A soldadura por ultra-sons é um processo amplamente reconhecido e aceite para a união de materiais termoplásticos. Ela oferece muitas vantagens, incluindo confiabilidade e repetibilidade do processo, menor consumo de energia que outras técnicas de união, economia de material (porque não há necessidade de consumíveis, como cola ou fixadores mecânicos) e economia de mão-de-obra.
Mas, como em qualquer processo, há situações em que problemas aparentes com esta técnica podem interromper o processo de produção. A chave para resolver e evitar estes problemas é compreender as suas prováveis origens. Os processadores que são bem sucedidos no uso da soldagem ultra-sônica normalmente compartilham dois traços principais: eles têm um processo de soldagem bem documentado e validado; e esse processo é apoiado e mantido por um “campeão” residente bem treinado. Se um ou ambos esses fatores importantes não estiverem presentes, é provável que você peça ajuda muito em breve. Mesmo com ambos presentes, é possível que você precise de alguma ajuda ou assistência técnica pelo menos de vez em quando.
COMO O PROCESSO TRABALHA
Antes de examinar as causas comuns dos problemas de soldagem ultra-sônica, vamos tirar um momento para entender o ciclo de soldagem em si. Na soldadura ultra-sónica, as vibrações de alta frequência são aplicadas nas superfícies de duas partes por uma ferramenta vibratória, normalmente chamada de “buzina” ou “sonotrodo”. A soldagem ocorre como resultado do calor friccional gerado na interface entre as peças. As vibrações ultra-sônicas são criadas por uma série de componentes – fonte de alimentação, conversor, booster e buzina – que fornecem vibração mecânica às peças.
Como mostrado na Fig. 1, a fonte de alimentação toma uma tensão de linha elétrica padrão e a converte para uma freqüência de operação. No exemplo a seguir, utilizaremos uma freqüência de soldagem ultra-sônica comum de 20 kHz, embora a soldagem possa ser realizada em uma faixa de 15 a 60 kHz para atender necessidades especializadas. Em operação, a fonte de alimentação envia energia elétrica na freqüência especificada através de um cabo de RF para o conversor. O conversor utiliza cerâmica piezoelétrica para converter a energia elétrica em vibrações mecânicas na freqüência de operação da fonte de alimentação. Esta vibração mecânica ou é aumentada ou diminuída com base na configuração do booster e da buzina. A amplitude de vibração mecânica adequada é determinada por um engenheiro de aplicações e é baseada nos materiais termoplásticos utilizados nas peças.
As peças a serem soldadas são colocadas sob uma carga mecânica, geralmente com um atuador pneumático que segura o booster e a buzina. Sob esta carga, as vibrações mecânicas são transmitidas à interface entre as superfícies do material, que focaliza as vibrações para criar o atrito intermolecular e superficial. Este atrito cria calor e um derretimento subsequente, que se solidifica numa ligação soldada.
Os componentes básicos de um sistema ultra-sónico são uma fonte de alimentação, um actuador e uma pilha (ver Fig. 2). A fonte de alimentação toma a tensão de linha a uma tensão nominal de 120-240V e a transforma em um sinal de alta tensão e alta freqüência. Ela também contém a programação necessária para operar o atuador e empilhar de forma controlada para alcançar um resultado de solda desejado. O atuador, seja pneumático ou elétrico servo-operado, e disponível como unidade de bancada autônoma ou integrado a um sistema automatizado, move o ferramental ultra-sônico em direção às peças a serem unidas. Aplica a força necessária aos materiais para ajudar a criar as condições de soldadura.
A pilha ultra-sónica completa o sistema. Ela transfere energia vibratória, através do contato direto com as peças, para a superfície de vedação/juntas. A pilha consiste tipicamente em três itens: o transdutor ou conversor (descrito acima), que contém os cristais cerâmicos piezoelétricos que oscilam na freqüência do sinal de alimentação aplicada. Como estes cristais oscilam, eles se expandem e contraem fisicamente, criando um movimento mecânico mensurável (referido como amplitude pico a pico) no lado de saída do transdutor.
A segunda seção, o booster, com um anel acoplado em sua seção média, serve para duas funções: Ele atua como um ponto de montagem da pilha no atuador, e também serve para amplificar ou reduzir o movimento de saída criado no transdutor.
O terceiro e último componente da pilha é a buzina (sonotrodo) que entrará em contato com as partes a serem unidas. A buzina será projetada para combinar com o perfil das peças rígidas a serem unidas ou pode ter um perfil de vedação adicionado à sua face de contato em uma aplicação de filme/textil. Para cada aplicação, a buzina é projetada para combinar com os outros componentes da pilha para atingir o nível ideal de saída de amplitude para permitir que a soldagem ultra-sônica ocorra da forma mais eficiente possível.
TYPICAL SETBACKS
Os tecidos geralmente ocorrem em uma das quatro áreas:
1. Equipamento: O equipamento de soldadura ultra-sónica ou vários componentes de soldadura não são adequados à aplicação.
2. Parâmetros de processo: Os parâmetros utilizados não são adequados para as peças a serem unidas.
3. Materiais: São feitas alterações no tipo, composição ou características físicas/mecânicas dos materiais utilizados nas peças.
4. Projeto da peça: Alguns detalhes da geometria da peça não são adequados para uma soldadura repetível ou bem sucedida.
De notar também que por vezes um problema identificado numa área pode expor uma fraqueza ou deficiência noutra área.
Sigamos o início com o equipamento. É fácil e geralmente lógico pensar que os equipamentos e abordagens que produzem soldas bem sucedidas em uma aplicação o farão em outra. Mas isso não é universalmente verdade. Mundialmente, os soldadores ultra-sônicos de 20 kHz são de longe os mais utilizados; devido à sua versatilidade, esses soldadores podem fornecer saídas de alta potência (até 6000 W) e de alta amplitude, e podem acomodar uma grande variedade de tamanhos de ferramentas disponíveis. Para um fabricante contratado que produz peças soldadas por ultra-som, o equipamento de 20 kHz pode ser um grande investimento, pois oferece a promessa de uso futuro em muitas aplicações.
No entanto, há alguns casos – especialmente com peças pequenas e delicadas – em que as capacidades de alta potência e de alta amplitude do equipamento de 20 kHz podem se mostrar muito “agressivas” para certas montagens, podendo resultar em danos. Uma solução possível é reduzir a amplitude de entrada, mas isto não funcionará se a amplitude aplicada estiver abaixo do nível recomendado para o polímero a ser soldado.
Outra solução é olhar para equipamentos que operam em uma freqüência maior, talvez 30 ou 40 kHz, desde que a ferramenta requerida pela aplicação esteja disponível para uso nesta freqüência. Equipamentos de maior frequência produzem uma saída de menor amplitude, mas compensam por ressonância a uma frequência mais alta. Assim, os soldadores de maior freqüência são considerados “mais suaves” na aplicação de energia ultra-sônica em peças. Os conjuntos eletrônicos, especialmente aqueles com temporizadores/ osciladores delicados e outros componentes localizados em placas de circuito impresso, têm se beneficiado desta abordagem. De forma semelhante, as peças que sofrem de “diafragma” ou “conserva de óleo” devido ao movimento excessivo de uma das peças conjugadas, beneficiarão frequentemente da mudança para equipamento de maior frequência.
Outro factor potencial é o mau funcionamento do equipamento. Estes raramente ocorrem sem aviso prévio. Um exemplo óbvio é uma alteração ou aumento do ruído gerado quando um soldador está em funcionamento. Operadores e pessoal de manutenção experientes estão frequentemente sintonizados com tais flutuações harmônicas sutis e devem sempre comunicar essas alterações aos supervisores. A atenção a “uma roda que ranger” mais cedo ou mais tarde pode muito bem permitir a identificação e resolução de um problema antes que a produção seja adversamente afetada.
Simplesmente, equipamentos ultra-sônicos mais novos permitem aos usuários realizar verificações de funções de diagnóstico interativas, que se interpretadas corretamente e utilizadas em combinação com outros sinais de alerta, como o ruído, podem alertar o usuário sobre tendências preocupantes antes que elas se tornem grandes problemas. Fontes de alimentação, através de protocolos de comunicação avançados, podem obter dados como “resultados de gráficos de solda” e “varreduras de buzina” que podem ser comparados com os dados de base obtidos quando o equipamento era novo, recentemente reparado, ou conhecido por estar executando até o padrão.
Com esta informação, os utilizadores experientes podem então focar a sua resolução de problemas e determinar se é necessária uma acção adicional ou monitorização adicional. Uma vez identificada uma área de preocupação, a substituição de bons componentes conhecidos por componentes suspeitos é uma forma de identificar positivamente os equipamentos de solda que requerem reparo ou ação corretiva. Exemplos de dados de diagnóstico úteis incluem:
– Dados gráficos de soldagem. Isso pode ajudar a identificar as diferenças entre peças boas e peças suspeitas. Os dados exibidos em um gráfico de soldagem, como visto na Fig. 3, incluem amplitude, corrente, potência, frequência e fase. Amplitude, fase, frequência e variações de corrente podem indicar um problema com uma fonte de alimentação ou pilha. Uma discrepância no consumo de energia pode indicar uma mudança no processo (como na pressão de solda), mudança na geometria parcial (as tolerâncias, especialmente na área de junção, podem ter mudado) ou um problema no componente da pilha (uma buzina ou conversor está começando a falhar).
– Diagnóstico de varredura da buzina. Isto identifica se a buzina está a receber mais potência (apresentada como um aumento da potência necessária para funcionar no ar). O aumento de potência pode indicar que uma rachadura está se formando na buzina. Tais rachaduras são às vezes internas e, portanto, nem sempre visíveis a olho nu.
– Dados aleatórios. Dados que parecem caóticos quando comparados com dados conhecidos, bons dados podem indicar uma falha no conversor, na buzina, ou no cabo de radiofrequência, como visto na Fig. 4.
PARÂMETROS DO PROCESSO MATERIAIS
O controle cuidadoso e a documentação dos parâmetros do processo é outra área que não pode ser negligenciada. Os fabricantes de componentes médicos e automotivos sabem disso e seguem procedimentos rigorosos, muitas vezes exigidos por agências reguladoras como a FDA, que resultam em um alto grau de sucesso ao usar a soldagem ultra-sônica.
Felizmente, processadores de outros produtos, como brinquedos ou produtos descartáveis, freqüentemente operam sob requisitos muito menos rigorosos e exercem controles de processo muito mais fracos. Em situações como estas, pode ser comum que os operadores ajustem continuamente as configurações em resposta a mudanças nas condições de peça ou produção. Embora esta abordagem possa resultar numa produção satisfatória, quaisquer problemas que ocorram podem ser mais difíceis de diagnosticar, especialmente remotamente, quando os parâmetros do processo variam frequentemente. Por exemplo, a última mudança de parâmetro foi motivada por um problema no equipamento ou uma mudança na composição ou qualidade da peça?
Tipicamente, quando uma aplicação como esta requer assistência, um engenheiro de aplicações de soldagem por ultra-som, após fazer algumas perguntas básicas sobre as peças (material, projeto da junta, requisitos de teste e configuração atual da máquina) pode direcionar o cliente para a solução adequada. Esta abordagem é especialmente útil se a solução de problemas puder ser realizada diretamente na máquina, utilizando peças de produção. Uma visão geral do processo de resolução de problemas/ajuste de parâmetros é mostrada na Fig. 5.
As questões relacionadas ao material são uma fonte freqüente de inconsistências ou problemas na produção. Como observado nos exemplos a seguir, mesmo pequenas variações nos materiais podem ter efeitos dramáticos na soldagem ou na qualidade da produção:
– Mudanças de polímeros. Como os preços flutuam, é comum que os processadores queiram mudar entre polímeros semelhantes por razões económicas. Entretanto, é aconselhável consultar um especialista em aplicações de soldagem por ultra-som antes de fazer qualquer mudança.
Um exemplo de mudança comum mas potencialmente problemática envolve a mudança de um material amorfo fácil de soldar, como o ABS, para um polímero semi-cristalino muito mais difícil de soldar, como o PP. O ABS requer uma saída de pilha ultra-sônica menor (30-70 mícrons a 20 kHz) para uma soldagem bem sucedida do que o PP (90-120 mícrons). Se esta mudança resultar em peças que não têm a resistência que tinham antes, ou demorar mais tempo para soldar, ou se as soldas causarem danos às superfícies/componentes sensíveis da montagem, o problema pode ser a falta de saída da pilha ultra-sônica. Um exame dos componentes da pilha, particularmente a buzina e o booster, é necessário para determinar se melhorias em qualquer um dos componentes permitirão
a aplicação para soldar o novo polímero eficientemente e trazer a aplicação de volta a uma faixa “normal” de sucesso.
– Alto teor de recuo. Os termoplásticos de rectificação, embora capazes de serem derretidos e reformados inúmeras vezes, sofrem alguma degradação das suas propriedades físicas com cada derretimento subsequente. O efeito cumulativo de muito material triturado pode levar a uma falha das peças no cumprimento das especificações. Por este motivo, a Branson recomenda que não se utilize mais de 10% de rebarbação em peças que devem ser soldadas por ultra-som. Em aplicações específicas que exigem o cumprimento de rigorosos testes e critérios de aceitação, os produtores devem considerar fortemente a análise periódica de riais mate de produção para validar continuamente a qualidade dos riais mate em peças acabadas.
– Conteúdo de enchimento. Muitas vezes, os enchimentos são essenciais para garantir a resistência e durabilidade das peças. No entanto, diferentes tipos e percentagens de enchimento em peças podem afectar o sucesso dos processos de união de plásticos. A Branson recomenda que o conteúdo da massa de enchimento seja mantido em menos de 30%. Juntar peças que contenham um percentual maior de enchimento, particularmente fibras longas, algumas vezes resultará no acúmulo de cargas na junta de solda, o que pode reduzir a resistência da solda.
Outra questão é a das cargas abrasivas. Algumas cargas que conferem maior resistência ou tenacidade, incluindo carbonato de cálcio, sílica e talco, também podem ser abrasivas para as superfícies de contacto das ferramentas. A exposição prolongada de peças abrasivas a superfícies de ferramentas pode causar desgaste que pode levar a danos cosméticos a peças e transferência inadequada de energia para superfícies de união parcial.
Mudar chifres de titânio com superfícies resistentes ao desgaste (carboneto ou nitreto de titânio, por exemplo) é recomendado. Para a fixação, recomenda-se aço ou aço inoxidável endurecido.
Configuração de peças & TROUBLESHOOTING
Dispondo tudo o resto equipamentos, materiais e processos correctos – não significará muito se as peças que está a tentar soldar não forem correctamente projectadas. Mas ao invés de tentar rever todos os detalhes de um bom projeto de peças aqui, vamos focar em algumas das causas básicas do projeto inadequado de peças:
– Falta de objetivos claramente definidos de projeto ou aplicação. Muitos projetos de aplicação experimentam dificuldades quando há um “alvo móvel” para testes e aceitação. Por exemplo, a aplicação irá requerer um teste de queda? Um teste de pressão? E se sim, em que valores? Estes valores são essenciais para proceder eficazmente com o projeto de uma junta de vedação. Geralmente, os critérios de aceitação necessitam de uma consideração e tomada de decisão precoces para que um projeto prossiga sem problemas.
– Falta de compreensão sobre os melhores tipos de juntas para aplicações particulares. Projetos de juntas subótimas geralmente ocorrem quando um projetista principal, que pode ter apenas uma compreensão marginal dos processos de união de plásticos, avança um projeto apenas para descobrir que uma decisão incorreta foi tomada e que as características da junta e da solda da peça não foram devidamente consideradas.
Muitas vezes, tais descobertas são feitas apenas após um investimento significativo (conclusão do molde, produção da peça e ensaios iniciais de solda) já ter sido feito. Mais uma vez, considerações chave relacionadas à peça e à solda (controle de clarão de solda e tipo de vedação hermética, estrutural ou ambas) devem ser determinadas no início do projeto. A colaboração com um engenheiro de soldagem por ultra-som nos estágios iniciais de um projeto pode ajudar a identificar os critérios das peças-chave, educar melhor os projetistas e ajudar a minimizar ou pelo menos iluminar os possíveis riscos.
– O desgaste do molde, geralmente causado pelo uso de polímeros abrasivos ou cargas, pode resultar ao longo do tempo em peças que são substancialmente e dimensionalmente diferentes de peças validadas anteriormente. Como resultado, os principais recursos de união, como diretores de energia ou juntas de interferência de cisalhamento, não estão mais dentro das especificações. Os perfis das peças podem não caber mais adequadamente no conjunto de ferramentas. Os resultados da soldadura podem tornar-se cada vez mais inconsistentes. As soluções para esse problema incluem retrabalhar o molde existente ou produzir um novo molde.
Ultimamente, problemas com peças soldadas por ultra-som podem surgir a partir de muitas fontes. Ligar para o representante local do equipamento de soldagem ultra-sônica assim que houver suspeita de um problema pode permitir o diagnóstico e dicas de solução, muitas vezes realizadas através de chamadas telefônicas ou e-mails que podem ajudá-lo a identificar, minimizar ou resolver potenciais problemas de produção. Para reduzir a necessidade de solução de problemas, siga estas melhores práticas:
– Colabore no início do projeto (ou redesenho se forem contempladas mudanças significativas de material, forma ou funcionais) com os especialistas em engenharia de aplicação do seu fornecedor de equipamentos de soldagem por ultra-som.
– Mantenha sempre disponível uma reserva de componentes sobressalentes e de qualidade de produção, especialmente para aplicações críticas onde as interrupções de produção possam causar preocupações operacionais ou financeiras significativas. As peças sobressalentes de produção são uma ajuda vital para a resolução de problemas de junção e, em uma pitada de fornecimento, podem manter a produção rolando com um mínimo de tempo parado.
– Aproveite as oportunidades de treinamento que lhe permitem dominar a tecnologia de junção de plásticos que você está usando. A Branson, por exemplo, oferece seminários em diversos locais corporativos e locais de clientes, fornecendo o treinamento prático e a assistência técnica necessária para manter o seu processo ultra-sônico “campeão” bem informado sobre a mais recente tecnologia e pronto para treinar e manter a tecnologia conforme necessário em suas instalações. Engenheiros de projeto, engenheiros de qualidade, pessoal de manutenção de equipamentos e pessoal de operações/produção podem todos colher benefícios do tempo investido em sessões de treinamento.
ABOUT THE AUTHOR: David Dahlstrand é o coordenador técnico regional/engenheiro de desenvolvimento têxtil da Emerson para a Branson Ultrasonics Corp., Danbury, Conn. Ele tem conhecimento de aplicações e design de ferramentas para tecnologias de ultra-som, vibração, orbital, térmica e laser-joining utilizadas na montagem de termoplásticos rígidos, têxteis sintéticos e filmes. Contato: (770) 962-2111, ramal 17; [email protected]; emerson.com.
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