2.5.3 Amplificador

El amplificador, también conocido como bocina amplificadora, transformador de impedancia o transformador de amplitud, es una pieza mecanizada que se monta entre el convertidor y la bocina para acoplar las vibraciones ultrasónicas del convertidor a la bocina. Su función principal es amplificar las vibraciones mecánicas producidas en la punta del transductor. Su función secundaria es proporcionar un punto de montaje para conectar la pila de soldadura (transductor/amplificador/bocina) al actuador.

Los amplificadores que modifican la amplitud se mecanizan con diferentes masas a cada lado del centro o punto nodal del amplificador (Fig. 2.7). La amplitud aumenta cuando el extremo de menor masa se conecta a la bocina; por el contrario, disminuye cuando el extremo de menor masa se conecta al convertidor. La magnitud del aumento/disminución es proporcional a las diferencias de masa, expresadas como una relación de ganancia. Las relaciones de ganancia suelen estar marcadas en el amplificador o indicadas mediante un código de colores (Fig. 2.8). Un anillo metálico alrededor del centro (punto nodal) actúa como punto de sujeción del actuador, donde la carga se transfiere desde la prensa de soldar a los componentes que se están soldando. 

2.5.2 Transductor

El transductor, también conocido como convertidor, es el componente clave del sistema de soldadura ultrasónica. Convierte la energía eléctrica del generador en vibraciones mecánicas utilizadas en el proceso de soldadura. La Fig. 2.6 muestra un esquema del componente.

El transductor consta de varios discos cerámicos piezoeléctricos (titanato zirconato de plomo, PZT) colocados entre dos bloques metálicos, generalmente de titanio. Entre cada disco hay una placa metálica delgada que forma el electrodo. A medida que la señal eléctrica sinusoidal se alimenta al transductor a través de los electrodos, los discos se expanden y contraen. La frecuencia de vibración puede estar en el rango de 15 a 70 kHz; sin embargo, las frecuencias más comunes utilizadas en la soldadura ultrasónica son de 20 o 40 kHz. La amplitud, o amplitud pico a pico, es la distancia que recorre el convertidor durante las vibraciones mecánicas. Los valores típicos son 20 μm (0,0008 pulgadas) para un convertidor de 20 kHz y 9 μm (0,00035 pulgadas) para un convertidor de 40 kHz [ 12, 14 ].

Dado que los discos piezoeléctricos presentan propiedades mecánicas deficientes en tensión, se utiliza un perno que atraviesa el centro del dispositivo para precomprimirlos. Esto garantiza que los discos permanezcan comprimidos al expandirse y contraerse, es decir, que presenten una desviación mecánica.

2.5.1 Fuente de alimentación/Generador

La fuente de alimentación/generador convierte el voltaje de línea de 50-60 Hz en una señal de alto voltaje a la frecuencia deseada (normalmente 20 kHz). La fuente de alimentación/generador puede incluir un módulo de control integrado para configurar programas de soldadura y otras funciones.

Las fuentes de alimentación están disponibles con diferentes niveles de control de proceso, desde unidades básicas hasta unidades controladas por microprocesador. La potencia de salida varía de 100 a 6000 W. Los controladores pueden operar a una frecuencia constante o, en los modelos más nuevos, la amplitud se puede modificar instantáneamente durante la soldadura, ya sea de forma gradual o perfilada.

El actuador pone el sonotrodo en contacto con las piezas que se están soldando, aplica fuerza y ​​lo retrae al finalizar la soldadura.

2.5 Equipo

 

El equipo para soldadura ultrasónica consta de una fuente de alimentación, un convertidor con un amplificador para aumentar o disminuir la amplitud de la vibración, una bocina, accesorios o soportes para sujetar y alinear las piezas a soldar, y un actuador que contiene el convertidor, el amplificador, la bocina y los controles neumáticos (Fig. 2.5).

Figure 2.5. Components of an ultrasonic welder (Source:

TWI Ltd).

2.4.7 Materiales Disímiles

 

Al soldar materiales disímiles, la diferencia de temperatura de fusión entre ambos materiales no debe superar los 22 °C (40 °F), y ambos deben tener una estructura molecular similar. Para grandes diferencias de temperatura de fusión, el material con menor punto de fusión se funde y fluye, impidiendo la generación de calor suficiente para fundir el material con mayor punto de fusión. Por ejemplo, si se suelda un acrílico de alta temperatura a uno de baja temperatura, con el director de energía moldeado en la pieza de alta temperatura, esta se fundirá y fluirá antes que el director de energía, pudiendo producirse uniones con poca resistencia. Solo se deben soldar materiales químicamente compatibles que contengan grupos moleculares similares.

La compatibilidad solo existe entre algunos plásticos amorfos o mezclas que contienen plásticos amorfos. Ejemplos típicos son ABS con acrílico, PC con acrílico y poliestireno con PPO modificado. El PP y el PE semicristalinos comparten muchas propiedades físicas, pero no son químicamente compatibles y no pueden soldarse por ultrasonidos [5, 10, 13].

La Tabla 2.1 muestra la compatibilidad de algunos termoplásticos para la soldadura por ultrasonidos.

2.4.6 Humedad

 

El contenido de humedad de un material puede afectar la resistencia de la soldadura. Los materiales higroscópicos como el poliéster, el policarbonato, la polisulfona y, especialmente, el nailon, absorben la humedad del aire. Al soldar, el agua absorbida hierve a 100 °C (212 °F); el gas atrapado crea porosidad y puede degradar el plástico en la interfaz de la unión, lo que resulta en una apariencia deficiente, una unión débil y dificultad para obtener un sellado hermético. Para obtener mejores resultados, estos materiales deben soldarse inmediatamente después del moldeo. Si esto no es posible, las piezas deben mantenerse secas, tal como se moldearon, almacenándolas en bolsas de polietileno. Se pueden utilizar hornos especiales para secar las piezas antes de soldar; sin embargo, se debe tener cuidado para evitar la degradación del material.

2.4.5 Grados de Material

 Diferentes grados del mismo material pueden tener diferentes velocidades de flujo y diferentes temperaturas de fusión. Una pieza puede fundirse y fluir, pero la otra no, y no se formará unión. Por ejemplo, los grados de acrílico fundido tienen pesos moleculares y temperaturas de fusión más altos, y son más frágiles que los grados de inyección/extrusión; por lo tanto, son más difíciles de soldar. Generalmente, ambos materiales a soldar deben tener velocidades de flujo de fusión similares (la velocidad de flujo de fusión indica el peso molecular) y temperaturas de fusión con una diferencia de 22 °C (40 °F) entre sí. Para obtener mejores resultados, se deben soldar resinas del mismo grado.

 

2.4.3 Aditivos

 

Los desmoldantes externos (estearato de zinc, estearato de aluminio, fluorocarbonos, siliconas) aplicados a la superficie de la cavidad del molde (generalmente mediante pulverización) proporcionan un recubrimiento desmoldante que facilita la extracción de la pieza. Los desmoldantes pueden transferirse a la interfaz de la unión, donde reducen el coeficiente de fricción del material que se está soldando, lo que afecta la generación de calor en la interfaz e interfiere con la fusión de las superficies fundidas. Además, la contaminación química de la resina por el desmoldante puede inhibir la formación de una unión adecuada. Las siliconas tienen el efecto más perjudicial. Los desmoldantes externos a veces pueden eliminarse con disolventes. Si es necesario utilizar un desmoldante externo, los grados pintables/imprimibles no se transfieren a la pieza moldeada, pero sí impiden que la resina humedezca la superficie del molde, y los efectos perjudiciales de estos grados en la soldadura ultrasónica son mínimos.

2.4.3 Aditivos

Los aditivos suelen dificultar la obtención de una buena unión soldada, aunque pueden mejorar el rendimiento general o las características de conformado del material base. Los aditivos típicos son lubricantes, plastificantes, modificadores de impacto, retardantes de llama, colorantes, agentes espumantes y polímeros remolidos.

Los lubricantes internos (ceras, estearato de zinc, ácido esteárico, ésteres de ácidos grasos) reducen el coeficiente de fricción entre las moléculas de polímero, lo que resulta en una reducción de la generación de calor. Sin embargo, este efecto suele ser mínimo, ya que las concentraciones son bajas y se dispersan dentro del plástico en lugar de concentrarse en la superficie de la unión [10, 12].

Los plastificantes, los líquidos orgánicos de alta temperatura o los sólidos de baja temperatura de fusión aportan flexibilidad y suavidad, y reducen la rigidez del material. Reducen las fuerzas de atracción intermoleculares dentro del polímero e interfieren con la transmisión de energía vibratoria. Los materiales altamente plastificados, como el vinilo, son muy malos transmisores de energía ultrasónica. Los plastificantes se consideran aditivos internos, pero migran a la superficie con el tiempo, lo que hace que la soldadura ultrasónica sea prácticamente imposible. Los plastificantes metálicos tienen un efecto más perjudicial que los plastificantes aprobados por la FDA [10].

Los modificadores de impacto, como el caucho, pueden reducir la capacidad del material para transmitir vibraciones ultrasónicas, lo que hace necesarias amplitudes mayores para generar la fusión.

Los modificadores de impacto también pueden afectar la soldabilidad del material al reducir la cantidad de material termoplástico en la interfaz de la unión [10].

Los modificadores de impacto, como el caucho, pueden reducir la capacidad del material para transmitir vibraciones ultrasónicas, lo que hace necesarias mayores amplitudes para generar la fusión. Los modificadores de impacto también pueden afectar la soldabilidad del material al reducir la cantidad de material termoplástico en la interfaz de la unión [10].

Se añaden retardantes de llama, óxidos inorgánicos o elementos orgánicos halogenados como aluminio, antimonio, boro, cloro, bromo, azufre, nitrógeno o fósforo a las resinas para inhibir la ignición o modificar las características de combustión del material. En su mayoría, no son soldables. Los retardantes de llama pueden representar hasta el 50 % o más del peso total del material, lo que reduce la cantidad de material soldable en la pieza. Para soldar estos materiales, se requieren equipos de alta potencia, amplitudes superiores a las normales y la modificación del diseño de la unión para aumentar la cantidad de material soldable en la interfaz [10].

La mayoría de los colorantes (pigmentos o tintes) no inhiben la transmisión de energía ultrasónica; sin embargo, pueden reducir la cantidad de material soldable disponible en la interfaz. El dióxido de titanio (TiO₂), utilizado en pigmentos blancos, es inorgánico y químicamente inerte. Puede actuar como lubricante y, si se utiliza en niveles superiores al 5%, puede inhibir la soldabilidad. El negro de humo también puede interferir con la transmisión de energía ultrasónica a través del material. La presencia de colorantes puede requerir la modificación de los parámetros de procesamiento [10, 12].

Los agentes espumantes reducen la capacidad de la resina para transmitir energía. Dependiendo de la densidad, los huecos en la estructura celular interrumpen el flujo de energía, reduciendo la cantidad de energía que llega a la zona de unión [10].

Los materiales de soldadura con un contenido alto o variable de material triturado deben evaluarse cuidadosamente.

El control de la calidad y el volumen del material triturado en las piezas a soldar es necesario para una soldadura óptima. En algunos casos, puede requerirse material 100% virgen.

2.4.2 Rellenos y refuerzos

Los rellenos (vidrio, talco, minerales) presentes en un termoplástico pueden mejorar o inhibir la soldadura ultrasónica. Materiales como el carbonato de calcio, el caolín, el talco, el trihidrato de alúmina, el relleno orgánico, la sílice, las esferas de vidrio, el metasilicato de calcio (wollastonita) y la mica aumentan la rigidez de la resina y mejoran la transmisión de la energía ultrasónica a través del material en niveles de hasta el 20%, especialmente en materiales semicristalinos. En niveles cercanos al 35%, puede haber una cantidad insuficiente de resina termoplástica en la interfaz de la unión para lograr sellos herméticos fiables. Con un contenido de relleno del 40%, las fibras se acumulan en la interfaz de la unión y la cantidad de material termoplástico es insuficiente para formar una unión fuerte. Las fibras de vidrio largas pueden agruparse durante el moldeo, lo que hace que el conductor de energía contenga un mayor porcentaje de vidrio que el material en masa. Este problema puede eliminarse utilizando relleno de fibra de vidrio corta [7, 10, 11].

Las partículas abrasivas presentes en muchos rellenos causan desgaste del sonotrodo cuando el contenido de relleno supera el 10 %. Se recomienda el uso de sonotrodos de acero endurecido o de titanio con recubrimiento de carburo.

También puede requerirse un equipo ultrasónico de mayor potencia para generar suficiente calor en la unión.

2.4 Materiales, Estructura del polímero

 

Los plásticos amorfos presentan una estructura molecular aleatoria y se ablandan gradualmente en un amplio rango de temperaturas (Fig. 2.4). Alcanzan un estado de transición vítrea y luego un estado líquido fundido; la solidificación también es gradual, lo que evita la solidificación prematura. Los polímeros amorfos transmiten vibraciones ultrasónicas de forma eficiente y pueden soldarse en una amplia gama de condiciones de procesamiento. 

Los sellos herméticos también son más fáciles de lograr con materiales amorfos [10].

Los plásticos semicristalinos se caracterizan por regiones de estructura molecular ordenada. Se requiere una temperatura elevada para alterar esta disposición ordenada. El punto de fusión (Tm en la Fig. 2.4) es preciso y la resolidificación se produce rápidamente en cuanto la temperatura desciende ligeramente. Por lo tanto, la masa fundida que fluye fuera de la región calentada de la unión se solidifica rápidamente. En estado sólido, las moléculas semicristalinas tienen una estructura elástica y absorben gran parte de las vibraciones ultrasónicas, en lugar de transmitirlas a la interfaz de la unión, por lo que se requiere una gran amplitud para generar suficiente calor para la soldadura [10].

2.3 Aplicaciones Soldadura ultrasónica

 La soldadura ultrasónica se utiliza en casi todas las industrias principales donde se ensamblan piezas termoplásticas en grandes cantidades. Algunos ejemplos son los siguientes:

• Automoción: piezas de faros, tableros, botones e interruptores, filtros de combustible, depósitos de fluidos, cerraduras de cinturones de seguridad, llaveros electrónicos, conjuntos de lámparas, conductos de aire.

• Electrónica y electrodomésticos: interruptores, sensores, llaves de almacenamiento de datos.

• Medicina: filtros, catéteres, indumentaria médica, mascarillas [8].

• Envases: blísteres, bolsas, tubos, contenedores de almacenamiento, boquillas de cartón [9].

Algunos ejemplos de artículos soldados por ultrasonidos, junto con los diseños de unión utilizados, se muestran en la Fig. 2.3.

2.2 Ventajas y desventajas de la Soldadura ultrasónica

 

2.2 Ventajas y desventajas de la Soldadura ultrasónica

La soldadura ultrasónica es una de las técnicas de soldadura más populares en la industria. Es rápida, económica, fácilmente automatizable y muy adecuada para la producción en masa, con velocidades de producción de hasta 60 piezas por minuto. Produce uniones consistentes y de alta resistencia.

Con equipos compactos. Los tiempos de soldadura son más cortos que con cualquier otro método de soldadura y no se necesitan sistemas de ventilación complejos para eliminar humos o calor. El proceso es energéticamente eficiente y ofrece una mayor productividad con menores costos que muchos otros métodos de ensamblaje. El herramental se puede cambiar rápidamente, a diferencia de muchos otros métodos de soldadura, lo que resulta en una mayor flexibilidad y versatilidad. Se utiliza comúnmente en la industria sanitaria porque no introduce contaminantes ni fuentes de degradación en la soldadura que puedan afectar la biocompatibilidad del dispositivo médico.

Una limitación de la soldadura ultrasónica es que, con la tecnología actual, las uniones grandes (es decir, mayores de aproximadamente 250 × 300 mm; 10 × 12 pulgadas) no se pueden soldar en una sola operación. Además, se requieren detalles de unión específicamente diseñados. Las vibraciones ultrasónicas también pueden dañar los componentes eléctricos, aunque el uso de equipos de mayor frecuencia puede reducir este daño. Además, dependiendo de las piezas a soldar, los costos de herramientas para los accesorios pueden ser altos.

2 Soldadura ultrasónica

 

La soldadura ultrasónica, uno de los métodos de soldadura más utilizados para unir termoplásticos, utiliza energía ultrasónica a altas frecuencias (20-40 kHz) para producir vibraciones mecánicas de baja amplitud (1-25 μm). Estas vibraciones generan calor en la interfaz de unión de las piezas soldadas, lo que provoca la fusión de los materiales termoplásticos y la formación de la soldadura tras el enfriamiento.

La soldadura ultrasónica es la técnica de soldadura más rápida conocida, con tiempos de soldadura típicos de entre 0,1 y 1,0 segundos.

Además de la soldadura, la energía ultrasónica se utiliza comúnmente en procesos como la inserción de piezas metálicas en plástico o el reformado de piezas termoplásticas para fijar mecánicamente componentes fabricados con materiales diferentes. Cuando un material termoplástico se somete a vibraciones ultrasónicas, se generan ondas estacionarias sinusoidales en el material. Parte de esta energía se disipa mediante la fricción intermolecular, lo que genera una acumulación de calor en el material, y parte se transmite a la interfaz de la unión, donde la fricción límite provoca un calentamiento local. Por lo tanto, la transmisión óptima de la energía ultrasónica a la unión y el posterior comportamiento de fusión dependen de la geometría de la pieza y también de las características de absorción ultrasónica del material.

Cuanto más cerca esté la fuente de vibraciones de la unión, menor será la energía que se pierda por absorción.

Cuando la distancia entre la fuente y la unión es inferior a 6,4 mm (0,25 pulgadas), el proceso se denomina soldadura de campo cercano. Se utiliza para materiales cristalinos y de baja rigidez, que presentan una alta absorción de energía. Cuando la distancia entre la fuente y la unión es superior a 6,4 mm (0,25 pulgadas), el proceso se denomina soldadura de campo lejano. Se utiliza para materiales amorfos y de alta rigidez, que presentan una baja absorción de energía ultrasónica.

El calor generado normalmente es mayor en la superficie de la unión debido a las asperezas superficiales, que están sujetas a mayor tensión y fuerza de fricción que el material en masa.

Para muchas aplicaciones de soldadura ultrasónica, se moldea en la parte superior una protuberancia triangular, conocida como director de energía. Esta se utiliza para concentrar la energía ultrasónica en la interfaz de la unión (Fig. 2.1).

Durante la soldadura, la vibración es perpendicular a la superficie de la unión y la punta del director de energía se fuerza a entrar en contacto con una de las piezas que se están soldando.

La generación de calor es máxima en este punto, y el conductor de energía se funde y fluye hacia la unión durante la Fase 1 del proceso de soldadura (Fig. 2.2). La disminución por desplazamiento de la distancia entre las piezas, que se produce como resultado del flujo de la masa fundida, aumenta rápidamente y luego se ralentiza a medida que el conductor de energía fundido se extiende y entra en contacto con la superficie inferior de la pieza, disminuyendo así la velocidad de fusión. En la Fase 2, las superficies de las piezas se unen y la velocidad de fusión aumenta. La fusión en estado estacionario se produce en la Fase 3; hasta alcanzar un espesor constante de la capa de masa fundida en la soldadura, se forma una distribución de temperatura constante. Tras un tiempo específico, o tras alcanzar un nivel de energía, potencia o distancia determinados, se desconecta la alimentación y cesan las vibraciones ultrasónicas al inicio de la Fase 4. Se mantiene la presión, lo que provoca que se expulse parte de la masa fundida adicional de la interfaz de la unión; se crea una unión molecular y la soldadura se enfría.