Cómo funciona la soldadura ultrasónica

En la comedia musical de 1982 "Victor Victoria", Julie Andrews canta una nota alta al final del acto de cabaret parisino de su personaje. Ella sostiene la nota y las copas de champán que hay alrededor de la habitación se hacen añicos. Esto demostró brillantemente cómo los sonidos agudos o de alta frecuencia pueden romper los materiales. ¿Pero sabías que se pueden utilizar sonidos de alta frecuencia para unir materiales? Una tecnología llamada soldadura ultrasónica se utiliza para ensamblar productos de muchas industrias, desde dispositivos médicos hasta calzado deportivo y automóviles.

Normalmente, puedes unir materiales utilizando sujetadores como clavos, tornillos o roscas. Esto es apropiado para metales, madera, telas y plásticos. Para muchos plásticos se utilizan colas; Los pegamentos forman enlaces químicos entre el propio pegamento y las superficies de los materiales plásticos unidos. Los metales se pueden mantener unidos calentando otros metales como agente adhesivo, como la soldadura de plomo en las conexiones eléctricas. Alternativamente, los metales se pueden fundir directamente (soldadura); Una vez que las superficies del metal derretido se enfrían, los metales se unen. La soldadura generalmente requiere una llama abierta o un soplete para alcanzar las altas temperaturas necesarias para fundir las superficies metálicas. Por lo tanto, puede ser un proceso costoso para algunos trabajos de fabricación.

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En la década de 1940 se introdujo un método de soldadura nuevo y más rentable. La técnica, la soldadura ultrasónica, utilizaba ondas sonoras de alta frecuencia y presión para unir metales y requería menos energía que la soldadura convencional. La soldadura de metales ultrasónica se desarrolló entre los años 1950 y 1990 a medida que la electrónica utilizada en el equipo se volvió más sofisticada y las computadoras podían controlar el proceso. Desde entonces, la técnica se ha aplicado a los plásticos, donde se ha vuelto realmente popular.

En este artículo, analizaremos el equipo y el proceso físico de la soldadura ultrasónica, cómo New Balance la ha utilizado para fabricar calzado deportivo y las ventajas y desventajas de esta técnica. Primero, echemos un vistazo más de cerca a cómo las ondas sonoras unen materiales, tanto metálicos como plásticos.

Nos gustaría agradecer a Kenneth Straka, desarrollador senior de productos de New Balance, por su ayuda con este artículo.

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Frótese las manos rápidamente. ¿Notas algo? Se calentaron, ¿verdad? Si toma un martillo y golpea una superficie de metal rápida y repetidamente, encontrará que el lugar donde el martillo golpea el metal también se calienta. En ambos ejemplos, el calor se debe a la fricción. Ahora imagina frotarte las manos o golpear ese martillo miles de veces por segundo. El calor por fricción generado puede aumentar significativamente la temperatura en muy poco tiempo. Básicamente, el sonido de alta frecuencia (ultrasonido) provoca rápidas vibraciones dentro de los materiales a soldar. Las vibraciones hacen que los materiales rocen entre sí y la fricción eleva la temperatura en las superficies en contacto. Este rápido calor por fricción es lo que establece las condiciones para que los materiales se unan.

El equipo de soldadura ultrasónica tiene cuatro partes principales. Una fuente de alimentación convierte electricidad de baja frecuencia (50-60 Hz) en electricidad de alta frecuencia (20 - 40 kHz; 1 kHz = 1000 Hz). A continuación, un transductor o convertidor convierte la electricidad de alta frecuencia en sonido de alta frecuencia (ultrasonido). Un amplificador aumenta las vibraciones de los ultrasonidos. Finalmente, una bocina o sonotrodo enfoca las vibraciones ultrasónicas y las transmite a los materiales a soldar. Además de estas piezas, existe un yunque sobre el que se apilan y sujetan los materiales soldados. También existe algún método para aplicar fuerza (generalmente presión de aire suministrada por un pistón neumático) para mantener unidos los materiales durante la soldadura.

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Entonces, ¿qué materiales e industrias aprovechan este inteligente proceso? La soldadura ultrasónica de plásticos se utiliza ampliamente en la fabricación de productos electrónicos, dispositivos médicos y piezas de automóviles. Por ejemplo, la soldadura ultrasónica se utiliza para realizar conexiones eléctricas en placas de circuitos de computadoras y ensamblar componentes electrónicos como transformadores, motores eléctricos y capacitores. Los dispositivos médicos, como catéteres, válvulas, filtros y mascarillas, también se ensamblan mediante soldadura ultrasónica. La industria del embalaje utiliza esta técnica para fabricar películas, ensamblar tubos y blisters. Incluso Ford Motor Company ha explorado el uso de soldadura ultrasónica para fabricar chasis de aluminio en automóviles.

Ahora que conoce los conceptos básicos de la soldadura ultrasónica, veamos el proceso de soldadura en sí.

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El proceso básico de soldadura ultrasónica se puede describir mediante los siguientes pasos:

Los tiempos de soldadura, las presiones aplicadas y las temperaturas se controlan mediante una computadora o microprocesador dentro del aparato de soldadura. Y lo que realmente sucede durante el proceso de soldadura depende de la naturaleza de los materiales. En los metales, las vibraciones ultrasónicas se envían paralelas al plano de los materiales. El calor por fricción aumenta la temperatura de las superficies metálicas hasta aproximadamente un tercio de la temperatura de fusión, pero no funde los metales. En cambio, el calor elimina los óxidos metálicos y las películas de las superficies. Esto permite que los átomos del metal se muevan entre las dos superficies y formen enlaces que mantienen unidos los metales.

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En el caso de los plásticos, las vibraciones son perpendiculares al plano de los materiales y el calor de fricción aumenta la temperatura lo suficiente como para fundir los plásticos. Las moléculas de plástico se mezclan y forman enlaces. Al enfriarse, las superficies de plástico se sueldan entre sí. Los tiempos de soldadura pueden variar, pero las soldaduras pueden formarse en tan solo 0,25 segundos.

Los factores que varían en la soldadura ultrasónica son la frecuencia de las ondas sonoras (generalmente 20, 30 o 40 kHz), la presión aplicada para mantener unidos los materiales y el tiempo durante el cual se aplica el ultrasonido (de fracciones de segundo a más de un segundo).

Las técnicas de soldadura por ultrasonidos descritas hasta ahora son buenas para materiales (metales, plásticos) similares. Pero ¿qué pasa con los materiales que no son similares? Abordemos esta pregunta observando cómo New Balance ha utilizado la soldadura ultrasónica para ensamblar calzado deportivo.

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Mira un par de zapatos deportivos. Si bien los zapatos tradicionales pueden estar hechos de un solo material, como lona o gamuza, muchos zapatos deportivos tienen varios materiales, como polímeros plásticos livianos, gamuza o gamuza sintética y malla combinadas. Estos materiales compuestos hacen que los zapatos sean ligeros, flexibles, duraderos y transpirables. Por ejemplo, un estilo de calzado deportivo New Balance tiene una parte superior que consta de tres partes.

Pero, ¿cómo se combinan estos materiales? Lo más habitual es que las empresas de calzado cosen los materiales. Sin embargo, hace unos dos o tres años, New Balance se propuso fabricar la parte superior de un zapato sin costuras. Después de experimentar con películas adhesivas de polímeros y planchas, se les ocurrió una forma de fabricar esta parte del zapato mediante soldadura ultrasónica.

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Para ensamblar la parte superior del zapato, los trabajadores comienzan con una pieza de material de gamuza sintética. Utilizan una prensa de hierro para unir una fina lámina de película termofusible a la parte posterior del material. A continuación, un conjunto de soldadura ultrasónica presiona un empeine con patrón en un material de gamuza. Del mismo modo, una máquina de soldadura por ultrasonidos similar presiona la fila de ojos de la silla a partir de otra pieza de ante sintético. La forma del empeine se corta de la gamuza. La fila de ojos del sillín y el material de malla se sueldan ultrasónicamente al empeine. En los procesos, el calor de fricción del soldador ultrasónico derrite la película termofusible, que une la fila de ojos de la silla y el material de malla al empeine. Luego, al empeine terminado se le da forma y se une a la suela y al talón utilizando solventes a base de agua.

Según Kenneth Straka, desarrollador senior de productos de New Balance, los métodos de soldadura ultrasónica han aumentado la productividad al ahorrar tiempo. Los soldadores ultrasónicos no sólo distribuyen el calor de manera más uniforme que las prensas de hierro, sino que también se calientan y enfrían más rápido. Por tanto, el proceso de montaje requiere menos pasos y es más rápido que los métodos de costura tradicionales.

Ahora que hemos visto cómo se utiliza la soldadura ultrasónica para unir diversos materiales, veamos las ventajas y desventajas de esta técnica.

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La soldadura ultrasónica tiene muchas ventajas sobre los métodos tradicionales. Por un lado, la soldadura se produce a bajas temperaturas en comparación con otros métodos. Por lo tanto, el fabricante no necesita gastar grandes cantidades de combustible u otra energía para alcanzar altas temperaturas. Esto abarata el proceso. También es más rápido y seguro.

El proceso ocurre en fracciones de segundo a segundos. Por tanto, se puede realizar más rápidamente que otros métodos. De hecho, puede unir plásticos mejor y más rápido que los pegamentos. Por ejemplo, las nuevas llaves inteligentes de los coches llevan un chip transpondedor. El coche sólo puede arrancar cuando detecta el chip. Para hacer la llave, se coloca un extremo de la llave de metal en bruto y el chip en la mitad de la parte superior de plástico. La otra mitad se coloca sobre ellos y se une a la mitad base. Esta unión generalmente se realiza con pegamento, que requiere tiempo para curarse. La misma tarea se puede realizar con soldadura ultrasónica en menos de un segundo.

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La soldadura ultrasónica no requiere combustibles inflamables ni llamas abiertas, por lo que, en comparación con otros métodos de soldadura, es un proceso más seguro. Los trabajadores no están expuestos a gases inflamables ni a disolventes nocivos. En electrónica, los cables de cobre generalmente se unen a contactos eléctricos en placas de circuito mediante soldadura. La misma tarea se puede realizar mediante soldadura ultrasónica en una fracción del tiempo y sin exponer a los trabajadores a los vapores de la soldadura de plomo ardiendo. Aunque la audición de los trabajadores puede resultar dañada por la exposición a sonidos de alta frecuencia, este peligro potencial se reduce fácilmente encerrando la máquina de soldadura ultrasónica en una caja o jaula de seguridad y/o usando protección para los oídos.

Finalmente, las soldaduras ultrasónicas son tan fuertes y duraderas como las soldaduras convencionales de los mismos materiales, lo cual es sólo una de las razones por las que el método se utiliza en la fabricación de automóviles. Para hacer que los automóviles sean más livianos y más eficientes en el consumo de combustible, los fabricantes de automóviles están recurriendo al aluminio como metal principal en las carrocerías. La soldadura ultrasónica se puede utilizar para unir el metal en menos tiempo y a temperaturas más bajas que la soldadura tradicional.

Sin embargo, la soldadura ultrasónica tiene sus limitaciones. En primer lugar, la profundidad de las soldaduras es inferior a un milímetro, por lo que el proceso funciona mejor en materiales finos como plásticos, alambres o láminas finas de metal. Soldar por ultrasonidos una viga de acero para un edificio no sería práctico. En segundo lugar, funciona mejor cuando se sueldan materiales similares, como plásticos o metales similares. Como vio con los zapatos New Balance, la soldadura ultrasónica de materiales diferentes requiere un material adicional; en el caso de los zapatos New Balance, es una película que se puede unir entre la gamuza sintética y la malla.

A pesar de estas limitaciones, la popularidad y el potencial de la soldadura ultrasónica siguen creciendo.

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