Soldadura por ultrasonidos de metales

Soldadura ultrasónica

La soldadura ultrasónica es un proceso relativamente nuevo. El cual fue descubierto por johan Arrendell.Consiste en una máquina con punta de base plana, se colocan los materiales uno encima de otro y después se baja la punta de la máquina, esta emite una onda ultrasónica que mueve las moléculas de ambos materiales provocando que estas se fundan. Los parámetros deben de ser ajustados cada vez que se altera en espesor de pared de los materiales a fundir. Una ejemplo de su uso en la industria es la de soldar cables a terminales.

Las piezas a soldar no se calientan hasta el punto de fusión, sino que se sueldan mediante la aplicación de presión y vibraciones mecánicas de alta frecuencia .

En contraste con la soldadura de plásticos, las vibraciones mecánicas usadas durante la soldadura ultrasónica de metales se introducen en sentido horizontal.

[editar]Principio de la soldadura ultrasónica de metales

Durante la soldadura ultrasónica de metales, un proceso complejo que se activa participación de las fuerzas estáticas, fuerzas de cizallamiento oscilante y un aumento de la temperatura moderada en el área de soldadura. La magnitud de estos factores depende del grosor de las piezas, su estructura de superficie, y sus propiedades mecánicas.

Las piezas se colocan entre un elemento de la máquina fija, es decir, el yunque y el sonotrodo, que oscila horizontalmente durante el proceso de soldadura a alta frecuencia (normalmente 20 o 35 o 40 kHz)

La frecuencia de oscilación más comúnmente utilizada (frecuencia de trabajo) es de 20 kHz. Esta frecuencia es superior a las audibles para el oído humano y también permite el mejor uso posible de la energía. Para los procesos de soldadura que requieren sólo una pequeña cantidad de energía, una frecuencia de trabajo de 35 o 40 kHz puede ser utilizada. Es lo que se necesita para realizar este trabajo.

Soldar grandes series por ultrasonidos

Una técnica de alto rendimiento para la soldadura de termoplásticos

Las herramientas de soldadura no tienen desgaste, de modo que es posible la producción automática de millones de piezas a bajo coste. Otras aplicaciones de los ultrasonidos incluyen la oclusión de piezas metálicas, el remachado y la combinación de termplásticos con materiales porosos.

La soldadura por ultrasonidos a 40 kHz es adecuada para la producción en serie, por ejemplo para luces traseras de automóvil, cassettes para película, monturas de diapositivas, estilográficas y bolígrafos. Las grandes piezas, como deflectores de aire para automóvil, se sueldan a 20 kHz. Se emplean otras frecuencias, como 15 kHz, para la soldadura de plásticos de ingeniería.

Los equipos de soldadura por ultrasonidos están constituidos principalmente por el generador, el convertidor piezoeléctrico y el sonotrodo. El generador convierte la corriente normal a 50-60 Hz para producir oscilaciones eléctricas de alta frecuencia, de 15 a 40 kHz. El convertidor piezoeléctrico cerámico convierte las oscilaciones eléctricas en oscilaciones mecánicas ultrasónicas. Y el sonotrodo transmite, por medio de un potenciador, las oscilaciones a las partes a soldar, que están fijadas entre éste y un yunque, produciéndose de este modo una fricción cuya energía se disipa en forma de calor y eleva la temperatura en el interfaz a la requerida para la soldadura entre 0,02 y 2 s.

La potencia máxima de los grandes equipos de ultrasonidos a 20 kHz es de 3 kW y la máquina más silenciosa a 40 kHz produce 1,5 kW. Sólo unos pocos materiales para el sonotrodo resisten las tensiones vibratorias durante períodos largos, como el titanio, posiblemente protegido por carburo. Se precisa una presión de 2 a 5 N/mm'b2 para asegurar que el sonotrodo no destruya el material al separarse de él. Para pequeñas series se utiliza también aluminio: ambos materiales combinan una buena rigidez con una baja densidad.

Los sonotrodos se fabrican de muchas formas y cada uno debe optimizarse cuidadosamente para asegurarse que su resonancia se produce de modo puramente axial y que la vibración es constante a través del área del sonotrodo en contacto con el plástico. Es esencial que se eviten resonancias adyacentes no axiales porque pueden interferir con el proceso de soldadura.

Mediante la soldadura de contacto o de campo próximo se sueldan tubos de envasado llenos, o productos similares, efectuando la soldadura de manera transversal con sonotrodos en forma de araña, independientemente de la naturaleza del material de llenado; sea polvo, pasta o fluído.

Figura 1 Los equipos más habituales están dispuestos en forma de prensa, incorporando en su parte superior el microprocesador y en la zona central el conjunto vibrados que incluye el generador, el convertidor piezoeléctrico y su potenciador y el sonotrodo

El área de aplicación mayor es la soldadura remota. Las vibraciones se conducen desde sonotrodos a través de la parte adyacente del artículo para soldar bordes que están dispuestos para evitar el solapado de partes de soldadura fundidas. De este modo pueden soldarse a 40 kHz plásticos rígidos como PS, SAN, ABS, PMMA, POM, PC, PET/PBT y PA seco, y son además mutuamente soldables de manera parcial.

La presencia de cargas o fibras hace más dificil una soldadura impermeable. Existen diversos tipos de equipos, que habitualmente son de tipo estático en forma de prensa, pero se dispone también de aparatos manuales empleados básicamente para emplazar insertos, hacer blísterso soldar por puntos.

Figura 2 La inserción automática de componentes, soldaduras en zonas precisas y otros trabajos se hacen con el complemento de mesas giratorias o de coordenadas que aseguran una buena precisión y repetitividad de la operación.

Procedimientos de diseño de los sonotrodos

Se entiende que cada tipo de soldadura implica el desarrollo de un sonotrodo específico para cada caso. En el pasado se utilizaba para este diseño, básicamente, la experiencia de los técnicos y la asimilación a casos parecidos, lo que hacía necesaria a menudo una iteración del diseño e incluso la necesidad de efectuar prototipos.

Muchos diseños utilizan ranuras que se mecanizan a través del sonotrodo para asegurar, variando su número y disposición, la resonancia del sonotrodo a la frecuencia deseada.

Estos ajustes permiten al ingeniero afinarel instrumento para producir un nivel más uniforme de vibración en la superficie de salida y obtener tanta separación

...