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.