SOLDAGEM POR ALTA FREQÜÊNCIA - high frequency welding (HFW)

Prof. Alexandre Queiroz Bracarense, PhD

Universidade Federal de Minas Gerais Grupo de Robótica, Soldagem e Simulação

1) Introdução:

Soldagem por alta freqüência (HFW), algumas vezes conhecida por Soldagem por

Rádio Freqüência ou Soldagem Dielétrica, é um processo que promove a fusão

localizada conjunta de materiais e interação entre as suas moléculas através da

aplicação de energia de rádio-freqüência sobre a área a ser unida.

Este processo faz parte do grupo de processos de soldagem por resistência

elétrica (ERW).

Quando devidamente executada, a solda resultante é tão resistente quanto os

materiais originariamente empregados.

Basicamente, a soldagem ocorre devido a dois efeitos:

a) Aquecimento:

Um gerador de correntes de alta freqüência é colocado de forma a induzir campos

elétricos sobre a região a ser soldada.

O processo consiste em sujeitar as partes a serem soldadas a estes campos

elétricos de alta freqüência, que normalmente é aplicado entre duas partes metálicas. O

campo elétrico dinâmico promove a oscilação de moléculas nos materiais. Dependendo

de sua geometria e de seu momento dipolar, estas moléculas irão transformar parte

deste movimento oscilatório em energia térmica, causando o aquecimento do material.

Este aquecimento promoverá um amolecimento instantâneo dos materiais.

A medida desta interação é o fator de rendimento η, dependente da temperatura e

da freqüência.

Como o aquecimento é causado por rápidas alternâncias de campos elétricos

gerados pela corrente de alta freqüência, é necessário que os materiais possuam certas

propriedades específicas. Isto significa que somente alguns materiais podem ser

dieletricamente soldados.

b) Pressão:

As partes metálicas também exercem pressão sobre as peças durante os

processos de aquecimento e resfriamento.

Esta pressão aplicada sob os materiais sujeitos a temperaturas elevadas e

mantida durante o resfriamento, promoverá a união entre as partes.

Soldagem por alta freqüência tem muito a oferecer, incluindo velocidade,

eficiência, excelente qualidade de soldagem, eliminação de consumíveis, longa vida para

as ferramentas e grande capacidade de ser automatizado.

2) Retrospectiva:

A origem do uso de energia de alta freqüência está intimamente ligada aos

primórdios da utilização do rádio e radar, quando se diagnosticou o efeito de

aquecimento provocado pelas ondas de rádio.

No entanto, o uso da energia de alta freqüência como processo de soldagem tem

certamente uma ligação bastante íntima com o desenvolvimento e uso de materiais

termoplásticos.

Reconhecida desde o início do século passado como um processo industrial

único, a soldagem por alta freqüência não tem um autor definido.

Algumas formas de fusão de PVC por eletricidade de alta freqüência foram

utilizadas durante a Segunda Guerra Mundial, quando alguns tipos deste material foram

empregados em substituição a borracha.

É muito difícil a associação do uso do PVC com o surgimento da soldagem por

alta freqüência em termos de calendário. Dentre os fenômenos já conhecidos da

transmissão por rádio naquela época, estava o efeito do aquecimento sobre o

equipamento de transmissão e ao redor do mesmo, além da reflexão de energia de

radiação de objetos distantes que interferiam com a recepção dos sinais.

Os ecos de rádio foram prontamente usados sob a forma de radares, mas a

exploração dos efeitos do aquecimento dielétrico não é tão bem documentado.

Geradores de alta freqüência são seguramente anteriores a 1939 em equipamentos

médicos, pois é reportado que alguns destes eram ajustados com antenas de forma a

captar sinais de rádio alemães guiando bombas para cidades inglesas.

A aplicação industrial mais famosa de aquecimento dielétrico durante a guerra é o

aquecimento e rápida secagem de resinas colantes usadas em propulsores de madeira e

aeronaves.

Estas técnicas estavam prontas para serem usadas no pós-guerra e foram

empregadas em fabricação de caixas de TV’s.

O que impulsionou, no entanto as pesquisas e a aplicação desta técnica, foi à

necessidade de se obter uma forma de se soldar e revestir o PVC, que se tornara um

produto altamente aplicado na ocasião devido a suas vantagens. Roupas para

motociclistas, pescadores, capas de chuva e afins eram cada vez mais fabricados em

PVC e suas emendas exigiam um método que fosse capaz de gerar juntas uniformes e

estanques, o que provocou uma busca pela evolução constante dos métodos e

ferramentas empregados.

3) Fundamentos:

O processo de soldagem por alta freqüência não utiliza fluxos, materiais de adição

e outros métodos usados em processos convencionais de soldagem para proteção da

junta.

A aplicação de calor é localizada. Como conseqüência, normalmente não ocorrem

alterações nas estruturas das áreas não envolvidas na soldagem.

A freqüência utilizada pelos geradores convencionais é de 27,12 MHz. Isto

significa que a energia possui 27,12 milhões de ciclos por segundo. Como cada ciclo é

composto de meio ciclo positivo e meio ciclo negativo, a inversão do campo ocorre 54,24

milhões de vezes por segundo.

4) Vantagens:

A soldagem por alta freqüência apresenta vantagens significativas em relação a

outros processos de soldagem convencionais.

Obviamente que sua aplicação está limitada a determinados materiais.

Dentre as principais vantagens, destacam-se as seguintes:

• Aquecimento instantâneo:

A geração de energia e o aquecimento provocado por ela iniciam-se

imediatamente e é cessado rapidamente. Isto permite alto controle sobre a quantidade

de calor fornecida a junta. Com isto, o processo quando corretamente dimensionado

evita que as regiões não envolvidas na soldagem sejam termicamente afetadas.

• Baixo aquecimento das ferramentas:

O processo de aquecimento é muito rápido. Além disto, o fornecimento de calor

pelo gerador é interrompido rapidamente. Isto contribui para que as ferramentas se

aqueçam muito pouco, apesar das mesmas manterem contato com as peças ainda por

alguns instantes.

Além de se desgastarem menos, as ferramentas terão menor influência no

aquecimento e resfriamento das juntas, possibilitando maior controle sobre a fusão,

extrusão e resistência final das mesmas.

• Soldagem limpa:

A soldagem por alta freqüência não utiliza fluxos e/ou metais de adição.

Com isto, a junta normalmente não necessita de trabalhos de limpeza, remoção

de escórias e outros processos afins relacionados à execução de juntas por outros

processos.

• Alta velocidade de execução:

Como o processo não exige atividades paralelas, este processo possui altas

velocidades de execução, sendo, portanto bastante produtivo.

• Grande facilidade de automação:

As variáveis envolvidas no processo são de fácil controle. Além disto, o processo

permite que pequenas variações nos valores destas variáveis tenham pouca

interferência no resultado final.

Tudo isto contribui na facilitação da automação do processo, gerando soldas de

qualidade e com altos índices de produtividade.

5) Aplicações:

A soldagem por alta freqüência tem se mostrado uma ferramenta bastante

aplicável na união de materiais cujos processos convencionais são particularmente

limitados.

5.1 Soldagem de metais:

A soldagem por alta freqüência pode ser aplicada para a união de metais, tais

como aços carbono e aços inoxidáveis ferríticos para tubos de sistemas de exaustão.

Recentemente tem-se aplicado a soldagem por alta freqüência na soldagem de tubos

austeníticos aplicados em usos de menor responsabilidade.

As altas velocidades de execução e conseqüentemente, altas produtividades

incentivam a pesquisa e o desenvolvimento deste processo na aplicação em soldagem

de tubos.

A velocidade média está em torno de 40 a 60 m/min, podendo alcançar até 180

m/min.

Por suas limitações com relação aplicação em determinados materiais e seus

altos custos de implantação, este processo necessita de uma avaliação prévia bastante

criteriosa, antes de ser adotado.

A maior dificuldade encontrada neste processo está no correto ajuste das diversas

variáveis envolvidas no processo. Uma vez definidas e corretamente ajustadas, o

resultado final será certamente excelente.

Os resultados obtidos oferecem juntas de excelente qualidade.

5.1.1 Descrição do processo: O processo basicamente é composto de uma bobina (coil) pela qual passa a

corrente elétrica responsável pela geração do campo elétrico de alta freqüência e

conseqüente aquecimento da região a ser soldada e localizada a frente de rolos

responsáveis pela conformação e união entre as duas faces aquecidas. Estes rolos

promoverão o contato e a pressão necessária para que as partes sejam unidas.

Um outro mecanismo é responsável pela alimentação do material, promovendo o

deslocamento em direção da bobina e dos rolos.

A figura a seguir ilustra basicamente este processo na soldagem de costura de

tubos:

As arestas do tubo formam um “V” um pouco antes do ponto de soldagem,

localizado ligeiramente antes dos rolos.

A bobina não tem contato físico com o tubo e funciona como primário de um

transformador de alta freqüência. O tubo funciona como secundário.

A corrente gerada tende a caminhar pelas arestas do tubo e se concentrar na

região do “V”.

A densidade de corrente vai aumentando ao longo das arestas, sendo muito

superior na região do “V” do que em qualquer outro ponto. Isto provoca um rápido

aquecimento nesta região, fazendo com que o metal alcance altas temperaturas e

conseqüente coalescencia ao chegar a ponto de soldagem.

Os rolos forçam as arestas aquecidas e fundidas uma de encontro à outra

promovendo a união entre elas.

Além da soldagem de costuras de tubos, a soldagem de alta freqüência também é

bastante utilizada na soldagem de:

Aletas em tubos de condução de calor:

Perfis “I” e “H”:

5.1.2 Efeitos da corrente de alta freqüência: A corrente de alta freqüência apresenta comportamento diferenciado em relação

as correntes de baixa freqüência. Dois fenômenos especialmente ocorrem na utilização desta corrente: a. “Skin effect”:

É a tendência da corrente de alta freqüência se concentrar na superfície externa

em um condutor. As correntes de baixa freqüência normalmente se distribuem

integralmente em toda a região do condutor.

A figura abaixo mostra este fenômeno:

b. “Poximity effect”:

É a tendência que a corrente de alta freqüência possui de se concentrar nas

regiões adjacentes mais próximas em condutores inversos. Este efeito é intensificado à

medida que o afastamento entre as partes diminui e pode ser visto na figura abaixo:

“Skin Effect” e “Proximity Effect” causados por correntes de alta freqüência:

“Skin Effect”: À

esquerda, correntes de 60 Hz,

com distribuição no condutor

uniforme À direita, a corrente

de alta freqüência concentrada

nas superfícies externas.

“Proximity Effect”: As

correntes de alta freqüência em

condutores opostos tendem a se

concentrar nas áreas mais próximas

entre si.

5.1.3 Freqüência e penetração:

A quantidade de calor provocada pelas correntes de alta freqüência é maior nas

superfícies externa e interna dos tubos que na parte central. Isto significa dizer que a

penetração obtida é geralmente menor quando comparada com outros processos de

soldagem por resistência elétrica.Além disto, a concentração de fusão nas superfícies

aliada a pressão necessária à união, pode gerar a extrusão de material, característica

em processos de soldagem por resistência, conforme mostrado na figura abaixo:

A penetração característica da soldagem por alta freqüência é função do material,

temperatura do material e freqüência da corrente. Geralmente, correntes mais altas têm

penetrações mais largas e correntes mais baixas têm penetrações mais profundas.

A figura abaixo mostra uma ilustração da região criada pela soldagem por alta

freqüência:

5.1.4 Fatores de otimização da soldagem:

Efeito do “V”:

O “V’ formado na soldagem de metais por alta freqüência tem grande importância

para se obter uma solda bem sucedida. O vértice do “V” deve estar tão próximo quanto

possível da região de soldagem. O ângulo de abertura é dependente do material, mas

geralmente está em torno de 3 a 7º. As arestas devem estar paralelas e planas à medida

que se aproximam da região de soldagem. Quaisquer variações na distância e

comprimento do “V” te rão influência direta sobre o aquecimento e conseqüentemente na

qualidade das juntas.

A posição dos rolos de pressão tem influencia direta sobre o “V”. Por isto, a sua

disposição é de extrema importância no processo. A quantidade e a forma dos rolos

depende de variáveis tais como dimensões das peças, espessura e material das

mesmas.

Outro fator determinante na qualidade das juntas é a posição da bobina em

relação ao “V”. Caso ela esteja muito afastada do vértice provocando um “V”

extremamente longo, a energia induzida e conseqüentemente a quantidade de calor

gerado poderá ser exagerada, ocorrendo alterações significativas na qualidade das

juntas.

Efeito da freqüência:

Um dos fatores de maior efeito sobre o resultado na soldagem por alta freqüência

é a freqüência em si. Porém, até recentemente não existiam fundamentos teóricos que

demonstrem como ela interfere na soldagem. Todos os parâmetros conhecidos eram

baseados em demonstrações e experiências prévias. Isto traz grandes contradições,

pois experimentos em tamanhos e ambientes reais são de custo bastante elevado.

Recentemente, um modelo demonstrando como e porque a freqüência influencia nos

resultados da soldagem foi formulado e validado por comparações com resultados

práticos. Esta teoria descreve por exemplo:

• A distribuição de calor na região do “V”;

• Potência de soldagem requerida;

• Tamanho da zona termicamente afetada;

Como resultado, foi demonstrado que a concentração de calor na região do “V”

está intimamente ligada ao fenômeno do “Skin Effect”, característica das correntes de

alta freqüência.

Além disto, concluiu-se que a potência de soldagem requerida não só varia com a

freqüência, mas também é função da velocidade de soldagem. Sob baixas velocidades

de soldagem, a freqüência tem pouca influencia sobre a potência de soldagem

requerida, mas a altas velocidades, a potência requerida aumenta. Os gráficos a seguir

fazem uma comparação entre os modelos criados e resultados práticos:

Quanto à zona termicamente afetada (HAZ), ela obviamente está ligada a

quantidade de calor fornecida, cuja influencias da freqüência e da velocidade de

soldagem já foram citadas anteriormente.

5.1.5 Exemplos práticos de soldas executadas por alta freqüência:

5.2 Soldagem de termoplásticos: Outra grande aplicação deste processo é a soldagem de materiais termoplásticos.

As técnicas de soldagem normalmente usadas envolvendo a fusão dos materiais

através da aplicação de calor por chama, ferramentas quentes, corrente elétrica e arco

elétrico em combinação com agentes de limpeza e facilitação do fluxo e algumas vezes

metais de adição/enchimento são na maioria das vezes incompatíveis com os materiais

envolvidos.

A soldabilidade de termoplásticos depende de uma série de fatores tais como tipo

de polímero, grau de resina, presença de lubrificante e outros aditivos e percentuais de

mistura, propriedades térmicas, características moleculares e cristalinas dentre outros.

A alta freqüência pode fornecer a peça calor de forma muito mais controlada, de

forma que somente a região a ser soldada seja afetada, não implicando, portanto em

efeitos indesejados sobre as áreas adjacentes.

Na aplicação sobre PVC, por exemplo, os processos convencionais podem causar

um aquecimento elevado suficiente para degradar a superfície externa sem, no entanto

ter alcançado uma temperatura suficiente na área a ser soldada suficiente para

execução da união.

O PVC é o material cujo processo de soldagem HF é mais amplamente aplicado.

Outros termoplásticos onde este processo também pode ser empregado são EVA e

poliuretanos. Nylon pode ser soldado desde que sejam utilizados eletrodos pré-

aquecidos. Termoplásticos que não podem ser soldados incluem Polietileno,

polipropileno e PTFE.

5.2.1 Tipos de Soldagem:

Existem dois tipos principais de soldagem por HF em termoplásticos:

a) Soldagem Plana:

Soldagem de duas ou mais espessuras de material. A ferramenta de soldagem

pode ser perfilada ou gravada de forma a atribuir aspectos decorativos a junta soldada.

O processo de soldagem pode incorporar uniões “cegas” para aplicação de letras,

logotipos ou outros elementos decorativos.

b) Corte-solda:

É um processo que executa simultaneamente o corte e a união de duas peças,

através da aplicação de uma ferramenta cortante adjacente à aresta de soldagem. Esta

ferramenta comprime o plástico ainda quente de forma a retirá-lo da peça final.

Uma outra técnica utilizada é conhecida como aplique, onde uma peça é

recortada e soldada à superfície de uma outra de forma a atribuir aspecto ornamental.

5.2.2 Processo:

A soldagem inicia-se a partir da montagem de duas ou mais camadas de materiais

termoplásticos entre dois eletrodos de soldagem. Um destes eletrodos tem a forma

desejada para o produto final. O outro pode também apresentar a mesma forma ou

simplesmente pode ser uma chapa plana.

Após a pressão adequada entre as partes, inicia-se o fluxo de correntes de alta

freqüência através das camadas, promovendo o aquecimento e posterior liquefação dos

plásticos na região da emenda, resultando em fusão conjunta.

Após a fusão, a corrente é cessada, permitindo rápido resfriamento e solidificação,

finalizando a junta.

A eficiência e a qualidade das juntas obtidas depende do ajuste de diversas

variáveis. Dentre elas, as principais são:

a) Ajuste da pressão da ferramenta:

Esta pressão influenciará diretamente na junta resultante. Pressões maiores

podem promover soldas mais rapidamente;

b) Curso da ferramenta:

Algumas juntas podem necessitar de controle visual extremo por parte do

operador, o que aumenta a distância de afastamento entre as peças e

conseqüentemente o curso da ferramenta;

c) Controle da profundidade de aperto:

É especialmente importante pelo fato de implicar em deformação excessiva ou

deficiente na junta;

d) Potência de saída da energia de alta freqüência:

Depende do ajuste interno dos circuitos da máquina e influenciará diretamente na

quantidade de calor fornecida. Quando os materiais derretem, uma mudança de

comportamento elétrico ocorre, causando uma diminuição na potência. Muitas vezes

este fenômeno é utilizado para controlar o término da solda.

e) Tempo de soldagem:

Assim como a potência de saída, tem especial importância na quantidade de calor

fornecida a junta. Além disto, tempos excessivos promoverão aquecimento de áreas não

desejadas, além de aquecimento das ferramentas;

f) Tempo de resfriamento:

É o tempo compreendido entre o fim de aquecimento e afastamento da ferramenta

de soldagem.Ciclos de aquecimento e resfriamento curtos promoverão calor residual nas

ferramentas, ocasionando juntas diferentes entre o início e o final do processo;

g) Temperatura da chapa de base:

Esta temperatura deve ser especialmente controlada e ajustada de forma que

alterações climáticas e variações de temperatura ao longo do dia não afetem no

resultado final das soldas;

O correto ajuste destas variáveis é muito importante para se obter sucesso na

execução das juntas.

Isto exige, portanto rígido controle destes parâmetros, principalmente em

processos com alto nível de automação.

No entanto, alguns dos materiais soldados por este processo (PVC por exemplo)

são bastante tolerantes no que diz respeito ao ajuste de suas variáveis, ou seja,

excelentes soldas são obtidas ainda que com valores não otimizados.

Em resumo, o sucesso do emprego de soldagem de termoplásticos por alta

freqüência, assim como os processos de soldagem convencionais, exigem uma

avaliação prévia bastante criteriosa dos materiais envolvidos.

Em relação a outros processos de soldagem de termoplásticos, este processo

apresenta vantagens tais como integridade superior das juntas, formatos complexos, alta

velocidade de execução e mínima distorção nos filmes e áreas adjacentes.

O gráfico a seguir mostra um comparativo entre o processo de soldagem de

termoplásticos por alta freqüência, ultra-som e “chapa quente”:

5.2.3 Aplicações típicas:

Uma larga faixa de produtos pode ser soldada usando-se as técnicas de HF. Esta

faixa tem sido ampliada à medida que novas aplicações têm sido descobertas. Alguns

poucos exemplos serão mostrados a seguir:

Produção de artigos hospitalares:

Inserção de partes metálicas:

Artigos de lazer:

Equipamentos de segurança:

Artigos para as indústrias automobilística e aeronáutica:

Artigos diversos: