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Cómo funciona la soldadura ultrasónica

Cómo funciona la soldadura ultrasónica
Satisfacer
  1. Soldadura ultrasónica y por fricción
  2. Soldadura ultrasónica paso a paso
  3. Soldadura ultrasónica en acción
  4. ¿Por qué utilizar métodos de soldadura ultrasónica?

Soldadura ultrasónica y por fricción

Esquema del mecanismo de soldadura por ultrasonidos.

Crédito de imagen de HowStuffWorks

Frote sus manos rápidamente. ¿Notaste algo? Calentaron, ¿no? Si toma un martillo y golpea una superficie de metal rápida y repetidamente, verá que el punto donde el martillo golpea el metal también se calienta. En estos dos ejemplos, el calor se debe a la fricción. Ahora imagina frotándote las manos o golpeando el martillo miles de veces por segundo. El calor generado por la fricción puede aumentar significativamente la temperatura en muy poco tiempo. Básicamente, el sonido de alta frecuencia (ultrasonido) provoca vibraciones rápidas en los materiales a soldar. Las vibraciones frotan los materiales entre sí y la fricción aumenta la temperatura en las superficies de contacto. Este rápido calor de fricción es lo que define las condiciones de unión de los materiales.

El equipo de soldadura por ultrasonidos tiene cuatro partes principales. Una fuente de alimentación convierte la electricidad de baja frecuencia (50-60 Hz) en electricidad de alta frecuencia (20-40 kHz; 1 kHz = 1000 Hz). Luego, un transductor o convertidor transforma la electricidad de alta frecuencia en sonido de alta frecuencia (ultrasonido). Un amplificador aumenta las vibraciones ultrasónicas. Finalmente, un cuerno o sonotrodo concentra las vibraciones ultrasónicas y las transmite a los materiales a soldar. Además de estas piezas, hay un yunque sobre el que se apilan y guardan los materiales soldados. También existe un método para aplicar fuerza (generalmente la presión de aire suministrada por un pistón neumático) para mantener los materiales juntos durante la soldadura.

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Entonces, ¿qué materiales e industrias se están beneficiando de este proceso inteligente? La soldadura ultrasónica de plásticos se utiliza ampliamente en la producción de componentes electrónicos, dispositivos médicos y piezas de automóviles. Por ejemplo, la soldadura ultrasónica se utiliza para realizar conexiones eléctricas en circuitos impresos de computadora y para ensamblar componentes electrónicos, como transformadores, motores eléctricos y condensadores. Los dispositivos médicos, como catéteres, válvulas, filtros y máscaras faciales, también se ensamblan mediante soldadura ultrasónica. La industria del embalaje utiliza esta técnica para producir películas, ensamblar tubos y blísteres. Incluso Ford Motor Company exploró el uso de soldadura ultrasónica para fabricar estructuras de aluminio en automóviles.

Ahora que conoce los conceptos básicos de la soldadura ultrasónica, echemos un vistazo al proceso de soldadura en sí.

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Soldadura ultrasónica paso a paso

Esquema del proceso de soldadura por ultrasonidos.

Esquema del proceso de soldadura por ultrasonidos.

Crédito de imagen de HowStuffWorks

El proceso básico de soldadura ultrasónica se puede describir en los siguientes pasos:

  1. Las piezas a soldar se colocan sobre el yunque o fijación.
  2. La bocina entra en contacto con las piezas a soldar.
  3. Se aplica presión para mantener el cuerno en contacto con los materiales soldados y para mantenerlos juntos.
  4. El cuerno emite vibraciones ultrasónicas para calentar los materiales. Las vibraciones se mueven menos de un milímetro hacia arriba y hacia abajo o de lado a lado.
  5. Los materiales están soldados entre sí.
  6. El cuerno se retrae y los materiales soldados se pueden quitar del yunque.

Los tiempos de soldadura, las presiones aplicadas y las temperaturas se controlan mediante una computadora o un microprocesador en el equipo de soldadura. Y lo que sucede realmente durante el proceso de soldadura depende de la naturaleza de los materiales. En los metales, las vibraciones ultrasónicas se transmiten en paralelo al plano del material. El calor de fricción eleva la temperatura de las superficies metálicas a aproximadamente un tercio de la temperatura de fusión, pero no funde los metales. En cambio, el calor elimina los óxidos metálicos y las películas de las superficies. Esto permite que los átomos de metal se muevan entre las dos superficies y formen enlaces que mantienen unidos a los metales.

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En el caso de los plásticos, las vibraciones son perpendiculares al plano de los materiales y el calor de la fricción eleva la temperatura lo suficiente como para fundir el plástico. Las moléculas de plástico se mezclan y forman enlaces. Durante el enfriamiento, las superficies de plástico se sueldan. Los tiempos de soldadura pueden variar, pero las soldaduras se pueden formar en solo 0,25 segundos.

Los factores que varían en la soldadura ultrasónica son la frecuencia de las ondas sonoras (generalmente 20, 30 o 40 kHz), la presión aplicada para mantener unidos los materiales y el tiempo de aplicación de los ultrasonidos (desde fracciones de segundo hasta más de un segundo). segundo).

Las técnicas de soldadura por ultrasonidos descritas hasta ahora son válidas para materiales similares (metales, plásticos). Pero ¿qué pasa con los materiales que no son similares? Respondimos a esa pregunta observando cómo New Balance usó soldadura ultrasónica para ensamblar los zapatos.

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Soldadura ultrasónica en acción

Montaje de calzado deportivo: después de que la película termofusible se haya aplicado a la gamuza sintética, se presiona la película.

Montaje de calzado deportivo: después de que la película termofusible se haya aplicado a la gamuza sintética, se presiona la película.

Foto cortesía de Kenneth Straka, New Balance

Mira un par de zapatillas. Si bien los zapatos tradicionales pueden estar hechos de un solo material, como lona o gamuza, muchas zapatillas tienen varios materiales, como polímeros plásticos livianos, gamuza o gamuza sintética y malla combinada. Estos materiales compuestos hacen que el calzado sea ligero, flexible, resistente y transpirable. Por ejemplo, un estilo de zapatillas New Balance tiene una parte superior de tres partes.

  • Un modelo de ante sintético llamado cuero. – La parte superior constituye la mayor parte de la parte superior del zapato, incluidos los dedos, la lengua y las filas de ojos para los cordones.
  • Un patrón de gamuza sintética llamado línea de ojos de silla de montar – La fila de ojales de sillín contiene los dos ojales superiores para reforzar el lazo y reducir el desgaste.
  • Una capa de red – La malla envuelve el talón de la parte superior y la parte superior de la abertura alrededor del tobillo.

Pero, ¿cómo se juntan estos materiales? La mayoría de las veces, los fabricantes de calzado cosen los materiales. Sin embargo, hace unos dos o tres años, New Balance decidió hacer la parte superior de un zapato sin costuras. Después de experimentar con películas adhesivas de polímero y planchas, encontraron una manera de fabricar esta parte del zapato mediante soldadura ultrasónica.

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Para montar la parte superior del calzado, los trabajadores parten de una pieza de ante sintético. Usan una prensa de planchar para pegar una hoja delgada de película termofusible a la parte posterior del material. Luego, un conjunto de soldadura ultrasónica presiona una parte superior moldeada de un material de gamuza. Asimismo, este soldador ultrasónico presiona la fila de ojos de otra pieza de gamuza sintética. La forma de la parte superior es de ante. La línea del ojo del sillín y el material de malla están soldados por ultrasonidos en la parte superior. En los procesos, el calor de fricción del soldador ultrasónico derrite la película termofusible, que une la línea de ojal del sillín y el material de la malla a la parte superior. Luego, la parte superior terminada se moldea y se pega a la suela y el talón con disolventes a base de agua.

Según Kenneth Straka, desarrollador senior de productos de New Balance, los métodos de soldadura ultrasónica han aumentado la productividad y han ahorrado tiempo. Los soldadores ultrasónicos no solo distribuyen el calor de manera más uniforme que las prensas de planchar, sino que también calientan y enfrían. mas rápido. Por lo tanto, el proceso de ensamblaje requiere menos pasos y es más rápido que los métodos de costura tradicionales.

Ahora que hemos visto cómo se utiliza la soldadura ultrasónica para unir varios materiales, echemos un vistazo a los pros y los contras de esta técnica.

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¿Por qué utilizar métodos de soldadura ultrasónica?

Montaje de calzado deportivo: pegado de ante sintético

Montaje de calzado deportivo: pegado de ante sintético

Foto cortesía de Kenneth Straka, New Balance

La soldadura ultrasónica tiene muchas ventajas sobre los métodos tradicionales. Por otro lado, la soldadura se realiza a bajas temperaturas en comparación con otros métodos. Por lo tanto, el fabricante no necesita gastar grandes cantidades de combustible u otra energía para alcanzar altas temperaturas. Esto hace que el proceso sea menos costoso. También es más rápido y seguro.

El proceso ocurre en fracciones de segundo por segundo. Por lo tanto, se puede hacer más rápido que otros métodos. De hecho, puede pegar plásticos mejor y más rápido que las colas. Por ejemplo, las llaves inteligentes de un automóvil nuevo tienen un chip transpondedor en su interior. El coche solo arranca cuando detecta el chip. Para hacer la llave, un extremo de la llave de metal y el chip se colocan en la mitad superior del plástico. La otra mitad se coloca sobre ellos y se pega a la mitad base. Esta unión generalmente se hace con pegamento, que tarda en endurecerse. La misma tarea se puede lograr con soldadura ultrasónica en menos de un segundo.

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La soldadura ultrasónica no requiere combustibles inflamables ni llamas abiertas, por lo que en comparación con otros métodos de soldadura, es un proceso más seguro. Los trabajadores no están expuestos a gases inflamables o disolventes nocivos. En electrónica, los cables de cobre generalmente se conectan a contactos eléctricos en placas de circuito impreso soldadas. La misma tarea se puede lograr utilizando soldadura ultrasónica en una fracción del tiempo y sin exponer a los trabajadores a los vapores de soldadura de plomo latentes. Aunque la audición de los trabajadores puede resultar dañada por la exposición a sonidos de alta frecuencia, este riesgo potencial puede reducirse fácilmente encerrando el soldador ultrasónico en una caja o jaula de seguridad y / o usando protección auditiva.

Finalmente, las soldaduras ultrasónicas son tan fuertes y duraderas como las soldaduras convencionales de los mismos materiales, que es solo una de las razones por las que el proceso se utiliza en la fabricación de automóviles. Para hacer que los autos sean más livianos y más eficientes en combustible, los fabricantes de automóviles están adoptando el aluminio como el metal principal del cuerpo. La soldadura ultrasónica se puede utilizar para unir metal en menos tiempo y a temperaturas más bajas que la soldadura tradicional.

Sin embargo, la soldadura ultrasónica tiene sus limitaciones. Primero, las profundidades de soldadura son menos de un milímetro, por lo que el proceso funciona mejor en materiales delgados como plástico, alambre o láminas delgadas. La soldadura ultrasónica de una viga de acero para un edificio no sería práctica. En segundo lugar, funciona mejor al soldar materiales similares, como plásticos o metales similares. Como viste con las zapatillas New Balance, la soldadura ultrasónica de diferentes materiales requiere material adicional: en el caso de las zapatillas New Balance, es una película que se puede pegar entre la gamuza sintética y la lona.

A pesar de estas limitaciones, la popularidad y el potencial de la soldadura ultrasónica continúan creciendo.

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Los materiales superiores de este calzado deportivo New Balance se ensamblaron mediante soldadura ultrasónica en lugar de las costuras tradicionales.

Los materiales superiores de este calzado deportivo New Balance se ensamblaron mediante soldadura ultrasónica en lugar de las costuras tradicionales.

Foto cortesía de Kenneth Straka, New Balance

En el musical de 1982 “Victor Victoria”, Julie Andrews canta una nota positiva al final del cabaret parisino de su personaje. Baja el mensaje y las copas de champán del salón se rompen. Esto demostró brillantemente cómo los sonidos fuertes y fuertes pueden romper materiales. ¿Pero sabías que los sonidos de alta frecuencia se pueden usar para unir materiales? Una tecnología llamada soldadura ultrasónica se utiliza para ensamblar productos en muchas industrias, desde dispositivos médicos hasta entrenadores y automóviles.

Por lo general, puede pegar los materiales con sujetadores como clavos, tornillos o alambre. Esto es adecuado para metales, madera, textiles y plásticos. Para muchos plásticos, se utilizan colas; los pegamentos forman enlaces químicos entre el propio pegamento y las superficies de los plásticos encolados. Los metales se pueden mantener juntos calentando otros metales como agentes de unión, como la soldadura de plomo en las conexiones eléctricas. Alternativamente, los metales se pueden fundir directamente juntos (soldadura); tan pronto como las superficies de metal fundido se enfrían, los metales se juntan. Normalmente, la soldadura requiere una llama abierta o un soplete para alcanzar las altas temperaturas necesarias para fundir superficies metálicas. Por lo tanto, este puede ser un proceso costoso para algunos trabajos de fabricación.

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En la década de 1940 se introdujo un método de soldadura nuevo y más económico. La técnica, la soldadura ultrasónica, utilizaba ondas sonoras de alta frecuencia y presión para unir metales y requería menos energía que la soldadura convencional. La soldadura ultrasónica de metales se desarrolló en las décadas de 1950 y 1990, a medida que los componentes electrónicos utilizados en el equipo se volvían más sofisticados y las computadoras podían controlar el proceso. Desde entonces, la técnica se ha aplicado a los plásticos, donde se ha vuelto muy popular.

En este artículo, veremos el equipo y el proceso físico de la soldadura ultrasónica, cómo los usó New Balance para hacer entrenadores y los pros y contras de la técnica. Primero, echemos un vistazo más de cerca a cómo las ondas sonoras se unen a los materiales, tanto de metal como de plástico.

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