____ PLANOS

SOLDADURA POR

ULTRASONIDOS

Informacin general.

ULTRASONIDOS J.TIRONI S.L.

C/ Escorxador, Nave 9Pol. Ind. La Plana den Soler

08776 St. Pere de Riudebitlles (Barcelona) www.ultrasonidostironi.net Telf.- (93) 899 62 32 www.ultrasonidostironi.com

Fax.- (93) 899 55 74tironi@ultrasonidostironi.com

INDICE

1- Introduccin

2- Generalidades

2.1. Breve historia de los ultrasonidos

3.- Principios fsicos

3.1. Movimiento de onda

3.2. Diferentes tipos de onda

3.2.1. Longitudinales

3.2.2. Transversales

3.2.3. Curvadas

3.3. Reflexin y refraccin de las ondas de ultrasonidos

3.4. Debilitamiento y absorcin

3.5. Transformacin de amplitud

4.- El ultrasonido aplicado a la soldadura de termoplstico

4.1. Presentacin

4.2. Principios bsicos

4.3. El generador

4.4. El convertidor

4.4.1. Magnetoestrictivo

4.4.2. Piezoelctrico

4.5. El modificador de amplitud

4.6. Los sonotrodos

5- Aplicaciones

5.1. Soldadura

5.1.1. Principios

5.1.2. Inicio del proceso

5.1.3. Influencias de la materia prima

5.1.3.1. Amorfos

5.1.3.2. Cristalinos

5.1.4. Compatibilidad soldadura materiales

5.1.5. Definicin de la forma de unin

5.1.6. Por qu directores de energa?

5.1.7. La zona de acoplamiento con el sonotrodo

5.1.8. Unin por testa sin gua

5.1.9. Mejorar el aspecto de las soldaduras

5.1.10. Sistema de unin tipo machihembrado

5.1.11. Soldadura por interferencia

5.1.12. Soldadura de torretas

5.2. Remachado

5.2.1. Principios

5.2.2. Formas de los tetones

5.3. Rebordeado

5.4. Soldadura por puntos

5.5. Soldadura de lminas y tejidos sobre piezas de inyeccin

5.6. Soldadura de estanqueidad con junta trica

5.7. Insertos

5.8. Corte por ultrasonidos

5.9. Soldadura de cartn de embalaje

6- Ajustes y Parmetros Soldadura

6.1. Presin

6.2. Velocidad de bajada de cabezal

6.3. Amplitud

6.4. Diseo pieza

6.5. Aditivos o cambio de parmetros en el proceso de inyeccin.

6.6. Material pieza

6.7. Factor de humedad

6.8.Tiempo soldadura

6.9. Momento disparo

6.10. Tiempo reposo

6.11. Fijacin

6.12. Sonotrodo

6.13. Planeidad

6.14. Transmisin energa

6.15. Potencia mquina

6.16. Acoplamiento entre componentes del cabezal.

7- Sistemas de control

7.1. Control de tiempos.

7.2. Control por energa.

7.3. Control de cota.

7.4. Control de cota absoluta.

BibliografaINTRODUCCIN 1

Durante las dos o tres ltimas dcadas, las tcnicas ultrasnicas se han desarrollado de tal manera, que los ultrasonidos pueden actualmente considerarse una rama importante de la fsica, que tiene numerosas aplicaciones en la vida diaria. En el campo de la soldadura por ultrasonidos, tambin son numerosos los avances y mejoras de la tcnica de aplicacin, pero la informacin de la que se dispone normalmente al respecto es mnima, y la mayor parte de ella o es excesivamente tcnica o demasiado superficial.

TIRONI ultrasonidos pretende con el presente informe presentar de forma ordenada y suficientemente clara los principios y aplicaciones del campo de soldadura, recopilando mltiples informaciones de libros, hojas tcnicas, artculos etc. GENERALIDADES

22.1.- Breve historia de los ultrasonidos:

Hasta finales del siglo XIX, la informacin que haba era incierta y mnima.

El trmino ultrasonidos significa vibraciones de un medio material similares a las ondas sonoras, pero cuya frecuencia es demasiado elevada para su percepcin por el odo humano medio.

La frecuencia lmite superior del odo humano vara entre 10Khz. y 18Khz. aproximadamente. En 1883 Galton descubri el silbato de ultrasonido, el cual transmite una seal que no es perceptible por el odo humano, un ejemplo de ello es el silbato para perros.

La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880. Ellos descubrieron que al someter a ciertos materiales a esfuerzos mecnicos externos se crea en su interior un campo elctrico, apareciendo cargas de signo opuesto sobre superficies opuestas. Al ao siguiente Lippmann predijo el efecto inverso, consistente en la aparicin de deformaciones mecnicas en ciertos materiales al someterlos a la accin de un campo elctrico externo. Sin embargo hasta la guerra de 1914-18, no se emple con xito, por primera vez, la piezoelectricidad y su efecto inverso en la deteccin y generacin de ultrasonidos. La primera aplicacin consisti en la deteccin de submarinos enemigos.

En el ao 1920, se utiliz este mtodo ms desarrollado para medir la profundidad y detectar la situacin de los glaciares.

Desde ao 1920 al 1939 transcurre una etapa fundamental en cuanto a descubrimientos importantes, entre ellos cabe destacar la cavitacin en los lquidos y metales fundidos (cavitacin es la produccin de pequeas burbujas que se produce al someter los fluidos al efecto del ultrasonido). los diferentes logros facilitan el camino para el uso industrial a partir de 1945.

En el terreno industrial han sido mltiples los campos de desarrollo del ultrasonido, sera imposible nombrarlos todos, pero cabe destacar los equipos de limpieza, aparatos para detectar fisuras en materiales, diferentes aplicaciones en el terreno de la medicina, y como no la soldadura de termoplsticos.

PRINCIPIOS FSICOS 33.1.- Movimiento de onda:

Consideraremos la propagacin de ondas en un medio material; el estudio es igualmente vlido para los ultrasonidos y para el sonido audible porque, de momento, el valor de frecuencia no estar restringido. En cualquier caso, la frecuencia mnima que se puede clasificar como ultrasnica, ni se ha reflejado con gran precisin, ni es una frecuencia en la que ocurra repentinamente un cambio notable en las propiedades de la onda.

Consideremos una onda longitudinal progresiva en la cual las partculas del medio se mueven hacia adelante y hacia atrs a lo largo de una direccin que coincide con la direccin de avance de la onda. Es en consecuencia una onda unidimensional. Puede hacerse referencia a ella como una onda compresional y su representacin instantnea se muestra en la fig. 3.1 (a) y (b). En la fig. 3.1. (c) se muestra el grfico del valor instantneo del desplazamiento horizontal en funcin de x, y debe estudiarse con cierto cuidado para no oscurecer el hecho que la onda es realmente longitudinal. En la fig. 3.1 (c) hemos supuesto como suele hacerse en una primera aproximacin, que los desplazamiento son sinusoidales. Este no tiene por que ser el caso pero, por dos razones, las ondas sinusoidales o armnicas simples son las ms importantes en la prctica. La primera razn es que los ultrasonidos se producen, generalmente, convirtiendo ondas electromagnticas en sinusoidales, de una sola frecuencia, en ondas ultrasnicas. La segunda es que cualquier onda puede descomponerse, segn el anlisis de Furier, en una suma de ondas componentes que son sinusoidales puras.

FIGURA 3.1

Representacin esquemtica de una onda longitudinal, (a) planos equiespaciados en ausencia de onda (b) posiciones desplazadas de los mismos planos en cierto instante durante el paso de la onda; P, Q, ,R son zonas de compresin mientras que A, B, C lo son de descompresin (c) grfica del desplazamiento instantneo (d) grfica del exceso de presin (curva continua) - La curva punteada representa el exceso de presin en funcin de las posiciones de equilibrio de las partculas.

La fig. 3.1. (b) y (c) representan fotografas instantneas del medio tomadas en un instante t. En un instante posterior las partculas del medio se reordenarn, mientras que las compresiones y descompresiones habrn viajado una cierta distancia, por ejemplo, la izquierda a la derecha en el diagrama. Cada partcula del medio oscila alrededor de su posicin de equilibrio, sin que haya ningn movimiento neto del medio en su conjunto - por ejemplo no se experimenta que sople viento al escuchar a una orquesta o un coro!.

La presin en la regin de compresin es superior a la presin que habra en el medio en ausencia de la onda. De esta manera se puede dibujar un grfico del exceso de presin p (x,t,) para un instante determinado y a lo largo del trayecto de la onda, en funcin de x (ver fig. 3.1. (d)).

El desplazamiento de una partcula es igual a la distancia respecto a su posicin de equilibrio; ste es funcin tanto de la posicin de equilibrio x, como del tiempo t, de manera que podemos escribir u (x,t). En una onda sinusoidal como la de la fig. 3.1. (c) todas las partculas que participan en el movimiento de la onda vibran con un movimiento armnico simple alrededor de la posicin de equilibrio respectiva. La amplitud de la onda es el valor mximo del desplazamiento, y la longitud de onda ( es la distancia entre dos partculas consecutivas cualquiera que se encuentren vibrando en fase.

La expresin que da el desplazamiento de una partcula u (x,t), en funcin de x, puede escribirse:

(3.1)Donde ( representa la longitud de onda. El tiempo T requerido para completar un ciclo de movimiento de una partcula recibe el nombre de perodo de la oscilacin. Este se relaciona con la frecuencia de la oscilacin mediante:

(3.2)

La frecuencia angular ( se define como:

(3.3)

La ecuacin 3.1. puede escribirse de varias maneras. en funcin de la frecuencia, en vez del periodo T, se convierte en

(3.4)

Donde c, la velocidad de onda, est relacionada con ( y v ya que, durante un periodo del movimiento de una partcula la onda avanzar una distancia igual a una longitud de onda. De esta manera:

(3.5)

En la siguiente tabla se dan los valores de ( para varias frecuencias v y para las velocidades ultrasnicas de y , que son las velocidades tpicas en un lquido y en un slido, estos valores deben tomarse nicamente de referencia, ya que varan en los diferentes materiales. Para su comparacin damos tambin las longitudes de onda correspondientes a la radiacin electromagntica de las mismas frecuencias.

FrecuenciaC= 1000 ms-1C=3000 ms-1 radiacin E.M.

20 Khz.5 cm.15 cm.1,5x104 m

100 Khz.1 cm.3 cm.3x103 m

1Mhz.1 mm.3 mm.300 m

50 Mhz.20 (m60 (m6 m

1 Ghz.1 (m3 (m30 cm.

En la siguiente tabla se muestra la velocidad de propagacin del sonido en los materiales normalmente empleados en los componentes de soldadura por ultrasonidos.

MaterialVelocidad de propagacinVariaciones

TiAIV64

TiAIV644900 m/s( 100

Aleacin de Aluminio

AlCuMg2

AlCuMGPb5100 m/s5000 m/s( 100

( 100

Aluminio5100 m/s( 200

1550 Acero

(RT 11) templado5250 m/s( 150

Ferrotitanio

WFN 6950 m/s( 100

3.2.- Diferentes tipos de ondas:

Para su propagacin en un medio, liquido, gaseoso o slido, existen tres tipos de ondas: longitudinales, transversales y curvadas:

3.2.1.- Longitudinales:

Este tipo de onda puede propagarse en cuerpos lquidos, gaseosos o slidos, se propaga en el seno del eje de la fuente de excitacin, las zonas oscilatorias idnticas fases, son longitudinal o dimensionalmente determinadas por la longitud de onda Lambda ((), la onda longitudinal cumple casi exclusivamente la funcin de transportar energa a travs del material empleado en los cuerpos resonantes. Ver fig. 3.2.

FIGURA 3.2.3.2.2.- Transversales:

Las ondas transversales no pueden formarse y propagarse - contrariamente a la onda longitudinal - ms que en los cuerpos slidos. Esta onda se desplaza tangencialmente al eje de la fuente de excitacin. Este tipo de onda debe ser evitada o suprimida en medida de lo posible en las aplicaciones de soldadura por ultrasonidos, ya que inducen a hacer vibrar las paredes laterales de los sonotrodos, impidiendo que la energa se transmita limpiamente a la superficie de la pieza a soldar. Tambin se puede producir la rotura de los sonotrodos si estn sometidos a este tipo de ondas.

FIGURA 3.3.

Si se comparan las ondas longitudinales y transversales de un cuerpo, se obtiene la imagen de amplitud siguiente:

FIGURA 3.4.

3.2.3.- Curvadas:

La onda curva no es producida ms que por la alteracin longitudinal de un cuerpo. Por otra parte, la formacin de estas ondas en el sector de aplicacin de los ultrasonidos exige que la relacin de masas sea asimtrica. Al igual que con las ondas transversales, las curvadas deben ser evitadas en las aplicaciones de soldadura por ultrasonidos, este tipo de ondas provocan problemas considerables. Como se muestra en las figuras 3.5 y 3.6, las zonas de fuerte compresin se forman en las superficies del medio. En un sonotrodo se producen dos problemas fundamentales:

a) Existencia de por lo menos dos zonas nodales.

b) Fuerte calentamiento en las zonas de acoplamiento.

Por otra parte este tipo de ondas provocan durante la transmisin de los ultrasonidos desde el convertidor hasta los sonotrodos, una vibracin recproca que somete a las cermicas del convertidor a fuertes distorsiones que pueden causar la rotura de las mismas; en consecuencia a la hora de disear un sonotrodo hay que tener en cuenta la existencia de este problema y evitar la formacin de estas ondas.

3.3.- Reflexin y refraccin de las ondas de ultrasonidos:

Cuando las ondas ultrasnicas golpean las superficies de separacin entre dos cuerpos, el comportamiento de la reflexin esta regido por los mismos principios que la ptica convencional.

Cuando la incidencia de la onda es perpendicular a la superficie de separacin, se aplica la relacin:

La relacin W1 y W2 representan las resistencias de las ondas sonoras de dos superficies estando en contacto la una con la otra, y R como coeficiente de reflexin. De este hecho aparece claramente que en una reflexin de casi el 100%, no interviene el aire entre las dos materias oscilantes. La misma ley de refraccin que se emplea en ptica convencional se aplica a las ondas sonoras de incidencia oblicua.

C1 y C2 representan las velocidades de propagacin de la onda en los dos materiales, que se transmiten la energa de uno a otro a travs de la superficie de separacin. Por lo cual la onda entrando de forma perpendicular o de forma oblicua la relacin practica que se obtiene es la siguiente:

Incidencia oblicua

C2 => C1 Coeficiente de reflexin elevado.

Incidencia perpendicularC1 > C2 Coeficiente de reflexin bajo.

De ello resulta que la onda en incidencia perpendicular asume mejor el transporte de la energa, generando menos perdidas. En este caso el factor de acoplamiento entre las dos partes influye igualmente ms o menos en los comportamientos que se han descrito.

3.4.- Debilitamiento y absorcin:

Ante el debilitamiento de una vibracin, se pueden saber las perdidas por absorcin a travs de la siguiente frmula.

Po = Presin sonora alterna ejercida en un punto Xo

Px = Presin sonora alterna ejercida a la distancia x de un punto Xo

k = Coeficiente de debilitacin (en decibelios por longitud de onda)

En lo que concierne a los materiales oscilantes utilizados en la tcnica de soldadura por ultrasonidos, el coeficiente de debilitamiento es muy bajo y casi independiente a la frecuencia. Por el contrario, en el caso de los plsticos, la absorcin es muy elevada, lo que conduce al reblandecimiento y fusin deseados. Las perdidas provocadas por la absorcin son ventajosamente empleadas en la tcnica de soldadura de termoplsticos por ultrasonidos.

3.5.- Transformacin de amplitud:

La amplitud en soldadura, es uno de los factores ms importantes en su aplicacin, gracias a su control, podemos lograr el reblandecimiento o fusin de los diferentes termoplsticos, ya sean amorfos o cristalinos, independientemente del grado de absorcin de los mismos.

La amplitud mecnica en los cuerpos oscilantes, por ejemplo en los sonotrodos, se mide en Micras. Se podra decir que se puede aplicar amplitudes de:

60( (120(pp) en aleaciones de Titanio.

45( (90(pp) en aleaciones de Aluminio

30( (60(pp) en Acero templado.

sin riesgo de rotura del equilibrio molecular de los diferentes materiales, pero hay que comprender que estos lmites solo se pueden aplicar en sonotrodos pequeos, ya que estos solo tienen forma de onda longitudinal.

Cuanto mayor es la amplitud, las zonas de acoplamiento entre los diferentes componentes oscilantes, deben estar mejor acopladas, con presiones de apriete adecuadas, en amplitudes bajas este problema es menor.

La variacin de las amplitudes, se logra de forma mecnica mediante un diseo adecuado de los sonotrodos y la eleccin de un modificador de amplitud adecuado. Fig 3.5.

FIGURA 3.5.

Un factor importante para el reparto de esfuerzos, es aumentar la amplitud de forma progresiva, de esta manera se logran los mismos resultados, sin someter a cambios bruscos de amplitud a una sola pieza Fig. 3.6 y Fig. 3.7

FIGURA 3.6

FIGURA 3.7

Conviene recordar lo siguiente:

A mayor amplitud = generacin de ms temperatura en el termoplstico.

A menor amplitud = generacin de menos temperatura en el termoplstico.

Para saber las amplitudes necesarias a aplicar a los diferentes termoplsticos, ver la tabla de amplitudes del apartado 6.6.

EL U.S. APLICADO A LA SOLDADURA DE TERMOPLSTICOS 44.1. Presentacin:

Las tcnicas de soldadura por Ultrasonidos aplicadas a la industria para el ensamblaje de piezas termoplsticas o mixtas (remachado), tiene varias ventajas que repercuten en mayor produccin en menos tiempo, buena calidad y esttica.

Algunas de las ventajas son:

Rapidez

Limpieza

Ahorro de remaches, tornillos, bridas, etc.

No precisa pegamentos o disolventes, con lo cual se evitan manchas involuntarias y lo que es muy importante, no precisa de pinzas o cierres que mantengan las dos mitades juntas hasta que polimeriza el pegamento.

Con Ultrasonidos la pieza es til inmediatamente despus de ser soldada.

Los equipos de ultrasonidos no precisan de calentamientos previos y su consumo elctrico es muy bajo.

Para obtener buenos resultados, es muy importante que las aplicaciones estn bien resueltas y para ello hay varios condicionantes a valorar cuando se proyecta una pieza nueva.

Detallamos una relacin de puntos importantes en el diseo de la pieza que ms adelante desarrollaremos individualmente:

Tipo de material de inyeccin

Forma de unin o director de energa

Zona de apoyo del sonotrodo (cuanto ms plana y regular mejor)

Distancia desde el sonotrodo a la zona de unin, (cuanto ms corta mejor)

Geometra de la pieza

Espesor de pared, fundamentalmente en la mitad que es atacada por el sonotrodo

Tipo de soldadura deseada, (estanca, sometida a presiones, mecnica, etc.)

Prever zonas de asiento de la mitad inferior en la vertical de soldadura

Prever la suficiente robustez de vstagos o tabiques interiores, si los hay, para evitar su destruccin por efecto de la energa ultrasnica.

Cuando la pieza cumple los requisitos mnimos para ser soldada, tcnicamente se deben tener en cuenta los siguientes factores:

Considerar la potencia disponible del generador.

Disear el sonotrodo adecuado.

Escoger el modificador de amplitud adecuado.

Disponer de la prensa neumtica adecuada para poder ejercer la presin requerida para la soldadura de la pieza.

Disear una fijacin adecuada.

4.2. Principios bsicos:

El ultrasonido se produce en el generador. Este transforma la tensin de red en alta tensin y alta frecuencia (ultrasnica). Los generadores TIRONI ultrasonidos emplean dos tipos de frecuencia 20Khz. Y 30Khz. El rendimiento elctrico se transmite a travs de un cable de alta frecuencia, apantallado a un convertidor de ultrasonidos.

El convertidor transforma la energa elctrica en vibraciones mecnicas a la frecuencia aplicada. Estas vibraciones son transmitidas al modificador de amplitud, y este al sonotrodo.

Las oscilaciones se transmiten bajo presin a la pieza de plstico a ser soldada, esto genera una agitacin molecular en el termoplstico, que debido a su alto grado de absorcin genera a su vez la temperatura local adecuada, y aumento del coeficiente de trmico. Este aumento del factor de temperatura conduce a ms creacin de la misma, que garantiza una reaccin acelerada de s misma.

El resultado de este proceso es una soldadura limpia y muy rpida "normalmente menor a un segundo".

4.3. El generador.

Primer eslabn de la cadena. Existen generadores de diversas frecuencias y potencias, en funcin de los fabricantes y de los requisitos de las aplicaciones.

Las frecuencias bajas se utilizan normalmente para las aplicaciones que requieren sonotrodos grandes y tambin para las aplicaciones donde se requiere una elevada potencia.

Las frecuencias altas se utilizan normalmente en equipos manuales de soldadura por puntos, en mquinas especiales donde los cabezales deben estar muy juntos y las distancias no permitiran la colocacin de cabezales de frecuencia baja, en aplicaciones de remachado o soldaduras muy pequeas, que requieran precisin y poca potencia

Gama de generadores de TIRONI Ultrasonidos:

ModeloFrecuenciaPotenciaBsicoProgramableTemporizadoEspecial

63030Khz.600 W.

630-A30Khz.600 W.

630-P30Khz.600 W.

630-C30Khz.600 W.

62020Khz.600 W.

620-P20Khz.600 W.

620-A20Khz.600 W.

102020Khz.1000 W.

1020-A20Khz.1000 W.

202020Khz.2000 W.

2020-A20Khz.2000 W.

En la siguiente imagen se muestran acotados dos cabezales de soldadura, uno de 20 Khz. Y otro de 30 Khz. , En ella podemos ver la gran diferencia de tamao de uno a otro.

FIGURA 4.1

Dentro de la amplia gama de posibilidades, cada una de ellas se adapta a las necesidades de aplicaciones concretas, as pues no podremos solucionar todas las aplicaciones por el hecho de disponer de un generador de 2000 W.

Un ejemplo claro de ello son los sistemas de corte textil, para este tipo de aplicacin se emplea un generador del tipo 620 bsico, que trabaja en continuo durante horas, si se utilizara un equipo 2020, la frecuencia sera correcta pero en el cabezal se generara excesivo calor debido al exceso de potencia del equipo, y esto causara la rotura del convertidor, si la aplicacin la quisiramos resolver con un equipo 630, la potencia sera la adecuada, pero el pequeo tamao del cabezal provocara un rpido aumento de la temperatura, debido a su bajo poder de disipacin.

De todos modos en las aplicaciones de soldadura ms comunes, los equipos que ms se adaptan a las posibles diferencias de piezas, tamaos, materiales etc. Son los de 20 Khz. 2000 W.

4.4. El convertidor.

Existen dos tipos de convertidores:

Magnetoestrictivos.

Piezoelctricos.

4.4.1.- Magnetoestrictivo:

El convertidor magnetoestrictivo, basa su principio de funcionamiento en las propiedades fsicas de los electroimanes, pero debido a su tamao, y sobre todo a su grado de rendimiento del 50 % aproximadamente, est totalmente fuera de uso.

4.4.2.- Piezoelctrico:

Este tipo de convertidor basa su funcionamiento en las propiedades de los cristales artificiales piezoelctricos, de plomo-circonato-titanio, los cuales bajo la aplicacin de una corriente alterna, se comprimen o expanden peridicamente. Las ventajas de este principio son primordialmente el grado de accin, que se sita en el caso de convertidores bien desarrollados entre el 90 y 95 %, y esto con menor espacio que los magnetoestrictivos.

Para que el efecto se produzca, el convertidor debe estar construido para que responda a una frecuencia de resonancia igual a la seal elctrica recibida, y la capacidad de las cermicas debe estar perfectamente compensada con la LC del circuito de potencia del generador.

Existe gran diversidad de diseos, en funcin de la potencia a la que deben trabajar, la frecuencia y la electrnica del generador. El nmero de cermicas es tambin variado, siempre combinadas por parejas lo ms habitual es dos, cuatro o seis, segn fabricantes.

FIGURA 4.2.

Si realizramos una seccin en un convertidor, fig. 4.3. encontraramos que est compuesto por dos grupos importantes.

El primero es el convertidor, compuesto por el transductor, que puede ser de aluminio o titanio, que se encarga de transmitir las vibraciones mecnicas al modificador de amplitud o al sonotrodo, las cermicas piezoelctricas, los discos o terminales elctricos normalmente de cobre-berilio, la contramasa que puede ser de acero o titanio y el tornillo de apriete del conjunto.

El segundo es el sistema de proteccin y sujecin a la estructura de la mquina, que debe estar aislado de vibraciones, en este grupo encontramos la "camisa" o envolvente, normalmente de aluminio o acero inoxidable las juntas tricas, que son las encargadas de aislar el conjunto interno, el aro de cierre, la tapa superior y el conector.

El sistema de cierre de TIRONI ultrasonidos es mediante aro roscado, existen otros sistemas, como el de pasadores elsticos clavados en la zona nodal del convertidor, utilizado para que el convertidor no gire dentro del envolvente, pero con el gran inconveniente de que se le clavan cuerpos extraos al transductor, y adems este sistema convierte el conjunto en un bloque no desmontable. Para solucionar el sistema de giro del convertidor dentro de la camisa, se introduce un aro antigiro que encaja dos uetas entre el transductor y la camisa de proteccin.

Cabe resaltar que el diseo de convertidor de TIRONI ultrasonidos lo convierte en un sistema totalmente reparable, para ello se emplea el titanio en el transductor y el sistema de cierre roscado que lo hace accesible en cualquier momento.

FIGURA 4.3

Cuidados importantes en su mantenimiento:

Mantenerlo siempre limpio, sobre todo cuando se trabaja en ambientes con altos ndices de grasas, siliconas qumicos etc.

Cuando se extrae de la mquina, que no reciba golpes.

Utilizar siempre las llaves adecuadas para el montaje y desmontaje del modificador de amplitud.

4.5. El modificador de amplitud.

El modificador de amplitud "booster", es el encargado, tal y como su nombre indica de mantener, disminuir o aumentar la amplitud mecnica que recibe del convertidor, actuando como el cambio de marchas de un coche.

Su principio de funcionamiento se basa en la relacin de masas entre la parte superior y la parte inferior "todos los cuerpos sometidos a ondas ultrasnicas de su misma frecuencia de resonancia, tienen una zona nodal, esta zona coincide con el punto de inversin de la onda ultrasnica".

De esta manera se extrae la siguiente frmula:

Donde:

( = Factor de amplitud.

A= Seccin superior.

B= Seccin inferior.

FIGURA 4.4.

El modificador de amplitud, tiene tambin la funcin de anclaje del cabezal en la mquina, sin que este transmita la vibracin a la estructura, para esta funcin se montan en la zona nodal "punto cero de vibracin" dos tricas y dos aros de sujecin. El sistema de montaje puede ser por presin, por pasadores y mediante tornillos. Nuevamente nos encontramos con el mismo problema que en los convertidores; los pasadores impiden el giro del modificador respecto al aro, pero para ello hay que clavar cuerpos extraos en la zona nodal del modificador, convirtindolo en indesmontable. TIRONI ultrasonidos utiliza el sistema de tornillos entre los aros superior e inferior y un antigiro en la zona media con cuatro uetas alojadas en encajes en la zona nodal del modificador, este sistema es totalmente desmontable y mantiene el modificador de amplitud intacto.

En la fig. 4.5. y 4.6. podemos ver la gama de modificadores de amplitud de nuestra fabricacin tanto en 20Khz. Como en 30 Khz. Con las curvas de amplitud correspondientes.

FIGURA 4.5.

FIGURA 4.6.

En la fig. 4.7. y 4.8. podemos ver las medidas mecnicas de la gama de modificadores de 20Khz. Y 30Khz.

FIGURA 4.7.

FIGURA 4.8.Los modificadores de amplitud de 20 Khz (2000 W) y 30Khz. (toda la gama) TIRONI ultrasonidos los fabrica fundamentalmente en titanio con aros de sujecin en acero inoxidable, garantizando as una larga vida de los mismos.

4.6. Los sonotrodos.

El sonotrodo, es el ltimo eslabn de la cadena de soldadura por ultrasonidos, su funcin es la de transmitir las vibraciones mecnicas generadas en el convertidor y debidamente ajustadas en amplitud mediante el modificador de amplitud a la pieza a soldar.

Debido a la gran diversidad de formas, materiales y tipos de aplicaciones: Soldadura, remachado, rebordeado, insercin, corte, grabado etc., se han desarrollado gran cantidad de formas de sonotrodos adecuando su diseo a las particularidades de las piezas y aplicaciones.

Los sonotrodos, para que su funcionamiento sea eficaz y duradero, deben cumplir una serie de requisitos fundamentales: La frecuencia de resonancia debe ser la adecuada para el cabezal al que ser acoplado 20Khz. , 30Khz, etc.

Deben ser evitados en la medida de lo posible los armnicos, que son frecuencias ms altas o ms bajas generadoras normalmente de ondas transversales o curvadas. Deben estar construidos con materiales adecuados (Titanio, Aluminio o Acero)que sean capaces de resistir un valor de carga de oscilacin alterna tan elevada como sea posible, ausencia de fatiga bajo carga de oscilacin alterna a fin de obtener una longevidad elevada, escasa absorcin de energa acstica, es decir, dbil roce molecular y en otras palabras excelente resistencia mecnica.

TABLA 2PRESION MAX.

VELOCIDAD MAX PARTICULA (m/s)QUALIDAD

Aleacin de Titanio7.2102.424000

Aleacin de Aluminio1.941.5 > 50000

Acero5.541.51400

Algunos valores se comparan en la siguiente tabla: Nunca se deben clavar o acoplar componentes postizos en ninguna zona del sonotrodo.

La superficie de acoplamiento con el modificador de amplitud debe ser totalmente tangente a la rosca para un acoplamiento ptimo.

FIGURA 4.9

En la figura 4.9. se pueden ver las formas bsicas de los sonotrodos. La longitud de los mismos vara en funcin de las amplitudes y las formas, correspondiendo nicamente los cilndricos rectos de ciertas dimensiones al valor nominal de ( del material con el que estn construidos:

Con todas las otras formas se obtienen longitudes diferentes, para poner en frecuencias de resonancia.

Las curvas de amplitud que se han trazado ( y de velocidad ( as como la presin acstica p juegan un papel importante.

La relacin:

Es la relacin de transformacin de los sonotrodos o modificadores de amplitud.

Esta relacin significa que la amplitud es ms elevada en la salida que en la entrada o inversamente, segn el coeficiente U.

De esta manera y segn se ha comentado anteriormente, tenemos que en un sonotrodo recto cilndrico:

pero en un sonotrodo exponencial:

y con el sonotrodo bicilndrico:

El proceso de transformacin de amplitud, puede ser representado de forma muy sencilla con un sistema de combinacin de muelles segn la fig.4.10.

FIGURA 4.10

El modelo se compone de un muelle de gran dimetro y poco nmero de espiras, en la parte superior, y a este muelle se le engancha otro de dimetro ms pequeo, pero con mayor nmero de espiras, a las cuales se le cuelga un peso.

Si tiramos del peso hacia abajo, tensando los muelles y soltamos de golpe, veremos que el muelle superior recorre mucho menos trozo que el inferior, pero no por ello dejaran de tener un movimiento sincrnico.

Formas ms utilizadas en la fabricacin de sonotrodos:

Sonotrodos bicilndricos: Son lo que estn mecanizados con dimetros diferentes pero constantes, existiendo un radio suave en la zona nodal para el cambio de dimetro. Fig. 4.11. Su forma permite la colocacin en la zona de trabajo de TIPS con diferentes formas.

FIGURA 4.11

Sonotrodos exponenciales: Poseen una curva de fatiga ideal para el material, pero una amplitud pequea (normalmente 1/3). Este tipo de sonotrodo es el ms empleado en las aplicaciones de insercin de casquillos metlicos. Fig. 4.12. Su forma permite la colocacin en la zona de trabajo de TIPS con diferentes formas.

FIGURA 4.12

Sonotrodos catenoidales: Combinan las ventajas de la suave curva de fatiga para los materiales de los exponenciales, con la fuerte amplitud que pueden proporcionar los bicilndricos. Su coeficiente de amplificacin puede llegar a 1/8.Fig. 4.13. Su forma permite la colocacin en la zona de trabajo de TIPS con diferentes formas.

FIGURA 4.13

Sonotrodos rectangulares: Existen bajo formas diferentes. Normalmente los pequeos sonotrodos rectangulares poseen una curva de transicin idntica a la de los sonotrodos bicilndricos. Sin ranurar pueden llegar a 90 mm de ancho. Con ranuras, pueden llegar a 440 mm, con una amplia gama de medidas, tanto en largo como en ancho. Fig. 4.14.

FIGURA 4.14

Sonotrodos redondos: Suelen construirse con un mximo de 90 mm, en diseos muy especiales se puede llegar a 120 mm, pero las dimensiones grandes suelen ser problemticas. Fig. 4.15.

FIGURA 4.15

Sonotrodos de campana: Exteriormente redondos y huecos interiormente de la zona nodal hacia abajo, tienen una curva de comportamiento similar a los bicilndricos. Ranurados, se han llegado a construir de hasta 280 mm pero al igual que los redondos no es aconsejable fabricar dimetros muy grandes. El espesor de las paredes de un sonotrodo de campana, no debe ser inferior a los 6 mm. Fig. 4.16.

FIGURA 4.16

Sonotrodos compuestos: Los sonotrodos compuestos se fabrican para piezas que por su forma geomtrica, dimensin o material, no pueden ser procesadas con un sonotrodo normal. Estn formados por un portador, y varios activos, normalmente los portadores se fabrican en aluminio, y los activos pueden ser de titanio, aluminio o acero. Son adecuados tambin para salvar las diferencias de altura que pueden existir entre las diferentes zonas a soldar. Fig. 4.17.

FIGURA 4.17

APLICACIONES 5

5.1. Soldadura:

5.1.1. Principios:

La soldadura por ultrasonidos, ofrece muy buenos resultados, como proceso de unin para termoplsticos. Este es un proceso muy adecuado para la produccin de medianas y grandes series, ya que ofrece una elevada velocidad de proceso y los resultados de la soldadura son siempre reproducibles.

Los buenos resultados con respecto a la resistencia y a la impresin ptica, se producen solo cuando la soldadura se ha producido con los materiales recomendados, y correctas formas de unin. En adelante, vamos a intentar aclarar conceptos y dar indicaciones orientadas a la prctica para la creacin de la forma de la pieza, y ms en concreto las zonas de unin. Con esto intentaremos que el proyectista sea capaz de prever, para evitar problemas posteriores, ya en produccin.

El proyectista de las piezas que van a llevar un proceso de soldadura por ultrasonidos, debe pensar en ello desde el principio. Tambin en el momento de construir los moldes de inyeccin o extrusin, se deben seguir las indicaciones tcnicas para la soldadura por ultrasonidos. Las modificaciones posteriores, resultan caras, y conducen normalmente a problemas ya que el tiempo apremia. Construir la forma de unin adecuada, requiere adems del conocimiento del proceso de soldadura, conocer la calidad de los materiales, aspecto importante para el diseo adecuado.

5.1.2. Inicio del proceso:

El proceso de soldadura por ultrasonidos, se produce de la siguiente manera: a travs del sonotrodo se transmite la energa ultrasnica, la cual produce una agitacin molecular, que impulsa su dispersin hacia la parte inferior. Al encontrar la zona de unin director de energa, este caudal de energa produce la elevacin instantnea de la temperatura del mismo, al punto de fusin. Una vez realizada la unin, es necesaria una fase de enfriamiento, en este momento el material se enfra.

5.1.3. Influencias de la materia prima:

Los termoplsticos estn clasificados en dos grupos:

Amorfos.

Cristalinos.

La principal diferencia entre unos y otros, es que los amorfos no tienen definido con precisin el punto de fusin, y con altas temperaturas pasan de estado plstico a deshacerse mientras que los cristalinos si tienen el punto de fusin definido, pero necesitan un alto grado de energa calorfica para llegar a plastificar, para ello precisamos de amplitudes elevadas y equipos con potencias normalmente altas. En la fig. 5.1. vemos la curva de temperatura necesaria para plastificar en los amorfos y en los cristalinos.

FIGURA 5.1.

5.1.3.1. Amorfos:

En los plsticos amorfos, la unin de las molculas, se asemeja a borlas de algodn. Estos plsticos son en la mayora muy fuertes y se pueden soldar bien en campo lejano como en campo cercano.

Los plsticos rgidos tienen un coeficiente de transmisin bueno para la energa de ultrasonidos, a travs de los cuales se pueden transmitir las vibraciones a gran distancia por el material a la zona a soldar.

Importante!

Los soldables son siempre termoplsticos homogneos, a excepcin de la combinacin ABS-PMMA.

Las uniones entre termoplsticos y otros materiales son posibles mediante remachados.

5.1.3.2. Cristalinos:

En los plsticos cristalinos, la unin de las molculas, est organizada. Con motivo de la gran proximidad, dominan fuerzas intensas de atraccin entre molculas con forma de hilos. Su estructura se mantiene as hasta que la red que une las molculas se haya roto por completo. Este punto se caracteriza como punto de fusin ya que las piezas de estructura cristalina, pueden llegar a estar en estado lquido.

Los plsticos cristalinos son blandos y poseen un factor alto de vaporizacin, la corriente de la energa de ultrasonidos se vaporiza al entrar en el plstico, es por esto que las soldaduras con estos materiales deben ser siempre cercanas a la zona de contacto con el sonotrodo.

Importante!

Los soldables son siempre termoplsticos homogneos.

Las uniones entre termoplsticos y otros materiales son posibles mediante remachados.

En la siguiente tabla podemos ver algunos ejemplos de termoplsticos amorfos y cristalinos.

PLSTICONOMBREAMORFOCRISTALINO

PCPolicarbonato

PSPoliestireno

SANEstireno-acrilo-nitrilo

ABSAcrilonitrilo-butadieno estireno

PMMAPoli metacrilato de metilo

PVCPoli cloruro de vinilo

PSOPolisulfon

CPPropionato de celulosa

CAAcetato de celulosa

CABAcetobutirato de celulosa

PESPoli-thersulfona

PPSPolyfhenilen sulfid

PPPolipropileno

PPOPolioximetileno

PAPoliamida

PE (LDPE)Polietileno de baja densidad

PE (HDPE)Polietileno de alta densidad

POMPolioximetileno; resinas acetlicas

PBTPPoli (tereftalato de butileno)

En la siguiente tabla se especifica la calidad de la soldadura, remachado o insercin que se puede obtener en funcin de los materiales y distancias de soldadura:

AMORFOS

MaterialSOLDABILIDADREMACHADOINSERCION

CercanaLejana

ABSEBBB

ASAEEBB

CABC-B

CPBC-B

CABBC-B

PCBBBB

PEIEB-B

PESUBB-B

PMMAEEBB

PPSUEB--

PSEEBB

PSUBBB-

PVCBB--

SANEBBB

SBBBBB

(E) Excelente

(B) Buena

(C) Segn condiciones

(M) Mala

(-) No se ha comprobado

CRISTALINOS

MaterialSOLDABILIDADREMACHADOINSERCION

CercanaLejana

PABCBB

PBTBCB-

PEEKBC--

PE-HDBMB-

PE-LDBMB-

PETBMB-

POMBCBB

PPBCBB

PPSBC--

EPDMBCB-

PETPBCB-

PBTPBCB-

(E) Excelente

(B) Buena

(C) Segn condiciones

(M) Mala

(-) No se ha comprobado

Existen otros aspectos que influyen en los materiales, y que deben ser considerados para que no influyan en los resultados de las soldaduras:

Influencia de la humedad:

En poliamidas, el contenido de humedad es un factor de influencia importante en el resultado de la soldadura.

El aumento del contenido de humedad significa:

Disminucin de la rigidez del material.

Vaporizacin ms alta.

El comportamiento de la soldadura empeora.

El resultado de soldar con piezas hmedas es una soldadura porosa.

La soldadura hermtica de piezas hmedas no es posible.

Posibles soluciones:

Tras el inyectado de las piezas de PA, empaquetarlas hermticamente en sacos de PE.

Secar las piezas antes de la soldadura.

Duracin media de almacenamiento:

Los termoplsticos de estructura cristalina deben almacenarse antes de la soldadura por lo menos 24h.

Motivo:

Reduccin de la pieza.

Tensiones indeseadas.

Los termoplsticos amorfos, pueden soldarse directamente.

Aditivos y recuperados:

Aditivos como por ejemplo reblandecedores, sustancias inflamables, desmoldeantes, talco, reforzadores como la fibra de vidrio, y materiales de recuperacin, influyen directamente en el comportamiento de la soldadura.

5.1.4. Compatibilidad soldadura materiales

ABSPMMAPAPOMPCPPPEPVCSANPSPPOPPO (Noryl)PSN/PSu (Polisulfona)CA (Acetato de celulosa)

ABSO.K.O.K.C.L.C.L.

PMMAO.K.O.K.C.L.C.L.

PAO.K.

POMO.K.

PCC.L.O.K.

PPO.K.

PEO.K.

PVCO.K.

SANC.L.C.L.O.K.C.L.C.L.

PSC.L.C.L.O.K.O.K.

PPOO.K.O.K.

PPO (Noryl)C.L.O.K.O.K.O.K.

PSN/PSu (Polisulfona)O.K.

CA (Acetato de celulosa)O.K.

O.K.: Existe compatibilidad.

C.L.: Compatibilidad limitada.

5.1.5. Definicin de la forma unin:

Las formas de unin, pueden tener mltiples diseos, siempre en funcin del resultado que se espera conseguir y del material empleado. A continuacin veremos las formas de unin ms empleadas en los diferentes tipos de soldaduras.

Para determinar la forma de unin ms adecuada, primero hay que plantearse que requisitos debe cumplir la soldadura:

Resistencia mecnica simple.

Resistencia mecnica de impacto.

Resistencia mecnica a presin interior.

Resistencia mecnica a presin exterior.

Aspecto externo de la soldadura.

Hermeticidad.

Material que se emplear.

Determinados los requisitos, escogeremos el tipo de soldadura y por lo tanto la forma de unin.

Soldadura de la zona de interferencia de forma homognea mediante director de energa.

Soldadura de la zona de interferencia de forma discontinua mediante director de energa.

Soldadura hermtica.

Soldadura por puntos.

Remachado.

Insercin.

5.1.6. Por qu directores de energa?

Para soldar por ultrasonidos correctamente, la zona de interferencia entre al pieza superior y la pieza inferior, debe estar provista de un director de energa. El director de energa actuar como un fusible, facilitando el inicio del proceso de unin y aportando material a la soldadura. Ver fig. 5.2.

FIGURA 5.2.

El resultado de una soldadura efectuada sin director de energa es el siguiente:

Soldadura indefinida de la superficie.

Poca resistencia.

Alta necesidad de energa.

Deterioro del material.

Tiempo largo de soldadura.

El resultado de una soldadura efectuada con director de energa es el siguiente:

Superficie de contacto definida.

Energa bien dirigida.

Poca necesidad de energa.

Tiempo corto de soldadura.

Poca carga trmica.

Las dimensiones de los directores de energa, dependen de las propiedades de los diferentes termoplsticos, de la resistencia que se desea conseguir y del tamao de las piezas. Ver fig. 5.3.

FIGURA 5.3.

AMORFOSCRISTALINOS

Piezas pequeasPiezas grandesPiezas pequeasPiezas grandes

H = 0.3-0.4h = 0.5-0.8h = 0.5-0.7h = 0.7-1.0

( = 60-90( = 90( = 90( = 90

5.1.7.- La zona de acoplamiento con el sonotrodo:

En especial en los plsticos cristalinos, es determinante que la zona de contacto del sonotrodo con la pieza sea buena, solo entonces la energa podr ser bien canalizada hacia el director de energa. Es muy importante apoyar bien en la vertical del director de energa. Para materiales de estructura cristalina, tambin es importante que la zona de soldadura est lo ms prxima al sonotrodo como sea posible, en caso contrario la soldadura no se realizara. Ver fig. 5.4.

FIGURA 5.4.

5.1.8.- Unin por testa sin gua:

En las uniones por testa, la disposicin de los directores de energa, puede ser discontinua o continua, en el primer caso, el consumo de energa es inferior al segundo, pero la soldadura no permite hermeticidad; con el director de energa continuo si se puede lograr la hermeticidad, pero hay que tener en cuenta un detalle importante: Mantener libres las zonas de esquinas si no es preciso el hermetismo o con radios si debe cerrarse la costura por completo, de esta forma se logra lo siguiente: Ver fig. 5.5.

Evitamos la acumulacin de material en la zona de las esquinas.

No se producen rebabas exteriores.

Las tensiones son mnimas.

No existen desgarros o grietas.

FIGURA 5.5.

Cuando la pieza no dispone de ningn tipo de sujecin entre la mitad inferior y la mitad superior, existen varios sistemas para evitar el desplazamiento lateral.

Preparar la fijacin de manera que centre tambin la pieza superior. Fig. 5.6.(a)

Mecanizar el sonotrodo con un cajeado de manera que evite que la pieza superior escape lateralmente (Opcin menos recomendable que la anterior). Fig. 5.6.(b)

Las opciones anteriores tienen la ventaja de que no hay coste en modificacin de pieza.

Proveer a la pieza de tetones centradores. Fig. 5.6.(c)

Variar la forma de la tapa superior, aadindole un faldn interior (se respeta as el volumen exterior de la pieza). Fig. 5.6.(d)

Variar la forma de la tapa superior, aadindole un faldn exterior (Mejora el aspecto exterior de la soldadura.) Fig. 5.6.(e)

FIGURA 5.6.

5.1.9. Mejorar el aspecto de las soldaduras:

Una soldadura perfecta es aquella que rene los siguientes requisitos:

Estticamente perfecta.

Resistente

Hermtica (en caso de necesidad)

Para lograr este resultado, aplicaremos el diseo que aparece en la Fig 5.7.(a), de esta manera las piezas se centran por si solas, y se logra un aspecto exterior perfecto, exento de rebabas, y una excelente resistencia mecnica.

Debido a las tolerancias que existen en los procesos de inyeccin, sobre todo en piezas muy grandes, nos podemos encontrar con el problema de que exista mucha friccin entre las paredes laterales de los cajeados, o que una deformacin nos desplace la tapa hacia una esquina o un lateral; este problema nos lo podemos encontrar tambin en las piezas que son inyectadas con moldes de varias cavidades. Todos estos problemas provocaran variaciones de resultados en las soldaduras. Para evitarlo debemos proveer a la pieza de unos nervios verticales que auocentren la pieza manteniendola siempre separada lateralmente la pieza superior de la inferior como se puede apreciar en la fig 5.7. (b) .

FIGURA 5.7

5.1.10. Sistema de unin tipo machihembrado:

El sistema de unin tipo machihembrado que podemos ver en la fig. 5.8. ofrece la ventaja de una gran capacidad de resistencia mecnica, ya que las paredes laterales, tanto internas como externas evitan los movimientos de torsin. Otra ventaja es que tambin s autocentra, pero por la parte negativa, se deben respetar al mximo las tolerancias.

Son imprescindibles paredes gruesas.

FIGURA 5.8.

5.1.11. Soldadura por interferencia:

Este tipo de forma de unin, es un tanto especial, y se utiliza casi exclusivamente con dos materiales PA y POM.

Estos dos materiales tienen un punto muy estrecho de fusin, y pasan de estado slido a lquido casi de golpe. El objetivo de esta forma de unin es mantener el material controlado en la zona de soldadura durante la plastificacin y evitar as un fluido incontrolado.

Este modelo de forma de unin ofrece las siguientes ventajas:

Valores muy altos de resistencia.

Indicada cuando se requiere resistencia alta a la torsin.

Se autocentra.

Buena ptica, el material se mantiene en la zona de unin.

La parte negativa es que requiere amplitudes muy altas, y por lo tanto un alto ndice de energa, con lo cual el generador debe ser de potencia alta.

Importante dejar una gua libre para la salida del material de desecho.

FIGURA 5.9.

Tal y como se ve en la figura 5.9 el modelo de interferencia tiene dos variables, pero en ningn caso debe ser plana. La segunda, tiene un plano de inclinacin hacia arriba de 15, ofreciendo ms seguridad al hermetismo que la primera.

5.1.12. Soldadura de torretas:

La soldadura de torretas es muy indicada para las piezas que tienen paredes finas, y no requieren soldadura en el contorno. Ver fig. 5.10.

Es un mtodo limpio, y garantiza un valor alto de resistencia.

FIGURA 5.10.

Sus principales ventajas son:

Muy buena ptica, ya que el cordn de soldadura se mantiene interno en la zona de unin.

Alto valor de resistencia.

Autocentrado de la pieza sobre las torretas.

Tiempos de soldadura cortos.

Poco consumo de energa.

Indicado para soldaduras que tienen paredes finas.

Indicada en materiales como PA y POM.

5.2. Remachado:

5.2.1. Principios

El remachado por ultrasonidos, posibilita la unin entre materiales no compatibles para ser soldados y otros materiales como por ejemplo chapas de cobre, latn, acero etc.

Para lograr un buen aspecto de la cabeza del remache, son importantes los siguientes aspectos:

Una amplitud adecuada, ya que si es baja no podremos conformar el plstico, y si es demasiado alta, el material se nos escapar de control fluyendo con rapidez.

La cavidad que hay en el sonotrodo y que le va a dar forma al remache, debe estar ajustada al volumen de material que debe alojar, de no ser as el material escapar por los lados o en caso de ser demasiado grande, la forma del tetn no quedar bien.

La bajada del sonotrodo deber ser lenta y constante, para que el material tenga tiempo de ir plastificandose y conformandose en el alojamiento del sonotrodo.

El ultrasonido debe ser aplicado antes de tocar el plstico.

La presin debe ser ms bien baja.

En caso de varios remaches a la vez, es muy recomendable la utilizacin de sonotrodos compuestos, y en cada uno o mximo dos tetones (siempre y cuando estn cerca uno del otro), se colocar un activo.

Es importante para facilitar el montaje, dar grados de entrada en la parte inferior de la base o en la parte superior del tetn. Fig. 5.11 (b)

La base o raz del tetn, debe tener forma radial, nunca en ngulo, ya que se puede agrietar el tetn en su base por el efecto de ultrasonidos.

En piezas grandes o que estn sometidas a tensiones, no se puede garantizar que la pieza remachada est bien asentada sobre la base, para ello existe la solucin de montar un sistema de muelles de presin que actan un poco antes que el sonotrodo colocando las piezas perfectamente una contra la otra. Fig. 5.11 (c).

Para materiales abrasivos, los activos deben ser de acero templado.

FIGURA 5.11

5.2.2. Formas de los tetones:

En los siguientes dibujos, se pueden apreciar las diferentes formas de remachados que existen.

FIGURA 5.12

5.3. Rebordeado:

El rebordeado es una forma especial de remachado, se aplica en ocasiones en la que no es posible fijar la pieza a travs de tetones. Los principios que se deben aplicar a este proceso son los mismos que en los remaches, pero como se ve en la figura 5.13, la forma del sonotrodo debe cambiar.

FIGURA 5.13.

5.4. Soldadura por puntos:

El principio de la soldadura por puntos, es la simple colocacin de una pieza plana contra otra plana, compatibles para ser soldadas, y que no han sido preparadas previamente para ser soldadas, es decir que no disponen de director de energa.

La punta del sonotrodo se introduce a travs de la primera pieza hasta la penetracin de la segunda, plastificando el material que encuentra a su paso y expulsandolo lateralmente, entonces entra en contacto con la pieza la corona superior del sonotrodo, que presiona y plastifica la parte superior, esta corona, al tener una superficie de contacto mayor que la punta, transmite la energa a la interferencia con la pieza inferior, creando un remolino que produce una excelente soldadura.

Las dimensiones de la punta del sonotrodo varan en funcin del material y sobre todo de los grosores de las placas.

Hay que tener cuidado con los materiales hechos por COLADA o LAMINACIN, pues en algunos casos los aditivos deslizantes que se utilizan en su fabricacin no permiten el intercambio molecular en el momento de aplicar los ultrasonidos y obteniendo unas soldaduras falsas.

FIGURA 5.14

5.5. Soldadura de lminas y tejidos sobre piezas de inyeccin:

Existe tambin la posibilidad de soldar tejidos sintticos o mallas con base plstica a soportes inyectados.

Tal y como vemos en la figura 5.15, el soporte es conveniente que est provisto de un director de energa.

El sonotrodo debe ser estriado para facilitar la penetracin del material en la base inyectada.

FIGURA 5.15

5.6. Soldadura de estanqueidad con junta trica:

Hay casos en que se realiza la soldadura de estanqueidad ayudado de una junta trica, que garantiza mucho ms el proceso.

Hay que tener mucha precaucin al realizar el diseo, de que no penetre la soldadura en la zona de la junta trica. Otro punto a tener en cuenta es evitar ngulos pronunciados en la zona de presin de la junta, tal y como podemos ver en la fig. 5.16.

FIGURA 5.16

5.7. Insertos:

5.7.1. Principios

Mediante la presente aplicacin de ultrasonidos se pueden insertar casquillos metlicos en piezas termoplsticas ya inyectadas, evitando el sistema de sobreinyeccin con el inconveniente de tener que posicionar los insertos en el molde.

Las medidas de los orificios deben ser acordes con las dimensiones de los insertos que tambin son especiales para este proceso.

Para la insercin se utilizan sonotrodos de baja amplitud y penetracin a velocidad media.

A continuacin reflejamos un esquema de principio (FIG. 5.17) y unas tablas orientativas del prospecto N 30 (hoja 18 y 19) de la empresa KERB KONUS.

FIGURA 5.17

5.8. Corte por ultrasonidos:

La aplicacin de corte de tejidos sintticos y materiales plsticos de poco espesor, es muy utilizada en la industria. Aprovechando la generacin de calor que puede producir el sonotrodo, y con la ayuda de una rulina de corte, se pueden realizar cortes de tejidos, y a la vez soldadura del borde evitando as que se deshilache el tejido por la zona de corte.

Estos equipos trabajan en continuo, por lo que es necesario ventilar continuamente el cabezal. Para no generar ms energa de la necesaria, se utilizan normalmente generadores de 600 W. y 20 Khz.

5.9. Soldadura de cartn de embalaje:

La aplicacin de soldadura de cartones y lminas de poco grosor, es muy utilizada en el sector de embalaje. Para realizar este proceso, se utilizan sonotrodos y fijaciones estriados como se puede ver en la fig. 5.18.

Normalmente se requiere un equipo de potencia alta, ya que la punta de inicio suele ser fuerte.

FIGURA 5.18

AJUSTES Y PARAMETROS DE SOLDADURA 6

Hasta ahora hemos estado viendo todos los principios de soldadura por ultrasonidos, sus diferentes tipos de aplicacin, componentes materiales etc. En este apartado Ajustes y parmetros de soldadura abordamos un tema, que frecuentemente se plantea a pie de mquina, incluso con aplicaciones que estn bien resueltas.

El encargado de mantenimiento, operario o responsable tcnico, debe ajustar cada vez que se cambia el utillaje una serie de parmetros, que influyen directamente en la soldadura. Debido a la cantidad de parmetros que influyen en el proceso, y las influencias de unos sobre otros, provocan en ocasiones que el trabajo de ajustes sea largo, y costoso en desecho de material. A continuacin explicamos los diversos factores de ajuste, y su influencia sobre la soldadura.

Presin.

Velocidad de bajada de cabezal.

Amplitud.

Diseo de pieza.

Aditivos en la inyeccin.

Material de pieza.

Factor de humedad en la pieza.

Cambios en el molde.

Diferencias entre cavidades de molde.

Tiempo de soldadura.

Momento de disparo de ultrasonidos.

Tiempo de reposo.

Fijacin.

Sonotrodo.

Planeidad.

Transmisin de energa

Potencia de mquina.

Acoplamiento entre componentes del cabezal.

6.1. Presin:

En las mquinas donde la actuacin del cabezal de soldadura est dirigida por un carro soporte con gua y actuacin neumtica, la presin puede ser variada mediante regulador y manmetro de presin. Para los diferentes tipos de aplicaciones, la presin de soldadura puede oscilar entre 0.5 bar y 7 bar, en relacin siempre al dimetro del cilindro.

Si presin (: transmisin de energa a la pieza ( Si presin (: consumo de potencia del generador ( Si presin (: posibilidad de saturacin del generador ( Si presin (: transmisin de energa a la pieza ( Si presin (: consumo de potencia del generador ( Si presin (: posibilidad de saturacin del generador ( Si presin (: marcas en la zona de contacto con el sonotrodo (El ajuste de la presin, tambin influye en la duracin del tiempo de soldadura, por ejemplo:

Supongamos que para la correcta realizacin de una soldadura, necesitamos una presin de 3.5 bar y un tiempo de soldadura de 1 segundo con el resultado de un consumo de potencia del generador de 2000 W. Si el generador es de 2000 W, corremos el riesgo de que se sature a menudo.

Solucin: Bajar la presin de soldadura a 3 bar, con ello disminuiremos el consumo de potencia del generador, evitando as el riesgo de saturacin, pero para mantener el resultado de soldadura, deberemos aumentar el tiempo de soldadura.

Normalmente los materiales cristalinos necesitan una mayor presin para ser soldados. Conviene recordar que en los remaches las presiones suelen ser bajas, as como en las soldaduras de materiales amorfos.

La distancia existente entre la zona de contacto del sonotrodo y la zona de soldadura, tambin requiere mayor o menor presin, en relacin directa con la distancia.

La geometra de la pieza, puede condicionar tambin la presin que se puede ejercer sobre ella.

6.2. Velocidad de bajada del cabezal.

Otro factor influyente en el resultado de la soldadura. Habitualmente no se le da demasiada importancia a la velocidad de bajada, pero sus efectos en el proceso son bastante notables. En el campo de soldadura, una velocidad rpida de bajada, implica que desde el momento en que el sonotrodo toma contacto con la pieza hasta que esta recibe toda la presin que tengamos regulada, pasa un tiempo menor que en caso de tener una velocidad lenta, la cual implica que el llenado del cilindro sea a su vez lento. Esto quiere decir que la curva de potencia de arranque de soldadura en bajada rpida sufre un fuerte ascenso en inicio, mientras que ante una bajada lenta del cabezal, la curva de potencia es menos brusca, y ms progresiva.

A igual presin: Velocidad lenta: arranque de curva de potencia progresiva.

Velocidad rpida: arranque de curva de potencia brusca.

En aplicaciones de remachado por ultrasonidos la velocidad de avance del sonotrodo debe ser muy lenta.

6.3. Amplitud.

La amplitud, es el factor que nos aporta la energa calorfica adecuada para la fusin del material que se est procesando, por este motivo:

Amplitud (: Potencia de consumo del generador (Energa calorfica ( Amplitud (: Potencia de consumo del generador (Energa calorfica (

Un exceso de amplitud comporta la degradacin del material, riesgo de salpicadura del material fuera de la zona de unin, y en general descontrol del proceso.

Un defecto de amplitud comporta tiempos muy largos de proceso, presiones altas, soldadura pobres o nulas, efecto de incrustacin, marcas superficiales en las piezas.

Para el mayor conocimiento del efecto de amplitud, ver apartado 4.5.

A continuacin vemos una tabla con los materiales termoplsticos, y las diferentes amplitudes a aplicar segn frecuencia de cabezal y tipo de aplicacin.

PLASTICOUTILIZACION

SOLDARREMACHARINSERTAR

MINIMA

(Khz.)IDEAL

(Khz.)IDEAL

(Khz.)IDEAL

(Khz.)

2030203020302030

A

M

O

R

F

O

SPS1512201615132013

SB2015251920162013

SAN2215251920162013

PC/ABS2522302620162013

PMMA2220282418132013

CA35304035----

PC2220282420162013

PC mod.3025353025192013

PPO3025353025192518

PSU3025353025192518

PVC blando35402519--

PVC duro2525303020162013

C

R

I

S

T

A

L

I

N

O

SHD-PE453550422525--

LD-PE453550422525--

EPDM403545402525--

PP3530403520202518

POM4035454025242518

PA4035454020202518

PA (GF)3530403525202013

PBTP403545402525--

PETP453750422525--

Valores de 0 a pico.

6.4. Diseo de pieza.

El diseo de pieza, no es un factor que normalmente influya en los procesos de produccin, ya que ha sido afrontado con anterioridad por el departamento de desarrollo, pero en ocasiones ligeros cambios por factores ajenos a la soldadura, que aparentemente no deben influir en la misma, si pueden crear un conflicto con el proceso de soldadura.

Debe prestarse atencin a la hora de incorporar cambios en las piezas, para evitar este tipo de problemas.

6.5. Aditivos o cambios de parmetros en el proceso de inyeccin.

El uso de siliconas desmoldeantes, no permite la realizacin de soldadura correctamente.

Los cambios de parmetros en la inyeccin pueden generar diferencias en las piezas, creando as problemas en la soldadura.

Los aditivos como la fibra de vidrio, dificultan la transmisin del ultrasonido.

El uso de materiales reciclados, puede generar problemas con la soldadura.

6.6. Material pieza.

El cambio de materia plstica en la inyeccin de la pieza, puede provocar problemas de soldadura, muchas veces insalvables, o por el contrario mejorar el proceso, en cualquier caso se debe consultar antes de inyectar con otro material.

6.7. Factor de humedad.

Tal y como se ha explicado anteriormente en los materiales como la PA, la humedad que coge la pieza puede generar graves problemas de soldadura, por lo que se hace recomendable secar las piezas antes de ser soldadas o despus de la inyeccin introducirlas en bolsas hermticas.

6.8. Tiempo de soldadura.

El tiempo de soldadura, es otro de los factores importantes que determinan la buena calidad del proceso de soldadura.

Si tiempo US. Excesivo:Degradacin de la soldadura.

Marcas en la pieza.

Exceso de rebabas.

Consumo intil de energa.

Perdida de tiempo en el proceso.

Si tiempo US. Corto:

Soldadura dbil.

La pieza puede no quedar completamente cerrada.

6.9. Momento de disparo.

Se entiende por momento de disparo, el instante en que se inicia la actividad de ultrasonidos, el hecho de que este instante sea antes de tocar la pieza, justo cuando la toca o posteriormente con menor o mayor presin, varia notablemente en el resultado final de la soldadura.

Para la realizacin de insertos y remachados por ultrasonidos, conviene que el momento de disparo sea antes de que el sonotrodo llegue a tocar la pieza.

En otras aplicaciones, puede ser interesante dispara con ms o menos presin; al igual que en el parmetro de velocidad de bajada del cabezal, la curva de potencia vara en funcin del momento de disparo.

Cuando el momento de disparo se determina mediante un tiempo, conviene tener presente que la velocidad de bajada del cabezal, vara el punto de inicio.

6.10. Tiempo de reposo.

Este es uno de los factores, que menos influencia tiene en el resultado final, pero puede haber casos en los que sea sumamente necesario su empleo. El tiempo de reposo se emplea normalmente para evitar que la pieza se recupere en el momento en el que el sonotrodo se retira, de esta manera enfriamos el plstico evitando dicha recuperacin.

En muchas aplicaciones este tiempo no es necesario, por lo que conviene dejarlo a cero, ganando tiempo en el proceso y evitando que el sonotrodo tomo temperatura de la pieza.

6.11. Fijacin.

En los cambios de utillaje, normalmente se efecta un cambio de la fijacin de asiento de pieza. Este proceso puede acarrear problemas cuando el centraje respecto al sonotrodo es muy crtico, sobre todo en piezas que tienen formas complejas. Conviene colocar topes que puedan guiar o referencias claras para la definicin del sitio correcto donde se debe anclar la fijacin.

Otro aspecto importante es la nivelacin de planeidad de la misma con respecto al sonotrodo. Muchas veces se realiza mediante gruesos de cartn o papel, pero es un sistema poco aconsejable, sobre todo en lugares donde se realizan continuos cambios de utillajes. Una vez sabido el nivel adecuado de la pieza, debe ser suplementada de forma mecnica o a travs de la placa de nivelacin del plato base de nuestras prensas SMT.3020-A.

6.12. Sonotrodo.

En los cambios de utillaje, el mismo problema que se presentan las fijaciones con los centrajes, ocurre con los sonotrodos. Para realizar un buen centrado debe hacerse bajar el sonotrodo sin presin sobre la fijacin, y de esta manera aproximar el centraje correcto, despus sin bloquear la fijacin se hace bajar el cabezal con poca presin y se dan unos impulsos de ultrasonidos cortos para que por efecto de la vibracin, la fijacin deslice a su sitio natural.

6.13. Planeidad.

El problema de la planeidad, est relacionado, como hemos visto anteriormente con la correcta colocacin de la fijacin. En ocasiones las variaciones de parmetros de inyeccin, o modificaciones de pieza pueden influir en los niveles de planeidad de pieza respecto al sonotrodo. Si el contacto no es bueno, la transmisin de energa no es suficiente, o pueden quedar zonas mal soldadas.

6.14. Transmisin de energa.

La pieza que debe ser procesada por ultrasonidos, debe recibir el caudal de energa necesario con el mnimo de perdidas posibles, es por esto, que la zona de acoplamiento entre el sonotrodo y la pieza debe ser ptima.

En piezas con zona plana, esto no acostumbra a presentar ningn problema, pero en piezas con radios y formas complejas, la construccin del sonotrodo debe seguir el contorno de la pieza de la forma ms fiel posible.

En sonotrodos de aluminio, se pueden hacer copias a electroerosin, pero en los sonotrodos de titanio no es posible.

Para evitar marcas en la superficie de las piezas, a veces se hace necesario colocar entre las dos partes un film de PE.

6.15. Potencia de mquina.

La potencia de mquina no influye en la correcta soldadura, pero si es insuficiente no permite la realizacin del proceso, y si est muy ajustada puede provocar fallos por saturacin en algunas piezas.

Es recomendable disponer de una potencia superior a la requerida, para evitar este tipo de problemas.

6.16. Acoplamiento entre componentes del cabezal.

Cuando se realiza un cambio de utillaje (sonotrodo y modificador de amplitud), hay que realizarlo siguiendo los siguientes pasos:

Extraer el cabezal de la mquina con cuidado de no golpearlo.

Colocarlo tumbado sobre una base firme en caso de tener sonotrodo redondo.

Cogerlo por el sonotrodo en el tornillo de banco, utilizando un trapo para no marcarlo.

Aflojar sus componentes sonotrodo, Modificador de amplitud y convertidor con las llaves articuladas.

Utilizar un brazo de palanca si fuera necesario para aflojar.

Limpiar las uniones de suciedad acumulada.

Si estuviera muy picado, pulir con lija fina.

Si aparece muy negro, ojo! Puede ser debido a algn componente en mal estado o una unin anterior floja.

Montar los nuevos componentes ayudado de las llaves articuladas para apretar. No utilizar palancas en el apriete.

Colocar el cabezal en la mquina.

Comprobar el ajuste y reajustar si fuera necesario.

SISTEMAS DE CONTROL 7

Los procesos de soldadura pueden ser controlados de diversas maneras, la ms habitual es el control de tiempos, pero para aplicaciones que lo requieren se han desarrollado sistemas de control ms avanzados como el control por energa, el control de cota o el control de cota absoluta.

7.1. Control de tiempos:

Se controla el proceso a travs de tres tiempos:

Tiempo 1 : Momento de disparo de ultrasonidos.

Tiempo 2 : Duracin de la actividad ultrasnica.

Tiempo 3 : Duracin del momento de reposo del cabezal con presin sobre la pieza pero sin actividad de ultrasonidos.

Finalizados los tres tiempos, se retira el cabezal de soldadura.

7.2. Control por energa:

Se controla el proceso con prioridad sobre la energa consumida.

Se fija un valor de consumo energtico medio por ejemplo 150 Julios, se concretan tambin valores fijos como la presin, el momento de disparo de ultrasonidos y la velocidad de bajada del cabezal. Se mantiene abierto un margen mnimo y mximo de tiempo de soldadura, dentro del cual debe alcanzarse el consumo energtico.

Este proceso debe ser controlado mediante microprocesador, con lo cual se necesita un generador de coste mayor que en el sistema de control simple de tiempos.

7.3. Control de cota:

En este sistema de control, la prioridad es el recorrido en mm de la pieza desde el inicio de la soldadura hasta la finalizacin de la misma.

Se fija una recorrido en mm por ejemplo 1.32mm, se concretan valores fijos como la presin, el momento de disparo de ultrasonidos y la velocidad de bajada. Se mantiene abierto un margen mnimo y mximo de tiempo de soldadura, dentro del cual debe alcanzarse el recorrido fijado. Se inicia el proceso, baja el cabezal hasta que toma contacto con la pieza, en ese momento toma el valor de cota como 0mm, inicia la soldadura, y el sistema va midiendo el avance de la pieza hasta que llega al valor fijado, momento en el cual se acaba el ciclo. El ciclo finaliza antes si se excede el tiempo mximo y no se ha alcanzado el recorrido marcado, y da error tambin si se logra el objetivo antes del tiempo mnimo marcado.

Este proceso debe ser controlado mediante microprocesador, con lo cual se necesita un generador de coste mayor que en el sistema de control simple de tiempos.

Es necesario que la prensa neumtica incorpore un encoder lineal de medicin de recorrido.

7.4. Control de cota absoluta:

Funciona bsicamente igual que el proceso anterior, pero el control de recorrido se efecta desde el inicio de bajada del cabezal de soldadura, hasta que finaliza la soldadura.

De esta manera se puede conseguir que una vez soldadas, todas las piezas mantengan un grosor igual.

Este proceso debe ser controlado mediante microprocesador, con lo cual se necesita un generador de coste mayor que en el sistema de control simple de tiempos.

Es necesario que la prensa neumtica incorpore un encoder lineal de medicin de recorrido

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