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Nov 28, 2023

Entendiendo la soldadura ultrasónica

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HAGA CLIC EN LA IMAGEN PARA AMPLIARLAFigura 1Aunque los medios por los que se producen las vibraciones en el sistema cuña-lengüeta difieren del sistema de accionamiento lateral, los resultados son los mismos.

Las vibraciones ultrasónicas se han utilizado para soldar metales y plásticos desde la década de 1950. Para la soldadura ultrasónica de metales, la naturaleza de estado sólido del proceso, así como otras ventajas, ha dado lugar a aplicaciones generalizadas en las industrias electrónica, automotriz, aeroespacial, de electrodomésticos y médica. Varias características de la soldadura ultrasónica de metales, así como las tendencias recientes en el desarrollo de procesos, están marcando el camino para ampliar el uso del proceso en una serie de sectores industriales.

En la soldadura ultrasónica, las vibraciones ultrasónicas crean un movimiento relativo similar a la fricción entre dos superficies que se mantienen juntas bajo presión. El movimiento deforma, corta y aplana las asperezas de la superficie local, dispersando los óxidos y los contaminantes de la interfaz, para generar contacto metal con metal y unión entre las superficies.1, 2 El proceso es de estado sólido, lo que significa que ocurre sin derretirse ni fusionarse. de los metales base.

Figura 1 representa los dos tipos principales de sistemas utilizados para la soldadura ultrasónica de metales y también muestra detalles del comportamiento local en la zona de soldadura. El sistema de accionamiento lateral consta de un transductor ultrasónico, un amplificador y una bocina/sonotrodo. La fuente de alimentación proporciona energía eléctrica de alta frecuencia al transductor piezoeléctrico, creando una vibración mecánica de alta frecuencia al final del transductor. Una frecuencia operativa típica es 20 kHz, pero es posible 30 kHz o más. Esta vibración se transmite a través de la sección de refuerzo, que puede diseñarse para amplificar la vibración, y luego se transmite a la bocina/sonotrodo, que transmite las vibraciones a las piezas de trabajo.

HAGA CLIC EN LA IMAGEN PARA AMPLIARLAFigura 2a El sistema de soldadura de accionamiento lateral que se muestra aquí proporciona energía eléctrica de alta frecuencia al transductor piezoeléctrico, creando una vibración mecánica de alta frecuencia en el extremo del transductor. Foto cortesía de EWI.

Las piezas de trabajo, por lo general dos láminas delgadas de metal en una junta de solape simple, se sujetan firmemente entre el sonotrodo y un yunque rígido por una fuerza estática. La pieza de trabajo superior se sujeta contra el sonotrodo en movimiento mediante un patrón moleteado en la superficie del sonotrodo. Asimismo, la pieza de trabajo inferior se sujeta contra el yunque mediante un patrón moleteado en el yunque. Las vibraciones ultrasónicas del sonotrodo, que son paralelas a las superficies de la pieza de trabajo, crean un movimiento similar a la fricción entre la interfaz de las piezas de trabajo, lo que provoca la deformación, el corte y el aplanamiento de las asperezas mencionadas anteriormente.

Los componentes del sistema de soldadura están alojados en una carcasa que sujeta el conjunto de soldadura en lugares críticos para no amortiguar las vibraciones ultrasónicas y para proporcionar un medio de aplicar una fuerza y ​​mover el conjunto para poner el sonotrodo en contacto con las piezas de trabajo y aplicar la fuerza estática. Un ejemplo de una soldadora de accionamiento lateral se muestra enFigura 2A.

Un segundo tipo de sistema de soldadura ultrasónica de metales se conoce como cuña-reed. Los elementos clave de este sistema son el transductor de base piezoeléctrica que impulsa un refuerzo, que se denomina cuña debido a su forma distintiva (pero por lo demás desempeña el mismo papel que el refuerzo descrito anteriormente). Luego, la cuña impulsa una varilla vertical (lengüeta) en una vibración de flexión. La vibración en el extremo de la lengüeta se transmite a través del sonotrodo en la lengüeta a las piezas de trabajo (VerFigura 2B).

La disposición de la pieza de trabajo es similar al sistema de accionamiento lateral: está sujeta entre el sonotrodo y el yunque por una fuerza estática. El yunque del sistema cuña-lengüeta no es rígido (como en el accionamiento lateral), pero está diseñado para flexionarse ligeramente bajo la acción de las vibraciones ultrasónicas. Aunque la forma en que se producen las vibraciones en la lengüeta de cuña difiere de la transmisión lateral, los resultados son los mismos: un movimiento vibratorio del sonotrodo que es paralelo a las superficies de la pieza de trabajo y crea el movimiento relativo similar a la fricción en las piezas de trabajo. ' interfaz.

Esto se pone de manifiesto en la mirada más detallada a la zona de soldadura (Figura 1), que muestra que los dos sistemas producen el mismo efecto en la zona de unión por soldadura de una región delgada de material deformado plásticamente donde se ha producido una unión de estado sólido entre las piezas de trabajo, sin fusión de los materiales.

Los sistemas de soldadura por ultrasonidos son similares a los dispositivos de soldadura por puntos porque producen una unión en un área pequeña de las piezas (normalmente del orden de 40 mm2). También es posible producir una soldadura de costura ultrasónica haciendo rodar continuamente un disco sólido vibrado ultrasónicamente sobre las piezas de trabajo. Otros tipos de sistemas de unión ultrasónica incluyen la vibración de torsión y la microunión ultrasónica, que se utilizan ampliamente en la industria electrónica para unir cables finos a circuitos y microchips y donde los tamaños de las soldaduras son del orden de 0,150 mm2.

HAGA CLIC EN LA IMAGEN PARA AMPLIARLAFigura 3aFoto cortesía de Sonobond Corp.

Varios parámetros pueden afectar el proceso de soldadura, como la frecuencia ultrasónica, la amplitud de vibración, la fuerza estática, la potencia, la energía, el tiempo, los materiales, la geometría de la pieza y las herramientas.

Frecuencia ultrasónica. Los transductores de soldadura ultrasónicos están diseñados para operar a una frecuencia específica de 15 a 300 kHz para diferentes sistemas y aplicaciones. La mayoría de los sistemas de soldadura de metales funcionan de 20 a 40 kHz, siendo 20 kHz la frecuencia más común.

Amplitud de vibración. La amplitud de vibración de la punta de soldadura está ligada directamente a la energía entregada a la soldadura. Las amplitudes de vibración ultrasónica son bastante pequeñas: 10, 30 o 50 micrones en la soldadura y rara vez superan los 100 micrones (aproximadamente 0,004 pulgadas). En algunos sistemas de soldadura, la amplitud es una variable dependiente; es decir, está relacionado con la potencia aplicada al sistema. En otros sistemas, la amplitud es una variable independiente que se puede configurar y controlar en la fuente de alimentación a través de un sistema de control de retroalimentación.

Fuerza estática. La fuerza ejercida sobre las piezas de trabajo a través de la punta de soldadura y el yunque crea un contacto íntimo entre las superficies opuestas a medida que comienzan las vibraciones de la soldadura. La magnitud de la fuerza, que depende de los materiales y espesores, así como del tamaño de la soldadura producida, puede ser de decenas a miles de newtons. Por ejemplo, producir una soldadura de 40 mm2 en un aluminio de la serie 6000 puede usar una fuerza de 1500 N, mientras que soldaduras de 10 mm2 en láminas de cobre blando de 0,5 mm de espesor pueden requerir solo 400 N.

Potencia, energía y tiempo. Si bien se enumeran como parámetros de soldadura separados, la potencia, la energía y el tiempo se examinan mejor juntos, ya que todos están estrechamente relacionados. Cuando se realiza una soldadura, el voltaje y la corriente de la fuente de alimentación generan energía eléctrica que fluye hacia el transductor durante el ciclo de soldadura. La energía suministrada es el área bajo la curva de potencia de soldadura. La mayoría de las fuentes de energía para soldadura están clasificadas por la potencia máxima que pueden entregar, y esto varía desde unos pocos cientos de vatios hasta varios kilovatios. La mayoría de los tiempos de soldadura se encuentran en menos de un segundo. Sobre la base de una salida de potencia constante, una soldadura de 0,4 segundos de un soldador de 2 kW proporcionaría 800 julios de energía.

Materiales. Esto abarca una amplia gama de problemas y parámetros relacionados con la soldadura ultrasónica de metales. Primero está el tipo de material o combinación de materiales. Se ha encontrado que la mayoría de los materiales y combinaciones de materiales son soldables de alguna manera, aunque generalmente faltan parámetros de soldadura específicos y datos de rendimiento para la mayoría de ellos. Las propiedades del material, incluido el módulo, el límite elástico y la dureza, son una consideración clave.

En términos generales, las aleaciones blandas como el aluminio, el cobre, el níquel, el magnesio, el oro, la plata y el platino se sueldan más fácilmente mediante ultrasonidos. Las aleaciones más duras como el titanio, el hierro y el acero, y las aleaciones aeroespaciales a base de níquel y los metales refractarios (molibdeno y tungsteno) son más difíciles.

Las características de la superficie del material son otro parámetro, que incluye el acabado, los óxidos, los revestimientos y los contaminantes.

Geometría de la pieza. Las formas de las piezas soldadas juegan un papel importante, siendo el factor dominante el grosor de la pieza. En términos generales, las piezas delgadas tienen más posibilidades de lograr una soldadura ultrasónica exitosa. Aumentar el grosor de la pieza, en particular la pieza que está en contacto con la punta de soldadura, requiere un área de punta de soldadura más grande, más fuerza estática y mayor potencia de soldadura. Los espesores máximos alcanzables dependerán del material y de la potencia disponible de la fuente de poder de soldadura.

Estampación. Compuesto por el sonotrodo/punta de soldadura y el yunque, el utillaje sirve para sostener las piezas y transmitir energía ultrasónica y fuerza estática. En la mayoría de los casos, la punta de la herramienta se mecaniza como parte integral de un sonotrodo sólido (verFigura 2A ), pero en algunos casos se utilizan puntas de herramientas desmontables. Las superficies de contacto de la herramienta normalmente tienen patrones moleteados mecanizados de ranuras y zonas planas u otra superficie rugosa para mejorar el agarre de la pieza de trabajo.

Si bien las superficies de contacto de la punta de soldadura y el yunque suelen ser planas, la punta de soldadura puede diseñarse con una ligera curvatura convexa para cambiar las tensiones de contacto.

HAGA CLIC EN LA IMAGEN PARA AMPLIARLAFigura 3eFoto cortesía de Dukane Corp.

Las aplicaciones para la soldadura ultrasónica se encuentran en las industrias eléctrica/electrónica, automotriz, aeroespacial, de electrodomésticos y médica. Actualmente, las aplicaciones más amplias en estas industrias involucran aleaciones de cobre, aluminio, magnesio y metales más blandos relacionados, incluidos el oro y la plata. Algunos ejemplos son:

Una tendencia futura en el uso de la soldadura ultrasónica es en aplicaciones estructurales automotrices y aeroespaciales, uniendo láminas de aluminio de calibre delgado y otros metales livianos. Se ha demostrado la viabilidad del proceso para paneles de cierre tanto en helicópteros como en aeronaves.

Se están desarrollando sistemas de soldadura más potentes que funcionan a 5 kW y más. Esto permitirá soldar los materiales más difíciles y las juntas más gruesas.

Se están realizando investigaciones que conducen a una mejor comprensión de este proceso de soldadura en varios laboratorios industriales y universitarios para determinar la gama total de materiales y aplicaciones que se pueden unir de manera realista. Se están logrando algunos avances en las configuraciones de juntas además de la junta traslapada más común; el logro de soldaduras a tope se ha informado como un ejemplo. El mayor uso de sensores de proceso puede permitir el monitoreo y una mejor calidad de la junta.

Una aplicación de reciente aparición para la soldadura ultrasónica es la fabricación aditiva, en la que se sueldan cintas metálicas delgadas entre sí, con operaciones de mecanizado intercaladas, para producir piezas metálicas sólidas. Esta aplicación puede tener especial utilidad en el campo del prototipado rápido.

El Dr. Karl Graff es líder tecnológico en ultrasonidos y Matt Bloss es ingeniero de proyectos en el Edison Welding Institute, 1250 Arthur E. Adams Drive, Columbus, OH 43221, 614-688-5000, [email protected].

notas

1. KF Graff (ed. del capítulo), capítulo 8, "Soldadura ultrasónica de metales", Manual de soldadura, 9.ª ed., vol. 4 (Miami: Sociedad Americana de Soldadura, 2007).

2. KF Graff (capítulo ed.), Capítulo 9, "Soldadura ultrasónica de metales", Nuevos desarrollos en soldadura avanzada, ed. N. Ahmed (Cambridge, Inglaterra: Woodhead Publishing, 2005).