2.7 Parámetros de Soldadura

 Los parámetros de procesamiento importantes en la soldadura ultrasónica son el tiempo de soldadura (el tiempo durante el cual se aplican las vibraciones), la presión o fuerza de soldadura, el tiempo de mantenimiento (el tiempo permitido para el enfriamiento y la solidificación después de que cesa la vibración), la fuerza de mantenimiento, la fuerza de accionamiento (la fuerza aplicada a la pieza de trabajo antes de que comiencen las vibraciones ultrasónicas), el nivel de potencia y la amplitud de la vibración. El sonotrodo debe estar correctamente posicionado en contacto con la pieza de trabajo antes de que comiencen las vibraciones ultrasónicas; la soldadura no se puede realizar correctamente si el sonotrodo entra en contacto con la pieza de trabajo después de que las vibraciones hayan comenzado.

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).

 

 

Indice Ultrasonido

 1

2

3

4

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).