Entendiendo la soldadura ultrasónica

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 utilizan para soldar metales y plásticos desde los años cincuenta. 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 de metales por ultrasonidos, así como las tendencias recientes en el desarrollo de procesos, están abriendo el camino hacia un uso ampliado del proceso en varios 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 locales de la superficie, dispersando óxidos y contaminantes de la interfaz, para lograr el contacto metal con metal y la unión entre las superficies.1, 2 El proceso es de estado sólido, lo que significa que ocurre sin fusión ni fusión. de los metales base.

Figura 1 Representa los dos tipos principales de sistemas utilizados para la soldadura de metales por ultrasonidos y también muestra detalles del comportamiento local en la zona de soldadura. El sistema de accionamiento lateral comprende 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 en el extremo del transductor. Una frecuencia de funcionamiento típica es de 20 kHz, pero es posible alcanzar 30 kHz o más. Esta vibración se transmite a través de la sección de refuerzo, que puede estar diseñada 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, normalmente dos finas láminas de metal en una simple unión solapada, se sujetan firmemente entre el sonotrodo y un yunque rígido mediante una fuerza estática. La pieza de trabajo superior está sujeta contra el sonotrodo en movimiento mediante un patrón moleteado en la superficie del sonotrodo. Asimismo, la pieza de trabajo inferior está 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 relativo similar a una fricción entre la interfaz de las piezas de trabajo, provocando la deformación, el corte y el aplanamiento de las asperezas observadas anteriormente.

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

Un segundo tipo de sistema de soldadura de metales por ultrasonidos se conoce como cuña-reed. Los elementos clave de este sistema son el transductor piezoeléctrico que impulsa un propulsor, que se llama cuña debido a su forma distintiva (pero por lo demás desempeña el mismo papel que el propulsor descrito anteriormente). Luego, la cuña impulsa una varilla vertical (caña) hacia una vibración de flexión. La vibración al final de la caña se transmite a través del sonotrodo en la caña 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 mediante una fuerza estática. El yunque del sistema cuña-lengüeta no es rígido (como ocurre con 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 cuña-lengüeta difiere del accionamiento lateral, el resultado es el mismo: un movimiento vibratorio del sonotrodo que es paralelo a las superficies de la pieza de trabajo y crea un movimiento relativo similar a la fricción en las piezas de trabajo. ' interfaz.

Esto se pone de manifiesto en la vista más detallada de la zona de soldadura (Figura 1), lo 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 que los materiales se fundan.

Los sistemas de soldadura ultrasónica 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 que vibra ultrasónicamente sobre las piezas de trabajo. Otros tipos de sistemas de unión ultrasónica incluyen vibración de torsión y microunión ultrasónica, utilizados 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 la 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 ultrasónica están diseñados para funcionar a una frecuencia específica de 15 a 300 kHz para diferentes sistemas y aplicaciones. La mayoría de los sistemas de soldadura de metales funcionan entre 20 y 40 kHz, siendo 20 kHz la frecuencia más común.

Amplitud de vibración. La amplitud de vibración de la punta de soldadura está directamente relacionada con 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 exceden 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 capaz de configurarse y controlarse en la fuente de alimentación mediante 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 requerir una fuerza de 1500 N, mientras que soldaduras de 10 mm2 en una lámina de cobre blando de 0,5 mm de espesor pueden requerir solo 400 N.

Poder, energía y tiempo. Si bien se enumeran como parámetros de soldadura separados, es mejor examinar la potencia, la energía y el tiempo juntos, ya que todos están estrechamente relacionados. Cuando se realiza una soldadura, el voltaje y la corriente de la fuente de alimentación dan como resultado energía eléctrica que fluye hacia el transductor durante el ciclo de soldadura. La energía entregada es el área bajo la curva de potencia de soldadura. La mayoría de las fuentes de energía para soldadura se clasifican según la potencia máxima que pueden ofrecer, que varía desde unos pocos cientos de vatios hasta varios kilovatios. La mayoría de los tiempos de soldadura son inferiores a un segundo. Basado en una producción de potencia constante, una soldadura de 0,4 segundos con un soldador de 2 kW produciría 800 julios de energía.

Materiales. Esto abarca una amplia gama de cuestiones y parámetros relacionados con la soldadura de metales por ultrasonidos. El primero es el tipo de material o combinación de materiales. Se ha descubierto 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, incluidos 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, 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 acabado, óxidos, revestimientos y contaminantes.

Geometría de la pieza. La forma de las piezas soldadas juega un papel importante, siendo el factor dominante el espesor de la pieza. En términos generales, las piezas delgadas tienen más posibilidades de lograr una soldadura ultrasónica exitosa. Aumentar el espesor de la pieza, en particular la pieza que hace 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 soldadura.

Estampación. Compuesto por el sonotrodo/punta de soldadura y el yunque, el útil sirve para soportar 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 las herramientas suelen tener patrones moleteados mecanizados de ranuras y resaltes u otras superficies rugosas 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 curvatura ligeramente convexa para cambiar las tensiones de contacto.

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

Las aplicaciones de 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. La viabilidad del proceso ha quedado demostrada para paneles de cierre tanto en helicópteros como en aviones.

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

En varios laboratorios industriales y universitarios se están llevando a cabo investigaciones que conducirán a una mejor comprensión de este proceso de soldadura 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 de regazo más común; Se ha informado como ejemplo el logro de soldaduras a tope. El mayor uso de sensores de proceso puede permitir un seguimiento y una mejor calidad de las juntas.

Una aplicación que ha surgido recientemente para la soldadura ultrasónica es la fabricación aditiva, en la que se sueldan entre sí finas cintas metálicas, 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 el líder tecnológico en ultrasonidos y Matt Bloss es ingeniero de proyectos en Edison Welding Institute, 1250 Arthur E. Adams Drive, Columbus, OH 43221, 614-688-5000, [email protected].

Notas

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

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