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.