Conceptos Básicos del Ultrasonido
¿Qué es Ultrasonido?
El sonido es la propagación de las más pequeñas variaciones de presión y densidad en un medio elástico (gas, líquido, cuerpo de estado sólido). Por ejemplo, se genera un ruido cuando el aire en un punto específico se comprime más que en el área circundante. Posteriormente, la capa con presión modificada se propaga notablemente rápido en todas las direcciones a una velocidad de sonido de 343 m / s.
Las frecuencias acústicas entre 16 kHz y 1 GHz se conocen como ultrasonido; en entornos industriales lo llamamos "ultrasonidos". Para aclarar: las personas pueden escuchar frecuencias entre 16 Hz y 20 kHz; es decir, las frecuencias más bajas de los ultrasonidos industriales son audibles, especialmente si se generan frecuencias secundarias. Y lo que es más, los ultrasonidos son palpables al tocar la herramienta de soldadura. Para la soldadura ultrasónica, el rango de frecuencia está entre 20 kHz y 70 kHz. Campos de aplicación adicionales: la ecografía por imágenes en el campo del diagnóstico médico oscila entre 1 y 40 MHz. No es audible ni palpable. En el campo de las pruebas de materiales industriales, los ultrasonidos se utilizan a frecuencias de 0,25 a 10 MHz.
¿Cómo funcionan los ultrasonidos?
Las vibraciones ultrasónicas son ondas longitudinales mecánicas que:
- lograr la deformación en materiales plásticos
- causa fricción entre las moléculas
El calor de fricción resultante genera una fusión que une a los asociados de unión dentro de las moléculas.
La fricción ocurre debido a las impedancias en el material, la absorción y el reflejo de la vibración mecánica:
- fricción interna en el enlace molécula = trabajo disipativo
- fricción externa entre socios de unión = fricción superficial
¿Qué es la Soldadura Ultrasónica?
La soldadura ultrasónica de materiales termoplásticos es una tecnología de soldadura que utiliza vibraciones mecánicas para generar calor debido a la fricción molecular. Estas vibraciones excitan las moléculas en el plástico para que comiencen a moverse. El plástico se vuelve suave y comienza a derretirse. Los componentes se unen mediante uniones cohesivas o de ajuste de forma. Después de un breve tiempo de mantenimiento bajo presión, se unen firmemente molecularmente.
Tecnología de soldadura por ultrasonidos
La tecnología de unión ultrasónica se ha establecido como un método de unión para materiales termoplásticos técnicos en una gran variedad de aplicaciones en toda la industria del procesamiento de plásticos.
Debido a:
- altas velocidades de proceso
- resultados repetibles de soldadura
La tecnología es preferida para la producción de alto volumen en la industria automotriz, eléctrica, médica, de embalaje, de higiene y de filtros.
La buena calidad de unión en términos de resistencia, estanqueidad y apariencia visual se logra particularmente si el material y el diseño de la pieza son adecuados para el proceso ultrasónico. Esto significa que, desde el principio, deben diseñarse de forma tal que las ondas ultrasónicas se enfoquen en la zona de soldadura.
Los factores a continuación controlan el proceso de soldadura:
Componente y factores de soldadura por ultrasonidos
Este es un ejemplo de soldadura de lengüeta y ranura:
Condición no Soldada y Condición Soldada
El Sistema de Soldadura Ultrasónica
El sistema completo de soldadura ultrasónica está compuesto de componentes activos y pasivos. Los componentes activos generan las vibraciones, las transfieren y las aplican a las partes de soldadura. Los componentes pasivos absorben las fuerzas resultantes, mantienen las piezas en su lugar y, en particular, soportan la unión de soldadura.
Activo:
- Generador ultrasónico
- Convertidor
- Aumentador de presión
- Herramienta de soldadura denominada sonotrodo
Pasivo:
- Accesorio o yunque
El convertidor, el amplificador y el sonotrodo se combinan para formar lo que se conoce como pila.
El generador ultrasónico totalmente digital utiliza la tensión de alimentación para generar alta tensión en la frecuencia ultrasónica requerida respectivamente. Todos los datos relevantes para el proceso de soldadura se miden y analizan con precisión. El generador protege el sistema de vibración de la sobrecarga, mantiene la amplitud (movimiento de la herramienta) a un nivel constante y compensa el comportamiento vibratorio cambiante de diferentes herramientas de soldadura.
El convertidor representa la interfaz entre el área eléctrica y la mecánica. Utilizando el efecto piezoeléctrico inverso, convierte la oscilación eléctrica en vibración longitudinal mecánica y la transfiere al amplificador o al sonotrodo.
El transformador de amplitud, a menudo denominado amplificador, aumenta o reduce la amplitud proveniente del convertidor. Al estar suspendido en el plano nodal, el amplificador también se puede utilizar para soportar la pila sin vibraciones en la máquina de soldadura por ultrasonidos y para la transmisión de fuerzas.
El sonotrodo es la herramienta de soldadura activa real, transmite las vibraciones mecánicas en la parte; es decir, lanza la vibración ultrasónica. Dependiendo de su geometría de diseño, el sonotrodo puede aumentar o reducir la amplitud.
La pila siempre se adapta y optimiza con respecto al material plástico y la geometría del contacto de la pieza.
Pila, que comprende el convertidor, el amplificador y el sonotrodo
Vibración - Amplitud -Frecuencia
Durante el proceso de soldadura ultrasónica, se aplican vibraciones mecánicas con amplitud, fuerza y duración definidas a los materiales a soldar. Debido a la fricción intermolecular y superficial, se genera calor y se derrite el material.
El núcleo del sistema de soldadura ultrasónica es la pila. Está formado por el convertidor piezoeléctrico, el amplificador (transformador de amplitud) y el sonotrodo. La pila se contrae y se expande con la frecuencia ultrasónica. Las vibraciones resultantes son ondas longitudinales. El recorrido de la herramienta de soldadura, es decir, la distancia entre la posición del pico y la posición cero, se conoce como amplitud: en la soldadura ultrasónica, la amplitud está entre 5 y 50 μm.
Definición de longitud de onda de frecuenca de amplitud
La longitud de onda λ se calcula a partir de la velocidad del sonido, que es una característica del material, y la frecuencia.
Definición de amplitud
La amplitud a se define como la mitad de la amplitud de oscilación, es decir, de cero a valor máximo.
Unidad: Micrómetro [μm]
Definición de frecuencia
La frecuencia f es la cantidad de ciclos por unidad de tiempo
Unidad: Hertz [Hz]
Definición de longitud de onda
La longitud de onda l (Lambda) es la distancia entre dos estados iguales a lo largo de una onda.
Unidad: Milímetro [mm]
Diagrama esquemático del movimiento del sonotrodo
El Principio de Enfocarse en la Energía
El secreto de la soldadura ultrasónica es enfocar el ultrasonido con un director de energía. De esta manera, es posible generar calor y, posteriormente, derretir, restringido a un área localmente definida, mientras se usa solo poca energía. Las superficies de contacto de gran superficie son contraproducentes; requieren alta potencia y solo logran áreas de unión indefinidas con poca resistencia.
El enfoque de energía se logra mediante:
- el director de energía (ED)
- diseño de sonotrodo
- contornear el perfil del yunque
Posibilidades de enfoque de energía debido a variaciones en el diseño de la articulación
Posibilidades de enfoque de energía debido a variaciones en el diseño del sonotrodo
Enfoque por la forma del sonotrodo (herramienta de soldadura); por ejemplo, durante el proceso de replanteo ultrasónico, el sonotrodo asume la tarea de la concentración de energía.
La punta de centrado sirve como ayuda de iniciación de fusión.
Posibilidades de enfoque de energía debido a variaciones en estructuras de yunque
Enfoque por medio del contorno de la estructura del yunque para materiales web como película, cartón y tela sin tejer. La deformación local se logra mediante contornos de yunque o sonotrodo.
¿Cuáles son Plásticos Soldables?
Hay materiales termoplásticos, elastómeros y resinas termoestables: los materiales termoplásticos son plásticos que se procesan por calor y son muy adecuados para la soldadura ultrasónica. Los elastómeros son plásticos que se procesan mediante reticulación; no reaccionan a los ultrasonidos. Lo mismo se aplica a las resinas termoestables que se procesan mediante curado y no se pueden soldar por medio de ultrasonidos. La soldadura de plástico se define como la unión de material molecular de materiales termoplásticos.
Como regla general: solo los materiales termoplásticos idénticos se pueden soldar homogéneamente. Todos los materiales termoplásticos (excepto PTFE) se pueden soldar. PC, PMMA y ABS pueden soldarse entre sí bajo ciertas condiciones. Por medio de replanteo, incrustación y estampación también es posible unir otros tipos de materiales a materiales termoplásticos. Igualmente, es posible unir materiales delgados, como películas o membranas de PET, con piezas de plástico rígido.
Propiedades decisivas del material:
- E-module: promueve la conducción del sonido y determina el acoplamiento
- Amortiguación: promueve la generación de calor
- Punto de fusión: determina el requerimiento de calor
- Viscosidad de la masa fundida: las fusiones de alta viscosidad se pueden mantener más fácilmente en el área de unión, la secuencia del proceso es más uniforme
Los siguientes factores tienen un impacto negativo en la soldabilidad:
- Aditivos, como agentes de control de incendios
- Humedad (particularmente en poliamida)
Los siguientes aditivos tienen una influencia positiva en el trabajo de soldadura:
- Fibras de vidrio
- Cuentas de vidrio
Estos materiales de refuerzo mejoran predominantemente la conductividad del sonido en plásticos semicristalinos.
Conceptos Básicos del Ultrasonido
Reviewed by Daniel Planas Cortés
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18:41:00
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