La soldadura por radiofrecuencia , también conocida como soldadura dieléctrica y soldadura de alta frecuencia , es un proceso de soldadura de plásticos que utiliza campos eléctricos de alta frecuencia para inducir el calentamiento y la fusión de materiales base termoplásticos . [1] El campo eléctrico se aplica mediante un par de electrodos después de que las piezas que se unen se sujetan entre sí. La fuerza de sujeción se mantiene hasta que la unión se solidifica. Las ventajas de este proceso son los tiempos de ciclo rápidos (del orden de unos pocos segundos), la automatización, la repetibilidad y la buena apariencia de la soldadura. Solo los plásticos que tienen dipolos se pueden calentar mediante ondas de radio y, por lo tanto, no todos los plásticos se pueden soldar mediante este proceso. Además, este proceso no es adecuado para juntas gruesas o demasiado complejas. El uso más común de este proceso son las juntas traslapadas o los sellos en láminas o piezas de plástico delgadas.
Pueden ocurrir cuatro tipos de polarización en materiales sometidos a campos eléctricos alternos de alta frecuencia: [2]
La polarización dipolar es el fenómeno responsable del mecanismo de calentamiento en la soldadura de plásticos por radiofrecuencia, el calentamiento dieléctrico . Cuando se aplica un campo eléctrico a una molécula con una distribución asimétrica de carga, o dipolo , las fuerzas eléctricas hacen que la molécula se alinee con el campo eléctrico. [1] Cuando se aplica un campo eléctrico alterno, la molécula invertirá continuamente su alineación, lo que lleva a la rotación molecular. Este proceso no es instantáneo, por lo tanto, si la frecuencia es lo suficientemente alta, el dipolo no podrá girar lo suficientemente rápido como para permanecer alineado con el campo eléctrico, lo que resulta en un movimiento aleatorio a medida que la molécula intenta seguir el campo eléctrico. Este movimiento provoca fricción intermolecular que conduce a la generación de calor. [3] La cantidad de calor generado por la fricción en el material depende de la intensidad del campo, la frecuencia, la intensidad del dipolo y el volumen libre en el material. [1] Dado que la principal fuerza impulsora del calentamiento dieléctrico es la interacción del dipolo de una molécula con el campo eléctrico aplicado, la soldadura por RF solo se puede realizar en moléculas dipolares. El rango de frecuencia típico para el calentamiento dieléctrico es de 10 a 100 MHz, pero normalmente la soldadura por RF se realiza alrededor de los 27 MHz. [3] A una frecuencia demasiado baja, los dipolos pueden alinearse con el campo eléctrico y permanecer en fase con la corriente eléctrica, minimizando la fricción intermolecular que se produce. Esto también puede describirse como una pérdida de potencia mínima del campo eléctrico, ya que las moléculas permanecerán en fase y absorberán una energía mínima. A medida que las frecuencias se vuelven lo suficientemente altas, la pérdida de potencia comienza a aumentar a medida que los dipolos no pueden alinearse a la velocidad del campo eléctrico que se invierte. Los dipolos se desfasan y absorben energía, y es entonces cuando se produce el calentamiento. A una determinada frecuencia, se alcanza un máximo de pérdida de potencia en el que las frecuencias más altas tendrán una pérdida de potencia menor y producirán menos calentamiento. La pérdida de potencia dieléctrica máxima depende del material. [4]
El mecanismo de calentamiento por radiofrecuencia se basa en un dipolo en la molécula para generar calor y, por lo tanto, los plásticos utilizados en la soldadura por radiofrecuencia se limitan a aquellos cuyas moléculas contienen un dipolo eléctrico. [5] Los dipolos moleculares permanentes pueden formarse debido a las diferencias en las electronegatividades entre los átomos de una molécula. La carga negativa se desplaza hacia los átomos con mayor electronegatividad, lo que da como resultado regiones con más carga negativa que rodean a los átomos más electronegativos y regiones con carga positiva que rodean a los átomos menos electronegativos. [1] Debido a que el polietileno consta de grupos mer simétricos , no se forman dipolos y el polietileno no se puede unir mediante soldadura por radiofrecuencia. Al igual que el agua, el cloruro de polivinilo (PVC) consta de átomos distribuidos asimétricamente de diferentes electronegatividades, con un momento dipolar resultante. Debido a su fuerte momento dipolar (y otras propiedades), el PVC se considera un material excelente para la soldadura por radiofrecuencia. Además de la polaridad, las propiedades que contribuyen a una buena soldabilidad por radiofrecuencia son la constante dieléctrica alta, que reduce la resistencia al flujo de corriente; alta rigidez dieléctrica, que evita la formación de arcos eléctricos a través de los elementos de unión durante la soldadura; y alta pérdida dieléctrica, que es un factor que describe la cantidad de calor generado por un campo eléctrico. [1] [2]
Algunos plásticos que se sueldan comúnmente con calentamiento dieléctrico incluyen: [1] [3] [6]
Se pueden agregar miembros adicionales a una unión por diversas razones: mejorar el aislamiento térmico, evitar que las piezas se adhieran al equipo de soldadura, evitar la formación de arcos eléctricos y amortiguar la presión de sujeción no uniforme o el campo eléctrico. [2] Es posible soldar plásticos no polares utilizando un implante compuesto conductor para mejorar la pérdida dieléctrica. [1]
El procedimiento de soldadura por RF consta de cinco pasos: [1]
La carga consiste en colocar el elemento de unión en la máquina de soldar. La operación de soldadura comienza con la aplicación de presión sobre los elementos mediante los electrodos. Generalmente, el electrodo inferior está fijo y el actuador empuja hacia abajo el electrodo superior con una fuerza prescrita. El campo eléctrico se aplica a las piezas durante un tiempo específico mientras se mantiene la presión de los electrodos. El calentamiento dieléctrico hace que las piezas que están en contacto íntimo se fundan y los polímeros líquidos se difunden entre sí en la interfaz. La difusión y solidificación de la unión se producen mientras se mantiene la presión durante un tiempo específico. Una vez que la unión se enfría y el electrodo superior se retrae, la pieza se puede descargar. [1]
Los parámetros utilizados para controlar el proceso de soldadura consisten en: [1] [2]
Los parámetros enumerados suelen ser interdependientes y se debe desarrollar una ventana de proceso para ajustar el proceso para lograr una calidad de soldadura aceptable. [2]
El equipo de soldadura por radiofrecuencia generalmente consta de: generador de potencia de RF, unidad de control, prensa, carcasa, electrodos y, a veces, un mecanismo de manipulación. [1] [2] [3] El generador de potencia de RF convierte la potencia de la línea en potencia de alta frecuencia y alto voltaje para soldar. Los voltajes típicos son 1 kVAC - 1,5 kVAC a una frecuencia de 27,12 MHz. [1] La potencia necesaria para soldar se basa en el área de la soldadura, el espesor y el material. [2] La unidad de control es el sistema utilizado para operar la máquina. La unidad de control es responsable de procesar la información sobre las entradas de soldadura deseadas, como fuerza, potencia y tiempo de calentamiento, y de dar instrucciones a los demás componentes de la máquina para que satisfagan estos parámetros de proceso. Algunos controladores son capaces de monitorear las salidas y ajustar los parámetros para garantizar una soldadura satisfactoria. [1] La prensa (o actuador) suministra la fuerza de sujeción de forma neumática o hidráulica. [2] Los electrodos son un par de estructuras conductoras que transmiten el campo eléctrico a través de los miembros que se unen. Los electrodos entran en contacto con las piezas y aplican la presión de retención antes y durante la soldadura, y durante la solidificación. Generalmente, el electrodo superior sobresale de la superficie del dispositivo superior, mientras que el electrodo inferior es una superficie conductora plana. En algunos casos, el electrodo inferior puede sobresalir por encima del dispositivo inferior, para adaptarse a la geometría o para localizar mejor la fusión mediante la reducción del campo eléctrico disperso. Ambos electrodos pueden fabricarse con características para alterar el acabado de la superficie soldada. Por lo general, están hechos de latón, cobre o bronce. [1] Se utiliza un recinto de RF o una jaula que rodea los electrodos y las áreas abiertas para proteger al operador de lesiones, incluida la radiación de radiofrecuencia. [1] Las máquinas automatizadas pueden ser semiautomáticas (requieren que el operador manipule las piezas) o completamente automáticas (donde la máquina es responsable de cargar, transportar y manipular las piezas). [2]
La aplicación más común de la soldadura por RF es el sellado de láminas delgadas de termoplásticos polares como el PVC. Algunos productos que suelen utilizar soldadura por RF incluyen pelotas de playa, colchones inflables, chalecos salvavidas, cubiertas de libros y carpetas de hojas sueltas. La soldadura por RF también se utiliza comúnmente para artículos médicos como bolsas de sangre, ropa desechable, manguitos de presión arterial y envases para ciertos artículos. [3] La soldadura por RF se utiliza más comúnmente en la construcción de productos que requieren un sello hermético al agua o al aire. Un proceso de sellado de costura soldada o tubo de inserción crea sellos que pueden soportar varios tipos de requisitos para ciertos tipos de líquidos o presiones de aire. Un ejemplo de esto sería para la industria médica, donde garantizar que el sello sea hermético al aire y a los fluidos es crucial. [7]
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