Parámetros del proceso de soldadura por ultrasonidos
Los principales parámetros del proceso de soldadura ultrasónica son: amplitud, tiempo de soldadura, tiempo de mantenimiento de la presión, presión de soldadura, frecuencia, etc. La mejor especificación de soldadura depende de los componentes a soldar y del equipo de soldadura utilizado. El ajuste de los parámetros de soldadura depende del tamaño y rigidez de la pieza, especialmente la distancia entre el punto de contacto del cabezal de soldadura y la junta de soldadura. La capacidad de soldadura está limitada por la capacidad del plástico¶ transmitir vibraciones ultrasónicas (y las piezas no están dañadas).
1 frecuencia
Las frecuencias comúnmente utilizadas para ultrasonido son 20, 30 y 40 kHz, y 15 kHz se usa a menudo para plásticos semicristalinos. 20 kHz es la frecuencia ultrasónica más utilizada, porque la amplitud y la potencia necesarias para fundir termoplásticos a esta frecuencia son fáciles de alcanzar, pero puede generar muchas vibraciones mecánicas que son difíciles de controlar y la herramienta se vuelve muy grande. Es factible una frecuencia más alta (40 kHz) que produzca menos vibraciones, y generalmente se usa para soldar plásticos de ingeniería y polímeros reforzados. Las ventajas de los equipos de soldadura de alta frecuencia incluyen: bajo nivel de ruido, piezas pequeñas, protección mejorada de las piezas (debido a la reducción de la tensión cíclica y el calentamiento no selectivo del área exterior de la interfaz de la junta), mejor control de energía mecánica, menor presión de soldadura y más rápido velocidad de procesamiento. La desventaja es que es difícil realizar una soldadura de campo lejano debido al tamaño pequeño de las piezas, la capacidad de potencia reducida y la amplitud reducida. Las máquinas de soldadura ultrasónica de alta frecuencia se utilizan generalmente para soldar piezas pequeñas de precisión (como interruptores eléctricos) y piezas que requieren menos degradación del material. El soldador de 15 kHz puede soldar rápidamente la mayoría de los termoplásticos, en la mayoría de los casos, menos degradación del material que el soldador de 20 kHz. Las piezas que apenas pueden soldarse con 20 kHz (especialmente las fabricadas con tecnología y equipos de caucho y plástico de alto rendimiento) pueden soldarse eficazmente con 15 kHz. A frecuencias más bajas, el cabezal de soldadura tiene una longitud de resonancia más larga y puede hacerse más grande en todas las dimensiones. Otra ventaja importante de usar 15 kHz es que en comparación con el uso de frecuencias más altas, reduce en gran medida la atenuación de las ondas ultrasónicas en los plásticos, lo que permite la soldadura de plásticos más blandos y mayores distancias de campo lejano.
2 amplitud
El éxito de la soldadura depende de la amplitud adecuada del extremo del cabezal de soldadura. Para todas las combinaciones de bocina / cabezal de soldadura, la amplitud es fija. Seleccionar la amplitud según el material a soldar para obtener un grado de fusión adecuado. En términos generales, los plásticos semicristalinos requieren más energía que los plásticos no cristalinos y, por lo tanto, requieren una mayor amplitud del extremo de la punta. El control del proceso en las modernas máquinas de soldadura por ultrasonidos permite la gradación. La alta amplitud se usa para comenzar a fundir y la baja amplitud se usa para controlar la viscosidad del material fundido. El aumento de la amplitud mejorará la calidad de la soldadura de la pieza de diseño de la junta de corte. Para uniones a tope, a medida que aumenta la amplitud, la calidad de la soldadura mejora y el tiempo de soldadura disminuye. En la soldadura ultrasónica con barras de guía de energía, la tasa de pérdida de calor promedio (Qavg) depende del módulo de pérdida compuesto (Eʺ), la frecuencia (ω) y la deformación activa (ε 0) del material: Qavg=ωε 02 Eʺ / 2
El módulo de pérdida compuesto de los termoplásticos está estrechamente relacionado con la temperatura. Cuando se alcanza el punto de fusión o la temperatura de transición vítrea, el módulo de pérdida aumenta y más energía se convierte en calor. Una vez que comienza el calentamiento, la temperatura en la interfaz de soldadura aumenta bruscamente (hasta 1000 ℃ / s). La deformación activa es proporcional a la amplitud del cabezal de soldadura, por lo que el calentamiento de la interfaz de soldadura se puede controlar cambiando la amplitud. La amplitud es un parámetro importante que controla el caudal de extrusión termoplástica. Cuando la amplitud es alta, la velocidad de calentamiento de la interfaz de soldadura es mayor, la temperatura aumenta y el material fundido fluye más rápido, lo que conduce a un aumento en la orientación molecular, una gran cantidad de destellos y una menor resistencia de la soldadura. Es necesaria una gran amplitud para comenzar a derretir. Una amplitud demasiado baja produce una fusión desigual y una solidificación prematura de la fusión. Cuando se aumenta la amplitud, se consume una mayor cantidad de energía de vibración en el termoplástico y las piezas a soldar están sometidas a una mayor tensión. Cuando la amplitud es constante durante todo el ciclo de soldadura, se suele utilizar la mayor amplitud que no provocará un daño excesivo a las piezas a soldar. Para plásticos cristalinos como polietileno y polipropileno, el impacto de la amplitud es mucho mayor que para plásticos no cristalinos como ABS y poliestireno. Esto puede deberse a la necesidad de más energía para fundir y soldar plásticos cristalinos. La amplitud se puede ajustar mecánicamente (cambiando la bocina o el cabezal de soldadura) o eléctricamente (cambiando el voltaje suministrado al transductor). En la práctica, el ajuste de mayor amplitud adopta un método mecánico y el más fino utiliza un método eléctrico. Los materiales de alto punto de fusión, las soldaduras de campo lejano y los plásticos semicristalinos generalmente requieren una mayor amplitud que los plásticos no cristalinos y las soldaduras de campo cercano. El rango de amplitud total típico de los plásticos amorfos es de 30-100 μm, mientras que el de los plásticos cristalinos es de 60-125 μm. El perfilado de amplitud puede lograr un buen flujo de fusión y una alta resistencia de soldadura constante. Para niveles combinados de amplitud y fuerza, se usa alta amplitud y fuerza para comenzar a fundir, y luego la amplitud y fuerza disminuyen para reducir la orientación molecular a lo largo de la línea de soldadura.
3 Tiempo de soldadura
El tiempo de soldadura es el momento en que se aplica la vibración. El tiempo de soldadura apropiado para cada aplicación se determina experimentalmente. Aumentar el tiempo de soldadura aumentará la resistencia de la soldadura hasta que se alcance el tiempo óptimo. Un aumento adicional en el tiempo de soldadura dará como resultado una disminución en la resistencia de la soldadura o solo un ligero aumento en la resistencia, mientras que al mismo tiempo aumentará el destello de la soldadura y aumentará la posibilidad de indentación de la pieza. Es importante evitar la soldadura excesiva, ya que producirá un destello excesivo que debe recortarse, lo que puede reducir la calidad de la soldadura y crear fugas en las partes que deben sellarse. El cabezal de soldadura puede rayar la superficie. Para tiempos de soldadura más prolongados, también puede ocurrir fusión y fractura en partes alejadas del área de la junta, especialmente en los agujeros, líneas de soldadura y esquinas afiladas en la parte moldeada.
4 Tiempo de espera
El tiempo de mantenimiento de la presión se refiere al tiempo nominal para que las piezas se combinen y solidifiquen bajo una presión sin vibraciones después de la soldadura. En la mayoría de los casos, no es un parámetro crítico, 0.3 ~ 0.5 s es generalmente suficiente, a menos que la carga interna sea fácil de desmontar la parte soldada (como un resorte helicoidal comprimido antes de soldar).
5 presión
La presión de soldadura proporciona la fuerza estática necesaria para el acoplamiento entre el cabezal de soldadura y la pieza, de modo que la vibración pueda transmitirse a la pieza. Cuando el material fundido en la unión se solidifica durante la fase de mantenimiento de la presión del ciclo de soldadura, la misma carga estática asegura que las piezas estén integradas. La determinación de la presión óptima es fundamental para una buena soldadura. Si la presión es demasiado baja, provocará un flujo de fusión deficiente o insuficiente en la transferencia de energía, lo que provocará ciclos de soldadura largos innecesarios. El aumento de la presión de soldadura reducirá el tiempo de soldadura necesario para lograr el mismo desplazamiento. Si la presión es demasiado alta, provocará una orientación molecular a lo largo de la dirección del flujo y reducirá la resistencia de la soldadura, lo que puede provocar una hendidura en la pieza. En casos extremos, si la presión es demasiado alta en relación con la amplitud del extremo del cabezal de soldadura, puede sobrecargar y detener el cabezal de soldadura. En la soldadura ultrasónica, la alta amplitud requiere baja presión y la baja amplitud requiere alta presión. A medida que aumenta la amplitud, el rango de presión aceptable se estrecha. Por tanto, lo más importante para una gran amplitud es encontrar la mejor presión. La mayoría de las soldaduras ultrasónicas se realizan bajo presión constante o fuerza constante. Para algunos dispositivos, la fuerza se puede cambiar durante el ciclo, es decir, se realiza el perfilado de fuerza y la fuerza de soldadura se reduce durante la aplicación de energía ultrasónica a la pieza. La presión o fuerza de soldadura que cae al final del ciclo de soldadura reduce la cantidad de material extruido de la junta, prolonga el tiempo de difusión entre moléculas, reduce la orientación molecular y aumenta la resistencia de la soldadura. Para materiales con una viscosidad de fusión más baja similar a la poliamida, esto puede aumentar en gran medida la resistencia de la soldadura.
6 Modo de soldadura
La soldadura por tiempo se denomina proceso de circuito abierto. Las partes a soldar se ensamblan en el accesorio antes de que el cabezal de soldadura caiga y toque. Luego, la onda ultrasónica actúa sobre el componente durante un período de tiempo fijo, generalmente de 0,2 a 1 s. La soldadura exitosa no ocurrió durante este proceso. La soldadura exitosa es una situación ideal bajo el supuesto de que un tiempo de soldadura fijo hace que una cantidad fija de energía actúe sobre la unión, lo que resulta en una cantidad controlada de fusión. De hecho, la potencia absorbida al mantener la amplitud de un ciclo al siguiente no es la misma. Esto se debe a múltiples factores (como el ajuste entre dos partes). Debido a que la energía cambia con la potencia y el tiempo, y el tiempo es fijo, la energía aplicada cambiará de una parte a la siguiente. Para la producción en masa donde la consistencia es importante, esto es claramente indeseable. La soldadura por energía es un proceso de circuito cerrado con control de retroalimentación. El software de la máquina ultrasónica mide la potencia absorbida y ajusta el tiempo de procesamiento para entregar la entrada de energía requerida a la articulación. El supuesto de este proceso es que si la energía consumida por cada soldadura es la misma, la cantidad de material fundido en la unión es la misma en todo momento. Sin embargo, la situación real es que hay una pérdida de energía en el kit de soldadura y especialmente en la interfaz entre el cabezal de soldadura y la pieza. Como resultado, algunas partes pueden recibir más energía que otras, lo que puede causar una resistencia de soldadura inconsistente. La soldadura a distancia permite unir piezas a una profundidad de soldadura específica. Este modo de funcionamiento no depende del tiempo, la energía absorbida o la potencia, y compensa las desviaciones dimensionales en la pieza moldeada, lo que garantiza mejor que la misma cantidad de plástico se derrita en la junta cada vez. Para controlar la calidad, se puede establecer un límite en la energía o el tiempo utilizado para formar la soldadura.
