Soldadura Blanda Sn-Pb, Taller de Conexiones Eléctricas, LSA

CONEXIONES ELÉCTRICAS MÓDULO 1

Laboratorios de Ing. Eléctrica, DEI, UCA

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Soldadura Blanda Sn-Pb, Taller de Conexiones Eléctricas, LSA

CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ……………………………………………………………… … 1 1.1. Objetivos de trabajo …………………………………………………… … 1 1.2. Importancia de la soldadura ………………………………………… . 2 2. SOLDADURA …………………………………………………………………. 3 2.1. ¿Qué es soldar? ………………………………………………………… 3 2.2. Aleación eutéctica Estaño-Plomo (Sn-Pb) ……………………….. 4 2.3. Aspectos de la composición eutéctica Estaño-Plomo …………. 5 2.4. Soldadura estándar……………………………………………………… 6 3. HERRAMIENTAS Y ACCESORIOS PARA SOLDAR ……………………… 7 3.1. El Cautín ………………………………………………………………… 7 3.2. La Estación de Soldadura ………………………………………....... 8 3.3. Otras herramientas necesarias …………………………………….. 9 3.4. Accesorios ……………………………………………………………… 10 4. TÉCNICA DE SOLDADURA …………………………………………………. 11 4.1. Indicaciones generales ………………………………………………. 11 4.2. Verificación de la temperatura de trabajo ………………………… 11 4.3. Postura de trabajo ……………………………………………………… 12 4.4. Errores frecuentes al soldar ………………………………………….. 13 4.5. Forma correcta de ejecutar una soldadura ………………………. 14 4.6. Tiempo de ejecución …………………………………………………. 15 5. CONTROL DE CALIDAD …………………………………………………….. 16 5.1. Métodos de inspección ………………………………………………. 16 5.2. Inspección visual ……………………………………………………… 16 5.3. Inspección de tacto …………………………………………………… 17 5.4. Inspección eléctrica …………………………………………………... 17 6. EJERCICIOS DE APLICACIÓN ……………………………………………… 18 6.1 Estañado de alambres, terminales o cables ………………………... 18 6.2. Ejercicio de “punteo” …………………………………………………... 19 6.3. Construcción de figuras geométricas 2D y 3D …………………... 20 7. SEGURIDAD ………………………………………………………………....... 21 7.1. Normas a Observar ………………………………………………....... 21 8. ANEXOS ………………………………………………………………………… 22 8.1. Desoldadura Sn/Pb ……………………………………………………. 22 8.2. Ilustración del procedimiento para desoldar ……………………… 23 8.3. Mantenimiento de las herramientas (pendiente) ……………….. 24 9. BIBLIOGRAFÍA (pendiente …………………………………………………..

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i.

INTRODUCCIÓN En Ingeniería, el área de “Conexiones Eléctricas” comprende una serie de

técnicas para unir metales. Este taller selecciona y desarrolla las que tienen aplicación en Electrónica: •

Soldadura Blanda Sn-Pb (Orientada al trabajo con Circuitos Impresos)

•

“Breadboards” (Desarrollo de prácticas y proyectos de laboratorios) y

•

Nicopresado (conexionado a presión por medio de terminales metálicas). Los módulos sobre “Breadboards” y nicopresado todavía están en proceso, se

listan para delimitar el taller. El desarrollo de los contenidos responde esquemáticamente a una guía de taller, se omiten muchos aspectos teóricos y se sintetizan aquellos

que

fundamentan la selección de materiales, el control de calidad y el buen desempeño. No obstante, se debe considerar que sólo el ejercicio y la instrucción adecuada hacen posible el aprendizaje de una técnica.

1.1. Objetivos de trabajo: •

Que los estudiantes de Ing. Eléctrica complementen su formación de Laboratorios con el aprendizaje de técnicas básicas de conexiones eléctricas aplicadas.

•

Fundamentar la creación de un “Taller de Conexiones Eléctricas certificado por el DEI”.

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1.2. Importancia de la soldadura •

Para la conexión eléctrica del trasbordador espacial Apollo se necesitó soldadura.

•

Como

este

hecho

lo

demuestra,

la

soldadura proporciona un alto grado de confianza cuando se ejecuta bajo suficiente control y con la técnica adecuada. Su empleo se adopta para muchos propósitos; sin embargo, existen factores que causan defectos,

y

habilidades

de

depende ejecución

de

nuestras

eliminar

o

incrementar estos factores. •

Por ejemplo: un fallo de soldadura en unidades

de

control

de

radares

meteorológicos provocaría la inhabilidad

Figura 1.1. Programa espacial

para detectar tifones próximos u otros fenómenos atmosféricos que ocasionan grandes daños a poblaciones enteras. •

También, si una unidad de control de transmisión de potencia eléctrica sufriera un problema similar, de

inmediato fallaría el

suministro de energía… •

Esta guía instruye sobre como realizar una soldadura con alto grado de confianza; No obstante, el texto solo aporta conocimiento, la

calidad

de

la

soldadura

depende

Figura 1.2. Centro de control

completamente de las habilidades que desarrollemos con el ejercicio de la técnica.

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2. SOLDADURA 2.1. ¿Qué es soldar?

“Es un método para conectar metales bases usando otro metal fundición

menor;

éste

se

con punto de derrite

como

soldadura adhiriendo los metales por medio de un soldador adecuado”. •

Más allá de las dificultades de toda definición, lo que debemos asociar con la palabra “soldar” es un procedimiento

Figura2.1. Soldadura en CI

de conexión. •

En general, para realizar una soldadura se requiere:

a) Una fuente de calor. b) Superficies metálicas limpias para unir. c) Un soldador adecuado y d) Soldadura. •

La soldadura que utilizaremos es una aleación de estaño y plomo (Sn-Pb). Esta puede presentar varios estados y propiedades según los porcentajes de mezcla, incluyendo la temperatura de fundición. Figura 2.2. Soldadura de cables

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2.2. Aleación eutéctica Estaño-Plomo (Sn-Pb)

Figura 2.1. Diagrama de Estados Sn-Pb •

Examinemos el diagrama de estados: cuando se mezcla la soldadura a una razón de 50% Sn-Pb, ésta comienza a endurecerse desde el punto A y se endurece completamente en el punto B. Cuando se mezcla a razón de 61.9% Estaño y 38.1% plomo, se endurece inmediatamente en el punto C sin tener estado fluido.

•

La

soldadura cambia de fluido a sólido inmediatamente cuando la

temperatura cae a menos de 183.3º C, como una frontera. •

La frontera es llamada punto eutéctico; y la soldadura tendrá “composición eutéctica”.

.

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2.3. Aspectos de la composición eutéctica Estaño-Plomo •

Fundible a bajas temperaturas.

•

Puede cambiar de fluido a sólido inmediatamente, sin presentar semifluidez.

•

Facilidad de fundición.

•

Al no presentar estado semi-derretido se garantiza que no sea causa de

Figura 2.2. fundición metálica

daños a componentes electrónicos. Resumiendo: en la medida que la soldadura posea estas características, estará mejor calificada para el trabajo con circuitos impresos. Figura 2.3. Tarjeta impresa

Información Adicional Tabla2.1. Soldadura (Sn-Pb) Características mecánicas típicas, conductividad eléctrica y temperatura de fundición Contenido

Fuerza de unión

Conductividad eléctrica %

Temperatura de

Estaño Plomo

(Kg. /cm.)

(Cobre 100%)

fundición C°

5

95

263

8.1

300 314

20

80

400

8.7

183.3 – 279

40

60

446

10.2

183.3 ~ 238

50

50

458

10.7

183.3 ~ 215

60

40

482

11.6

183.3 ~ 190

61.9

38.1

482

11.7

183.3

63

37

482

11.8

183.3 ~ 184.5

65

35

520

12.0

183.3 ~ 189

80

20

510

13.0

183.3 ~ 200

95

5

420

13.15

183.3 ~ 215

5

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Tabla 2.2 Aplicaciones según el contenido de Estaño Contenido de estaño

Uso

65 ~ 95%

Propósitos especiales, utensilios de mesa.

60 ~ 65%

Circuitos impresos, alambrado de equipo electrónico.

40 ~ 60%

Instalaciones Eléctricas, producción de latas y radiadores.

30 ~ 40%

Trabajos con materiales de plomo y radiadores.

20 ~ 30%

Producción de Bombillos eléctricos, trabajos en hojas de metal e incrustaciones.

5 ~ 20%

Lugares donde las uniones soldadas alcanzan altas temperaturas.

2.4. Soldadura estándar

Para nuestro propósito, solo usaremos soldadura certificada 60/40 Sn-Pb en presentaciones tipo hilo con diámetros de 20 o 18 AWG. La soldadura

así

elegida

ya

trae

incorporada

“pasta”, resina o flujo; esta se derrite a una temperatura de 75 ~ 160 ° C y se vuelve acuosa. Cuando la temperatura es muy alta, hace humo y pierde sus efectos de

humectación y limpieza

metálica.

Figura 2.4. Soldadura estándar

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3. HERRAMIENTAS Y ACCESORIOS PARA SOLDAR 3.1. El Cautín

Figura 3.1. Cautín estándar 25 W

120 V- 60 Hz

En general los requerimientos de un soldador para trabajar con circuitos impresos son los siguientes: •

Baja corriente de fuga.

•

Baja electricidad estática.

•

Ninguna influencia magnética al objetivo de trabajo.

Técnicamente, al seleccionar un cautín se debe considerar: •

La temperatura de trabajo.

•

El consumo de potencia eléctrica y la eficiencia calorífica.

•

La facilidad de manejo (que sea liviano).

•

El mantenimiento (cambio de puntas, régimen de trabajo etc.).

De acuerdo a nuestros objetivos, utilizaremos dos tipos de soldadores: •

Cautín Weller SP23L (25 W 120 V – 60 Hz) y

•

Cautín Weller SP40L (40 W 120 V – 60 Hz).

El uso de soldadores de otro tipo y potencia está fuera de los alcances de este taller.

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3.2. La Estación de Soldadura

Figura 3.2. Estación de Soldadura WLC100 (Weller)

Las funciones de una estación de soldadura son: •

Acondicionar la energía eléctrica necesaria para el soldador.

•

Controlar la temperatura de trabajo.

•

Regular el régimen de trabajo del soldador.

•

Proporcionar seguridad al usuario.

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3.3. Otras herramientas necesarias

Figura 3.3. Cortadora, Desforradora calibrada y Pinza

Afortunadamente, necesario

un

para juego

soldar de

no

es

herramientas

numeroso; pero sí, un grupo técnicamente elegido: •

Desforradora calibrada (AWG).

•

Pinza punta larga.

•

Pinza de corte diagonal (cortadora).

•

Desatornilladores

(punta

plana

y

estrella en tamaños mediano y fino) Sugerencias: •

No usar herramientas defectuosas.

•

Desechar pinzas de cierre o corte

Figura 3.4. Desatornilladores

imperfecto. •

Al adquirir herramientas la calidad sí importa.

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3.4. Accesorios

Figura 3.5. Navajas, esponjas y pasta 3.5. Pasta o fundente Este accesorio es un compuesto de resina vegetal endurecida, sus funciones se reducen a humectación y limpieza metálica. Tiene baja corrosividad, pero mal desempeño comparada con otros fundentes. El uso de este accesorio “para soldar”, lamentablemente está muy propagado. Recordemos: la soldadura certificada ya trae incorporada la resina necesaria; por tanto, limitaremos su aplicación sólo para limpieza y mantenimiento.

Figura 3.6. Otro tipo de pinza

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4. TÉCNICA DE SOLDADURA 4.1. Indicaciones generales

Figura 4.1. Manera correcta de empuñar el cautín •

Manipular el soldador empuñándolo adecuadamente.

•

Trabajar en un área con buena ventilación.

•

Mantener una esponja adecuada en la mesa de trabajo para limpieza de la punta del soldador (hacer de esto un hábito).

•

Al soldar, no sacudir el exceso de soldadura al suelo.

•

Mantener el soldador dentro del soporte después de usarlo.

4.2. Verificación de la temperatura de trabajo Cuando la temperatura es muy baja: •

La soldadura no funde o se pega a la punta del cautín.

•

No hay fluidez de la soldadura.

Cuando la temperatura es muy alta: •

La soldadura fluye demasiado y se extiende a puntos innecesarios de la punta.

•

La resina integrada en la soldadura se quema perdiendo su efectividad.

•

La punta del soldador se erosiona en poco tiempo de servicio.

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4.3. Postura de trabajo

Φ

Figura 4.2. Postura de trabajo

La figura 4.2. ilustra la postura técnicamente correcta para ejecutar una soldadura, observemos: •

En el punto de trabajo convergen la punta del cautín y la soldadura.

•

Un ángulo de convergencia 30° ≤ Φ ≤ 45° (referencia trazada sobre la ilustración) optimiza el desempeño de los materiales y la ejecución.

•

La convergencia del soldador y la soldadura debe ser simultánea sobre el punto de trabajo.

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4.4. Errores frecuentes al soldar

•

Derretir la soldadura en la punta del soldador para después aplicarla. Figura 4.3 Mala práctica Ej. # 1

•

Calentar

previamente

el

punto

de

trabajo y después aplicar la soldadura.

Figura 4.4. Mala práctica Ej. # 2

•

Montar la soldadura sobre el punto de trabajo para derretirla.

Figura 4.5. Mala práctica Ej. #3

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4.5. Forma correcta de ejecutar una soldadura

Figura 4.6. Ejecución técnica de una soldadura •

Aplicar simultáneamente soldadura y soldador al punto de trabajo.

•

Convergencia adecuada soldadura/cautín sobre el punto a soldar .

•

No precipitarse ni ejercer fuerza al soldar.

•

Aplicar la cantidad de soldadura conveniente.

•

Controlar el tiempo de ejecución según especificaciones de trabajo. Acabado esperado de una buena soldadura

Figura 4.7. Acabado esperado

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Figura 4.8. Buena y mala distribución de la soldadura

4.6. Tiempo de ejecución Semiconductores MOSFET especifican tiempos de soldadura tan cortos como 1.0 segundo. En general, la soldadura debe hacerse en el menor tiempo posible, de lo contrario, se puede ocasionar daño a otras partes. Tiempos de ejecución entre 2.0 y 3.0 segundos son alcanzables con la práctica; además seguros para el trabajo con circuitos impresos. •

Debemos controlar la temperatura del soldador.

•

Conocer las especificaciones de los dispositivos a soldar.

•

Mejorar continuamente la técnica de ejecución.

Figura 4.9. Daño al impreso por sobrecalentamiento

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5. CONTROL DE CALIDAD 5.1. Métodos de inspección Empíricamente, aplicaremos los métodos de inspección visual, de tacto y eléctrico para controlar la calidad de nuestro trabajo.

Figura 5.1. Patrones de inspección visual 5.2. Inspección visual •

Revisar cada soldadura cuidadosamente, una lupa facilita el proceso.

•

Una buena soldadura luce brillante.

•

Tomando como referencia la figura 5.1. (b) la distribución de la soldadura debe ser uniforme.

•

Rugosidades o empañamiento de la soldadura acusan problemas con la temperatura del cautín.

•

Los patrones (a y c) de la figura 5.1. ilustran problemas con la cantidad de soldadura aplicada.

•

Soldaduras reventadas implican exceso de calor.

•

El forro de los cables eléctricos no está incluido en la soldadura.

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Figura 5.2. Detalles de tarjeta impresa

5.3. Inspección de tacto No es aconsejable mover dispositivos o halar cables después de soldarlos. Sin embargo, este método se puede aplicar en casos dudosos detectados durante la inspección visual. Suavemente verificar: •

Terminales o cables sueltos.

•

Pistas de impreso despegadas.

•

Dispositivos con soldadura deficiente o con derrame excesivo de resina.

5.4. Inspección Eléctrica Este control se reduce a pruebas de “continuidad” con un Óhmetro entre soldaduras de una misma pista.

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6. EJERCICIOS DE APLICACIÓN Los ejercicios propuestos tienen doble propósito: •

Ejercitar progresivamente la técnica expuesta y

•

Habilitar la “puesta a punto” de herramientas y materiales

6.1. Estañado de alambres, terminales o cables

Figura 6.1. Preparación para estañar

Figura 6.2. Estañado

•

Las partes a soldar deben estañarse como primer paso.

•

Limpiar cables o alambres después de retirar el forro.

•

Estañar en el sentido que ilustra la figura 6.2. desplazando soldador y soldadura con uniformidad.

•

Iniciar con calibres de alambres o cables delgados. Ej. (20, 18 y 14 AWG)

•

Realizar uniones simples.

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6.2. Ejercicio de “punteo”

Figura 6.3. Matriz de trabajo

Figura 6.4. “Punto" de soldadura

Este ejercicio consiste en realizar “puntos de soldadura” en todas las intersecciones de una matriz de trabajo: •

Preparar una matriz de trabajo (4x3) alambre 20 ó18 AWG.

•

Considerar una separación entre filas y columnas de 1.0 cm. como mínimo.

•

La figura 6.4 es la referencia del punto de soldadura para este ejercicio.

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6.3. Construcción de figuras geométricas 2D y 3D

Figura 6.5. Figuras 2D

Figura 6.6. Figuras 3D

Cerramos esta serie de ejercicios con el armado de figuras geométricas. Si se han realizado los ejercicios anteriores con solvencia, se podrán superar las dificultades constructivas implícitas. Tengamos presente: •

No precipitarnos al trabajar.

•

Soldar con belleza.

•

Consultar al instructor y ser perseverantes.

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7. SEGURIDAD

7.1. Normas a observar •

Mantener limpio y ordenado el lugar de trabajo.

•

No aplicar demasiada soldadura al hacer pruebas.

•

Mantener el soldador dentro del soporte cuando no se utilice.

•

Lavarse las manos con agua tibia y jabón después de soldar.

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8. ANEXOS 8.1. Desoldadura Sn/Pb

Figura 8.1. Soldapullt DS017

• En Electrotecnia desoldar es tan importante como soldar, pues siempre se necesitará reemplazar, modificar o hacer reparaciones sobre “tarjetas electrónicas”. • La técnica ilustrada seguidamente, garantiza operaciones seguras hasta con impresos de dos capas siempre y cuando : i.

Se utilice el material y las herramientas adecuadas (soldador Weller SP23, Soldapullt DS017 y soldadura 60/40 Sn/Pb),

ii.

Se tenga dominio de la técnica.

• El trabajo con impresos de tres o más capas es responsabilidad de expertos.

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8.2. Ilustración del procedimiento para desoldar.

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8.3. Mantenimiento de las herramientas (pendiente) 9. BIBLIOGRAFÍA (pendiente)

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