas, apesar da
agitação microscópica interna produzida pela “queda de braço” entre gravitação e
eletromagnetismo, mantêm-se vinculados uns aos outros, numa construção espacial de
formato permanente. Assim, como nos dizem os livros didáticos do ensino fundamental,
“no estado sólido a matéria não perde sua forma física”.
A partir de um certo estado de energia, que varia de substância para substância, átomos ou
moléculas conseguem se afastar para além da distância que os aprisiona no estado sólido, e
estes átomos ou moléculas podem então se movimentar com relativa facilidade em torno
uns dos outros, A matéria permanece agregada por ação gravitacional, mas a forma externa
do corpo não é mais garantida pela estrutura espacial típica do corpo sólido. Nestas
condições, diz-se que a substância encontra-se no estado líquido, e como nos dizem os
livros didáticos do ensino fundamental, “no estado líquido a matéria ocupa a forma do
recipiente em que é colocado”.
Se a quantidade de energia interna da substância é muito elevada, átomos ou moléculas
agitam-se com muita intensidade, podendo então realizar movimentos extremos, sem que a
atração gravitacional de outros átomos e moléculas possam produzir algum efeito de coesão.
Nestas condições diz-se que a substância encontra-se no estado gasoso, e como dizem os
livros didáticos do ensino fundamental, “no estado gasoso, a matéria ocupa todo espaço
disponível no recipiente que a contém”.
A passagem do estado sólido para o estado líquido (derretimento) é denominada fusão, que
ocorre, para cada substância em particular, a determinadas temperaturas – ou seja, estados
próprios de energia interna. Nos processos de soldagem por fusão, a temperatura do
elemento de solda, assim como a temperatura dos objetos a serem soldados, deve ser
aumentada até o ponto de fusão do material do elemento de liga. Assim, é necessário que o
elemento de liga apresente uma temperatura de fusão menor do que os objetos a serem
soldados, de modo a se evitar o derretimento das peças como um todo.
A temperatura necessária para a fusão do elemento de solda é obtida por fornecimento de
energia externa, podendo ser por um ferro de soldar como no estanho, arcos elétricos como
na solda do aço, chama de maçarico como na solda de oxi-acetileno, e pela tocha de plasma
como nos processos MIG e TIG.
Soldagem com estanho
O estanho de fusão do estanho puro é de 232 ºC, mas é menor, de cerca de 183 ºC, quando
em mistura com chumbo como elemento de liga. Esta diminuição de temperatura de fusão é
comum nos metais que são misturados em ligas eutéticas, em que elementos auxiliares de
liga são utilizados. O fio de estanho tradicionalmente utilizado na prática eletrônica possui
chumbo como elemento de liga, de modo a se conseguir temperaturas mais baixas para a
fusão da mistura metálica eutética. A temperatura de fusão da liga eutética é obtida por
meio do “ferro de soldar”.
O processo de soldagem com estanho – e também com todos os demais processos de
soldagem por fusão - baseia-se também no fato dos elétrons de átomos aquecidos saltarem
para fora dos corpos metálicos, considerando tanto o metal a ser soldado, quanto o estanho
que é o elemento de ligação. Características adicionais importantes para determinar a
possibilidade da soldagem são: eletronegatividade dos metais a serem soldados,
eletronegatividade do estanho e estrutura cristalina de cada um deles.
A soldagem de peças de cobre ou suas ligas (bronze, latão) é possível, porque o estanho
tem estrutura cristalina tetragonal e a diferença de eletronegatividade entre o cobre e o
estanho é muito pequena: 1,96 - 1,9 = 0,06. O resultado final da soldadura, formada por
ligações físicas covalentes com pequena diferença de eletronegatividade apresenta uma
característica muito maleável, além de bom contato elétrico. Deformações nas peças
originais já soldadas se refletem com equivalente deformação da interface de soldadura
entre os metais. Assim, a soldadura de cobre com estanho aceita trabalhos mecânicos
significativos.
A soldagem de peças de alumínio com estanho é também possível, pois a estrutura
cristalina do alumínio é também cúbica e a diferença de eletronegatividade não é elevada:
1,96 – 1,61 = 0,35. Como a diferença de eletronegatividade entre alumínio e estanho é
maior do que a diferença de eletronegatividade entre cobre e estanho, a interface da
soldadura não se presta muito bem para trabalhos mecânicos significativos. Apesar da
ligação física ser também covalente, a diferença maior entre eletronegatividades impõe à
interface de solda uma maleabilidade menor. A solda do alumínio com estanho é mais
quebradiça do que aquela realizada com cobre, e se presta basicamente à conexão elétrica
entre peças elétricas, em que esforços mecânicos sejam de pequena intensidade.
Se na teoria a soldabilidade do alumínio com fluxos de estanho é viável, por que na prática
isto não ocorre?
O problema com o alumínio
O que dificulta a soldagem do alumínio com estanho não é o metal propriamente dito, mas
o óxido de alumínio, ou alumina, que o reveste. O óxido de alumínio é muito resistente a
ataques químicos ou mecânicos, pouco solúvel em água, e por ser um óxido, não possui
afinidade eletromagnética natural com quaisquer metais, exceto com o próprio alumínio.
Dessa maneira, o estanho utilizado na soldagem não adere ao óxido de alumínio depositado
externamente.
A alumina é um composto químico tão resistente que tem utilização como componente
abrasivo em lixas e pastas abrasivas. A dureza mecânica à compressão do óxido de
alumínio é superior à maioria dos aços, mesmo especiais. Por outro lado, a resistência
mecânica do óxido de alumínio à tração ou cisalhamento é pequena. Assim, uma peça de
alumínio pode ser facilmente riscada e arranhada, pois as forças aplicadas por uma aresta
cortante sobre a película de alumina são de natureza cisalhante.
O óxido de alumínio é encontrado
em estado natural depositado sobre
a superfície de qualquer corpo
feito de alumínio metálico.
Deposita-se em películas muito
finas, com milionésimos de
milímetro (mícron) de espessura.
Nestas condições, a película é
bastante transparente e incolor,
preservando bastante bem o brilho
metálico esbranquiçado do metal
no substrato. Na forma granulada
retirada do alumínio metálico, o
óxido de alumínio tem uma cor
cinzenta bastante escura, quase
negra.
Quando depositado de maneira artificial por processo
eletrolítico em camadas mais espessas que o normal,
a alumina proporciona à peça de alumínio um valor de
dureza superficial importante, tornando o aspecto um
pouco mais embaçado. Este processo é denominado
industrialmente anodização, e pode ser executado até
mesmo com corantes e aditivos para obtenção de
cores e brilho. Peças que sofrem este processo são
denominadas comercialmente de alumínio anodizado.
Fonte: http://www.motobr.com.br
A formação do óxido de alumínio sobre superfícies de alumínio é espontânea, pois o
alumínio metálico é bastante reativo, combinando-se com o oxigênio do ar para a formação
do óxido de alumínio. A reação de oxidação do alumínio ocorre mesmo a temperaturas
ambientes, inclusive em temperaturas de inverno rigoroso. Além de espontânea, a reação de
oxidação do alumínio é muito rápida, levando poucos minutos para a formação definitiva
da película de alumina. Assim que a película de alumina formada sobre a peça de alumínio
atinge uma certa espessura, isola a peça original do ar circundante, e a reação de oxidação
cessa. Desta maneira, a reação de oxidação é muito intensa no início, quando o metal está
“nu”, diminuindo lentamente até o ponto em que praticamente não ocorre mais. A película
de óxido de alumínio adere-se fortemente ao substrato de alumínio interior, por causa de
forças eletromagnéticas presentes na grade espacial do metal e no reticulado cristalino do
óxido.
Para complicar mais um pouco a
situação, o óxido de alumínio é
muito resistente ao calor, não se
abalando com as temperaturas
obtidas com ferros de soldagem
por estanho, que raramente
atingem 400 ºC.
No caso de soldas de tocha MIG e TIG, a alta
temperatura da tocha derrete os metais na área de
soldagem, deslocando a alumina (que chega a ser
vaporizada), sendo assim retirada. O ambiente de gás
inerte impede a formação de novo óxido de alumínio e
a soldagem se faz com facilidade.
Por causa da existência da película
de óxido de alumínio sobre a
superfície de peças de alumínio, o
processo
de
soldagem
por
aplicação de estanho se torna de
fato impossível. A menos, é claro,
que se possa retirar a película de
alumina no ponto onde se necessita Fonte: http://www.soldaduraecorte.com.br/
aplicar a solda de estanho. Como
resiste bem às temperaturas elevadas apenas obtidas por tochas, o óxido de alumínio só
pode ser retirado de maneira simples por processos químicos ou mecânicos. Desde que
retirado, o estanho se adere bem ao alumínio “nu”, conforme já se viu na teoria da
eletronegatividade e estrutura cristalina espacial.
Técnicas mais correntes para soldagem do alumínio com estanho
Quaisquer que sejam os processos adotados para soldagem de peças de alumínio com
estanho por intermédio de ferro de soldar, torna-se necessário depositar previamente uma
camada de estanho sobre a peça de alumínio. Este estanhamento prévio é absolutamente
necessário, pois não há como se soldar diretamente duas peças distintas. O estanho prévio
funciona como um substrato aplicado sobre a superfície de alumínio. Sobre este substrato
pode-se então soldar peças de cobre, ou mesmo outra peça de alumínio também
previamente estanhada. A aderência do substrato de estanho sobre alumínio é
surpreendentemente mais forte que do estanho sobre cobre, pois o alumínio possui três
elétrons de valência, que fazem com os quatro elétrons de valência do estanho, melhores
cominações geométricas na trama
eletromagnética. Entretanto, a ligação,
apesar de forte, não é tenaz,
apresentando um comportamento
quebradiço.
O ácido fosfórico, sempre presente em
muito pequenas quantidades nos
refrigerantes “de cola”, tem sido
utilizado com algum sucesso para
soldagem de peças em alumínio, mas
possui alguns inconvenientes. Primeiro,
O ácido fosfórico é incolor, de aspecto oleoso, com
viscosidade semelhante à de vodka congelada. Esta
viscosidade diminui com a diminuição da concentração.
Não possui cheiro forte, daí seu maior perigo em casas
com crianças.
apesar de ser um ácido não muito forte, é corrosivo como quaisquer ácidos. Quem costuma
fazer limpeza e desengraxamento com imersão de peças em refrigerante “de cola” sabe
disso. Sua manipulação nas concentrações comerciais de 85% exige cuidados especiais. Em
segundo lugar, o tempo necessário para o ácido fosfórico atacar quimicamente o óxido de
alumínio é muito longo para a prática corrente em eletrônica. A aplicação de calor, com o
próprio ferro de soldar em volta do lugar em que o ácido fosfórico ajuda, pois acelera a
reação química. Somos tentados a tentar abreviar o processo, com resultados sempre
desanimadores. Durante o aquecimento do estanho e da peça a ser soldada, há liberação de
substâncias voláteis tóxicas. Há pessoas que sabem todos os detalhes técnicos sobre a
utilização do ácido fosfórico para soldagem de alumínio com estanho, mediante o auxílio
do ácido fosfórico. Há no mercado produtos químicos especialmente desenvolvidos para
soldagem de alumínio com estanho, e a maioria não passam de ácido fosfórico numa
concentração adequada. Entretanto, poucos profissionais e experimentadores em eletrônica
sabem que o ácido fosfórico permite a soldagem do alumínio. Eu pessoalmente prefiro
técnicas mais “limpas” e mais “ecológicas”.
Uma técnica alternativa utiliza a retirada do óxido de alumínio por processo mecânico, por
meio de lixas, raspadores ou limas. Assim que a alumina é retirada, o metal do substrato
fica “nu”, e deve ser o mais rapidamente possível protegido do oxigênio atmosférico
circundante para barrar a rápida reação de oxidação do alumínio. Para esta proteção
superficial temporária quaisquer materiais que apresentem volatilidade quando aquecidos
com a ponta do ferro de soldar podem ser utilizados.
Costuma-se aplicar com freqüência a
parafina, encontrada facilmente em
velas de iluminação. A parafina é
aplicada com o próprio ferro de soldar,
que a aquecendo, provoca seu
derretimento e espalhamento sobre a
área raspada. O grande inconveniente
do uso da parafina é o aspecto
Parafina em barras ou industrializada como vela
pegajoso final que a peça adquire, pois
a parafina, sob ação do calor do ferro de soldar e do aquecimento de toda a peça, espalha-se
muito além da área de soldagem. Em muitas aplicações, este inconveniente estético pode
ser importante. Para complicar ainda mais, o processo de soldagem de alumínio com
estanho e ferro de soldar produz a retirada de óxido de alumínio em formação, de cor cinza
escuro, e que se mistura à “pasta” de parafina espalhada. O aspecto final é realmente
bastante feio. O excesso de parafina na peça final pode ser retirado posteriormente com
solvente adequado, como thinner. Nem sempre isso é aconselhável, pois há quem tenha
alergia epidérmica a estes solventes fortes.
No site de PY2BBS (http://www.py2bbs.qsl.br/) há um interessante vídeo de como se
soldar
alumínio
com
estanho,
utilizando
a
proteção
da
parafina
(http://www.py2bbs.qsl.br/solda_aluminio.php). Deve-se notar que a pessoa que faz a
soldagem executa com o ferro de soldar um movimento de raspagem à medida que deposita
o estanho. Este é de fato o grande “truque” para se soldar o alumínio com estanho. Por mais
rápido que se aplique a proteção de parafina, ocorre um início imediato de formação de
óxido de alumínio, pois a reação de oxidação é muito rápida com o metal no estado “nu”. A
raspagem insistente e forte com a ponta do ferro de soldar promove a remoção do óxido em
formação, permitindo a aderência do estanho no alumínio. Deve-se aplicar o estanho em
trechos curtos, de 3mm a 5mm.
Outro “truque” fundamental para a
soldagem de alumínio com estanho é o
ferro de soldagem. Deve ser de
tamanho grande, maior do que
usaríamos para soldar cobre comum.
Esta regra vale também para quaisquer
outros métodos, inclusive quando a
retirada do óxido de alumínio se faz
com processo químico, como por
exemplo, com aplicação de ácido
fosfórico. O motivo desta escolha é a
necessidade da temperatura da peça a
soldar ser bastante alta, de modo a
facilitar a interação eletromagnética
entre o estanho e o alumínio.
O álcool comum (etanol) é bom
solvente para o breu, e um composto
químico menos agressivo para a pele
do operador. Na falta de álcool, podese
aquecer
novamente
–
e
cuidadosamente - a peça já soldada
para que o breu se volatilize. Esta
técnica, entretanto, não retira o óxido
de alumínio granulado que enfeia o
aspecto final. Em último caso, uma
cuidadosa raspagem do breu também
permite sua retirada. E neste caso, a
também retirada do óxido calcinado.
O grande “truque” para criação do
substrato de estanho sobre o alumínio é
a permanente, insistente e firme
esfregação com a ponta do ferro de
soldar na região que já foi previamente
raspada. Sem este expediente, não há
como se retirar o óxido de alumínio que
vai se formando sobre o metal “nu”, que
tenta impedir o estanho de tocar a
superfície metálica. Deve-se fixar bem a
peça de alumínio, pois a raspagem com
a ponta do ferro de soldar deve ser feita
com algum esforço.
Meu processo preferido
Uso a técnica de retirada do óxido de alumínio por processo mecânico de raspagem, e não
uso quaisquer produtos como parafina ou breu para isolar o metal “nu” do ar circundante,
visto que sempre produzem algum inconveniente final.
Para a raspagem mecânica, prefiro utilizar uma pequena lima do tipo “ferramenteira”. Estas
limas são encontradas no comércio, na forma de um conjunto de vários perfis. Evito utilizar
o processo de lixamento, pois a lixa sempre libera a abrasivo granulado já desgastado, além
do material agregante (papel, geralmente). Estes materiais estranhos ao processo sempre
produzem interferência negativa na soldagem. Se disponível, uma “pedra montada”
abrasiva, funcionando como esmeril e acionada por uma
“Limas ferramenteiras”
furadeira manual (“dremel”) dá bom resultado. As limas
rotativas que acompanham tais kits também podem ser
utilizadas.
Assim que raspo a região que receberá a base de estanho,
inicio a aplicação do substrato por meio de um ferro de
soldar de tamanho adequado. Para superfícies raspadas
pequenas, de peças com superfície também pequena,
onde se soldará um fio
Ponta montada e lima rotativa
de cobre, uso um ferro
de soldar com potência de cerca de 50W. Para superfícies
maiores, ferros de soldar de 100W, 180W e até de 320W
podem ser necessários. Esqueça definitivamente a idéia
de aplicar o substrato de estanho com ferros de soldar
para uso em eletrônica, com potência não superior a 30W,
a menos que a peça seja minúscula (área de até uns dois
centímetros quadrados) e com uma área raspada com
apenas poucos milímetros quadrados.
Utilizo sempre fio de estanho para uso em eletrônica, que tem alto teor de estanho e baixo
teor de chumbo, além de já proporcionar o fluxo de solda necessário. Fios de solda com
proporção de 60% de estanho e 40% de chumbo já servem bem para o propósito de
soldagem de alumínio. Fios de solda com proporção menor que
60% de estanho são imprestáveis para solda em alumínio e com
Fio de solda adequado
proporção ainda maior de estanho são ainda melhores. A marca
do fio de solda também é importante, pois há certos produtos
com proporção adequada de estanho, mas com fluxo muito
pouco eficiente. O fluxo de solda tem um papel importante no
processo, visto que participa da retirada do óxido de alumínio
recém formado durante a raspagem com a ponta do ferro de
soldar. Sem mencionar a marca que recomendo, apenas posso
dizer que sua embalagem é azul, e seu fabricante afirma ser o
melhor.
Importante: evito o uso de maçaricos a gás para aplicar o estanho.
São muito práticos e deve-se sempre pensar em ter um à mão. São
muito bons para pré-aquecimento de peças de grandes dimensões,
mas não são bons para uso direto na área a ser soldada. O cobre e o
alumínio quando adquirem uma tonalidade diferente do metal
natural tornam-se imprestáveis à soldagem por estanho, visto
estarem reagindo preferencialmente com o oxigênio do ar. Outro
grande inconveniente do uso de maçaricos diretamente na área a
ser soldada é a liberação de água pelo processo de combustão. Esta
água que em alta temperatura encontra-se no estado gasoso é
fortemente reativa, dissociando facilmente o oxigênio do
hidrogênio. O oxigênio dissociado encontra-se no estado atômico e
reage muito mais rapidamente com o metal para produção do
óxido correspondente.
Ferro de soldar de 50W
Maçarico a gás
O tempo que decorre entre o término da raspagem e o início
de aplicação do estanho não deve ser demorado. Mas também
não é necessário “querer tirar o pai da forca”. Evito
afobações, pois afinal, em milésimos de segundo já há
formação de óxido de alumínio sobre o metal “nu”. Trabalho
naturalmente, usando a ponta do ferro de soldar para raspar
novamente o local onde será depositado o substrato de
estanho.
Tenho paciência. É normal decorrerem alguns
segundos para o estanho começar a aderir no
alumínio. A sensação ao toque do estanho
aderindo é inconfundível. A ponta do ferro de
soldar parece encontrar um obstáculo e parece
estar também se aderindo ao alumínio. Este é o
indício de que o processo está funcionando, pois
quando o estanho se adere ao alumínio, retirá-lo
novamente requer uma força razoável, visto que
a interação eletromagnética entre estanho e
alumínio é bastante forte, mais forte do que
entre estanho e cobre.
Ferro de soldar de 320W
Assim que começa a aderência, começo a espalhar mais estanho ao longo da superfície
preparada. Calmamente, em menos de um minuto é possível estanhar uma área de alumínio
de uns dois milímetros de largura por uns quinze milímetros de comprimento. Em volta da
área de depósito de substrato de estanho forma-se uma borra escura, quase negra, resultante
do óxido de alumínio granulado que se formou e que foi retirada pela ponta do ferro de
soldar utilizado como segundo raspador. Para garantir uma boa soldadura, raspo com a
ponta do ferro de soldar novamente toda a superfície de deposição de estanho para garantir
que nenhum trecho tenha sobrado sem a retirada do óxido de alumínio.
Terminada a soldagem, vem o processo de limpeza, que é
bastante simples, visto não haver materiais estranhos a menos
do resto de fluxo de solda e o óxido de alumínio granulado a
ele misturado. Se não há necessidade estética no projeto, fica
tudo como está. O óxido de alumínio é mal condutor de
eletricidade, e este aspecto deve ser levado em conta no
acabamento final.
Utensílios de limpeza
Havendo necessidade ou vontade de limpeza, procede-se a uma raspagem da borra de fluxo
com alumina. É conveniente que a peça já esteja fria, pois então o fluxo estará endurecido,
o que facilita sua remoção. Utilizo quaisquer lâminas metálicas para este propósito, até
mesmo faca de cozinha, visto que esta borra é fracamente aderente. Em seguida, com uma
escova de dente, faço uma boa esfregação com pasta dental (que é abrasiva). Este último
cuidado proporciona a limpeza fina e dá o brilho final.
Agora que o substrato de estanho está incorporado à peça de alumínio, termina-se a
soldagem com a outra peça, que pode ser de cobre ou mesmo outra peça com substrato de
estanho. A potência do ferro de soldar agora fica por conta do convencional, pois não há
mais necessidade de aplicação de substratos de estanho. Leva-se em conta apenas as
dimensões das peças para escolha do ferro de soldar, e esta experiência já é de domínio do
técnico ou experimentador. Nesta fase pode-se utilizar um maçarico a gás, desde que a
outra peça esteja também devidamente estanhada (a liga de estanho não forma óxido).
Na figura 4 se pode ver um estator fixo de um capacitor variável do tipo “butterfly” que
está sendo construído para ser utilizado em uma antena de laço magnético (“magnetic
loop”). O estator de alumínio foi recortado com tesoura em chapa de alumínio de espessura
0,8 mm. A borda do furo (com diâmetro 3/8”) foi limada e sobre esta borda limada foi
aplicado o substrato de estanho por meio da técnica que descrevi.
Figura 4 – Peça em alumínio pronta para soldagem com o
substrato de estanho já aplicado
O acabamento da camada de
estanho não importa neste
instante, e pode-se perceber
que a superfície se encontra
algo irregular. Ocorre que tanto
estanho quanto alumínio são
muito bons propagadores de
calor, transferindo-o muito
facilmente
para
toda
a
superfície da peça, fazendo
com que o estanho trabalhe no
limite de temperatura de seu
estado líquido. Outro motivo
para
a
dificuldade
de
acabamento prévio está no fato
da aderência do estanho sobre
alumínio ser mecanicamente
muito forte, o que dificulta o
trabalho de espalhamento produzido pela ponta do ferro de soldar. O acabamento do
estanho melhora quando se utiliza ferro de solda de elevada potência. Para aplicação do
estanho na peça da figura 4, que tem uma superfície total de cerca de 30 cm2, foi utilizado
um ferro de solda com potência de 50W. Notar que ainda sobrou uma pequena parte do
fluxo de solda contaminado com óxido de alumínio à volta do substrato de estanho. Na
soldagem final com outra peça de cobre ou alumínio, pode-se então usar ferro de solda
muito potente, ou mesmo maçarico a gás, para produzir um fino acabamento.
No furo com borda estanhada do estator da figura 4 será posicionado um cano de cobre de
diâmetro externo de 3/8” utilizado em refrigeração. Este pedaço de cano de cobre
funcionará como um suporte para os vários estatores que comporão as seções capacitivas
do capacitor variável. Cada estator será soldado neste “barramento” de cobre a uma
distância de 4,8 mm, fazendo com que todas as seções capacitivas estejam ligadas em
paralelo.
O processo passo a passo
Eis um exemplo de soldagem de uma peça de alumínio com outra peça de cobre. A peça em
alumínio é um estator rotativo de um capacitor “butterfly” e a peça de cobre um separador
de montagem, feito a partir de um cano de cobre para refrigeração com 3/8” de diâmetro
externo. Ambos são visíveis no estado original na figura 5.
Figura 5 – As peças a serem unidas por estanho
Passo 1
A área da peça de alumínio que deve receber é preparada por raspagem, como se pode ver
na figura 6. A largura da área raspada é de cerca de 1mm. Usei uma lima, mas poderia ter
sido uma ponta de faca de aço inox.
Figura 6 – Preparação da peça de alumínio
Passo 2
O substrato de estanho é aplicado sobre a área raspada, em torno de 3mm de comprimento
de cada vez. A raspagem com a ponta do ferro de soldar é fundamental, e o processo é visto
na figura 7. Nos trechos onde possa haver dificuldade de estanhamento, raspar a peça
novamente com a lima ou com uma faca de aço.
Figura 7 – Aplicação do substrato de estanho
Passo 3
Na figura 8, o estanhamento está concluído.
Figura 8 – Peça de alumínio concluída
Passo 4
A peça de cobre, previamente limpa, é posicionada no local, como se vê na figura 9.
Figura 9 – Posicionamento da peça de cobre
Passo 5
Com o ferro de solda de 50W, foi aplicado estanho à parte do cobre, unindo o estanho do
lado de cobre com o estanho do lado de alumínio. Neste ponto, a soldadura está concluída,
mas deve ser retocada. O conjunto montado é visto na figura 10.
Figura 10 – Conjunto cobre-alumínio pronto
Passo 6
Com o ferro de solda de 320W ou com um maçarico, o estanho de toda região soldada é
novamente derretido para que nenhum defeito possa sobrar. O produto final foi então limpo
com pasta de dentes. A figura 11 mostra o resultado final do processo
Figura 11 – Detalhe do produto final
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autor também autoriza a tradução do presente texto para quaisquer
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crédito de autoria.
PY2IAV – Sávio (Engenheiro e Físico)
28 de Novembro de 2.010