Soldadura ultrasnica

Fernando J. Elizondo G.* Carlos A. Lara O.,* Jorge A. Cupich G.*

ABSTRACT The welding technology has obtained such advance that now its possible to join metals or plastics in a fraction of second by using ultrasonic vibrations. In this lecture the basic aspects of ultrasonic welding will be discussed, whit special emphasis to metal welding. Some industrial applications will be shown. Keywords: Welding, ultrasonic, metals. INTRODUCCIN Con el desarrollo de la electrnica, la que se hace presente cada vez en ms productos, el nmero de pequeas piezas a ser soldadas se ha incrementado notablemente y por lo tanto tambin la necesidad de mejores mtodos de soldadura. Una de las nuevas opciones, disponible ya en el mercado de aplicaciones para la industria, es la soldadura ultrasnica, la cual resulta atractiva para unir piezas pequeas, pelculas metlicas muy delgadas, cable plano flexible, metales tanto similares como diferentes e incluso plsticos. La soldadura ultrasnica no utiliza productos consumibles, se realiza rpidamente, consume poca energa, no producen gases ni olores nocivos al ambiente y puede ser controlada electrnicamente para asegurar un control de calidad en la lnea de produccin. SOLDADURA ULTRASNICA Cuando se unen materiales por medio de soldadura ultrasnica, a las partes a ser unidas se les aplican simultneamente una fuerza esttica, la cual mantiene en posicin las piezas y facilita la unin, y una fuerza dinmica (vibracin ultrasnica), la cual genera la friccin que produce el calor necesario para sol

Fig. 1. Diferencias en los procesos de soldadura ultrasnica. (a) para plsticos, (b) para metales.

dar los materiales a unir. Este procedimiento es usado en las industrias tanto para unir plsticos como para unir metales. SOLDADURA ULTRASNICA DE PLSTICOS La soldadura ultrasnica de plsticos ha sido usada por muchos aos. Cuando se sueldan termoplsticos las vibraciones son introducidas verticalmente. El incremento trmico en el rea de unin es producida por la absorcin de las vibraciones mecnicas de alta frecuencia (20 a 70kHz), la reflexin de las vibraciones en el rea de contacto y la friccin entre las superficies de las partes. En el rea de contraccin, se produce calor por la friccin de tal manera que el material se plastifica localmente, forjando una conexin entre ambas partes en un corto perodo de tiempo. El prerrequisito es que ambas piezas de trabajo tengan un punto de fusin cercano. La calidad de la unin es muy uniforme porque la transferencia de energa y el calor interno liberado permanecen constantes y se limitan al rea de unin. Para obtener un ptimo resultado las reas a unir son preparadas para hacerlas adecuadas a la unin ultrasnica. La soldadura ultra*

Adaptado de la ponencia presentada en el 8 Congreso Internacional Mexicano de Acstica realizado en la ciudad de Oaxtepec, Morelos, Mxico, en Noviembre 2001. 14-16 Nov. 2001.

Laboratorio de Acstica. FIME-UANL. E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx

Ingenieras, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16

31

Soldadura ultrasnica

a alta frecuencia (usualmente 20, 35 o 40 kHz) durante el proceso de soldado. La frecuencia de oscilacin ms comnmente usada (frecuencia de trabajo) es 20 kHz. Esta frecuencia est sobre el rango audible del odo humano y permite el mejor uso posible de la energa. Para procesos de soldadura en los que se requiere slo una pequea cantidad de energa, puede ser usada una frecuencia de trabajo de 35 40 kHz. El sonotrode y el yunque tienen superficies speras o tienen generalmente superficies fresadas con estras cruzadas para apretar las piezas que se ensamblarn y prevenir deslizamientos indeseables. Se aplica presin esttica perpendicularmente a la interfaz a soldar. Luego se sobrepone la fuerza cortante oscilante de alta frecuencia (ultrasonido). Las fuerzas dentro de los objetos deben mantenerse por debajo del lmite de elasticidad para que las piezas no se deformen. Si las fuerzas sobrepasan un valor de umbral dado, ocurrir una deformacin local en los materiales a unir. Las piezas se compactan ligeramente en la superficie debido a la fuerza de sujecin antes de conectar

Fig. 2. Mquina para soldar plsticos ultrasnicamente, marca STAPLA, modelo K1.

snica puede ser utilizada para unir firmemente o embeber partes de metal con o en plstico. SOLDADURA ULTRASNICA DE METALES 1 Mientras que en la unin ultrasnica de plsticos las vibraciones de alta frecuencia son usadas para incrementar la temperatura y as lograr la plastificacin del material; la unin ultrasnica de metales es un proceso completamente diferente: las vibraciones mecnicas son introducidas horizontalmente, las partes a ser soldadas no son calentadas hasta el punto de fusin, sino que son conectadas gracias a la aplicacin de presin y vibraciones mecnicas de alta frecuencia. Durante la soldadura ultrasnica de metales, un proceso complejo es iniciado el cual involucra fuerzas estticas, fuerzas cortantes de oscilacin y un moderado incremento de temperatura en el rea a soldar. La magnitud de estos factores depende del grosor de las piezas a unir, de su estructura superficial y de sus propiedades mecnicas. Las piezas de trabajo son localizadas entre una pieza fija, esto es, el yunque, y el dispositivo generador de las vibraciones ultrasnicas denominado Sonotrode o horn, el cual oscila horizontalmente

Fig. 3. Esquema de un sistema tpico de soldadura ultrasnica para metales. 1.- Sonotrode: transductor piezoelctrico, fuente de la vibracin ultrasnica, 2 y 3.Partes a ser unidas, 4.- Yunque: plancha de acero, 5.- rea a ser soldada

32

Ingenieras, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16

Fernando J. Elizondo G., Carlos A. Lara O., Jorge A. Cupich G.

Fig. 4. La vibracin mecnica ultrasnica mueve una de las piezas a soldar contra la otra fija, todo esto bajo una fuerza de presin esttica.

Fig. 5. Mquina marca STAPLA, modelo MINI CONDOR ST3O.

la energa ultrasnica; el intervalo durante el cual sucede esto se llama tiempo de exprimido. Despus de apagar la energa ultrasnica y aflojar la fuerza de sujecin, se aplica una breve rfaga de la primera para evitar que el ensamble soldado se pegue a la herramienta o al yunque. Las vibraciones de alta frecuencia inducen fuerzas cortantes que disminuyen la contaminacin superficial de los materiales a unir y producen un enlace puro entre los metales en la interfase. La oscilacin posterior hace que el rea de la soldadura crezca. Al mismo tiempo lleva a cabo una difusin atmica en el rea de contacto y el metal se recristaliza en una estructura de grano fino similar al que caracteriza a los metales trabajados en fro. La soldadura ultrasnica del metal es local y limitada a las fuerzas de corte y al desplazamiento de las capas intermedias. Sin embargo, una fusin no ocurre si la fuerza de presin, la amplitud y el tiempo de la soldadura son ajustados correctamente. Los anlisis microscpicos usando microscopios pticos y electrnicos hacen evidente la recristalizacin, la difusin y otros fenmenos metalrgicos. Sin embargo, no proporcionan ninguna evidencia de fusin (interfaz fundida). El uso de sensores trmicos altamente sensibles en las capas intermedias muestran un aumento inicial de la temperatura con una posterior disminu-

cin constante de la misma. La temperatura mxima obtenida depende de los ajustes que se hagan a los controles del equipo de soldadura. Un aumento en la energa ultrasnica conduce a un aumento de la mxima temperatura posible. Un aumento en la fuerza esttica conduce a un aumento de la temperatura inicial, pero al mismo tiempo limita la posible temperatura mxima. Por lo tanto, el perfil de temperatura puede ser manejado, dentro de ciertos lmites, haciendo los ajustes apropiados en la mquina.

Fig. 6. Unidad marca STAPLA modelo UTA3000 para soldar terminales.

Ingenieras, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16

33

Soldadura ultrasnica

do que las uniones son slidas, homogneas y duraderas. Si, por ejemplo, una hoja de aluminio fina se suelda ultrasnicamente a una hoja de cobre fina, puede ser observada fcilmente que despus de cierto tiempo de soldado, las partculas de cobre aparecen en la cara opuesta a la unin de la hoja de aluminio, al tiempo que las partculas de aluminio aparecen en la cara opuesta a la unin de la hoja de cobre. Esto muestra que los materiales se han penetrado uno a otro, siendo este proceso conocido como difusin. Este proceso ocurre dentro de fracciones de segundo. VENTAJAS Y LIMITACIONES A continuacin en la tabla I se presentan las principales ventajas y limitaciones de la soldadura ultrasnica segn T. Difinizio.2

Tabla I. Ventajas y limitaciones de la soldadura ultrasnica.

Fig. 7. Proceso de soldadura ultrasnica de metales

La temperatura en la capa intermedia es, por supuesto, tambin una funcin de las caractersticas del material. La regla bsica es que la temperatura obtenida es mayor en los materiales con una conductividad trmica baja, tal como el hierro, y menor para los metales con una conductividad trmica ms alta, tal como el cobre y el aluminio. Las medidas de temperatura efectuadas en diversos materiales, con puntos de fusin que varan ampliamente, han mostrado que la temperatura mxima en la interfase de la soldadura no excede de un 35 a 50% de la temperatura que derrite al metal individual, cuando se han seleccionado los parmetros de la soldadora apropiadamente. La soldadura ultrasnica de metales no produce una adhesin superficial en los metales. Se ha proba-

Ventajas

L a s o l d a d ur a ul t r a s ni c a d e m e t a l e s une m uc ha s c o m b i na c i o ne s d e m e ta le s d i s m i le s , c o m o c o b r e c o n aluminio. Los tiempos usuales de ciclo son menores de 1 segundo. La calidad de soldadura es alta y uniforme. Las ligas son no r m a l m e nt e m s f ue r t e s q ue l a s j unt a s he c ha s c o n soldadura o por resistencia. No hay efectos adversos al ambiente. Ne ce si d a d mo d e ra d a d e ha b i li d a d y e ntre na mi e nto d e l operador para producir uniones de alta calidad uniforme. La soldadura ultrasnica de metales no utiliza consumibles potencialmente peligrosos, como soldadura o fundente. No hay acumulacin de calentamiento ni fusin, de modo que no se provoca fragi li zaci n ni zonas afectadas por el calor. La conductividad elctrica es normalmente superior que la obtenida con conexiones trenzadas o soldadas. C a nti d a d e s mo d e ra d a s d e o xi d a c i n o c o nta mi na c i n superficial no afectan la cantidad de la conexin. L a s o l d a d ur a ul t r a s ni c a d e m e t a l e s s e r e s t r i ng e a soldadura de solapa; no puede hacer soldaduras de cordn. Slo se pueden soldar piezas con espesores menores a 3mm. Slo puede unir superficies planas o con curvatura mnima, excepto para unir alambres. No es adecuada para unir partes estaadas. El costo de capi tal es usualmente mayor que para el de soldadura ordinaria.

Limitaciones

34

Ingenieras, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16

Fernando J. Elizondo G., Carlos A. Lara O., Jorge A. Cupich G.

APLICACIONES ULTRASNICA

DE

LA

SOLDADURA

Las aplicaciones de la soldadura ultrasnica crecen y la oferta en el mercado de mquinas adecuadas al uso industrial aumenta cada ao. A manera de ejemplo presentamos a continuacin una serie aplicaciones ya consolidadas a nivel industrial de la soldadura ultrasnica de metales.3
Industria: Automotriz. Cable de cobre unido a terminal de cobre.

Industria: Aparatos domsticos. Disco de aluminio unido a elemento de calentamiento de aluminio.

Industria: Automotriz. Cable de cobre 20 AWG unido a un cable de cinta plana.

Industria: Automotriz. Cable de cobre 20 AWG unido a una terminal de latn recubierta de nquel.

Industria: Elctrica-comunicaciones. Cable de cobre 12 AWG unido a una placa de latn recubierta de nquel.

Ingenieras, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16

35

Soldadura ultrasnica

Industria: Acero/fundicin. Alambre de cobre unido a un anillo de cobre. Industria: Comunicaciones. Alambres de cobre 18 AWG unidos a terminales de placas de latn recubiertas de oro.

Industria: Electrnica-cableado. Alambre de cobre 10 AWG unidos a terminales de latn.

Industria: Elctrica. Cable trenzado de cobre unido a brazo de contacto de latn.

Industria: Electrnica-cableado. Alambre de cobre 14 AWG unido a terminal de cobre.

Industria: Solar. Intercambiador de calor. Aletas de cobre unidas a tubos de cobre.

36

Ingenieras, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16

Fernando J. Elizondo G., Carlos A. Lara O., Jorge A. Cupich G.

COMENTARIOS FINALES Como los sistemas de soldadura ultrasnica tienen bajas demandas de energa, no utilizan productos consumibles, no necesitan agua de enfriamiento y ocupan poco espacio, pueden ofrecer soluciones rentables y ecolgicamente inocuas para aquellas aplicaciones que estn dentro de sus rangos de aplicabilidad. Que la soldadura ultrasnica de metales sea apropiada para una aplicacin especfica depende de los materiales, la tasa de produccin, el tiempo de proceso, el tamao de las piezas, las demandas energticas y el costo del equipo, el cual deber descender durante los prximos aos. Dado que sta es una tecnologa emergente, en el futuro veremos aparecer nuevas aplicaciones, mayores rangos de aplicacin tanto en materiales como en tamao, mquinas ms porttiles, mayor facilidad de operacin, ms fabricantes y proveedores de equipos y costos ms bajos.
Industria: Elctica. Cable de cobre 6 AWG unido a barra de latn recubierta de nquel.

Industria: Electrnica-capacitores. Hojas mltiples de aluminio unidas a remache de aluminio.

BIBLIOGRAFA 1. Ultrasonic metal Welding: Principles and application of high-grade bonding technology, Libro electrnico editado por STAPLA Ultrasonics Corporation. 2. Tony Difinizio. Soldadura: Uniones ultrasnicas, Manufactura, ao 7, nmero 67, enero 2001, Mxico, D.F. 3. Homepage de STAPLA Ultrasonics Corporation http://staplaultrasonics.com/company.htm 4. Homepage de SONITEK. Sonic & Thermal Technologies, Inc. http://www.sonitek.com/home.htm 5. Homepage de Branson Ultrasonic Corporation, Applied Technologies Group http://www.branson-plasticsjoin.com/bpj/ index.html

Industria: Refrigeracin. Corte y soldado de tubos de cobre.

Ingenieras, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, No. 16

37