A soldagem ultrassônica (USW) é um processo de soldagem de estado sólido onde dois componentes são unidos pela aplicação de tensões de cisalhamento oscilatórias de alta frequência sob uma força de fixação modesta. Este procedimento, que é frequentemente empregado na soldagem por sobreposição (como mostrado na Fig. abaixo), rompe os revestimentos superficiais e permite o contato próximo entre os componentes, formando uma forte ligação metalúrgica. O calor é produzido na interface por fricção e deformação plástica, mas as temperaturas permanecem muito abaixo do ponto de fusão, eliminando a necessidade de gases de proteção, fluxos ou metais de adição.
No USW, um sonotrodo conectado a um transdutor ultrassônico transmite o movimento oscilatório para a peça superior. Este dispositivo transforma energia elétrica em movimento vibratório de alta frequência, com amplitudes de 0.018 a 0.13 mm (0.0007–0.005 polegadas) e uma faixa de frequência geralmente de 15 a 75 kHz. As superfícies não são significativamente deformadas plasticamente, uma vez que as pressões de fixação utilizadas são substancialmente mais baixas do que na soldadura a frio. Os tempos de soldagem são normalmente menores que um segundo.
Cobre e alumínio estão entre os materiais mais macios nos quais a soldagem ultrassônica funciona melhor. Materiais mais duros corroem o sonotrodo mais rapidamente. As melhores peças de trabalho são pequenas, geralmente com menos de 3 mm (1/8 polegada) de espessura de soldagem. A soldagem não é necessária ao usar esta tecnologia para terminações de fios e emendas nos setores elétrico e eletrônico. Além disso, é empregado na soldagem de tubos de painéis solares em chapas, na montagem de pequenas peças e na montagem de painéis de chapa de alumínio.
Processo de soldagem
O seguinte descreve a operação geral do processo de soldagem ultrassônica:
-Preparação do material: Coloque os componentes plásticos na pilha de soldagem da máquina em uma configuração de junta sobreposta.
-Produção de eletricidade de alta frequência: A eletricidade padrão (50–60 Hz) é transformada em eletricidade de alta frequência (20–40 kHz) pelo gerador.
-Conversão para Ultrassônico: As vibrações são amplificadas pelo booster depois que o transdutor converte a eletricidade de alta frequência em ondas ultrassônicas.
-Soldagem: As vibrações ultrassônicas são direcionadas às peças montadas pela buzina de soldagem, também conhecida como sonotrodo. A prensa é usada pelo operador para fornecer pressão. O operador extrai os componentes soldados e retrai a buzina após a soldagem.
Componentes da máquina de solda ultrassônica
As máquinas de solda ultrassônica são compostas por diferentes peças, cada uma com uma função específica. Aqui estão algumas peças-chave encontradas em todos os tipos de máquinas de solda ultrassônica:
Gerador
O gerador converte energia elétrica na alta frequência e tensão necessárias em uma frequência ressonante. Um microprocessador que gerencia o ciclo de soldagem e permite a comunicação essencial através da interface do usuário também faz parte dele.
Prensa de máquina
A prensa da máquina fixa o conjunto de soldagem e aplica a força necessária para manter a junta. É equipado com manômetro e regulador, permitindo ao operador ajustar a força aplicada ao sistema.
Pilha de Soldagem
O transdutor, o booster e a buzina de soldagem fazem parte da pilha de soldagem e são fixados à prensa no meio do booster. As vibrações ultrassônicas são produzidas por este conjunto e, para garantir excelentes costuras soldadas, sua frequência deve ser quase igual à do gerador.
Transdutor
Um transdutor, às vezes chamado de conversor, converte energia elétrica de alta frequência em vibrações mecânicas. É composto por muitos discos piezoelétricos de cerâmica imprensados entre dois blocos de titânio. Além disso, um eletrodo fino feito de metal é posicionado entre os discos piezoelétricos.
Intensificador
O booster tem dois propósitos principais. Ele fornece as vibrações à buzina de soldagem após amplificá-las por meio de contração e expansão. Também serve como base para a pilha de soldagem na prensa de soldagem.
Chifre de Soldagem
Uma buzina de soldagem, normalmente feita de alumínio ou titânio, transmite vibração à peça soldada. Embora o alumínio funcione bem em aplicações de baixo volume, ele se desgasta rapidamente. Para combater isso, a maioria das buzinas de soldagem inclui pontas endurecidas, que melhoram o desempenho e a longevidade sob uso intenso.
Ferramentas de suporte
A ferramenta de suporte atua como a fundação da máquina, apoiando seu componente inferior enquanto ela está sendo soldada. Para fornecer estabilidade e precisão, ela é feita para se ajustar às curvas das peças de trabalho.
Parâmetros de soldagem
A soldagem ultrassônica é um método altamente eficaz de união de materiais, geralmente metais ou polímeros, usando vibrações de alta frequência. A força aplicada perpendicularmente à direção da vibração, amplitude da vibração e duração da vibração são os três principais fatores tecnológicos que afetam a eficácia e a qualidade da soldagem ultrassônica. Compreender e gerenciar essas variáveis é essencial para atingir soldas ideais.
Duração da vibração
O tempo que as vibrações ultrassônicas são aplicadas aos materiais a serem conectados é conhecido como duração da vibração ou tempo de soldagem. Este comprimento é normalmente inferior a um segundo para a maioria das operações de soldagem. Porém, se uma solda requer mais energia, o comprimento de vibração precisa ser aumentado, mantendo os mesmos valores para os demais parâmetros. A fórmula a seguir determina a energia necessária para um ciclo de soldagem:
onde �� é a energia em joules, �� é a potência em watts, F é a força em newtons, �� é a amplitude em micrômetros, �� é a frequência em hertz e Δ�� é o tempo de ciclo em segundos .
Amplitude de vibração
A extensão e contração longitudinal da ferramenta de soldagem são medidas pela amplitude das vibrações ultrassônicas, que variam entre 5 e 35 micrômetros. Esta é uma amplitude importante porque corresponde à distância de atrito da superfície de soldagem. Leva menos tempo para inserir a mesma quantidade de energia quando a amplitude é aumentada porque mais potência é necessária para manter a vibração. O perfil de amplitude ou stepping, como é chamado, é possível graças ao equipamento ultrassônico de última geração durante o ciclo de soldagem. Como ele fortalece a ligação e evita o aprisionamento da ferramenta, este método é muito útil para soldar ligas como o alumínio.
Força perpendicular à direção da vibração
Um fator chave no processo de soldagem ultrassônica é a força aplicada perpendicularmente à direção da vibração. A tensão mecânica necessária na zona de soldagem é criada por esta força, que é produzida por um cilindro pneumático. O seguinte descreve os critérios de desempenho para criação e manutenção de vibração:
Onde está amh é a área da seção transversal do cilindro pneumático em metros quadrados, pℓ é a pressão do ar comprimido em pascais e η é a eficiência mecânica. À medida que a pressão aumenta, a carga mecânica aumenta, exigindo mais energia para sustentar a vibração.
Variantes de processo
Na soldagem a ponto ultrassônica, o movimento oscilante é transmitido das inserções sobrepostas para os materiais mais finos (variando de 0.005 a 3 mm). O sonotrodo, aplicando força para comprimir as peças, cria uma ligação soldada que vibra com a peça de trabalho. É crucial que haja movimento relativo entre as peças de trabalho, não entre o sonotrodo e a peça de trabalho superior. Este método pode conectar folhas ou fios de qualidades de materiais variadas. A soldagem ultrassônica, uma forma de soldagem a ponto contínua, produz juntas soldadas entre folhas finas sobrepostas posicionadas entre o sonotrodo e a bigorna. Durante o processo, três unidades de vibração fornecem movimento alternado em torno do eixo do sonotrodo tubular, formando uma costura de tamanho e formato consistentes com sua superfície frontal tubular.
Tipos de soldagem ultrassônica
Tanto metais quanto polímeros, que possuem diferentes compatibilidades de materiais, são frequentemente unidos por meio de soldagem ultrassônica.
Soldagem de plástico ultrassônica: para termoplásticos como poliéster, ABS e policarbonato, a soldagem de plástico ultrassônica é o melhor método. Propriedades como dureza e teor de umidade devem ser levadas em conta. Mas não é apropriado para polímeros plásticos como poliamida e PVC.
Soldagem ultrassônica de metais: Esta técnica é eficaz para unir metais, incluindo ligas de cobre, prata, latão, níquel, ouro e alumínio. Este método funciona melhor com metais finos e de pequeno diâmetro, o que o torna ideal para usos sensíveis.
Vantagens da soldagem ultrassônica
Como a soldagem ultrassônica utiliza técnicas de aquecimento indireto, ela melhora a estética sem sacrificar a funcionalidade, diferenciando-a da soldagem convencional de chapas metálicas e dos métodos sem soldagem. Estes são seus principais benefícios:
Velocidade: Vibrações ultrassônicas de alta frequência produzidas por soldagem ultrassônica soldam rapidamente peças adequadas, garantindo um processo de produção rápido. Tempos de resposta curtos e alto rendimento são os resultados disso.
Alto Nível de Segurança: Menos risco operacional é criado pela aplicação indireta de calor. As conexões soldadas e os materiais circundantes são protegidos contra danos pela dissipação localizada e rápida do calor gerado.
Confiabilidade: O maquinário é confiável e apresenta poucos defeitos e falhas. A automação minimiza ainda mais erros operacionais e humanos, economiza despesas operacionais e melhora a qualidade das juntas soldadas.
Adequado para materiais diferentes: Outro aspecto importante da soldagem de plástico é que este procedimento funciona bem para unir materiais diferentes. Ao unir plásticos diferentes, a soldagem ultrassônica não necessita do desenvolvimento de ligações moleculares, ao contrário de outras técnicas de soldagem plástica.
Desvantagens da soldagem ultrassônica
Há uma série de desvantagens na soldagem ultrassônica. Para começar, ela é inadequada para plásticos duros e que contenham umidade. Este método tem problemas com termoplásticos com alto teor de umidade e polímeros fortes como polipropileno. Além disso, o alcance limitado do transdutor de 100-150 mm significa que ele não consegue soldar peças com juntas maiores que 150 mm. O tamanho da peça é outra restrição. O fato de derreter materiais espessos requer muita energia também os torna problemáticos.
O dispendioso desembolso inicial é outra grande desvantagem. Para organizações, o equipamento de soldagem ultrassônica requer um investimento financeiro significativo devido ao seu alto custo, que aumenta com a automação. Além disso, esse método é limitado a juntas sobrepostas, que são formadas por seções que se sobrepõem umas às outras em uma superfície nivelada. Outros tipos de juntas, como juntas de canto, topo, T e borda, não devem usá-lo. Ao escolher se a soldagem ultrassônica é a melhor técnica para sua aplicação, tenha em mente que essas desvantagens limitam sua versatilidade em comparação a outras técnicas de soldagem.
Aplicações de Soldagem Ultrassônica
A soldagem ultrassônica é uma técnica valiosa que encontra usos em uma ampla gama de indústrias, particularmente na fabricação de bens de consumo e industriais. É utilizada para fazer suprimentos médicos vitais, como filtros de anestesia, filtros de sangue e gás e máscaras faciais. Este método é perfeito para dispositivos médicos, pois garante juntas de baixo custo e alta qualidade em peças compostas de diferentes polímeros médicos, como ABS e polietileno.
Para criar componentes como painéis de instrumentos, painéis de portas e volantes, a indústria automobilística utiliza soldagem ultrassônica para fundir o plástico. Além de baixos custos de capital, automação, tempos de ciclo rápidos e flexibilidade, o processo é preferido porque utiliza calor indireto, que não causa danos à peça.
Por sua precisão, velocidade e juntas de alta qualidade, a soldagem ultrassônica também auxilia o setor aeronáutico.
Da mesma forma, o setor eletrônico utiliza soldagem ultrassônica para unir fios e montar motores elétricos, capacitores, meios de armazenamento e circuitos delicados. Devido à sua precisão e confiabilidade, é perfeito para criar componentes elétricos minúsculos e complexos.
Referências
Groover, MP, 2010. Fundamentos da Manufatura Moderna: Materiais, Processos e Sistemas. 4ª edição. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
