1. 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.

2. 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.

3. 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

4. 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:

5. 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:

6. 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”:

7. 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:

8. “Skin Effect” e “Proximity Effect” causados por correntes de alta freqüência:
“Skin Effect”: À
“Proximity Effect”: As
esquerda, correntes de 60 Hz,
correntes de alta freqüência em
com distribuição no condutor
condutores opostos tendem a se
uniforme À direita, a corrente
concentrar nas áreas mais próximas
de alta freqüência concentrada
entre si.
nas superfícies externas.
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:

9. A penetração característica da soldagem por alta freqüê ncia 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.

10. 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:

11. 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.

12. 5.1.5 Exemplos práticos de soldas executadas por alta freqüência:

14. 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 préaquecidos. 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.

15. 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
conseqüentemente o curso da ferramenta;
de
afastamento
entre
as
peças
e

16. 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 t mperatura deve ser especialmente controlada e ajustada de forma que
e
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.

17. 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:

18. Inserção de partes metálicas:
Artigos de lazer:
Equipamentos de segurança:

19. Artigos para as indústrias automobilística e aeronáutica:
Artigos diversos: