La soldadura ultrasónica (USW) es un proceso de soldadura de estado sólido en el que se unen dos componentes aplicando tensiones cortantes oscilatorias de alta frecuencia mientras se aplica una fuerza de sujeción modesta. Este procedimiento, que se emplea con frecuencia en la soldadura por solape (como se muestra en la figura siguiente), rompe los revestimientos de la superficie y permite un contacto estrecho entre los componentes, formando una fuerte unión metalúrgica. El calor se produce en la interfaz por fricción y deformación plástica, pero las temperaturas se mantienen muy por debajo del punto de fusión, eliminando la necesidad de gases protectores, fundentes o metales de aporte.
En USW, un sonotrodo acoplado a un transductor ultrasónico transmite el movimiento oscilatorio a la pieza de trabajo superior. Este dispositivo transforma la energía eléctrica en movimiento vibratorio de alta frecuencia, con amplitudes de 0.018 a 0.13 mm (0.0007 a 0.005 pulgadas) y un rango de frecuencia comúnmente de 15 a 75 kHz. Las superficies no se deforman plásticamente de manera significativa, ya que las presiones de sujeción utilizadas son sustancialmente menores que en la soldadura en frío. Los tiempos de soldadura suelen ser inferiores a un segundo.
El cobre y el aluminio se encuentran entre los materiales más blandos en los que funciona mejor la soldadura ultrasónica. Los materiales más duros erosionan el sonotrodo más rápidamente. Las mejores piezas de trabajo son pequeñas, generalmente de menos de 3 mm (1/8 de pulgada) de espesor de soldadura. No se requiere soldadura cuando se utiliza esta tecnología para terminaciones de cables y empalmes en los sectores eléctrico y electrónico. Además, se emplea en la soldadura de tubos de paneles solares a láminas, el ensamblaje de piezas pequeñas y el ensamblaje de paneles de chapa de aluminio.
Proceso de soldadura
A continuación se describe el funcionamiento general del proceso de soldadura ultrasónica:
-Preparación del material: Coloque los componentes de plástico en la pila de soldadura de la máquina en una configuración de junta traslapada.
-Producción de electricidad de alta frecuencia: el generador transforma la electricidad estándar (50–60 Hz) en electricidad de alta frecuencia (20–40 kHz).
-Conversión a ultrasonidos: las vibraciones son amplificadas por el amplificador después de que el transductor convierte la electricidad de alta frecuencia en ondas ultrasónicas.
-Soldadura: Las vibraciones ultrasónicas se dirigen a las piezas ensambladas mediante el cuerno de soldadura, también conocido como sonotrodo. El operador utiliza la prensa para proporcionar presión. El operador extrae los componentes soldados y retrae la bocina después de soldar.
Componentes de la máquina de soldadura ultrasónica
Las máquinas de soldar por ultrasonidos se componen de diferentes piezas, cada una con una función específica. A continuación se muestran algunas piezas clave que se encuentran en todo tipo de máquinas de soldadura ultrasónica:
Generador
El generador convierte la energía eléctrica en la alta frecuencia y voltaje requeridos a una frecuencia resonante. También forma parte de él un microprocesador que gestiona el ciclo de soldadura y permite la comunicación esencial a través de la interfaz de usuario.
Prensa de máquina
La máquina prensa asegura el conjunto de soldadura y aplica la fuerza necesaria para mantener la unión. Está equipado con un manómetro y un regulador, lo que permite al operador ajustar la fuerza aplicada al sistema.
Pila de soldadura
El transductor, el amplificador y la bocina de soldadura son parte de la pila de soldadura y están fijados a la prensa en el medio del amplificador. Las vibraciones ultrasónicas son producidas por este conjunto y, para garantizar excelentes soldaduras, su frecuencia debe coincidir con la del generador.
transductor
Un transductor, a veces denominado convertidor, convierte la energía eléctrica de alta frecuencia en vibraciones mecánicas. Está formado por muchos discos piezoeléctricos cerámicos intercalados entre dos bloques de titanio. Además, entre los discos piezoeléctricos se coloca un fino electrodo de metal.
Pinzas del
El refuerzo tiene dos propósitos principales. Entrega las vibraciones al cuerno de soldadura después de amplificarlas mediante contracción y expansión. También sirve como base para la pila de soldadura en la prensa de soldar.
Cuerno de soldadura
Un cuerno de soldadura, normalmente hecho de aluminio o titanio, transmite vibraciones a la pieza soldada. Aunque el aluminio funciona bien en aplicaciones de bajo volumen, se desgasta rápidamente. Para contrarrestar esto, la mayoría de los cuernos de soldadura incluyen puntas endurecidas, que mejoran el rendimiento y la longevidad en condiciones de uso intensivo.
Herramientas de soporte
Las herramientas de soporte actúan como base de la máquina al sostener el componente inferior mientras se suelda. Para brindar estabilidad y precisión, están diseñadas para adaptarse a las curvas de las piezas de trabajo.
Parámetros de soldadura
La soldadura ultrasónica es un método muy eficaz para unir materiales, normalmente metales o polímeros, mediante el uso de vibraciones de alta frecuencia. La fuerza aplicada perpendicular a la dirección de la vibración, la amplitud de la vibración y la duración de la vibración son los tres factores tecnológicos principales que afectan la efectividad y la calidad de la soldadura ultrasónica. Comprender y gestionar estas variables es esencial para lograr soldaduras ideales.
Duración de la vibración
El tiempo que se aplican las vibraciones ultrasónicas a los materiales a conectar se conoce como duración de la vibración o tiempo de soldadura. Esta duración suele ser inferior a un segundo para la mayoría de las operaciones de soldadura. Sin embargo, si una soldadura requiere más energía, es necesario aumentar la longitud de vibración manteniendo los mismos valores para los demás parámetros. La siguiente fórmula determina la energía necesaria para un ciclo de soldadura:
donde �� es la energía en julios, �� es la potencia en vatios, F es la fuerza en newtons, �� es la amplitud en micrómetros, �� es la frecuencia en hercios y Δ�� es el tiempo del ciclo en segundos. .
Amplitud de vibración
La extensión y contracción longitudinal de la herramienta de soldadura se mide mediante la amplitud de las vibraciones ultrasónicas, que varía entre 5 y 35 micrómetros. Se trata de una amplitud importante porque coincide con la distancia de fricción de la superficie de soldadura. Se necesita menos tiempo para introducir la misma cantidad de energía cuando se aumenta la amplitud porque se necesita más potencia para mantener la vibración. El perfilado de amplitud o escalonado, como se lo denomina, es posible gracias al equipo ultrasónico de última generación durante el ciclo de soldadura. Dado que refuerza la unión y evita que la herramienta quede atrapada, este método es muy útil para soldar aleaciones como el aluminio.
Fuerza perpendicular a la dirección de vibración
Un factor clave en el proceso de soldadura ultrasónica es la fuerza aplicada perpendicular a la dirección de vibración. Esta fuerza, generada por un cilindro neumático, genera la tensión mecánica necesaria en la zona de soldadura. A continuación se describen los criterios de desempeño para la creación y el mantenimiento de vibraciones:
donde Smh es el área de la sección transversal del cilindro neumático en metros cuadrados, pℓ es la presión del aire comprimido en pascales y η es la eficiencia mecánica. A medida que aumenta la presión, aumenta la carga mecánica, lo que requiere más potencia para sostener la vibración.
Variantes de proceso
En la soldadura por puntos ultrasónica, el movimiento oscilatorio se transmite desde los insertos superpuestos a los materiales más delgados (de 0.005 a 3 mm). El sonotrodo, al aplicar fuerza para comprimir las piezas, crea una unión soldada que vibra con la pieza de trabajo. Es fundamental que haya un movimiento relativo entre las piezas de trabajo, no entre el sonotrodo y la pieza de trabajo superior. Este método puede conectar láminas o alambres de diferentes calidades de material. La soldadura ultrasónica, una forma de soldadura por puntos continua, produce uniones soldadas entre láminas delgadas superpuestas colocadas entre el sonotrodo y el yunque. Durante el proceso, tres unidades de vibración proporcionan un movimiento alterno alrededor del eje del sonotrodo tubular, formando una costura de tamaño y forma consistentes con su superficie frontal tubular.
Tipos de soldadura ultrasónica
Tanto los metales como los polímeros, que tienen diferentes compatibilidades de materiales, se unen frecuentemente mediante soldadura ultrasónica.
Soldadura de plástico por ultrasonidos: para termoplásticos como poliéster, ABS y policarbonato, la soldadura de plástico por ultrasonidos es el mejor método. Se deben tener en cuenta propiedades como la dureza y el contenido de humedad. Pero no es adecuada para polímeros plásticos como la poliamida y el PVC.
Soldadura ultrasónica de metales: esta técnica es eficaz para unir metales, incluidas aleaciones de cobre, plata, latón, níquel, oro y aluminio. Este método funciona mejor con metales finos y de pequeño diámetro, lo que lo hace ideal para usos sensibles.
Ventajas de la soldadura ultrasónica
Debido a que la soldadura ultrasónica utiliza técnicas de calentamiento indirecto, mejora la estética sin sacrificar la funcionalidad, lo que la diferencia de los métodos convencionales de soldadura de chapa y de otros métodos sin soldadura. Estos son sus principales beneficios:
Velocidad: Las vibraciones ultrasónicas de alta frecuencia producidas por la soldadura ultrasónica sueldan rápidamente piezas adecuadas, asegurando un proceso de producción rápido. El resultado son tiempos de respuesta cortos y un alto rendimiento.
Alto nivel de seguridad: la aplicación indirecta de calor crea menos riesgos operativos. Las conexiones soldadas y los materiales circundantes están protegidos contra daños mediante la disipación localizada y rápida del calor generado.
Fiabilidad: La maquinaria es fiable y tiene pocas averías y fallos. La automatización minimiza aún más los errores humanos y operativos, ahorra gastos operativos y mejora la calidad de las uniones soldadas.
Adecuado para materiales diferentes: Otro aspecto importante de la soldadura de plástico es que este procedimiento funciona bien para unir materiales diferentes. Al unir plásticos diferentes, la soldadura ultrasónica no necesita el desarrollo de enlaces moleculares, a diferencia de otras técnicas de soldadura de plásticos.
Desventajas de la soldadura ultrasónica
La soldadura por ultrasonidos tiene una serie de desventajas. Para empezar, no es adecuada para plásticos duros y que contienen humedad. Este método tiene problemas con los termoplásticos con un alto contenido de humedad y polímeros fuertes como el polipropileno. Además, el rango limitado del transductor de 100-150 mm significa que no puede soldar piezas con juntas mayores de 150 mm. El tamaño de la pieza es otra limitación. El hecho de que fundir materiales gruesos requiera mucha energía también los hace problemáticos.
Otra desventaja importante es el elevado desembolso inicial. Para las organizaciones, los equipos de soldadura por ultrasonidos requieren una inversión financiera importante debido a su alto coste, que aumenta con la automatización. Además, este método se limita a las juntas de solape, que están formadas por secciones que se superponen entre sí en una superficie nivelada. Otros tipos de juntas, como las juntas de esquina, a tope, en T y de borde, no deberían utilizarlo. Al elegir si la soldadura por ultrasonidos es la mejor técnica para su aplicación, tenga en cuenta que estos inconvenientes limitan su versatilidad en comparación con otras técnicas de soldadura.
Aplicaciones de la soldadura ultrasónica
La soldadura por ultrasonidos es una técnica valiosa que se utiliza en una amplia gama de industrias, en particular en la fabricación de bienes de consumo e industriales. Se utiliza para fabricar suministros médicos vitales como filtros de anestesia, filtros de sangre y gases y mascarillas. Este método es perfecto para dispositivos médicos, ya que garantiza uniones de alta calidad y bajo costo en piezas compuestas de diferentes polímeros médicos, como ABS y polietileno.
Para crear componentes como paneles de instrumentos, paneles de puertas y volantes, la industria automovilística utiliza soldadura ultrasónica para fusionar plástico. Además de sus bajos costos de capital, automatización, tiempos de ciclo rápidos y flexibilidad, se prefiere el proceso porque utiliza calor indirecto, que no daña la pieza de trabajo.
Por su precisión, velocidad y uniones de alta calidad, la soldadura por ultrasonidos también ayuda al sector aeronáutico.
De la misma manera, el sector electrónico utiliza la soldadura ultrasónica para unir cables y armar motores eléctricos, capacitores, medios de almacenamiento y circuitos delicados. Debido a su precisión y confiabilidad, es perfecto para crear componentes eléctricos pequeños y complejos.
Referencias
Groover, MP, 2010. Fundamentos de la fabricación moderna: materiales, procesos y sistemas. 4ª edición. Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc.
