Soldadura de polimeros

UNIÓN DE MATERIALES POLIMÉRICOS POR MÉTODOS TÉRMICOS

Hamilton Trejos Velasquez

Roger Danilo Castaño Cano

Ing. Edwar Andrés Torres López, Ph.D

PROCESOS DE UNIÓN

[pic 2]

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

MEDELLIN

2015

Contenido

1 Introducción        

2 Materiales poliméricos        

3 Propiedades de los polímeros        

4 Clasificación general de los polímeros.        

5 Clasificación de los métodos térmicos de unión        

5.1 Métodos con calor directo        

5.2 Métodos con calor indirecto        

5.3 Métodos con calor mecánico        

6 Descripción de los métodos térmicos de unión.        

6.1 Soldadura por gas caliente (hot gas welding)        

6.2 Soldadura por fricción.        

6.2.1 Soldadura por ultrasonido.        

6.2.2 Soldadura por vibración        

6.2.3 Soldadura por rotacion.        

    6.4 Soldadura por inducción        

    6.5 Soldadura dielectrica        

    6.6 Soldadura por infrarrojo (ir)        

   6.6.1 Placa caliente sin contacto:        

   6.6.2 Soldadura por lámpara infrarroja:        

    6.7 Soldadura por laser        

    6.8 Soldadura por alambre de resistencia        

7 Aplicaciones.        

Referencias        

lISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1 Tipos de cadenas Poliméricas. Adaptado de (Charles A, 2002 pág. 3)        

Ilustración 2 Esquema de los elementos principales del proceso SW. Adaptado de (AWS, 1962 pág. 56.14)        

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Variables para la soldadura por gas caliente de algunos polímeros. Adaptada de (Charles A, 2002 pág. 520)        

Tabla 2 Temperaturas de trabajo según los polímeros en el proceso de soldadura por herramienta caliente        

Tabla 3 Tabla 3. Combinación de plásticos compatibles unidos por procesos de unión electromagnética. Adaptada de charles, 2002 pág. 527        

1 INTRODUCCIÓN

Los polímeros se han posicionado dentro de la industria moderna y la vida cotidiana a niveles cada vez más insospechados, como en la industria automotriz, la aeroespacial, en el desarrollo de fármacos, insumos para la salud y prótesis, dentro de los suministros deportivos entre muchos otros. La variedad de áreas donde se pueden desarrollar aplicaciones para este tipo de materiales es cada vez más vasta. Este posicionamiento se ve respaldado por una gran cantidad de procesos de producción y conformado de elementos en estos materiales, los cuales permiten gran versatilidad en las formas que se logran obtener y altos volúmenes de producción. Aun así se presentan algunos limitantes en las geometrías que se pueden obtener en un solo bloque, debido a esto se ha encontrado como una solución, eficiente, realizar procesos de unión entre partes poliméricas para superar algunos de estos inconvenientes.

Estos procesos de unión se puede clasificar de acuerdo a las características que general dicho fenómeno: unión por adhesivos, por medios mecánicos y por soldadura. Estos últimos son el foco de interés del presente trabajo y como característica principal de este tipo de procesos de unión de polímeros se tiene el uso del calor como agente mediador de la unión. Debido a esta característica la soldadura de polímeros está restringida a los termoplásticos, dado las propiedades que presentan al interactuar en presencia del calor, y, además considerando el método en que se aporta el calor para obtener la soldadura  se cuenta con varios procedimientos para soldar polímeros.

2  MATERIALES POLIMÉRICOS

Los materiales poliméricos son materiales  hechos de Polímero. El termino polímero viene del griego y se descompone en dos raíces  poli que significa muchas y mero  que significa partes, por tanto se debe interpretar como unión de muchas partes,  estas partes son  moléculas por lo general  orgánicas denominadas  monómeros   que se repiten a lo largo de grandes cadenas  unidas mediante enlaces químicos.En este caso serán clasificados por su comportamiento respecto a la temperatura: 1.polímeros con cadenas lineales flexibles son llamados termoplásticos, 2.polímeros con una red rígida tridimensional (con cualquier cadena) son llamados termoestables, 3.polímeros con cadenas lineales y entrecruzadas son llamados elastómeros. (American Chemistry, Inc, 2015).[pic 3][pic 4]

3 PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS

La mayor parte de productos elaborados en polímeros se realizan con termoplásticos, debido a que estos al ser calentados puede cambiar de  forma  en repetidas ocasiones,  por tanto se facilita el procesamiento de los mismos. Los productos en termoestables en cambio una vez son fabricados obtienen su forma definitiva, dejando solo los procesos, como ejemplo, los de arranque de viruta para modificarlos o adaptarlos. Además de estas propiedades y considerando la variedad de polímeros, se consideran las siguientes como las propiedades generales de los polímeros (American Chemistry, Inc, 2015).

• Resistencia a los productos químicos.
• Aislantes térmicos y eléctricos.
• Generalmente poseen bajas densidades.
• Pueden ser procesados de diversas formas.
• Tienen una alta gama de texturas y colores.
• Fabricación de productos que con otros materiales es imposible.

4 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS POLÍMEROS.

La clasificación más general que se puede tener de los Polímeros es de acuerdo a su procedencia esto es natural o sintética. Con esta clasificación no se obtiene mucha información sobre sus propiedades físicas y químicas, por tanto es necesario realizar otras clasificaciones de la cual se pueda obtener mayor información. Una de estas es clasificarlos de acuerdo a su comportamiento a la temperatura: los termoestables son aquellos que soportan altas temperaturas (hasta de 500oc) antes de sublimarse, termoplástico son polímeros que se pueden fundir y reciclar; los elastómeros que son polímeros que presentan características físicas particulares, como su comportamiento elástico, estiramiento o flexión entre otras. Otra clasificación es según su tipo de estructura química, existen: homopolímeros donde todos los monómeros que los constituyen son iguales, copolímeoros que son formados por dos o más monómeros diferentes; también se clasifican según la estructura de la cadena, en cadenas lineal, ramificada y entrecruzada (ver figura 1).

5 CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS TÉRMICOS DE UNIÓN

La unión de polímeros mediante el uso de adhesivos es bastante difícil y no se logran buenas propiedades en esta,  debido a la baja energía en la superficie  de los mismos (por su enlace covalente), considerando esto; para obtener las mejores propiedades en la unión de  polímeros termoplásticos lo más eficiente son los métodos térmicos de unión;  para los termoestables no aplican estos procedimientos debido a que no poseen una temperatura en la cual se puedan reacomodar las cadenas entre las piezas a unir (AWS, 1962).  

A continuación se clasifican los principales métodos térmicos de unión para polímeros termoplásticos.

5.1 METODOS CON CALOR DIRECTO

• Soldadura por gas caliente: Este método muy utilizado en la industria; se utiliza aire o gas a alta temperatura para calentar la superficie del plástico y fundir (en estado pastoso) la varilla de soldadura; se utiliza gas de protección cuando la humedad en el aire es alta y hay riesgo de oxidación, de lo contrario se utiliza aire. (DRADER Manofacturing Industries Ltd, 2002)

• Soldadura por herramienta caliente: Se puede llevar a cabo de dos formas diferentes: en un proceso por contacto directo de la placa con el material, con una placa caliente o sin tener contacto formando  un espejo de soldadura donde las  piezas se calientan por contacto físico directo con la herramienta calentada por inducción, esta herramienta está recubierta con un antiadherente (The Welding Institute, 2015).

• Soldadura por alambre de resistencia: Se realiza mediante un hilo conductor en la interfaz de las piezas a soldar, el inserto y el material se calientan por el efecto de la resistencia al paso de corriente del material que se funde y genera un cordón de soldadura; las superficies limpias son muy importantes para que no existan inclusiones (The Welding Institute).

• Soldadura por láser: sus equipos son costosos por lo que requiere una gran inversión; se utiliza un láser de baja potencia (50W/mm) generalmente de dióxido de carbono (CO2),que emite fotones hacia el polímero quien absorbe estos fotones en forma de energía que es generada por vibraciones moleculares en los enlaces, el polímero se calienta cuando el láser genera una frecuencia de resonancia en las moléculas; no necesita material de relleno por lo que se calientan ambas partes formando una masa fundida, las piezas a soldar son sometidas a presión constante para un óptimo resultado; presenta una penetración muy buena y una zona térmicamente afectada muy baja (Hilton P. A., 2002)

• Soldadura por infrarrojo: Una alternativa sin contacto para soldadura por herramienta caliente. Es un proceso automatizado, donde se usan reflectores elípticos rodeando una lámpara tubular IR (infrarrojo) que genera calor por medio de radiación infrarroja, lo que hace que las superficies se calienten, cuando las superficies están suficientemente calientes se apaga la lámpara y se ejercen bajas presiones para mantener uniforme el material. (Welding Advisers, 2015)

5.2 METODOS CON CALOR INDIRECTO

• Soldadura por inducción: Se pone una hoja delgada de resinas termoplásticas que contiene partículas ferromagnéticas conductoras, el calentamiento se obtiene mediante inducción por corrientes de Foucault, estas son las generadas dentro de un material por la presencia de una campo magnético (Robert, 1977), gracias a una bobina de cobre energizada con una frecuencia alta (2 a 10 MHz), la parte calentada es fundida lo cual permite completar el conjunto; se pueden hacer conjuntos complejos pero se deben contar con variedad de equipos (The Welding Institute, 2015)

• Soldadura  dieléctrica: solo para termoplásticos de alta constante dieléctrica, está constante es adimensional y permite medir la reacción del material en presencia de una diferencia de potencial, dicha reacción consiste en la generación de un campo eléctrico dentro del material generado al orientarse las cargas dentro del él, entre más grande es dicha constante mayor energía es suministrada al material. En el proceso se genera un campo eléctrico cerca a el conjunto, este campo se le alterna la dirección millones de veces por segundo, cada vez que cambia el campo las moléculas del polímero intentan girar para alinearse en la orientación del campo, este movimiento afecta la energía y la fricción pues todas las moléculas no se mueven al unísono y esto genera calor y posteriormente fusión; se manejan ciclos cortos de tiempo (2 a 5 segundos) y es para espesores pequeños. (Robert, 1977)

5.3 MÉTODOS CON CALOR MECÁNICO

• Soldadura por fricción: Es un proceso establecido y empleado generalmente para la unión de piezas por inyección, los diferentes procesos de soldadura por ficción se pueden generalizar solo en tres: rotacional, ultrasónica y por vibraciones. En todos estos procesos el calor se genera por frotamiento que debe ser suficiente para hacer fluir el plástico, con condiciones de tiempo, fuerza y velocidad que deben ser suficientes para que se genere la junta.

6 DESCRIPCIÓN DE LOS MÉTODOS TÉRMICOS DE UNIÓN.

6.1 SOLDADURA POR GAS CALIENTE (HOT GAS WELDING)

Este proceso tiene dos variantes, una manual (Pendulun Welding PW) y otra semiautomática (Speed Welding SW). Estas se diferencian por la forma en que es suministrado el material de aporte, en la primera se hace de manera independiente a la herramienta de calentamiento y la presión necesaria es suministrada mientras este material se plastifica, en el semiautomático el material de aporte y el de base son precalentados, además se puede tener mayor control en la velocidad de porte además la presión es mantenida después de que el material es depositado (The Welding Institute, 2015). Otra adaptación de la soldadura por gas es la soldadura por extrusión (Extrusion Welding) en la cual se obtiene mayor velocidad de soldadura y cantidad de material de aporte.

...