La soldadura por radiofrecuencia , también conocida como soldadura dieléctrica y soldadura de alta frecuencia , es un proceso de soldadura de plástico 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 sujetar las piezas que se van a unir. La fuerza de sujeción se mantiene hasta que la unión solidifique. Las ventajas de este proceso son tiempos de ciclo rápidos (del orden de unos pocos segundos), automatización, repetibilidad y buena apariencia de la soldadura. Sólo 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 muy adecuado para juntas gruesas o demasiado complejas. El uso más común de este proceso son juntas superpuestas o sellos en láminas o piezas de plástico delgadas.
Pueden ocurrir cuatro tipos de polarización en materiales sujetos a campos eléctricos alternos de alta frecuencia: [2]
La polarización dipolo es el fenómeno responsable del mecanismo de calentamiento en la soldadura de plástico por radiofrecuencia, 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 provocará 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 provocará 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 generada por la fricción en el material depende de la intensidad del campo, la frecuencia, la fuerza del dipolo y el volumen libre del 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 dipolo. 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 27 MHz. [3] A una frecuencia demasiado baja, los dipolos son capaces de alinearse con el campo eléctrico y permanecer en fase con la corriente eléctrica minimizando la fricción intermolecular que se produce. Esto también se puede describir como una pérdida mínima de energía 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 energía comienza a aumentar ya que los dipolos no pueden alinearse a la velocidad del campo eléctrico inverso. Los dipolos se desfasan absorbiendo energía y es entonces cuando se produce el calentamiento. A una determinada frecuencia, se alcanza un máximo de pérdida de energía hasta el punto en que las frecuencias más altas tendrán una menor pérdida de energía y producirán menos calentamiento. La pérdida máxima de energía dieléctrica 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 RF se limitan a aquellos cuyas moléculas contienen un dipolo eléctrico. [5] Se pueden formar dipolos moleculares permanentes debido a diferencias en electronegatividades entre los átomos de una molécula. La carga negativa se desplaza hacia los átomos con mayor electronegatividad, lo que da como resultado regiones más cargadas negativamente que rodean a más átomos electronegativos y regiones con carga positiva que rodean a 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) está formado por átomos distribuidos asimétricamente de diferentes electronegatividades, lo que da lugar a un momento dipolar. 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 una constante dieléctrica alta, que reduce la resistencia al flujo de corriente; alta rigidez dieléctrica, que evita la formación de arcos a través de los miembros de la 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 comúnmente soldados 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 peguen al equipo de soldadura, evitar la formación de arcos y amortiguar la presión de sujeción no uniforme o el campo eléctrico. [2] Es posible soldar plásticos no polares utilizando un implante de 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 miembro de unión en la máquina de soldar. La operación de soldadura comienza con la aplicación de presión sobre los miembros por parte de los electrodos. Generalmente, el electrodo inferior está fijo y el actuador impulsa el electrodo superior hacia abajo 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 íntimo contacto se fundan y los polímeros líquidos se difundan entre sí en la interfaz. La difusión y solidificación de la junta se producen mientras se mantiene la presión durante un tiempo específico. Una vez que se enfría la junta y se retrae el electrodo superior, se puede descargar la pieza. [1]
Los parámetros utilizados para controlar el proceso de soldadura constan de: [1] [2]
Los parámetros enumerados a menudo son interdependientes y se debe desarrollar una ventana de proceso para ajustar el proceso y lograr una calidad de soldadura aceptable. [2]
Los equipos de soldadura por radiofrecuencia generalmente constan de: generador de energía de RF, unidad de control, prensa, recinto, electrodos y, en ocasiones, un mecanismo de manipulación. [1] [2] [3] El generador de energía de RF convierte la energía de línea en energía 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, e instruir a los demás componentes de la máquina para que satisfagan estos parámetros del 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 hacen 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 superior del dispositivo, mientras que el electrodo inferior es una superficie conductora plana. En algunos casos, el electrodo inferior puede sobresalir por encima del accesorio inferior, para adaptarse a la geometría o para localizar mejor la fusión mediante la reducción del campo eléctrico parásito. Ambos electrodos se pueden fabricar con características para alterar el acabado de la superficie soldada. Suelen estar 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 (que 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 normalmente utilizan 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 usa comúnmente para artículos médicos como bolsas de sangre, ropa desechable, manguitos de presión arterial y empaques para ciertos artículos. [3] La soldadura por RF se utiliza con mayor frecuencia en la construcción de productos que requieren un sello hermético o hermético. 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 la industria médica, donde es crucial garantizar que el sello sea hermético y estanco a los fluidos. [7]
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