La saldatura a ultrasuoni (USW) è un processo di saldatura allo stato solido in cui due componenti vengono uniti applicando sollecitazioni di taglio oscillatorie ad alta frequenza mentre sono sottoposti a una forza di serraggio modesta. Questa procedura, che viene spesso impiegata nella saldatura a sovrapposizione (come mostrato nella Fig. sotto), rompe i rivestimenti superficiali e consente uno stretto contatto tra i componenti, formando un forte legame metallurgico. Il calore viene prodotto all'interfaccia per attrito e deformazione plastica, ma le temperature rimangono molto al di sotto del punto di fusione, eliminando la necessità di gas di protezione, fondenti o metalli d'apporto.
Nell'USW, un sonotrodo collegato a un trasduttore a ultrasuoni trasmette il movimento oscillatorio al pezzo superiore. Questo dispositivo trasforma l'energia elettrica in movimento vibratorio ad alta frequenza, con ampiezze da 0.018 a 0.13 mm (0.0007–0.005 pollici) e un intervallo di frequenza comunemente compreso tra 15 e 75 kHz. Le superfici non vengono deformate plasticamente in modo significativo poiché le pressioni di serraggio utilizzate sono sostanzialmente inferiori rispetto alla saldatura a freddo. I tempi di saldatura sono generalmente inferiori a un secondo.
Il rame e l'alluminio sono tra i materiali più morbidi su cui la saldatura a ultrasuoni funziona meglio. I materiali più duri erodono il sonotrodo più rapidamente. I pezzi migliori sono piccoli, solitamente con uno spessore di saldatura inferiore a 3 mm (1/8 di pollice). La saldatura non è necessaria quando si utilizza questa tecnologia per terminazioni di cavi e giunzioni nei settori elettrico ed elettronico. Inoltre trova impiego nella saldatura dei tubi dei pannelli solari alle lamiere, nell'assemblaggio di minuterie e nell'assemblaggio di pannelli in lamiera di alluminio.
Processo di saldatura
Di seguito viene descritto il funzionamento generale del processo di saldatura a ultrasuoni:
-Preparazione del materiale: posizionare i componenti in plastica sulla pila di saldatura della macchina in una configurazione a giunto sovrapposto.
-Produzione di elettricità ad alta frequenza: l'elettricità standard (50–60 Hz) viene trasformata in elettricità ad alta frequenza (20–40 kHz) dal generatore.
-Conversione a ultrasuoni: le vibrazioni vengono amplificate dal booster dopo che il trasduttore converte l'elettricità ad alta frequenza in onde ultrasoniche.
-Saldatura: le vibrazioni ultrasoniche vengono dirette sulle parti assemblate dal corno di saldatura, noto anche come sonotrodo. La pressa viene utilizzata dall'operatore per fornire pressione. L'operatore estrae i componenti saldati e ritrae il corno dopo la saldatura.
Componenti di macchine per saldatura ad ultrasuoni
Le saldatrici ad ultrasuoni sono costituite da diverse parti, ciascuna con una funzione specifica. Ecco alcune parti chiave presenti in tutti i tipi di saldatrici a ultrasuoni:
Generatore
Il generatore converte l'energia elettrica nell'alta frequenza e nella tensione richieste a una frequenza di risonanza. Ne fa parte anche un microprocessore che gestisce il ciclo di saldatura e consente la comunicazione essenziale tramite l'interfaccia utente.
Macchina da stampa
La pressa della macchina fissa il gruppo di saldatura e applica la forza necessaria per mantenere il giunto. È dotato di manometro e regolatore che consente all'operatore di regolare la forza applicata al sistema.
Pila di saldatura
Il trasduttore, il booster e la tromba di saldatura fanno tutti parte dello stack di saldatura e sono fissati alla pressa al centro del booster. Le vibrazioni ultrasoniche sono prodotte da questo gruppo e, per garantire un'ottima saldatura, la loro frequenza deve avvicinarsi a quella del generatore.
Trasduttore
Un trasduttore, a volte indicato come convertitore, converte l'energia elettrica ad alta frequenza in vibrazioni meccaniche. È costituito da numerosi dischi piezoelettrici in ceramica inseriti tra due blocchi di titanio. Inoltre tra i dischi piezoelettrici è posizionato un sottile elettrodo metallico.
Morsetti
Il booster ha due scopi principali. Trasmette le vibrazioni al corno di saldatura dopo averle amplificate attraverso la contrazione e l'espansione. Serve anche come base per il pacco di saldatura sulla pressa di saldatura.
Corno di saldatura
Un corno di saldatura, tipicamente in alluminio o titanio, trasmette le vibrazioni alla parte saldata. Sebbene l’alluminio funzioni bene in applicazioni a basso volume, si usura rapidamente. Per contrastare questo problema, la maggior parte dei corni per saldatura includono punte temprate, che migliorano le prestazioni e la longevità in caso di utilizzo intenso.
Strumenti di supporto
Gli utensili di supporto fungono da fondamenta della macchina sostenendone il componente inferiore durante la saldatura. Per garantire stabilità e precisione, sono realizzati per adattarsi alle curve dei pezzi in lavorazione.
Parametri di saldatura
La saldatura ad ultrasuoni è un metodo altamente efficace per unire materiali, solitamente metalli o polimeri, utilizzando vibrazioni ad alta frequenza. La forza applicata perpendicolarmente alla direzione della vibrazione, l'ampiezza della vibrazione e la durata della vibrazione sono i tre principali fattori tecnologici che influenzano l'efficacia e la qualità della saldatura ad ultrasuoni. Comprendere e gestire queste variabili è essenziale per ottenere saldature ideali.
Durata della vibrazione
Il tempo durante il quale le vibrazioni ultrasoniche vengono applicate ai materiali da collegare è noto come durata della vibrazione o tempo di saldatura. Questa durata è generalmente inferiore a un secondo per la maggior parte delle operazioni di saldatura. Tuttavia, se una saldatura richiede più energia, è necessario aumentare la lunghezza di vibrazione mantenendo gli stessi valori per gli altri parametri. La seguente formula determina l'energia necessaria per un ciclo di saldatura:
dove �� è l'energia in joule, �� è la potenza in watt, F è la forza in newton, �� è l'ampiezza in micrometri, �� è la frequenza in hertz e Δ�� è il tempo di ciclo in secondi .
Ampiezza di vibrazione
L'estensione e la contrazione longitudinale dell'utensile di saldatura vengono misurate dall'ampiezza delle vibrazioni ultrasoniche, che varia tra 5 e 35 micrometri. Questa è un'ampiezza importante perché corrisponde alla distanza di attrito della superficie di saldatura. Ci vuole meno tempo per immettere la stessa quantità di energia quando l'ampiezza viene aumentata perché è necessaria più potenza per mantenere la vibrazione. La profilazione dell'ampiezza o stepping, come viene chiamata, è resa possibile dall'attrezzatura ultrasonica all'avanguardia durante il ciclo di saldatura. Poiché rafforza il legame ed evita l'intrappolamento dell'utensile, questo metodo è molto utile per la saldatura di leghe come l'alluminio.
Forza perpendicolare alla direzione della vibrazione
Un fattore chiave nel processo di saldatura a ultrasuoni è la forza applicata perpendicolarmente alla direzione delle vibrazioni. La sollecitazione meccanica necessaria sulla zona di saldatura viene creata da questa forza, prodotta da un cilindro pneumatico. Di seguito vengono descritti i criteri prestazionali per la creazione e il mantenimento delle vibrazioni:
dov 'èmh è l'area della sezione trasversale del cilindro pneumatico in metri quadrati, pℓ è la pressione dell'aria compressa in pascal e η è l'efficienza meccanica. All'aumentare della pressione, aumenta il carico meccanico, richiedendo più potenza per sostenere la vibrazione.
Varianti di processo
Nella saldatura a punti a ultrasuoni, il movimento oscillante viene trasmesso dagli inserti sovrapposti ai materiali più sottili (da 0.005 a 3 mm). Il sonotrodo, applicando forza per comprimere i pezzi, crea un legame saldato che vibra con il pezzo in lavorazione. È fondamentale che ci sia movimento relativo tra i pezzi in lavorazione, non tra il sonotrodo e il pezzo in lavorazione superiore. Questo metodo può collegare fogli o fili di diverse qualità di materiale. La saldatura a ultrasuoni, una forma di saldatura a punti continua, produce giunzioni saldate tra fogli sottili sovrapposti posizionati tra il sonotrodo e l'incudine. Durante il processo, tre unità di vibrazione forniscono un movimento alternato attorno all'asse del sonotrodo tubolare, formando una cucitura di dimensioni e forma coerenti con la sua superficie frontale tubolare.
Tipi di saldatura ad ultrasuoni
Sia i metalli che i polimeri, che hanno compatibilità di materiali diversi, vengono spesso uniti tramite saldatura ad ultrasuoni.
Saldatura plastica a ultrasuoni: per termoplastiche come poliestere, ABS e policarbonato, la saldatura plastica a ultrasuoni è il metodo migliore. Proprietà come durezza e contenuto di umidità devono essere prese in considerazione. Ma non è appropriato per polimeri plastici come poliammide e PVC.
Saldatura dei metalli ad ultrasuoni: questa tecnica è efficace per unire i metalli, comprese le leghe di rame, argento, ottone, nichel, oro e alluminio. Questo metodo funziona meglio con metalli sottili e di piccolo diametro, il che lo rende ideale per usi delicati.
Vantaggi della saldatura ad ultrasuoni
Poiché la saldatura a ultrasuoni utilizza tecniche di riscaldamento indiretto, migliora l'estetica senza sacrificare la funzionalità, distinguendola dai metodi convenzionali di saldatura e non saldatura della lamiera. Questi sono i suoi principali vantaggi:
Velocità: le vibrazioni ultrasoniche ad alta frequenza prodotte dalla saldatura ad ultrasuoni saldano rapidamente i pezzi adatti, garantendo un processo di produzione rapido. Il risultato sono tempi di consegna brevi e produttività elevata.
Elevato livello di sicurezza: l'applicazione di calore indiretto crea meno rischi operativi. I collegamenti saldati e i materiali circostanti sono protetti dai danni grazie alla dissipazione localizzata e rapida del calore generato.
Affidabilità: il macchinario è affidabile e presenta pochi malfunzionamenti e guasti. L'automazione riduce ulteriormente gli errori operativi e umani, fa risparmiare sulle spese operative e migliora la qualità dei giunti saldati.
Adatto a materiali diversi: un altro aspetto importante della saldatura plastica è che questa procedura funziona bene per unire insieme materiali disparati. Quando si uniscono plastiche diverse, la saldatura a ultrasuoni non necessita dello sviluppo di legami molecolari, a differenza di altre tecniche di saldatura della plastica.
Svantaggi della saldatura ad ultrasuoni
La saldatura a ultrasuoni presenta diversi svantaggi. Innanzitutto, non è adatta per plastiche dure e contenenti umidità. Questo metodo presenta problemi con termoplastiche con elevato contenuto di umidità e polimeri resistenti come il polipropilene. Inoltre, la gamma limitata del trasduttore di 100-150 mm implica che non è in grado di saldare pezzi con giunti superiori a 150 mm. Le dimensioni delle parti sono un altro vincolo. Anche il fatto che la fusione di materiali spessi richieda molta energia li rende problematici.
L'elevato esborso iniziale è un altro grande svantaggio. Per le organizzazioni, le apparecchiature di saldatura a ultrasuoni richiedono un investimento finanziario significativo a causa del loro costo elevato, che aumenta con l'automazione. Inoltre, questo metodo è limitato ai giunti a sovrapposizione, che sono formati da sezioni che si sovrappongono l'una all'altra su una superficie piana. Altri tipi di giunti, come giunti angolari, di testa, a T e di bordo, non dovrebbero utilizzarlo. Quando si sceglie se la saldatura a ultrasuoni è la tecnica migliore per la propria applicazione, tenere presente che questi svantaggi limitano la sua versatilità rispetto ad altre tecniche di saldatura.
Applicazioni della saldatura ad ultrasuoni
La saldatura a ultrasuoni è una tecnica preziosa che trova impiego in un'ampia gamma di settori, in particolare nella fabbricazione di beni di consumo e industriali. Viene utilizzata per realizzare forniture mediche essenziali come filtri per anestesia, filtri per sangue e gas e maschere facciali. Questo metodo è perfetto per i dispositivi medici poiché garantisce giunzioni a basso costo e di alta qualità in parti composte da diversi polimeri medici, come ABS e polietilene.
Per creare componenti come cruscotti, pannelli delle portiere e volanti, l’industria automobilistica utilizza la saldatura a ultrasuoni per fondere la plastica. Oltre ai bassi costi di capitale, all'automazione, ai tempi di ciclo rapidi e alla flessibilità, il processo è preferito perché utilizza il calore indiretto, che non provoca danni al pezzo.
Grazie alla sua precisione, velocità e giunti di alta qualità, la saldatura a ultrasuoni aiuta anche il settore aeronautico.
Allo stesso modo, il settore elettronico utilizza la saldatura a ultrasuoni per unire fili e assemblare motori elettrici, condensatori, supporti di memorizzazione e circuiti delicati. Grazie alla sua precisione e affidabilità, è perfetto per creare componenti elettrici piccoli e complessi.
Referenze
Groover, MP, 2010. Fondamenti della produzione moderna: materiali, processi e sistemi. 4a ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
