La soldadura ultrasónica es un proceso industrial mediante el cual se aplican localmente vibraciones acústicas ultrasónicas de alta frecuencia a las piezas de trabajo que se mantienen juntas bajo presión para crear una soldadura de estado sólido . Se utiliza habitualmente para plásticos y metales , y especialmente para unir materiales disímiles . En la soldadura ultrasónica, no se necesitan pernos de conexión, clavos, materiales de soldadura ni adhesivos para unir los materiales. Cuando se utiliza para unir metales, la temperatura se mantiene muy por debajo del punto de fusión de los materiales involucrados, evitando cualquier propiedad no deseada que pueda surgir de la exposición del metal a altas temperaturas. [1] [2]
La aplicación práctica de la soldadura ultrasónica para plásticos rígidos se completó en la década de 1960. En este punto sólo se podían soldar plásticos duros. La patente del método ultrasónico para soldar piezas termoplásticas rígidas fue otorgada a Robert Soloff y Seymour Linsley en 1965. [3] Soloff, el fundador de Sonics & Materials Inc., era director de laboratorio en Branson Instruments, donde se soldaban películas plásticas delgadas en bolsas y tubos mediante sondas ultrasónicas. Sin querer acercó la sonda a un dispensador de cinta plástica y observó que las mitades del dispensador estaban soldadas entre sí. Se dio cuenta de que no era necesario mover manualmente la sonda alrededor de la pieza, sino que la energía ultrasónica podía viajar a través y alrededor de plásticos rígidos y soldar una unión completa. [3] Continuó desarrollando la primera prensa ultrasónica. La primera aplicación de esta nueva tecnología fue en la industria del juguete. [4]
El primer automóvil fabricado íntegramente de plástico se ensambló mediante soldadura ultrasónica en 1969. [4] La industria automovilística lo utiliza regularmente desde los años 80 y actualmente se utiliza para multitud de aplicaciones. [4]
Para unir piezas termoplásticas complejas moldeadas por inyección , el equipo de soldadura ultrasónica se puede personalizar para que se ajuste a las especificaciones exactas de las piezas que se van a soldar. Las piezas están intercaladas entre un nido de forma fija ( yunque ) y un sonotrodo (bocina) conectado a un transductor, y se emite una vibración acústica de baja amplitud de ~20-70 kHz . [ cita necesaria ] Al soldar plásticos, la interfaz de las dos partes está especialmente diseñada para concentrar el proceso de fusión. Uno de los materiales suele tener un director de energía redondeado o con púas que contacta con la segunda pieza de plástico. La energía ultrasónica derrite el punto de contacto entre las piezas, creando una unión. La soldadura ultrasónica de termoplásticos provoca la fusión local del plástico debido a la absorción de energía vibratoria a lo largo de la unión a soldar. En los metales, la soldadura se produce debido a la dispersión a alta presión de los óxidos superficiales y al movimiento local de los materiales. Aunque hay calentamiento, no es suficiente para fundir los materiales base. [ se necesita aclaración ]
La soldadura ultrasónica se puede utilizar tanto para plásticos duros como blandos, como plásticos semicristalinos y metales. La comprensión de la soldadura ultrasónica ha aumentado con la investigación y las pruebas. La invención de equipos más sofisticados y económicos y la mayor demanda de componentes plásticos y electrónicos han llevado a un conocimiento cada vez mayor del proceso fundamental. [4] Sin embargo, muchos aspectos de la soldadura ultrasónica aún requieren más estudio, como la relación entre la calidad de la soldadura y los parámetros del proceso.
Científicos del Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales (WKK) de la Universidad de Kaiserslautern, con el apoyo de la Fundación Alemana de Investigación ( Deutsche Forschungsgemeinschaft ), han logrado demostrar que el uso de procesos de soldadura por ultrasonidos puede dar lugar a uniones muy duraderas entre metales ligeros y carbono. -láminas de polímero reforzado con fibra (CFRP). [5]
Una ventaja de la soldadura ultrasónica es que no hay tiempo de secado como ocurre con los adhesivos o disolventes convencionales, por lo que no es necesario que las piezas de trabajo permanezcan en un dispositivo durante más tiempo del que tarda la soldadura en enfriarse. La soldadura puede automatizarse fácilmente, realizando uniones limpias y precisas; el lugar de la soldadura está muy limpio y rara vez requiere trabajos de retoque. El bajo impacto térmico sobre los materiales implicados permite soldar entre sí un mayor número de materiales. El proceso es una buena alternativa automatizada al pegamento, los tornillos o los diseños de encaje a presión .
La soldadura ultrasónica se utiliza normalmente con piezas pequeñas (por ejemplo, teléfonos móviles, productos electrónicos de consumo, herramientas médicas desechables, juguetes, etc.), pero se puede utilizar en piezas tan grandes como un pequeño grupo de instrumentos de automóvil. [ cuantificar ] Los ultrasonidos también se pueden usar para soldar metales, pero generalmente se limitan a pequeñas soldaduras de metales delgados y maleables como aluminio, cobre y níquel. Los ultrasonidos no se utilizarían para soldar el chasis de un automóvil o para soldar piezas de una bicicleta, debido a los niveles de potencia requeridos. [ se necesita aclaración ]
Todos los sistemas de soldadura por ultrasonidos se componen de los mismos elementos básicos:
Las aplicaciones de la soldadura ultrasónica son amplias y se encuentran en muchas industrias, incluidas las eléctricas e informáticas, automotrices y aeroespaciales, médicas y de embalaje. La posibilidad de soldar dos elementos mediante ultrasonidos depende de su espesor. Si son muy gruesas este proceso no las unirá. Este es el principal obstáculo en la soldadura de metales. Sin embargo, la unión de cables, conexiones de microcircuitos, chapas, láminas, cintas y mallas suele realizarse mediante soldadura por ultrasonidos. La soldadura ultrasónica es una técnica muy popular para unir termoplásticos . Se automatiza rápida y fácilmente con tiempos de soldadura a menudo inferiores a un segundo y no se requiere ningún sistema de ventilación para eliminar el calor o el escape. Este tipo de soldadura se utiliza a menudo para construir conjuntos que son demasiado pequeños, demasiado complejos o demasiado delicados para las técnicas de soldadura más comunes.
En la industria eléctrica e informática, la soldadura ultrasónica se utiliza a menudo para unir conexiones cableadas y crear conexiones en circuitos pequeños y delicados. Las uniones de mazos de cables a menudo se unen mediante soldadura ultrasónica. [6] Los mazos de cables son grandes grupos de cables que se utilizan para distribuir señales eléctricas y energía. También se pueden ensamblar mediante soldadura ultrasónica motores eléctricos , bobinas de campo , transformadores y condensadores . [7] También suele preferirse en el ensamblaje de medios de almacenamiento como unidades flash y discos de computadora debido a los grandes volúmenes requeridos. Se ha descubierto que la soldadura por ultrasonidos de discos de ordenador tiene tiempos de ciclo inferiores a 300 ms. [8]
Uno de los ámbitos en los que más se utiliza la soldadura por ultrasonidos y donde se centran las nuevas investigaciones y experimentaciones es el de los microcircuitos. [6] Este proceso es ideal para microcircuitos ya que crea uniones confiables sin introducir impurezas ni distorsión térmica en los componentes. Los dispositivos semiconductores, transistores y diodos a menudo se conectan mediante finos cables de aluminio y oro mediante soldadura ultrasónica. [9] También se utiliza para unir cables y cintas, así como chips completos, a microcircuitos. Un ejemplo de dónde se utilizan los microcircuitos es en los sensores médicos utilizados para monitorear el corazón humano en pacientes con bypass.
Una diferencia entre la soldadura ultrasónica y la soldadura tradicional es la capacidad de la soldadura ultrasónica para unir materiales diferentes. El ensamblaje de componentes de baterías es un buen ejemplo de dónde se utiliza esta capacidad. Al crear componentes de baterías y pilas de combustible , a menudo se sueldan entre sí mediante ultrasonidos conexiones de cobre, níquel y aluminio de calibre fino, capas de láminas y mallas metálicas. [6] A menudo se pueden aplicar múltiples capas de lámina o malla en una sola soldadura, eliminando pasos y costos.
En el caso de los automóviles, la soldadura ultrasónica tiende a utilizarse para ensamblar grandes componentes plásticos y eléctricos, como paneles de instrumentos, paneles de puertas, lámparas, conductos de aire, volantes, tapizados y componentes de motores. [10] A medida que los plásticos han seguido reemplazando a otros materiales en el diseño y fabricación de automóviles, el ensamblaje y unión de componentes plásticos se ha convertido cada vez más en una cuestión crítica. Algunas de las ventajas de la soldadura ultrasónica son tiempos de ciclo bajos, automatización , bajos costos de capital y flexibilidad. [11] La soldadura ultrasónica no daña el acabado de la superficie porque las vibraciones de alta frecuencia evitan que se generen marcas, lo cual es una consideración crucial para muchos fabricantes de automóviles. [10]
La soldadura ultrasónica se utiliza generalmente en la industria aeroespacial para unir láminas metálicas delgadas y otros materiales livianos. El aluminio es un metal difícil de soldar mediante técnicas tradicionales debido a su alta conductividad térmica. Sin embargo, es uno de los materiales más fáciles de soldar mediante soldadura ultrasónica porque es un metal más blando y, por lo tanto, es fácil lograr una soldadura de estado sólido. [12] Dado que el aluminio se utiliza tan ampliamente en la industria aeroespacial, se deduce que la soldadura ultrasónica es un proceso de fabricación importante. Con la llegada de nuevos materiales compuestos , la soldadura ultrasónica se está volviendo aún más frecuente. Se ha utilizado en la unión del popular material compuesto fibra de carbono . Se han realizado numerosos estudios para encontrar los parámetros óptimos que producirán soldaduras de calidad para este material. [13]
En la industria médica, la soldadura ultrasónica se utiliza a menudo porque no introduce contaminantes ni degradación en la soldadura y las máquinas pueden especializarse para su uso en salas limpias . [14] El proceso también puede ser altamente automatizado, proporciona un control estricto sobre las tolerancias dimensionales y no interfiere con la biocompatibilidad de las piezas. Por tanto, aumenta la calidad de las piezas y disminuye los costes de producción. Elementos como filtros arteriales, filtros de anestesia, filtros de sangre, catéteres intravenosos, tubos de diálisis, pipetas , depósitos de cardiometría, filtros de sangre/gas, mascarillas y filtros/puntas intravenosas se pueden fabricar mediante soldadura ultrasónica. [15] Otra aplicación importante en la industria médica para la soldadura ultrasónica es la textil. Artículos como batas de hospital, prendas esterilizadas, mascarillas, parches transdérmicos y textiles para salas blancas se pueden sellar y coser mediante soldadura ultrasónica. [16] Esto previene la contaminación y la producción de polvo y reduce el riesgo de infección.
La soldadura ultrasónica se utiliza a menudo en aplicaciones de embalaje. Muchos artículos comunes se crean o empaquetan mediante soldadura ultrasónica. El sellado de envases, tubos y blisters son aplicaciones comunes.
La soldadura ultrasónica también se aplica en el embalaje de materiales peligrosos, como explosivos, fuegos artificiales y otros productos químicos reactivos. Estos artículos suelen requerir un sellado hermético , pero no pueden someterse a altas temperaturas. [9] Un ejemplo es un encendedor de butano. Esta soldadura del recipiente debe poder soportar altas presiones y tensiones y debe ser hermética para contener el butano. [17] Otro ejemplo es el embalaje de municiones y propulsores. Estos envases deben poder soportar altas presiones y tensiones para proteger al consumidor del contenido.
La industria alimentaria considera que la soldadura ultrasónica es preferible a las técnicas de unión tradicionales porque es rápida, sanitaria y puede producir sellos herméticos. Los envases de leche y jugo son ejemplos de productos que a menudo se sellan mediante soldadura ultrasónica. Las piezas de papel que se van a sellar se recubren con plástico, generalmente polipropileno o polietileno , y luego se sueldan entre sí para crear un sello hermético. [17] El principal obstáculo a superar en este proceso es la fijación de los parámetros. Por ejemplo, si se produce un exceso de soldadura, la concentración de plástico en la zona de soldadura puede ser demasiado baja y provocar que el sello se rompa. Si no está suficientemente soldado, el sello está incompleto. [17] Las variaciones en los espesores de los materiales pueden provocar variaciones en la calidad de la soldadura. Algunos otros alimentos sellados mediante soldadura ultrasónica incluyen envoltorios de barras de chocolate, paquetes de alimentos congelados y envases de bebidas.
La "aglomeración sónica", una combinación de soldadura y moldeado ultrasónicos , se utiliza para producir barras de raciones de alimentos compactas para el proyecto de raciones de asalto en combate cuerpo a cuerpo del ejército de EE. UU. sin el uso de aglutinantes. Los alimentos secos se presionan en un molde y se cuecen durante una hora, durante la cual las partículas de comida se pegan entre sí. [18]
Los peligros de la soldadura ultrasónica incluyen la exposición a altas temperaturas y voltajes. Este equipo debe operarse siguiendo las pautas de seguridad proporcionadas por el fabricante para evitar lesiones. Por ejemplo, los operadores nunca deben colocar las manos o los brazos cerca de la punta de soldadura cuando la máquina está activada. [19] Además, los operadores deben contar con protección auditiva y gafas de seguridad. Se debe informar a los operadores sobre las regulaciones de las agencias gubernamentales para el equipo de soldadura ultrasónica y se deben hacer cumplir estas regulaciones. [20]
Las máquinas de soldadura ultrasónica requieren mantenimiento e inspección de rutina. Es posible que sea necesario retirar las puertas de los paneles, las cubiertas de la carcasa y las guardas protectoras para realizar tareas de mantenimiento. [19] Esto debe hacerse cuando el equipo esté apagado y únicamente por un profesional capacitado que realice el mantenimiento de la máquina.
En piezas más grandes cercanas a la máquina pueden producirse vibraciones subarmónicas, que pueden generar ruidos audibles molestos, debido a la frecuencia de soldadura ultrasónica. [21] Este ruido se puede amortiguar sujetando estas piezas grandes en uno o más lugares. Además, los soldadores de alta potencia con frecuencias de 15 kHz y 20 kHz suelen emitir un chirrido agudo potencialmente dañino en el rango del oído humano. El blindaje de este sonido radiante se puede realizar mediante un recinto acústico. [21]
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