La soldadura ultrasónica es un proceso industrial mediante el cual se aplican localmente vibraciones acústicas ultrasónicas de alta frecuencia a piezas de trabajo que se mantienen unidas bajo presión para crear una soldadura de estado sólido . Se utiliza comúnmente para plásticos y metales , y especialmente para unir materiales diferentes . En la soldadura ultrasónica, no se necesitan pernos de conexión, clavos, materiales de soldadura o 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, lo que evita 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 ese momento, solo se podían soldar plásticos duros. La patente del método ultrasónico para soldar piezas termoplásticas rígidas se otorgó a Robert Soloff y Seymour Linsley en 1965. [3] Soloff, el fundador de Sonics & Materials Inc., era gerente de laboratorio en Branson Instruments, donde se soldaban películas de plástico delgadas en bolsas y tubos utilizando sondas ultrasónicas. Sin querer, acercó la sonda a un dispensador de cinta de plástico y observó que las mitades del dispensador se soldaban entre sí. Se dio cuenta de que no era necesario mover la sonda manualmente alrededor de la pieza, sino que la energía ultrasónica podía viajar a través y alrededor de plásticos rígidos y soldar una junta completa. [3] Luego desarrolló la primera prensa ultrasónica. La primera aplicación de esta nueva tecnología fue en la industria del juguete. [4]
El primer automóvil fabricado íntegramente en plástico se montó mediante soldadura ultrasónica en 1969. [4] La industria automotriz lo ha utilizado regularmente desde la década de 1980 y ahora se utiliza para una multitud de aplicaciones. [4]
Para unir piezas termoplásticas moldeadas por inyección complejas , 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 se colocan 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 requerida ] Al soldar plásticos, la interfaz de las dos piezas está especialmente diseñada para concentrar el proceso de fusión. Uno de los materiales suele tener un director de energía puntiagudo o redondeado que entra en contacto con la segunda pieza de plástico. La energía ultrasónica funde 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 que se va a soldar. En los metales, la soldadura se produce debido a la dispersión a alta presión de los óxidos de la superficie y al movimiento local de los materiales. Aunque hay calentamiento, no es suficiente para fundir los materiales de base. [ aclaración necesaria ]
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 creciente conocimiento 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 ultrasónica puede conducir a uniones altamente duraderas entre metales ligeros y láminas de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). [5]
Una ventaja de la soldadura ultrasónica es que no hay tiempo de secado como con los adhesivos o solventes convencionales, por lo que las piezas de trabajo no necesitan permanecer en un dispositivo durante más tiempo del que tarda la soldadura en enfriarse. La soldadura se puede automatizar fácilmente, lo que permite realizar uniones limpias y precisas; el lugar de la soldadura está muy limpio y rara vez requiere trabajos de retoque. El bajo impacto térmico en los materiales involucrados permite soldar una mayor cantidad de materiales. El proceso es una buena alternativa automatizada a los diseños con pegamento, tornillos o 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 cuadro de instrumentos de un automóvil. [ cuantificar ] Los ultrasonidos también se pueden utilizar para soldar metales, pero normalmente se limitan a pequeñas soldaduras de metales delgados y maleables como el aluminio, el cobre y el 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 necesarios. [ aclaración necesaria ]
Todos los sistemas de soldadura por ultrasonidos se componen de los mismos elementos básicos:
Las aplicaciones de la soldadura ultrasónica son extensas y se encuentran en muchas industrias, incluidas la eléctrica y la informática, la automotriz y la aeroespacial, la médica y la del embalaje. Si dos elementos se pueden soldar ultrasónicamente se determina por su espesor. Si son demasiado gruesos, este proceso no los unirá. Este es el principal obstáculo en la soldadura de metales. Sin embargo, los cables, las conexiones de microcircuitos, las láminas metálicas, las láminas, las cintas y las mallas a menudo se unen mediante soldadura ultrasónica. La soldadura ultrasónica es una técnica muy popular para unir termoplásticos . Es rápida y se automatiza fácilmente con tiempos de soldadura a menudo inferiores a un segundo y no se requiere un 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 los mazos de cables se unen a menudo mediante soldadura ultrasónica. [6] Los mazos de cables son grandes agrupaciones de cables que se utilizan para distribuir señales eléctricas y energía. Los motores eléctricos , las bobinas de campo , los transformadores y los condensadores también se pueden ensamblar con soldadura ultrasónica. [7] También se suele preferir en el ensamblaje de medios de almacenamiento como unidades flash y discos de computadora debido a los altos volúmenes requeridos. Se ha descubierto que la soldadura ultrasónica de discos de computadora tiene tiempos de ciclo de menos de 300 ms. [8]
Uno de los campos en los que más se utiliza la soldadura ultrasónica y donde se centran las nuevas investigaciones y experimentos es en los microcircuitos. [6] Este proceso es ideal para los microcircuitos, ya que crea uniones fiables sin introducir impurezas ni distorsión térmica en los componentes. Los dispositivos semiconductores, transistores y diodos suelen estar conectados 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 que se utilizan para monitorizar 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 celdas de combustible , las conexiones de cobre, níquel y aluminio de calibre fino, las capas de láminas y las mallas metálicas a menudo se sueldan entre sí mediante ultrasonidos. [6] A menudo se pueden aplicar varias capas de láminas o mallas en una sola soldadura, lo que elimina pasos y costos.
En el caso de los automóviles, la soldadura ultrasónica suele utilizarse para ensamblar componentes plásticos y eléctricos de gran tamaño, como paneles de instrumentos, paneles de puertas, lámparas, conductos de aire, volantes, tapicería y componentes del motor. [10] A medida que los plásticos han seguido sustituyendo a otros materiales en el diseño y la fabricación de automóviles, el ensamblaje y la unión de componentes plásticos se ha convertido cada vez más en un problema crítico. Algunas de las ventajas de la soldadura ultrasónica son los tiempos de ciclo bajos, la automatización , los bajos costes de capital y la flexibilidad. [11] La soldadura ultrasónica no daña el acabado de la superficie porque las vibraciones de alta frecuencia evitan que se generen marcas, lo que es una consideración crucial para muchos fabricantes de automóviles. [10]
La soldadura ultrasónica se utiliza generalmente en la industria aeroespacial para unir metales de calibre fino y otros materiales ligeros. El aluminio es un metal difícil de soldar con técnicas tradicionales debido a su alta conductividad térmica. Sin embargo, es uno de los materiales más fáciles de soldar con soldadura ultrasónica porque es un metal más blando y, por lo tanto, es fácil lograr una soldadura en estado sólido. [12] Dado que el aluminio se usa 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 se pueden especializar para su uso en salas blancas . [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 lo tanto, aumenta la calidad de la pieza y disminuye los costos de producción. Artículos como filtros arteriales, filtros de anestesia, filtros de sangre, catéteres intravenosos, tubos de diálisis, pipetas , depósitos de cardiometría, filtros de sangre/gas, mascarillas faciales y picos/filtros intravenosos se pueden fabricar utilizando soldadura ultrasónica. [15] Otra aplicación importante en la industria médica para la soldadura ultrasónica son los textiles. Artículos como batas de hospital, prendas estériles, mascarillas, parches transdérmicos y textiles para salas blancas se pueden sellar y coser utilizando soldadura ultrasónica. [16] Esto evita 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 se envasan mediante soldadura ultrasónica. El sellado de contenedores, tubos y blísters 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 tienden a requerir un sellado hermético , pero no pueden someterse a altas temperaturas. [9] Un ejemplo es un encendedor de butano. Esta soldadura del contenedor debe poder soportar alta presión y estrés y debe ser hermética para contener el butano. [17] Otro ejemplo es el embalaje de municiones y propulsores. Estos paquetes deben poder soportar alta presión y estrés 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, higiénica 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 el ajuste de los parámetros. Por ejemplo, si se produce una soldadura excesiva, la concentración de plástico en la zona de soldadura puede ser demasiado baja y provocar que el sello se rompa. Si está poco 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 productos alimenticios sellados mediante soldadura ultrasónica incluyen envoltorios de barras de caramelo, paquetes de alimentos congelados y contenedores de bebidas.
La "aglomeración sónica", una combinación de soldadura y moldeo por ultrasonidos , se utiliza para producir barras de raciones de alimentos compactas para el proyecto de raciones de combate cuerpo a cuerpo del ejército de los EE. UU. sin el uso de aglutinantes. Los alimentos secos se presionan en un molde y se sueldan durante una hora, durante la cual las partículas de alimentos se pegan entre sí. [18]
Los riesgos 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 esté activada. [19] Además, los operadores deben contar con protección auditiva y gafas de seguridad. Los operadores deben estar informados de las regulaciones de las agencias gubernamentales para el equipo de soldadura ultrasónica y estas regulaciones deben cumplirse. [20]
Las máquinas de soldadura ultrasónica requieren un mantenimiento y una inspección de rutina. Es posible que sea necesario quitar las puertas de los paneles, las tapas de las carcasas y las protecciones para realizar tareas de mantenimiento. [19] Esto debe hacerse cuando el equipo esté apagado y solo lo debe realizar un profesional capacitado que realice el mantenimiento de la máquina.
Las vibraciones subarmónicas, que pueden crear un ruido audible molesto, pueden producirse en piezas de mayor tamaño cerca de la máquina debido a la frecuencia de soldadura ultrasónica. [21] Este ruido se puede amortiguar sujetando estas piezas de gran tamaño en uno o más puntos. Además, los soldadores de alta potencia con frecuencias de 15 kHz y 20 kHz suelen emitir un chirrido agudo y potencialmente dañino en el rango de audición humana. Para proteger este sonido radiante se puede utilizar un recinto acústico. [21]
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