La soldadura por vibración (también conocida como soldadura lineal o por fricción) se refiere a un proceso en el que dos piezas de trabajo se ponen en contacto bajo presión y se aplica un movimiento alternativo (vibración) a lo largo de la interfaz común para generar calor. El calor resultante derrite las piezas de trabajo y se sueldan cuando la vibración se detiene y la interfaz se enfría. La mayoría de la maquinaria funciona a 120 Hz, aunque hay equipos disponibles que funcionan entre 100 y 240 Hz. [1] La vibración se puede lograr mediante soldadura por vibración lineal, que utiliza un movimiento unidimensional de ida y vuelta, o soldadura por vibración orbital que mueve las piezas en pequeñas órbitas entre sí. La soldadura por vibración lineal es más común debido a que se requiere maquinaria más simple y relativamente más barata.
La soldadura por vibración se utiliza a menudo para aplicaciones más grandes en las que las piezas que se van a unir tienen costuras relativamente planas, aunque el proceso puede adaptarse a cierta curvatura fuera del plano . Recientemente, la industria automotriz ha hecho un uso extensivo del proceso para producir piezas como colectores y conjuntos de iluminación cuyas geometrías complejas impiden los procesos de moldeo de un solo componente.
La soldadura por vibración tiene numerosas ventajas sobre otros procesos de soldadura de plásticos convencionales. Dado que el calor se crea en una interfaz, los polímeros fundidos no están expuestos al aire libre, lo que evita la oxidación y la contaminación de la soldadura durante el proceso. No se requiere material de relleno y, al soldar componentes del mismo material, se puede esperar que la unión sea tan resistente como el material en masa. El calentamiento se localiza en la interfaz, lo que reduce las posibilidades de degradación del material que se observan en otros procesos que requieren una fuente de calor muy por encima de la temperatura de fusión del material. [2] El proceso en sí es rentable, no requiere consumibles y los tiempos de ciclo son cortos. [1] La soldadura por vibración prácticamente no produce humo ni emanaciones, requiere poca preparación de la superficie y funciona bien para una multitud de aplicaciones, lo que la hace muy adecuada para entornos de producción en masa .
Sin embargo, la soldadura por vibración tiene sus inconvenientes. El proceso no se presta bien a los termoplásticos de bajo módulo ni a las uniones entre plásticos con diferencias relativamente altas en las temperaturas de fusión. La soldadura por vibración requiere fijaciones y diseños de unión específicos para cada pieza, y la pieza estará expuesta a una vibración rigurosa durante el ciclo de soldadura que puede dañar componentes sensibles o en miniatura. La soldadura terminada estará rodeada de una cantidad significativa de rebabas, que deben eliminarse si la apariencia es un problema. Alternativamente, se pueden utilizar geometrías de unión que oculten el exceso de rebabas. Por último, el proceso no es adecuado para soldar nada que no sean uniones relativamente planas.
El proceso de soldadura por vibración consta de cuatro pasos: fricción sólida, flujo transitorio, flujo en estado estable y solidificación. [ cita requerida ]
En esta primera etapa se inicia la vibración entre dos piezas frías presionadas entre sí a una presión constante . La energía de fricción hace que los polímeros se calienten. En esta etapa no hay penetración de la soldadura ya que aún no se ha producido la fusión.
En la etapa de flujo transitorio, la superficie del polímero comienza a fundirse. El espesor de la capa fundida aumenta rápidamente, lo que hace que las fuerzas de fricción disminuyan. Esta disminución de la fricción disminuye la entrada de calor al sistema y comienza a producirse un flujo lateral de material fundido.
En esta fase, la velocidad de fusión del material se ajusta al flujo de material extruido en las superficies laterales. El flujo de material y el espesor de la capa fundida se vuelven constantes. Este es el paso que determina la calidad de la soldadura. Este paso se mantiene hasta que se alcanza el espesor de "fusión" deseado (espesor del material fundido). En ese momento, se detiene la vibración y se deja enfriar la soldadura.
Durante la solidificación, se detiene la vibración, mientras se mantiene la presión sobre las piezas de trabajo hasta que no quede más material fundido. Una vez enfriada a temperatura ambiente, la unión debe tener una resistencia cercana a la del material en masa. La presión solo se alivia una vez que la unión alcanza una resistencia aceptable.
Una máquina de soldadura por vibración es básicamente una prensa vertical en la que se ha modificado un lado para que vibre. Los componentes principales son el conjunto vibratorio, una mesa elevadora y un dispositivo de sujeción.
El conjunto vibratorio es un elemento móvil accionado por sistemas hidráulicos o, más comúnmente, por electroimanes . En la versión electromagnética, el corazón de este conjunto es un sistema de masa-resorte sintonizado alimentado por bobinas eléctricas que actúan sobre pilas de laminación con cargas opuestas. La frecuencia de las cargas eléctricas se adapta a la frecuencia mecánica del sistema. Aunque la amplitud se puede ajustar en la máquina, la frecuencia solo se puede cambiar modificando la masa del conjunto vibratorio. La parte móvil de las herramientas está fijada al conjunto vibratorio.
La mesa elevadora es un conjunto hidráulico conectado a la parte fija de la herramienta. La mesa elevadora une las piezas de trabajo y aplica presión entre las partes móviles y estacionarias de la herramienta. [3]
Las herramientas se refieren a los accesorios que se fijan al conjunto vibratorio y a la mesa elevadora que sostienen las piezas de trabajo en su lugar. Las herramientas son específicas de cada aplicación y deben permitir que las piezas de trabajo se cambien rápidamente después de cada ciclo de soldadura. Es imperativo que las herramientas coincidan con las piezas de trabajo lo suficiente como para evitar cualquier movimiento relativo entre las herramientas y las piezas de trabajo, ya que esto reduciría la amplitud de la soldadura y disminuiría el aporte de calor, así como las tolerancias dimensionales.
El proceso de soldadura por vibración tiene cinco variables principales: frecuencia, amplitud, presión, tiempo y profundidad.
La frecuencia se refiere a la cantidad de veces por segundo que se completa un ciclo de vibración. La mayoría de las máquinas funcionan a 120 Hz, aunque existen máquinas que funcionan a entre 100 y 240 Hz. La frecuencia depende de la masa del conjunto vibratorio y, como tal, solo se puede cambiar cambiando los componentes del conjunto.
La amplitud se refiere a la distancia recorrida durante cada ciclo vibratorio. Las amplitudes más altas tienden a usarse con frecuencias más bajas, y viceversa. Las amplitudes más altas aumentan la entrada de calor a costa de la limpieza y las tolerancias dimensionales, lo que las hace más útiles para piezas más grandes. Las amplitudes más bajas varían de 0,7 a 1,8 mm (0,028 a 0,071 pulgadas), mientras que las amplitudes más altas describen ciclos que cubren de 2 a 4 mm (0,079 a 0,157 pulgadas).
La presión es el principal factor que determina el espesor de la capa fundida y debe mantenerse dentro de un rango óptimo para producir uniones de calidad. Aunque la presión puede variar entre 0,5 y 20 MPa (73 y 2900 psi) en diferentes materiales y geometrías, las tolerancias para una aplicación determinada son bastante estrictas. Una presión demasiado baja impedirá la generación de calor suficiente, mientras que una presión excesiva puede hacer que todo el material fundido se salga de la unión. Ambos escenarios darán como resultado una soldadura débil. La presión se controla mediante la mesa elevadora.
El tiempo durante el cual se aplica la vibración a la pieza de trabajo es otro factor clave. El tiempo es directamente proporcional a la generación de calor y la pérdida de material por rebaba. Los procesos pueden controlarse por tiempo o por profundidad; la mayoría de los procesos modernos se controlan por profundidad. Un proceso controlado por profundidad tendrá un tiempo variable y viceversa.
La profundidad se refiere a la distancia recorrida por las piezas de trabajo después de que se inicia la vibración. A veces se la denomina desplazamiento y está directamente relacionada con la cantidad de pérdida de material debido a la rebaba. En general, la profundidad debe mantenerse cerca o por encima del espesor de la capa de material fundido al comienzo de la etapa de estado estable. Después de este valor, una mayor profundidad solo produce pérdida de material sin un aumento acompañante en la resistencia de la unión.
El diseño de la soldadura para la soldadura por vibración debe incluir una superficie plana relativamente grande, aunque se puede acomodar cierta curvatura fuera del plano. El tipo de unión más común es una unión a tope, donde se sueldan entre sí dos piezas planas con la misma sección transversal. Las variaciones de esta unión pueden incluir bridas en U, uniones machihembradas e incluso uniones machihembradas dobles. [2] Cuando las apariencias son importantes, se pueden utilizar trampas de rebabas. Las trampas de rebabas se refieren a áreas huecas en la sección transversal junto al área de soldadura que recogen la rebaba y la ocultan de la vista.