2.8.2 Soldadura Ultrasónica de Telas y Películas

 

Las telas y películas utilizadas en diversas industrias, como la médica, la del embalaje y la textil, pueden soldarse mediante energía ultrasónica. Aquí se describen la unión ultrasónica continua y el procesamiento por inmersión.

En la unión ultrasónica continua (Fig. 2.29), dos o más capas de material se ensamblan pasándolas a través de un espacio entre una bocina vibratoria y un tambor giratorio o yunque. El tambor giratorio suele estar hecho de acero endurecido y presenta un patrón de áreas elevadas mecanizadas. Las vibraciones ultrasónicas y la compresión entre la bocina y el tambor generan calor por fricción en el punto donde la bocina entra en contacto con los materiales. La unión se produce solo en estos puntos, lo que proporciona suavidad, transpirabilidad y absorción a los materiales unidos. Estas propiedades son importantes para batas de hospital, prendas estériles, pañales y otras aplicaciones utilizadas en salas blancas y en la industria médica. La unión ultrasónica utiliza mucha menos energía que la unión térmica, que utiliza tambores rotatorios calentados para unir los materiales [5].

En el proceso de inmersión, el material permanece fijo y entra en contacto periódico con la bocina ultrasónica (Fig. 2.30). Tanto la cara de la bocina como el yunque incorporan un patrón para concentrar la energía ultrasónica y producir una fusión. La bocina también puede adaptarse para realizar una operación de corte y sellado. Las aplicaciones típicas de inmersión incluyen filtros, flejes, hebillas, trabillas para cinturones, tirantes de sujetadores y persianas verticales.

Los tejidos y películas más adecuados para la soldadura ultrasónica contienen materiales termoplásticos con puntos de fusión similares y una estructura molecular compatible. Entre sus características favorables se incluyen un espesor uniforme, un alto coeficiente de fricción y un contenido mínimo de termoplástico del 65 %. La estructura del material también influye significativamente en la soldabilidad. Las principales categorías de textiles y películas termoplásticas son tejidos, no tejidos, tejidos de punto, películas, materiales recubiertos y laminados.

Factores como la densidad del hilo, la firmeza del tejido, la elasticidad y el estilo del tejido pueden influir en el éxito de la soldadura ultrasónica.

Las telas y películas termoplásticas de poliéster, nailon, PP y PE son aptas para el procesamiento ultrasónico.

2.8 Variantes de la soldadura ultrasónica

 2.8.1 Soldadura por puntos ultrasónica

La soldadura por puntos ultrasónica une dos piezas termoplásticas en puntos localizados sin necesidad de un orificio preformado ni un director de energía. Produce una soldadura estructural resistente y es especialmente adecuada para piezas grandes o con geometría compleja o superficies de unión de difícil acceso.

La soldadura por puntos es ideal para láminas de termoplástico extruido o fundido, y se utiliza a menudo en piezas conformadas al vacío, como los envases blíster (con tapa).

En la soldadura por puntos, el sonotrodo cuenta con una punta piloto que, al aplicar vibraciones ultrasónicas, se funde a través de la parte superior y penetra en la inferior hasta una profundidad predeterminada. Al cesar las vibraciones, la masa fundida de ambas partes se fusiona, formando una soldadura con un anillo elevado en la parte superior, producido por la punta de soldadura (Fig. 2.28).

La ​​capa inferior de una unión soldada por puntos tiene una apariencia lisa. La soldadura por puntos se puede realizar con pistolas portátiles, soldadoras de banco de uno o dos cabezales, o con sistemas de soldadura en grupo compuestos por varios cabezales que realizan varias operaciones de soldadura simultáneamente [5, 7, 12, 24].

Las pautas para la soldadura por puntos incluyen un soporte rígido directamente debajo del área de soldadura por puntos para evitar marcas; una amplitud de media a alta para garantizar una penetración adecuada del material; y una presión baja para asegurar una masa fundida adecuada en la interfaz de la unión.

2.7.5 Control de Proceso

 

La mayoría de las máquinas de soldadura ultrasónica actuales cuentan con un control por microprocesador totalmente programable para programar y monitorear todos los parámetros de soldadura. Algunas máquinas monitorean y ajustan todo el proceso cada milisegundo. El controlador toma 1000 mediciones de soldadura de referencia por segundo, lo que proporciona un verdadero control de calidad. Los modos de soldadura (tiempo, energía o distancia) se pueden seleccionar desde el controlador.

La soldadura por tiempo es el modo de operación más básico.

Los componentes se preensamblan en el accesorio y la bocina se pone en contacto con la parte superior, mientras que el ultrasonido se activa durante el tiempo designado. El consumo de energía de un ciclo a otro se puede monitorear para obtener una indicación de la calidad de la soldadura y, si se encuentra fuera de un rango, las señales de alarma pueden advertir de una posible soldadura defectuosa.

La soldadura por energía se basa en un control de retroalimentación cerrado; es decir, la máquina monitorea el consumo de energía a medida que avanza el ciclo de soldadura y la finaliza una vez que se suministra la energía establecida. En la soldadura a distancia, un codificador lineal montado en el actuador mide con precisión el colapso de la soldadura o la distancia total recorrida por el sonotrodo, lo que permite unir componentes con una profundidad de soldadura específica. Este modo funciona independientemente del tiempo y la energía y compensa cualquier variación de tolerancia en las piezas moldeadas, garantizando así que se funda la misma cantidad de material en la unión en cada ocasión.

2.7.4 Amplitud

 

En la soldadura ultrasónica con directores de energía, la velocidad media de calentamiento (Q avg) depende del módulo de pérdida complejo del material (E″), la frecuencia (ω) y la deformación aplicada (ε o):

Q avg = ω ε o 2 E″/2

El módulo de pérdida complejo del termoplástico depende en gran medida de la temperatura, de modo que a medida que se aproxima a la temperatura de fusión o de transición vítrea, el módulo de pérdida aumenta y se convierte más energía mecánica en energía térmica. La temperatura en la interfaz de la soldadura aumenta rápidamente (más de 1000 °C/s o 1800 °F/s) tras el inicio del calentamiento [23].

La deformación aplicada es proporcional a la amplitud vibratoria de la bocina, de modo que el calentamiento de la interfaz de la soldadura puede controlarse variando la amplitud de la vibración. La amplitud es un parámetro importante para controlar la velocidad de flujo de compresión del termoplástico. A amplitudes altas, la interfaz de soldadura se calienta a mayor velocidad; la temperatura aumenta y el material fundido fluye a mayor velocidad, lo que provoca una mayor alineación molecular, una generación significativa de rebabas y una menor resistencia de la soldadura.

Se requieren amplitudes altas para iniciar la fusión.

Las amplitudes demasiado bajas producen una iniciación de fusión no uniforme y una solidificación prematura de la fusión [23].

A medida que aumenta la amplitud, se disipan mayores cantidades de energía vibratoria en el material termoplástico y las piezas que se sueldan experimentan mayor tensión. Al utilizar una amplitud constante durante todo el ciclo de soldadura, generalmente se utiliza la amplitud más alta que no cause daños excesivos a las piezas que se sueldan. Para polímeros semicristalinos como el PE y el PP, el efecto de la amplitud de vibración es mucho mayor que para los polímeros amorfos como el ABS y el poliestireno. Esto probablemente se deba a la mayor energía requerida para la fusión y soldadura de los polímeros semicristalinos.

La amplitud se puede ajustar mecánicamente modificando el amplificador o la bocina, o eléctricamente variando el voltaje suministrado al convertidor. En la práctica, los ajustes de amplitud grandes se realizan mecánicamente, mientras que los ajustes finos se realizan eléctricamente. Los materiales con alta temperatura de fusión, las soldaduras de campo lejano y los materiales semicristalinos generalmente requieren amplitudes mayores que los materiales amorfos y las soldaduras de campo cercano.

Los rangos típicos de amplitud pico a pico son de 30 a 100 μm (1,2 a 3,9 milésimas de pulgada) para plásticos amorfos y de 60 a 125 μm (2,4 a 4,9 milésimas de pulgada) para plásticos cristalinos. El perfilado de amplitud, en el que la amplitud se reduce durante el ciclo de soldadura, se ha utilizado para lograr un buen flujo de fusión y una resistencia de soldadura alta y constante.

Con el perfilado combinado de amplitud y fuerza, se utilizan amplitudes y fuerzas altas para iniciar la fusión, que luego se reducen para reducir la alineación molecular con la línea de soldadura.

2.7.3 Presión/Fuerza de Soldadura

 

La presión de soldadura proporciona la fuerza estática necesaria para acoplar el sonotrodo a las piezas, de modo que se puedan introducir vibraciones en ellas. Esta misma carga estática asegura que las piezas se mantengan unidas a medida que el material fundido se solidifica durante la fase de retención del ciclo de soldadura. Determinar la presión óptima es esencial para una buena soldadura.

Las presiones de soldadura demasiado bajas generalmente resultan en una transmisión de energía deficiente o un flujo de fusión incompleto, lo que resulta en ciclos de soldadura largos. Aumentar la fuerza o la presión de soldadura reduce el tiempo de soldadura necesario para lograr el mismo desplazamiento. Si la presión es demasiado alta, el mayor volumen de fusión provoca una alineación molecular en la dirección del flujo y una menor resistencia de la soldadura, así como la posibilidad de marcas en la pieza. En casos extremos, si la presión es alta en relación con la amplitud de la punta del sonotrodo, puede sobrecargarlo y bloquearlo.

La mayoría de las soldaduras ultrasónicas se realizan a una presión o fuerza constante. En algunos sistemas, la fuerza puede modificarse durante el ciclo. En el perfilado de fuerza, la fuerza de soldadura disminuye durante el tiempo que se aplica la energía ultrasónica a las piezas. Una menor presión o fuerza de soldadura en etapas posteriores del ciclo reduce la cantidad de material extraído de la unión, permite más tiempo para la difusión intermolecular, reduce la orientación molecular y aumenta la resistencia de la soldadura. En materiales como la poliamida, que tienen una baja viscosidad de fusión, esto puede mejorar significativamente la resistencia de la soldadura.

2.6.3 Consideraciones sobre el diseño de piezas

 Dado que las esquinas afiladas localizan la tensión, las piezas con esquinas afiladas pueden fracturarse o fundirse al aplicar vibraciones ultrasónicas. Los apéndices, pestañas u otras protuberancias también localizan la tensión y pueden desprenderse durante la soldadura. Para evitar esto, se debe dejar un radio generoso en todas las esquinas y bordes, así como en las zonas donde los apéndices se unen a la pieza principal. Para minimizar aún más la tensión en los apéndices, se recomienda utilizar una frecuencia de 40 kHz, aplicar una fuerza ligera o utilizar apéndices más gruesos.

La energía no se propaga bien alrededor de agujeros, huecos o curvas, y la soldadura directa debajo de estas áreas será limitada o inexistente, dependiendo del tipo de material y el tamaño de la pieza. Siempre que sea posible, se deben eliminar todos los ángulos agudos, curvas y agujeros.

Las piezas circulares, planas y de sección delgada pueden flexionarse o formar un "diafragma" durante la soldadura. El sonotrodo puede doblarse hacia arriba y hacia abajo ("aceite enlatado") al entrar en contacto con la pieza, y el intenso calor de la flexión puede hacer que el sonotrodo se funda o queme un agujero en el material. El diafragma suele estar ubicado en el centro de la pieza o en la zona de la compuerta; por lo tanto, aumentar el espesor de estas secciones puede prevenirlo [5].

2.6.2 Juntas de corte

 La junta de corte (Fig. 2.25) se utiliza para soldar materiales semicristalinos que tienen un punto de fusión estrecho y definido. Los directores de energía no son tan útiles con materiales cristalinos, ya que el material desplazado del director de energía se degrada o recristaliza antes de poder fluir a través de la interfaz de la junta y formar una soldadura. La pequeña área de contacto inicial de la junta de cizallamiento es la primera en fundirse durante la soldadura; la fusión continúa a lo largo de las paredes verticales a medida que las piezas se unen telescópicamente, eliminando la exposición al aire y la solidificación prematura. Se pueden obtener sellos herméticos resistentes. Es necesario un soporte rígido en las paredes laterales para evitar la deflexión durante la soldadura. La parte superior de la junta debe ser lo más superficial posible, similar a una tapa, pero con la integridad estructural suficiente para soportar la deflexión interna. Las juntas de corte proporcionan alineación de piezas y un área de contacto uniforme [5, 17].

Se requiere mayor energía al utilizar juntas de corte con materiales semicristalinos, debido a la mayor área de fusión y a la alta energía requerida para fundir materiales cristalinos. Esto requiere tiempos de soldadura más largos (hasta 3 o 4 veces más largos que con otras juntas) o mayor potencia (3000 W en lugar de 2000 W) y mayores amplitudes.

Las juntas de corte son útiles para piezas cilíndricas, pero no funcionan tan bien con piezas rectangulares, cuyas paredes tienden a oscilar perpendicularmente al eje de la soldadura, ni con piezas planas y redondas sujetas a tensión circunferencial. Se pueden lograr sellos herméticos y soldaduras de alta resistencia con juntas de corte en piezas con esquinas cuadradas o diseños rectangulares, pero se observarán cantidades considerables de rebaba en la superficie superior después de la soldadura [17, 19]. Las modificaciones de las juntas de corte para piezas grandes o para piezas cuya parte superior es profunda y flexible se muestran en la Fig. 2.26. Cuando la rebaba no es aceptable, se pueden incorporar trampas en el diseño de la junta de corte (Fig. 2.27).

2.6.1 Directores de Energía

 

Un director de energía es una cresta triangular elevada de material moldeada en una de las superficies de la unión (Fig. 2.16).

El vértice del director de energía se encuentra sometido a la mayor tensión durante la soldadura y entra en contacto con la otra pieza, generando fricción que provoca su fusión. El director de energía fundido fluye hacia la interfaz de la unión y forma una unión. Los directores de energía son adecuados para materiales amorfos, ya que fluyen y solidifican gradualmente; la resistencia de las soldaduras en materiales semicristalinos obtenidas con directores de energía no es tan alta. Los directores de energía garantizan la fusión de un volumen específico de material para producir una buena resistencia de la unión sin rebabas excesivas. No proporcionan alineación de piezas ni controlan las rebabas. Una recomendación general es que, para la mayoría de los materiales amorfos, el vértice del director de energía debe estar en un ángulo de 90° y tener una altura del 50% al 65% del ancho de la base. El tamaño varía de 0,127 a 0,762 mm (0,005 a 0,030 pulgadas) de alto y de 0,254 a 1,53 mm (0,010 a 0,060 pulgadas) de ancho. Para materiales semicristalinos, se recomienda que el vértice esté en un ángulo de 60°, con una altura del 85% del ancho de la base. El ancho de la base varía de 0,254 a 1,27 mm (0,010 a 0,050 pulgadas). El ángulo más pronunciado y la punta más afilada de los directores de energía para materiales semicristalinos hacen que el director de energía se incruste parcialmente en la superficie de contacto durante las primeras etapas de la soldadura, lo que reduce la solidificación prematura y la degradación por exposición al aire. Se obtiene una mayor resistencia de la unión y aumentan las posibilidades de obtener un sellado hermético. Este diseño también proporciona resultados superiores con policarbonato y acrílico.

Se utilizan diversos diseños de unión con los directores de energía.

La unión a tope (Fig. 2.17) es uno de los diseños más simples y comunes. Dado que las uniones a tope no se autoalinean, se requieren accesorios para la alineación de las piezas. Se pueden obtener sellados herméticos en materiales amorfos con uniones a tope, siempre que las superficies de contacto sean casi perfectamente planas entre sí. Los sellos herméticos con juntas a tope son difíciles de lograr con polímeros semicristalinos debido a que la masa fundida se expone al aire durante la soldadura, lo que puede acelerar la cristalización y causar degradación oxidativa de la masa fundida, resultando en soldaduras frágiles [5, 14].

Una modificación del diseño de la junta del director de energía consiste en numerosas pequeñas proyecciones superficiales moldeadas en la superficie de la junta opuesta al director de energía (Fig. 2.18).

La ​​superficie texturizada, típicamente de 0,0765 a 0,152 mm (0,003 a 0,006 pulgadas) de profundidad, mejora la fricción superficial al evitar el movimiento lateral del director de energía, y los picos y valles formados por la texturización forman una barrera que impide que la masa fundida fluya fuera del área de la junta. Se reduce la rebaba y se dispone de una mayor superficie para la unión. Se pueden lograr soldaduras con resistencias hasta tres veces superiores a las de una superficie sin textura, y se reduce la energía total requerida para la soldadura [18].

La unión escalonada con director de energía (Fig. 2.19) elimina las rebabas en el exterior de la unión y es útil cuando la estética es importante. Las rebabas generadas fluyen hacia un espacio o ranura en la unión, ligeramente más profunda y ancha que la lengüeta. Se producen soldaduras con buena resistencia al corte y a la tracción. Dado que solo una parte de la pared participa en la unión, a veces se considera que las uniones escalonadas producen soldaduras de menor resistencia que las uniones a tope con directores de energía. El espesor mínimo de pared recomendado es de 2,03 a 2,29 mm (0,080 a 0,090 pulgadas).

 

 

La profundidad de la ranura debe ser de 0,13 a 0,25 mm (0,005 a 0,01 pulgadas) mayor que la altura de la lengüeta, dejando un ligero espacio entre las piezas terminadas.

Esto se hace con fines estéticos para que no se note si las superficies no son perfectamente planas o si las piezas no son perfectamente paralelas. El ancho de la ranura es de 0,05 a 0,10 mm (0,002 a 0,004 pulgadas) mayor que el de la lengüeta, dejando un ligero espacio entre las piezas terminadas.

En la unión machihembrada (Fig. 2.20), la masa fundida queda completamente encerrada en una ranura en la unión, que es ligeramente mayor (0,05 a 0,10 mm; 0,002 a 0,004 pulgadas) que la lengüeta. Se utiliza para evitar rebabas cuando la apariencia estética es importante y alinea las piezas, evitando así la necesidad de accesorios adicionales. Produce un sellado hermético a baja presión. Las estrechas tolerancias requeridas en esta unión dificultan el moldeo de las piezas y requieren espesores de pared relativamente grandes. El espesor mínimo de pared es de 3,05 a 3,12 mm (0,120 a 0,125 pulgadas).

El director de energía es dimensionalmente idéntico al utilizado para la unión a tope [5, 17].

Otros diseños de unión con directores de energía son menos comunes. En la unión entrecruzada (Fig. 2.21), los directores de energía están presentes en ambas superficies de contacto y son perpendiculares entre sí. Este diseño proporciona un contacto inicial mínimo en la interfaz con un volumen potencialmente mayor de material involucrado en la soldadura. El tamaño del director de energía debe ser aproximadamente el 60 % del de un diseño estándar de director de energía. Un diseño cónico (Fig. 2.22) reduce el área total a soldar y requiere menos energía y tiempo de soldadura. Requiere una mínima generación de calor, lo cual es importante para prevenir la contracción, pero resulta en una menor resistencia estructural.

Los directores de energía interrumpidos (Fig. 2.23) se utilizan para reducir el área total de soldadura; requieren menos energía y dan como resultado soldaduras estructurales. Los directores de energía también pueden ser perpendiculares a la pared para aumentar la resistencia a las fuerzas de pelado (Fig. 2.24).

 

 

2.6 Diseño de la unión

 La selección del diseño de la unión debe considerarse en las primeras etapas del diseño de la pieza. El diseñador del producto debe plantearse las siguientes preguntas antes de elegir el tipo de diseño de unión que necesitará el producto:

• ¿Qué material se utilizará?

• ¿Cuáles son los requisitos finales del conjunto?

• ¿Es necesaria una unión estructural y qué fuerzas de carga debe soportar?

• ¿Se requiere un sellado hermético?

• ¿Cuáles son los requisitos estéticos del conjunto?

• ¿Es inaceptable la rebaba externa o interna?

El diseño de la unión es crucial para obtener resultados óptimos en la soldadura ultrasónica. Depende del tipo de termoplástico, la geometría de la pieza y los requisitos de uso final. Los diseños para la soldadura ultrasónica deben tener una pequeña área de contacto inicial entre las piezas a soldar, para concentrar la energía ultrasónica y reducir el tiempo total necesario para la fusión. Las piezas en contacto deben estar alineadas y en estrecho contacto, pero deben poder vibrar libremente entre sí para crear la fricción necesaria para la soldadura. Las superficies de contacto deben ser uniformes, y la superficie en contacto con el sonotrodo debe ser lo suficientemente grande como para evitar que se hunda en el plástico durante la vibración .

Para una soldadura óptima, la interfaz de la unión debe estar en un solo plano paralelo a la superficie de contacto del sonotrodo; la energía ultrasónica recorre la misma distancia a todos los puntos de la soldadura, produciéndose una soldadura uniforme. Además, la superficie de la pieza en contacto con el sonotrodo debe estar en un solo plano paralelo a la interfaz de la unión. En la Fig. 2.15 se muestran varios diseños de unión desfavorables.

Las superficies de contacto planas y paralelas son especialmente importantes si se desean sellos herméticos; los sellos herméticos son más fáciles de lograr con materiales amorfos.

2.5.8 Tipos de máquinas

 Existen diversas configuraciones de máquinas de soldar, según el ámbito de aplicación previsto. Una máquina integrada (Fig. 2.13) contiene todo el equipo en una sola pieza y, por lo general, solo requiere una conexión de aire comprimido y alimentación para su funcionamiento. Estas máquinas se utilizan con mayor frecuencia para aplicaciones de soldadura con carga y descarga manual. Un sistema de componentes se ensambla a partir de fuentes de alimentación, actuadores y soportes intercambiables, y se personaliza para cada aplicación específica. Un sistema portátil consta de una fuente de alimentación y un convertidor, diseñados para ser sostenidos por el operador. Se utilizan en aplicaciones sencillas donde la consistencia y la apariencia no son particularmente importantes, como la soldadura por puntos de chapa. La fuente de alimentación contiene todos los controles y dispositivos de monitorización, excepto el gatillo manual montado en el convertidor.

El costo típico de una unidad integrada o un sistema de componentes que incluye una fuente de alimentación y un actuador (sin herramientas) es de $12,000 a $80,000 (dólares estadounidenses).

2.5.7 Controles

 

Las máquinas de soldadura ultrasónica equipadas con fuentes de alimentación controladas por microprocesador pueden operar en modo de tiempo (o bucle abierto), donde se aplica energía ultrasónica durante un tiempo determinado, o en modo de energía o potencia pico (bucle cerrado), donde la potencia se monitorea durante todo el ciclo de soldadura y las vibraciones ultrasónicas se detienen al alcanzar un nivel de potencia o energía determinado. Otros modos de soldadura posibles con las máquinas más nuevas incluyen la soldadura a un desplazamiento o distancia predeterminada recorrida por el sonotrodo y la soldadura a una altura fija de la pieza terminada [16].

Con los sistemas controlados por microprocesador, es posible monitorear en pantalla todos los parámetros del proceso, además de programar los parámetros de soldadura y las funciones para supervisar el control de calidad (contadores de producción, contadores de piezas rechazadas, indicadores de fallas). Los soldadores con microprocesadores realizan autodiagnósticos y pueden automatizarse e integrarse en líneas de producción externas.

2.5.6 Fijaciones

 

Las fijaciones son necesarias para alinear las piezas y mantenerlas fijas durante la soldadura. Las piezas deben mantenerse alineadas con respecto al extremo del sonotrodo para que se mantenga una presión uniforme entre ellas durante la soldadura y el proceso sea repetible. La fijación también debe mantener las piezas fijas para transmitir la energía ultrasónica de forma eficiente. Las fijaciones resilientes y las fijaciones rígidas son los dos tipos más comunes.

Las fijaciones rígidas (Fig. 2.11) generalmente están hechas de aluminio o acero inoxidable. Se utilizan normalmente con materiales semicristalinos o al soldar materiales flexibles. Las fijaciones rígidas también deben utilizarse para la inserción ultrasónica, el remachado, la soldadura por puntos o el estampado. Las fijaciones resilientes (Fig. 2.12) suelen ser menos costosas de fabricar que las fijaciones rígidas y suelen estar hechas de uretano vertido o fundido. Se utilizan típicamente para soldar materiales amorfos rígidos. Las fijaciones resilientes causan menos marcas en las piezas, pero también absorben más energía [5, 15].

Las variaciones de planitud o espesor en algunas piezas moldeadas, que de otro modo podrían impedir una soldadura uniforme, pueden compensarse mediante fijaciones revestidas con material elastomérico. Las tiras de caucho o el caucho de silicona fundido y curado permiten que las piezas se alineen en las fijaciones bajo cargas estáticas normales, pero actúan como restricciones rígidas bajo vibraciones de alta frecuencia. Un revestimiento de caucho también puede ayudar a absorber vibraciones aleatorias que a menudo provocan grietas o fusión de piezas en puntos alejados de la zona de unión.

El PTFE, el epoxi, el corcho y el cuero también se han utilizado como materiales de amortiguación [15]. La facilidad de carga y expulsión son consideraciones importantes para los accesorios

2.5.5 Actuador

 

El actuador, o prensa de soldadura, alberga el transductor, el amplificador y el conjunto de bocina (también conocido como estaca).

Su función principal es bajar y subir la estaca y aplicar fuerza sobre la pieza de trabajo de forma controlada y repetible.

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.

 

 

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.