Indice Ultrasonido

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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.