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.