2.5.4 Sonotrodos

 

2.5.4 Sonotrodos

Un sonotrodo de soldadura, también conocido como cuerno, es una herramienta acústica que transfiere las vibraciones mecánicas a la pieza de trabajo y se fabrica a medida para adaptarse a los requisitos de la aplicación. Las moléculas de un sonotrodo se expanden y contraen longitudinalmente a lo largo de su longitud, por lo que el sonotrodo se expande y contrae a la frecuencia de vibración.

La amplitud del sonotrodo está determinada por el movimiento desde el valor más largo hasta el más corto de la cara del sonotrodo en contacto con la pieza (es decir, movimiento de pico a pico). Los sonotrodos están diseñados como barras resonantes largas con media longitud de onda. Al cambiar la forma de la sección transversal del sonotrodo, es posible asignarle un factor de ganancia, aumentando así la amplitud de la vibración que recibe de la combinación transductor-amplificador. Tres diseños comunes de sonotrodos son el escalonado, el exponencial y el catenoidal, como se muestra en la Fig. 2.9. Las bocinas escalonadas constan de dos secciones con áreas transversales diferentes pero uniformes. La transición entre las secciones se encuentra cerca del punto nodal. Debido al cambio abrupto de la sección transversal en el plano nodal, las bocinas escalonadas presentan una concentración de tensión muy alta en esta área y pueden fallar si se accionan con una amplitud excesiva. Se pueden alcanzar factores de ganancia de hasta 9:1 con las bocinas escalonadas.

Las bocinas exponenciales tienen un área transversal que cambia exponencialmente con la longitud. La transición suave distribuye la tensión a lo largo de una mayor longitud, ofreciendo así concentraciones de tensión más bajas que las encontradas en las bocinas escalonadas. Generalmente tienen factores de ganancia más bajos, por lo que se utilizan para aplicaciones que requieren fuerzas y amplitudes bajas.

Las bocinas catenoidales son básicamente bocinas escalonadas con un radio de transición más gradual a través del punto nodal. Ofrecen altas ganancias con bajas concentraciones de tensión. Las bocinas de soldadura más grandes (normalmente de más de 90 mm (3,5 pulgadas) de ancho o diámetro) tienen ranuras para reducir la tensión general causada por las vibraciones horizontales. Las ranuras, en efecto, dividen las bocinas grandes en bocinas individuales más pequeñas, para garantizar una amplitud uniforme en la cara de la bocina y reducir la tensión interna (Fig. 2.10).

En aplicaciones donde se realizan múltiples operaciones de soldadura simultáneamente, se puede utilizar una bocina compuesta. Una bocina compuesta consta de una base grande, redonda o rectangular (media longitud de onda), con bocinas de media onda (normalmente escalonadas o circulares) unidas a ella. Es importante que la bocina esté acústicamente equilibrada y sea simétrica.

Una bocina contorneada es cualquier bocina de forma estándar con un contorno específico de la pieza fresado en su superficie de contacto. El contorno se trabaja en la bocina mediante fresado de copia o registro digital de la pieza, seguido de un fresado CNC. El instrumento debe considerarse como un diapasón de precisión; su forma debe ser lo más equilibrada y simétrica posible.

Los materiales de las bocinas suelen ser aleaciones de aluminio de alta resistencia, titanio o acero endurecido. El aluminio es un material económico, fácil de mecanizar y con excelentes propiedades acústicas. Por estas razones, se utiliza para soldar piezas grandes y fabricar prototipos de bocinas o bocinas que requieren un mecanizado complejo. El aluminio puede ser inadecuado para aplicaciones de producción a largo plazo debido a su baja dureza superficial y propiedades de fatiga. Sin embargo, se puede recubrir o niquelar con cromo o níquel para ayudar a mitigar estos problemas. El titanio tiene buena dureza superficial y resistencia a la fatiga, así como excelentes propiedades acústicas. Sin embargo, es muy caro y difícil de mecanizar. El titanio también se puede recubrir con carburo para aplicaciones de alto desgaste. Las bocinas de acero solo se pueden utilizar para aplicaciones de baja amplitud debido a su baja resistencia a la fatiga. Para aplicaciones de alto desgaste, como la inserción ultrasónica de metal y la soldadura de materiales reforzados con fibra de vidrio, las bocinas de acero pueden ser satisfactorias. Un buen diseño de la bocina es clave para una soldadura exitosa. Las bocinas son piezas de precisión que solo deben ser fabricadas por especialistas expertos en diseño y pruebas acústicas.