La soldadura por ultrasonido
¿Qué es el ultrasonido?
Desde el canto de los pájaros hasta sonidos que revientan el cristal: el ultrasonido es mucho más de lo que percibimos con los oídos. El sonido se crea durante la oscilación mecánica de cuerpos. Por ejemplo, si se tocan las cuerdas de una guitarra, su oscilación supone fluctuaciones de presión y densidad del aire que se extienden en ondas en todas las direcciones respecto al origen del sonido. Esto pasa no solo en el aire, sino en todos los medios elásticos, es decir, en gases, fluidos y cuerpos sólidos.
El ultrasonido es un ejemplo de que el ser humano no tiene la capacidad de oír todos los sonidos. Sus ondas sonoras de alta frecuencia, que no hacen ruido, se emplean en la industria y en la medicina.
Las ondas sonoras se clasifican según su frecuencia (número de ondas por segundo) . El ultrasonido, por ejemplo, va de 20 kHz a 1 GHz. En la soldadura por ultrasonido se usan frecuencias de 20 kHz a 70 kHz. Lo que es prácticamente imperceptible para el oído humano. El oído humano solo capta de 16 Hz a 20 kHz. Las oscilaciones que superen esos parámetros se percibirán como vibraciones.
¿Cómo funciona la soldadura por ultrasonido?
Cuando el ultrasonido entra en contacto con un material (por ejemplo: un plástico), las cadenas moleculares oscilarán Las moléculas empezarán a moverse y generar fricción entre sí. Esto genera energía (el denominado calor de fricción). En los termoplásticos, esta energía hace que comiencen a fundirse. La soldadura por ultrasonido aprovecha este principio. Tras un breve tiempo de parada, si se aplica más presión, los diferentes materiales (componentes) se soldarán a nivel molecular en la zona de unión.
¿Para qué sirve la soldadura por ultrasonido?
La soldadura por ultrasonido se efectúa en un abrir y cerrar de ojos sin elementos auxiliares como pegamentos o tornillos. Para poder fabricar envases, piezas de automóviles, juguetes y mucho más hay que usar ultrasonido, por ejemplo, para lo siguiente:
- Fundir piezas moldeadas por inyección (por ejemplo: juguetes)
- Integrar membranas (por ejemplo: para membranas de filtro en componentes médicos)
- Incrustar cuero, telas no tejidas y otros materiales textiles (por ejemplo: filtro de aire del automóvil)
- Remachar entre sí materiales distintos (por ejemplo: airbags)
- Moldear para establecer conexiones de unión "form-fit" (por ejemplo: contactos magnéticos en dispositivos de carga)
- Introducir conectores hembra e imanes (por ejemplo: imanes encapsulados para el accionamiento de sensores)
El sistema de soldadura por ultrasonido
El sistema de soldadura por ultrasonido al completo se compone de diferentes componentes. Los componentes activos generan el sonido, lo conducen y lo introducen en la pieza para soldar. Los componentes pasivos absorben las fuerzas producidas, mantienen las piezas para soldar en posición y participan, sobre todo, en la costura de soldadura (lugar en el que los componentes se unen entre sí).
Activos:
Transformador de amplitud (amplificador o acoplador de amplitud)
Sonotrodo (herramienta de soldadura)
El convertidor, el transformador de amplitud y el sonotrodo conforman la denominada unidad oscilante.
Pasivos
Tecnología de proceso: el principio de concentración de energía
Para soldar con precisión los componentes hay que centrar la energía de oscilación en un punto. A esto se denomina concentración de energía. En ese punto en concreto, la generación de calor es más fuerte y llega al material fundido para lograr un proceso de soldadura definido con un bajo consumo de energía.
Tipos de concentración de energía
Todo es cuestión de forma: para concentrar la energía de oscilación en el lugar correcto, debe diseñarse de manera correspondiente la geometría de las piezas que se van a soldar o de las herramientas. En la concentración integrada en el componente, los directores de energía (ERG) centran la energía en los materiales. Para la geometría de herramienta que se va a concentrar las herramientas tendrán una forma especial.
En el diseño de la costura de soldadura, la energía se concentra en la forma de los componentes. La zona en la que ambas piezas deben unirse adquiere una forma especial. Suele ocurrir donde haya una punta o un borde. Y justo en ese punto se concentra la energía, por eso se lo denomina director de energía (ERG).
La herramienta de soldadura también puede concentrar la energía. En tal caso, el perfil del sonotrodo hará de ayudante de soldadura. En su punta, la energía se concentrará y será el punto más caliente. Este tipo de concentración de energía se utiliza, por ejemplo, en el remachado por ultrasonidos.
Con respecto a esto, también es esencial la forma de la herramienta. El yunque tiene estructuras aumentadas. Estas conforman los puntos de contacto con los componentes. La energía se concentra en estos puntos hasta alcanzar el punto de fundición. Sobre todo, se usa en materiales laminados como láminas y telas no tejidas o cartones.
Los parámetros de proceso más importantes de la soldadura por ultrasonido
Buena estanqueidad, compacto y de aspecto llamativo: para obtener las costuras de soldadura perfectas la herramienta de soldadura, el material y el proceso de soldadura deben estar adaptados entre sí. El ajuste también cuenta: establecer los parámetros de proceso correctos asegurará mejores resultados reproducibles.
La herramienta de soldadura oscila con una amplitud entre 5 y 50 μm, lo que no se ve a simple vista. Para alcanzar la potencia necesaria el transformador de amplitud modificará la oscilación mecánica creada en el convertidor.
El punto de activación define el inicio de la soldadura: el sonotrodo presiona sobre el componente con la denominada fuerza de activación. Si cediera lo más mínimo durante un determinado periodo de tiempo, se activará el ultrasonido y la fuerza de activación cambiará a fuerza de soldadura. De este modo, el punto de inicio de la soldadura sería siempre el mismo y los resultados seguirían siendo de gran calidad.
Para obtener costuras de soldadura uniformes y estancas el sonido debe introducirse con fuerza en el componente. La fuerza que deberá aplicarse dependerá de la potencia, superficie de unión y tamaño de la pieza.
Unión a la velocidad del rayo: tras alcanzarse el punto de activación y activarse el ultrasonido, el verdadero proceso de soldadura solo durará unos segundos. La soldadura terminará cuando se haya alcanzado un criterio de desconexión establecido anteriormente.
Una vez terminada la soldadura, los componentes se mantendrán brevemente sometidos a presión para que puedan enfriarse y solidificarse de manera uniforme. Como la herramienta de soldadura durante el proceso completo no se calienta, se enfriará más rápido.
Ejemplos de aplicaciones soldadas por ultrasonido
¿Qué materiales se pueden soldar con ultrasonido?
En general, la mayoría de los termoplásticos (plástico que se puede moldear con calor) pueden soldarse con ultrasonido. Se aplica la regla siguiente: cuanto más duro sea el material, mejor. Aparte del plástico, otros metales no ferrosos como aluminio, níquel, latón y cobre son idóneos para la soldadura por ultrasonido.
