La soldadura por ultrasonidos es un proceso ampliamente reconocido y aceptado para unir materiales termoplásticos. Ofrece muchas ventajas, incluyendo la fiabilidad y repetibilidad del proceso, un menor uso de energía que otras técnicas de unión, ahorro de material (porque no hay necesidad de consumibles, como pegamento o sujetadores mecánicos) y ahorro de mano de obra.
Pero como con cualquier proceso, hay situaciones en las que los problemas aparentes con esta técnica pueden interrumpir el proceso de producción. La clave para resolver y evitar estos problemas es entender su probable origen. Los procesadores que tienen éxito en el uso de la soldadura por ultrasonidos suelen compartir dos rasgos principales: tienen un proceso de soldadura bien documentado y validado; y ese proceso está respaldado y mantenido por un «campeón» residente bien formado. Si uno o ambos factores importantes no están presentes, lo más probable es que pronto pida ayuda. Incluso con ambos presentes, es posible que necesite ayuda o asistencia técnica al menos de vez en cuando.
Cómo funciona el proceso
Antes de examinar las causas comunes de los problemas de soldadura por ultrasonidos, tomemos un momento para entender el ciclo de soldadura en sí. En la soldadura por ultrasonidos, se aplican vibraciones de alta frecuencia a las superficies de dos piezas mediante una herramienta vibratoria, comúnmente llamada «cuerno» o «sonotrodo». La soldadura se produce como resultado del calor por fricción generado en la interfaz entre las piezas. Las vibraciones ultrasónicas son creadas por una serie de componentes -la fuente de alimentación, el convertidor, el amplificador y el sonotrodo- que proporcionan una vibración mecánica a las piezas.
Como se muestra en la Fig. 1, la fuente de alimentación toma una tensión de línea eléctrica estándar y la convierte en una frecuencia de funcionamiento. En el siguiente ejemplo, utilizaremos una frecuencia de soldadura ultrasónica común de 20 kHz, aunque la soldadura puede tener lugar en un rango de 15 a 60 kHz para satisfacer necesidades especializadas. En funcionamiento, la fuente de alimentación envía energía eléctrica a la frecuencia especificada a través de un cable de RF al convertidor. El convertidor utiliza cerámica piezoeléctrica para convertir la energía eléctrica en vibraciones mecánicas a la frecuencia de funcionamiento de la fuente de alimentación. Esta vibración mecánica aumenta o disminuye en función de la configuración del amplificador y la bocina. La amplitud de vibración mecánica adecuada la determina un ingeniero de aplicaciones y se basa en los materiales termoplásticos utilizados en las piezas.
Las piezas a soldar se someten a una carga mecánica, generalmente con un actuador neumático que sujeta el booster y el sonotrodo. Bajo esta carga, las vibraciones mecánicas se transmiten a la interfaz entre las superficies del material, que concentra las vibraciones para crear una fricción intermolecular y superficial. Esta fricción crea calor y una fusión posterior, que se solidifica en una unión soldada.
Los componentes básicos de un sistema de ultrasonidos son una fuente de alimentación, un actuador y una pila (véase la Fig. 2). La fuente de alimentación toma la tensión de línea a 120-240V nominales y la transforma en una señal de alto voltaje y alta frecuencia. También contiene la programación necesaria para hacer funcionar el actuador y la pila de forma controlada para conseguir el resultado de soldadura deseado. El actuador, de accionamiento neumático o servoeléctrico, disponible como unidad independiente de sobremesa o integrado en un sistema automatizado, mueve el utillaje ultrasónico hacia las piezas que se van a unir. Aplica la fuerza necesaria a los materiales para ayudar a crear las condiciones de soldadura.
La pila de ultrasonidos completa el sistema. Transfiere la energía vibratoria, a través del contacto directo con las piezas, a la superficie de sellado/unión. La pila consta normalmente de tres elementos: el transductor o convertidor (descrito anteriormente), que contiene los cristales cerámicos piezoeléctricos que oscilan a la frecuencia de la señal de alimentación aplicada. A medida que estos cristales oscilan, se expanden y contraen físicamente, creando un movimiento mecánico medible (denominado amplitud pico a pico) en el lado de salida del transductor.
La segunda sección, el booster, con un anillo unido en su sección media, cumple dos funciones: Actúa como punto de montaje de la pila en el actuador, y también sirve para amplificar o reducir el movimiento de salida creado en el transductor.
El tercer y último componente de la pila es la bocina (sonotrodo) que entrará en contacto con las piezas a unir. El cuerno se diseñará para que coincida con el perfil de las piezas rígidas a unir o puede tener un perfil de sellado añadido a su cara de contacto en una aplicación de película/textil. Para cada aplicación, el sonotrodo está diseñado para combinarse con los otros componentes de la pila para alcanzar el nivel óptimo de salida de amplitud para permitir que la soldadura por ultrasonidos se produzca de la manera más eficiente posible.
DESAFÍOS TIPICOS
Los problemas suelen producirse en una de estas cuatro áreas:
1. Equipo: El equipo de soldadura por ultrasonidos o varios componentes de soldadura no son adecuados para la aplicación.
2. Parámetros del proceso: Los parámetros utilizados no son adecuados para las piezas que se unen.
3. Materiales: Se realizan cambios en el tipo, la composición o las características físico-mecánicas de los materiales utilizados en las piezas.
4. Diseño de la pieza: Ciertos detalles de la geometría de la pieza no son adecuados para una soldadura repetible o exitosa.
También hay que tener en cuenta que a veces un problema identificado en un área puede exponer una debilidad o deficiencia en otra área.
Empecemos por el equipo. Es fácil y normalmente lógico pensar que el equipo y los enfoques que producen soldaduras exitosas en una aplicación lo harán en otra. Pero esto no es universalmente cierto. En todo el mundo, los soldadores por ultrasonidos de 20 kHz son, con diferencia, los más utilizados; debido a su versatilidad, estos soldadores pueden ofrecer salidas de alta potencia (hasta 6000 W) y gran amplitud, y pueden adaptarse a una amplia gama de tamaños de herramientas disponibles. Para un fabricante por contrato que produce piezas soldadas por ultrasonidos, los equipos de 20 kHz pueden ser una gran inversión, ya que ofrecen la promesa de un uso futuro en muchas aplicaciones.
Sin embargo, hay algunos casos -especialmente con piezas pequeñas y delicadas- en los que las capacidades de alta potencia y alta amplitud de los equipos de 20 kHz pueden resultar demasiado «agresivas» para ciertos ensamblajes, lo que podría provocar daños. Una posible solución es reducir la amplitud de entrada, pero esto no funcionará si la amplitud aplicada está por debajo del nivel recomendado para el polímero que se está soldando.
Otro remedio es buscar un equipo que funcione a una frecuencia más alta, quizás 30 o 40 kHz, siempre que el utillaje requerido por la aplicación esté disponible para su uso a esta frecuencia. Los equipos de mayor frecuencia producen una salida de menor amplitud, pero la compensan resonando a una frecuencia más alta. Por ello, los soldadores de mayor frecuencia se consideran «más suaves» en la aplicación de energía ultrasónica a las piezas. Los conjuntos electrónicos, especialmente los que tienen temporizadores/osciladores delicados y otros componentes situados en placas de circuitos impresos, se han beneficiado de este enfoque. De manera similar, las piezas que sufren de «diafragma» o «enlatado de aceite» debido al movimiento excesivo de una de las piezas de acoplamiento, a menudo se beneficiarán del cambio a un equipo de mayor frecuencia.
Otro factor potencial es el mal funcionamiento del equipo. Éstas rara vez se producen sin previo aviso. Un ejemplo obvio es un cambio o aumento en el ruido generado cuando una soldadora está operando. Los operadores experimentados y el personal de mantenimiento suelen estar atentos a estas sutiles fluctuaciones armónicas y siempre deben comunicar estos cambios a los supervisores. Prestar atención a la «rueda chirriante» más pronto que tarde puede permitir la identificación y resolución de un problema antes de que la producción se vea afectada negativamente.
De forma similar, los equipos ultrasónicos más recientes permiten a los usuarios realizar comprobaciones interactivas de la función de diagnóstico, que si se interpretan adecuadamente y se utilizan en combinación con otras señales de advertencia como el ruido, pueden alertar al usuario de tendencias preocupantes antes de que se conviertan en problemas importantes. Las fuentes de alimentación, a través de protocolos de comunicación avanzados, pueden obtener datos como «resultados de gráficos de soldadura» y «escaneos de bocina» que pueden compararse con los datos de referencia obtenidos cuando el equipo era nuevo, había sido revisado recientemente o se sabía que funcionaba a la perfección.
Con esta información, los usuarios experimentados pueden enfocar su solución de problemas y determinar si se requiere una acción adicional o un mayor monitoreo. Una vez que se ha identificado un área de preocupación, la sustitución de componentes buenos conocidos por componentes sospechosos es una forma de identificar positivamente los equipos de soldadura que requieren reparación o acción correctiva. Ejemplos de datos de diagnóstico útiles incluyen:
– Datos del gráfico de soldadura. Esto puede ayudar a señalar las diferencias entre las piezas buenas y las sospechosas. Los datos mostrados en un gráfico de soldadura, como se ve en la Fig. 3, incluyen la amplitud, el consumo de corriente, la potencia, la frecuencia y la fase. Las variaciones de amplitud, fase, frecuencia y corriente pueden indicar un problema con la fuente de alimentación o la pila. Una discrepancia en el consumo de energía podría indicar un cambio en el proceso (como en la presión de la soldadura), un cambio en la geometría de la pieza (las tolerancias, especialmente en la zona de unión, pueden haber cambiado) o un problema en el componente de la pila (un sonotrodo o un convertidor está empezando a fallar).
– Escaneo de diagnóstico del cuerno. Identifica si la bocina está consumiendo más energía (se muestra como un aumento de la potencia necesaria para funcionar en el aire). El aumento del consumo de energía podría indicar que se está formando una grieta en la bocina. Tales grietas son a veces internas y por lo tanto no siempre visibles a simple vista.
– Datos aleatorios. Los datos que parecen caóticos cuando se comparan con datos conocidos y buenos pueden indicar un fallo en el convertidor, en la bocina o en el cable de radiofrecuencia, como se ve en la Fig. 4.
PARÁMETROS DEL PROCESO & MATERIALES
El control cuidadoso y la documentación de los parámetros del proceso es otra área que no se puede pasar por alto. Los productores de componentes médicos y de automoción lo saben y siguen procedimientos estrictos, a menudo exigidos por organismos reguladores como la FDA, que dan como resultado un alto grado de éxito cuando se utiliza la soldadura por ultrasonidos.
Desgraciadamente, los procesadores de otros productos, como juguetes o productos desechables, a menudo operan bajo requisitos mucho menos estrictos y ejercen controles de proceso mucho más débiles. En situaciones como éstas, puede ser habitual que los operarios ajusten continuamente las configuraciones en respuesta a los cambios en la pieza o en las condiciones de producción. Aunque este enfoque puede dar lugar a una producción satisfactoria, cualquier problema que se produzca puede ser más difícil de diagnosticar, especialmente a distancia, cuando los parámetros del proceso varían con frecuencia. Por ejemplo, ¿el último cambio de parámetros fue provocado por un problema del equipo o por un cambio en la composición o calidad de la pieza?
Típicamente, cuando una aplicación como ésta requiere asistencia, un ingeniero de aplicaciones de soldadura por ultrasonidos, después de hacer algunas preguntas básicas sobre las piezas (material, diseño de la unión, requisitos de la prueba y configuración actual de la máquina) puede dirigir al cliente a la solución adecuada. Este enfoque es especialmente útil si la resolución de problemas puede realizarse directamente en la máquina, utilizando piezas de producción. En la Fig. 5 se muestra un resumen del proceso de resolución de problemas/ajuste de parámetros.
Las cuestiones relacionadas con el material son una fuente frecuente de incoherencias o problemas en la producción. Como se indica en los siguientes ejemplos, incluso ligeras variaciones en los materiales pueden tener efectos dramáticos en la calidad de la soldadura o de la producción:
– Cambios de polímeros. Como los precios fluctúan, es común que los procesadores quieran cambiar entre polímeros similares por razones económicas. Sin embargo, es aconsejable consultar con un experto en aplicaciones de soldadura por ultrasonidos antes de realizar cualquier cambio.
Un ejemplo de cambio común pero potencialmente problemático implica pasar de un material amorfo fácil de soldar, como el ABS, a un polímero semicristalino mucho más difícil de soldar, como el PP. El ABS requiere una salida de pila de ultrasonidos más baja (30-70 micras a 20 kHz) para soldar con éxito que el PP (90-120 micras). Si este cambio hace que las piezas no tengan la resistencia que tenían antes, o que tarden más en soldarse, o si las soldaduras causan daños a superficies/componentes de montaje sensibles, el problema podría ser la falta de salida de la pila de ultrasonidos. Se justifica un examen de los componentes de la pila, particularmente el sonotrodo y el reforzador, para determinar si las mejoras en cualquiera de los componentes permitirán
que la aplicación suelde el nuevo polímero de manera eficiente y que la aplicación vuelva a tener un rango «normal» de éxito.
– Alto contenido de remolido. Los termoplásticos reenvasados, aunque pueden fundirse y reformarse numerosas veces, sufren cierta degradación de sus propiedades físicas con cada fusión posterior. El efecto acumulativo de un exceso de material refundido puede hacer que las piezas no cumplan las especificaciones. Por esta razón, Branson recomienda no utilizar más del 10% de material refundido en las piezas que se van a soldar por ultrasonidos. En aplicaciones específicas que exigen el cumplimiento de rigurosas pruebas y criterios de aceptación, los productores deben considerar seriamente el análisis periódico de los materiales de producción para validar continuamente la calidad de los materiales que van a las piezas acabadas.
– Contenido de relleno. A menudo, los rellenos son esenciales para garantizar la resistencia y la durabilidad de las piezas. Sin embargo, los diferentes tipos y porcentajes de rellenos en las piezas pueden afectar al éxito de los procesos de unión de plásticos. Branson recomienda que el contenido de relleno se mantenga por debajo del 30%. La unión de piezas que contienen un mayor porcentaje de relleno, en particular de fibras largas, a veces da lugar a que los rellenos se acumulen en la junta de soldadura, lo que puede reducir la resistencia de la misma.
Otro problema son los rellenos abrasivos. Algunas cargas que aportan resistencia o dureza adicional, como el carbonato de calcio, la sílice y el talco, también pueden ser abrasivas para las superficies de contacto del utillaje. La exposición prolongada de las piezas abrasivas a las superficies del utillaje puede causar un desgaste que podría provocar daños estéticos en las piezas y una transferencia de energía inadecuada a las superficies de unión de las piezas.
Se recomienda cambiar a cuernos de titanio con superficies resistentes al desgaste (carburo o nitruro de titanio, por ejemplo). Para la fijación, se recomienda el acero o el acero inoxidable endurecido.
CONFIGURACIÓN DE LAS PIEZAS&
Tener todo lo demás correcto -equipo, materiales y proceso- no significará mucho si las piezas que se intentan soldar no están bien diseñadas. Pero en lugar de tratar de revisar todos los detalles de un buen diseño de piezas aquí, vamos a centrarnos en algunas de las causas básicas de un diseño de piezas inadecuado:
– Falta de objetivos claramente definidos del proyecto o de la aplicación. Muchos proyectos de aplicación experimentan dificultades cuando hay un «objetivo móvil» para las pruebas y la aceptación. Por ejemplo, ¿la aplicación requerirá una prueba de caída? ¿Una prueba de presión? Y si es así, ¿a qué valores? Estos valores son esenciales para proceder eficazmente al diseño de una junta de estanqueidad. Por lo general, los criterios de aceptación deben considerarse y decidirse con antelación para que el diseño se lleve a cabo sin problemas.
– Falta de conocimiento sobre los mejores tipos de juntas para aplicaciones concretas. Los diseños de uniones que no son óptimos ocurren a menudo cuando un diseñador principal, que puede tener sólo un conocimiento marginal de los procesos de unión de plásticos, avanza en un proyecto sólo para descubrir que se ha tomado una decisión incorrecta y que las características de la unión de la pieza y de la soldadura no se han considerado adecuadamente.
A menudo, estos descubrimientos se hacen sólo después de que se haya realizado una inversión significativa (finalización del molde, producción de la pieza y pruebas iniciales de soldadura). Una vez más, las consideraciones clave relacionadas con las piezas y las soldaduras (control del destello de la soldadura y tipo de sellado -hermético, estructural o ambos-) deben determinarse al principio del proyecto. La colaboración con un ingeniero de soldadura por ultrasonidos en las fases iniciales de un proyecto puede ayudar a identificar los criterios clave de las piezas, educar mejor a los diseñadores y ayudar a minimizar o al menos iluminar los posibles riesgos.
– El desgaste del molde, normalmente causado por el uso de polímeros o rellenos abrasivos, puede dar lugar con el tiempo a piezas que son sustancialmente y dimensionalmente diferentes de las piezas validadas anteriormente. Como resultado, las principales características de unión, como los directores de energía o las juntas de interferencia de cizallamiento, ya no están dentro de las especificaciones. Los perfiles de las piezas pueden dejar de encajar correctamente en el conjunto de herramientas. Los resultados de la soldadura pueden ser cada vez más inconsistentes. Los remedios para este problema incluyen la reelaboración del molde existente o la producción de un nuevo molde.
En definitiva, los problemas con las piezas soldadas por ultrasonidos pueden surgir de muchas fuentes. Llamar a su representante local de equipos de soldadura por ultrasonidos tan pronto como se sospeche de un problema podría permitir el diagnóstico y los consejos de solución, a menudo realizados a través de llamadas telefónicas o correos electrónicos que pueden ayudarle a identificar, minimizar o resolver posibles problemas de producción. Para reducir la necesidad de solucionar problemas, siga estas mejores prácticas:
– Colabore desde el principio en el diseño de su proyecto (o rediseño si se contemplan cambios significativos de material, forma o funcionalidad) con los expertos en ingeniería de aplicaciones de su proveedor de equipos de soldadura por ultrasonidos.
– Mantenga siempre disponible una reserva de componentes de calidad de producción de repuesto, especialmente para aplicaciones críticas en las que las interrupciones de la producción causarían importantes problemas operativos o financieros. Las piezas de repuesto de producción son una ayuda vital para solucionar problemas de unión y, en caso de apuro de suministro, pueden mantener la producción en marcha con un mínimo de tiempo de inactividad.
Aproveche las oportunidades de formación que le permitan dominar la tecnología de unión de plásticos que está utilizando. Branson, por ejemplo, ofrece seminarios en diversos lugares de la empresa y en las instalaciones de los clientes, proporcionando la formación práctica y la asistencia técnica necesarias para mantener a su «campeón» del proceso ultrasónico bien informado sobre la última tecnología y listo para formar y mantener la tecnología según sea necesario en sus instalaciones. Los ingenieros de diseño, los ingenieros de calidad, el personal de mantenimiento de los equipos y el personal de operaciones/producción pueden beneficiarse del tiempo invertido en las sesiones de formación.
SOBRE EL AUTOR: David Dahlstrand es coordinador técnico regional/ingeniero de desarrollo textil de Emerson para Branson Ultrasonics Corp., Danbury, Conn. Tiene conocimientos de aplicaciones y diseño de herramientas para tecnologías de unión por ultrasonidos, vibración, orbital, térmica y láser utilizadas en el montaje de termoplásticos rígidos, textiles sintéticos y películas. Contacto: (770) 962-2111, ext 17; [email protected]; emerson.com.
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