Soldadura ultra-sónica - Ultrasonic welding

Soldagem ultrassônica de folhas metálicas finas. O sonotrodo é girado ao longo da costura de solda.

A soldagem ultrassônica é um processo industrial pelo qual vibrações acústicas ultrassônicas de alta frequência são aplicadas localmente às peças de trabalho mantidas juntas sob pressão para criar uma solda de estado sólido . É comumente usado para plásticos e metais e, especialmente, para unir materiais diferentes . Na soldagem ultrassônica, não há parafusos de conexão, pregos, materiais de solda ou adesivos necessários para unir os materiais. Quando aplicado a metais, uma característica notável deste método é que a temperatura fica bem abaixo do ponto de fusão dos materiais envolvidos, evitando assim quaisquer propriedades indesejáveis ​​que podem surgir da exposição dos materiais a alta temperatura.

História

A aplicação prática da soldagem ultrassônica para plásticos rígidos foi concluída na década de 1960. Neste ponto, apenas plásticos rígidos podiam ser soldados. A patente do método ultrassônico para soldagem de peças termoplásticas rígidas foi concedida a Robert Soloff e Seymour Linsley em 1965. Soloff, o fundador da Sonics & Materials Inc., era gerente de laboratório na Branson Instruments, onde filmes plásticos finos eram soldados em sacos e tubos usando sondas ultrassônicas. Ele, sem querer, moveu a sonda para perto de um dispensador de fita plástica e as metades do dispensador se soldaram. Ele percebeu que a sonda não precisava ser movida manualmente ao redor da peça, mas que a energia ultrassônica poderia viajar através e ao redor de plásticos rígidos e soldar uma junta inteira. Ele desenvolveu a primeira impressora ultrassônica. A primeira aplicação dessa nova tecnologia foi na indústria de brinquedos.

O primeiro carro feito inteiramente de plástico foi montado usando soldagem ultrassônica em 1969. Mesmo que os carros de plástico não pegassem, a soldagem ultrassônica sim. A indústria automotiva o usa regularmente desde a década de 1980. Agora é usado para uma infinidade de aplicativos.

Processar

Soldadura ultra-sónica

Para unir peças termoplásticas moldadas por injeção complexas , o equipamento de soldagem ultrassônica pode ser facilmente personalizado para se adequar às especificações exatas das peças a serem soldadas. As peças são ensanduichadas entre um ninho de formato fixo ( bigorna ) e um sonotrodo (buzina) conectado a um transdutor, e uma vibração acústica de baixa amplitude de ~ 20 kHz é emitida. (Nota: as frequências comuns usadas na soldagem ultrassônica de termoplásticos são 15 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 35 kHz, 40 kHz e 70 kHz). Na soldagem de plásticos, a interface das duas peças é especialmente projetada para concentrar o processo de fusão. Um dos materiais geralmente tem um diretor de energia pontiagudo ou arredondado que entra em contato com a segunda parte de plástico. A energia ultrassônica derrete o ponto de contato entre as peças, criando uma junta. Este processo é uma boa alternativa automatizada para cola , parafusos ou designs de encaixe rápido . É normalmente usado com peças pequenas (por exemplo, telefones celulares, eletrônicos de consumo, ferramentas médicas descartáveis, brinquedos, etc.), mas pode ser usado em peças tão grandes quanto um pequeno painel de instrumentos automotivos. Ultra-sônicos também podem ser usados ​​para soldar metais, mas são normalmente limitados a pequenas soldas de metais finos e maleáveis, por exemplo, alumínio, cobre, níquel. O ultrassom não seria usado para soldar o chassi de um automóvel ou para soldar peças de uma bicicleta , devido aos níveis de potência exigidos.

A soldagem ultrassônica de termoplásticos causa fusão local do plástico devido à absorção de energia vibracional ao longo da junta a ser soldada. Em metais, a soldagem ocorre devido à dispersão de óxidos superficiais em alta pressão e ao movimento local dos materiais. Embora haja aquecimento, não é suficiente para derreter os materiais de base.

A soldagem ultrassônica pode ser usada para plásticos duros e macios, como plásticos semicristalinos e metais. A compreensão da soldagem ultrassônica aumentou com pesquisas e testes. A invenção de equipamentos mais sofisticados e baratos e o aumento da demanda por componentes plásticos e eletrônicos levaram a um conhecimento crescente do processo fundamental. No entanto, muitos aspectos da soldagem ultrassônica ainda requerem mais estudos, como relacionar a qualidade da solda aos parâmetros do processo. A soldagem ultrassônica continua a ser um campo em rápido desenvolvimento.

Cientistas do Instituto de Ciência e Engenharia de Materiais (WKK) da Universidade de Kaiserslautern, com o apoio da Fundação Alemã de Pesquisa ( Deutsche Forschungsgemeinschaft ), conseguiram provar que o uso de processos de soldagem ultrassônica pode levar a ligações altamente duráveis ​​entre metais leves e carbono - folhas de polímero reforçado com fibra (CFRP).

Os benefícios da soldagem ultrassônica são que ela é muito mais rápida do que os adesivos ou solventes convencionais. O tempo de secagem é muito rápido, e as peças não precisam ficar muito tempo no fixador esperando a junta secar ou curar. A soldagem pode ser facilmente automatizada, tornando as juntas limpas e precisas; o local da solda é muito limpo e raramente requer algum trabalho de retoque. O baixo impacto térmico nos materiais envolvidos permite que um maior número de materiais sejam soldados entre si.

Componentes

Todos os sistemas de soldagem ultrassônica são compostos dos mesmos elementos básicos:

  • Uma prensa, geralmente com acionamento pneumático ou elétrico, para montar duas peças sob pressão
  • Um ninho ou bigorna ou acessório onde as peças são colocadas e permitindo que a vibração de alta frequência seja direcionada para as interfaces
  • Uma pilha ultrassônica composta por um conversor ou transdutor piezoelétrico , um booster opcional e uma buzina. Todos os três elementos da pilha são ajustados especificamente para ressoar na mesma frequência ultrassônica exata (normalmente 15, 20, 30, 35 ou 40 kHz)
    • Conversor: converte o sinal elétrico em vibração mecânica usando o efeito piezoelétrico
    • Booster: Modifica a amplitude da vibração mecanicamente. Também é usado em sistemas padrão para prender a pilha na prensa.
    • Buzina: toma a forma da peça, também modifica a amplitude mecanicamente e aplica a vibração mecânica às peças a serem soldadas.
  • Um gerador ultrassônico eletrônico (EUA: fonte de alimentação) fornecendo um sinal elétrico de alta potência com frequência correspondente à frequência de ressonância da pilha.
  • Um controlador que controla o movimento da prensa e o fornecimento da energia ultrassônica.

Formulários

As aplicações da soldagem ultrassônica são extensas e são encontradas em muitas indústrias, incluindo elétrica e informática, automotiva e aeroespacial, médica e de embalagens. Se dois itens podem ser soldados por ultrassom, isso é determinado por sua espessura. Se eles forem muito espessos, esse processo não os unirá. Este é o principal obstáculo na soldagem de metais. No entanto, fios, conexões de microcircuito, folhas de metal, folhas, fitas e malhas são frequentemente unidos por meio de soldagem ultrassônica. A soldagem ultrassônica é uma técnica muito popular para a colagem de termoplásticos . É rápido e facilmente automatizado, com tempos de soldagem geralmente abaixo de um segundo e não há sistema de ventilação necessário para remover o calor ou exaustão. Este tipo de soldagem é freqüentemente usado para construir montagens que são muito pequenas, muito complexas ou muito delicadas para as técnicas de soldagem mais comuns.

Indústrias de informática e elétrica

Na indústria elétrica e de informática, a soldagem ultrassônica é freqüentemente usada para unir conexões com fio e criar conexões em circuitos pequenos e delicados. As junções dos chicotes de fios geralmente são unidas por meio de soldagem ultrassônica. Chicotes de fios são grandes grupos de fios usados ​​para distribuir sinais elétricos e energia. Motores elétricos , bobinas de campo , transformadores e capacitores também podem ser montados com soldagem ultrassônica. Também é frequentemente preferido na montagem de mídia de armazenamento, como unidades flash e discos de computador, devido aos altos volumes necessários. Verificou-se que a soldagem ultrassônica de discos de computador tem tempos de ciclo de menos de 300 ms.

Uma das áreas em que a soldagem ultrassônica é mais usada e onde novas pesquisas e experimentações estão centradas são os microcircuitos. Este processo é ideal para microcircuitos, pois cria ligações confiáveis ​​sem introduzir impurezas ou distorção térmica nos componentes. Dispositivos semicondutores, transistores e diodos são freqüentemente conectados por fios finos de alumínio e ouro usando soldagem ultrassônica. Ele também é usado para unir fios e fitas, bem como chips inteiros a microcircuitos. Um exemplo de onde os microcircuitos são usados ​​é em sensores médicos usados ​​para monitorar o coração humano em pacientes com ponte de safena.

Uma diferença entre a soldagem ultrassônica e a soldagem tradicional é a capacidade da soldagem ultrassônica de unir materiais diferentes. A montagem dos componentes da bateria é um bom exemplo de onde essa capacidade é utilizada. Ao criar componentes de bateria e célula de combustível , conexões de cobre, níquel e alumínio de calibre fino, camadas de folha metálica e malhas de metal são freqüentemente soldadas por ultrassom. Muitas camadas de folha metálica ou malha podem ser aplicadas em uma única solda, eliminando etapas e custos.

Indústrias aeroespacial e automotiva

Para automóveis, a soldagem ultrassônica tende a ser usada para montar grandes componentes plásticos e elétricos, como painéis de instrumentos, painéis de portas, lâmpadas, dutos de ar, volantes, estofados e componentes do motor. Como os plásticos continuam a substituir outros materiais no projeto e na fabricação de automóveis, a montagem e a junção de componentes de plástico tem se tornado cada vez mais uma questão crítica. Algumas das vantagens da soldagem ultrassônica são tempos de ciclo baixos, automação , baixo custo de capital e flexibilidade. Além disso, a soldagem ultrassônica não danifica o acabamento da superfície, o que é uma consideração crucial para muitos fabricantes de automóveis, porque as vibrações de alta frequência impedem a geração de marcas.

A soldagem ultrassônica é geralmente utilizada na indústria aeroespacial ao juntar chapas finas de metais e outros materiais leves. O alumínio é um metal difícil de soldar usando técnicas tradicionais devido à sua alta condutividade térmica. No entanto, é um dos materiais mais fáceis de soldar usando a soldagem ultrassônica porque é um metal mais macio e, portanto, uma solda no estado sólido é simples de se conseguir. Como o alumínio é amplamente utilizado na indústria aeroespacial, conclui-se que a soldagem ultrassônica é um importante processo de fabricação. Além disso, com o advento de novos materiais compostos , a soldagem ultrassônica está se tornando ainda mais prevalente. Tem sido usado na colagem do popular material composto de fibra de carbono . Numerosos estudos foram feitos para encontrar os parâmetros ideais que produzirão soldas de qualidade para este material.

Indústria médica

Na indústria médica, a soldagem ultrassônica é frequentemente usada porque não introduz contaminantes ou degradação na solda e as máquinas podem ser especializadas para uso em salas limpas . O processo também pode ser altamente automatizado, fornece controle rígido sobre as tolerâncias dimensionais e não interfere na biocompatibilidade das peças. Portanto, aumenta a qualidade da peça e diminui os custos de produção. Itens como filtros arteriais, filtros de anestesia, filtros de sangue, cateteres IV, tubos de diálise, pipetas , reservatórios de cardiometria, filtros de sangue / gás, máscaras faciais e pontas / filtros IV podem ser feitos por meio de soldagem ultrassônica. Outra aplicação importante na indústria médica para soldagem ultrassônica são os têxteis. Itens como aventais hospitalares, roupas esterilizadas, máscaras, adesivos transdérmicos e tecidos para salas limpas podem ser selados e costurados por meio de soldagem ultrassônica. Isso evita a contaminação e a produção de poeira e reduz o risco de infecção.

Indústria de embalagens

Isqueiro butano

A embalagem é uma aplicação onde a soldagem ultrassônica é freqüentemente usada. Muitos itens comuns são criados ou embalados usando soldagem ultrassônica. Recipientes de vedação, tubos e embalagens blister são aplicações comuns.

A soldagem ultrassônica também é aplicada na embalagem de materiais perigosos, como explosivos, fogos de artifício e outros produtos químicos reativos. Esses itens tendem a exigir vedação hermética , mas não podem ser submetidos a altas temperaturas. Um exemplo é um isqueiro de butano. Esta solda de recipiente deve ser capaz de suportar alta pressão e estresse e deve ser hermética para conter o butano. Outro exemplo é o empacotamento de munições e propelentes. Essas embalagens devem ser capazes de suportar alta pressão e estresse para proteger o consumidor do conteúdo. Ao selar materiais perigosos, a segurança é uma preocupação principal.

A indústria alimentícia considera a soldagem ultrassônica preferível às técnicas de junção tradicionais, porque é rápida, higiênica e pode produzir vedações herméticas. Recipientes de leite e suco são exemplos de produtos geralmente selados por soldagem ultrassônica. As partes de papel a serem seladas são revestidas com plástico, geralmente polipropileno ou polietileno , e então soldadas entre si para criar uma vedação hermética. O principal obstáculo a ser superado neste processo é a definição dos parâmetros. Por exemplo, se ocorrer soldagem excessiva, a concentração de plástico na zona de soldagem pode ser muito baixa e causar a quebra da vedação. Se estiver sub-soldado, a vedação está incompleta. Variações nas espessuras dos materiais podem causar variações na qualidade da solda. Alguns outros itens alimentares selados por soldagem ultrassônica incluem embalagens de barras de chocolate, embalagens de alimentos congelados e recipientes de bebidas.

Segurança

Os riscos da soldagem ultrassônica incluem exposição a altos níveis de calor e tensões. Este equipamento deve ser operado de acordo com as diretrizes de segurança fornecidas pelo fabricante para evitar ferimentos. Por exemplo, os operadores nunca devem colocar as mãos ou braços perto da ponta de soldagem quando a máquina é ativada. Além disso, os operadores devem receber proteção auditiva e óculos de segurança. Os operadores devem ser informados sobre as regulamentações do órgão governamental para equipamentos de soldagem ultrassônica e essas regulamentações devem ser aplicadas.

As máquinas de solda ultrassônica requerem manutenção e inspeção de rotina. As portas do painel, as tampas da caixa e as proteções protetoras podem precisar ser removidas para manutenção. Isso deve ser feito quando o equipamento estiver desligado e apenas por profissional treinado que fará a manutenção da máquina.

Vibrações sub-harmônicas, que podem criar ruídos audíveis irritantes, podem ser causadas em peças maiores próximas à máquina devido à frequência de soldagem ultrassônica. Esse ruído pode ser amortecido prendendo essas peças grandes em um ou mais locais. Além disso, soldadores de alta potência com frequências de 15 kHz e 20 kHz normalmente emitem um guincho agudo potencialmente prejudicial na faixa da audição humana. A blindagem desse som irradiante pode ser feita usando um invólucro acústico.

Veja também

Referências

Notas

Bibliografia

  • American Welding Society (1997). Jefferson's Welding Encyclopedia . Sociedade Americana de Soldagem. ISBN  0-87171-506-6 .
  • American Welding Society (2001). Manual de Soldagem: Ciência e Tecnologia de Soldagem . Sociedade Americana de Soldagem. ISBN  0-87171-657-7 .
  • Ahmed, Nasir (Ed.), (2005). Novos desenvolvimentos em soldagem avançada . Boca Raton, Flórida: CRC Press LLC. ISBN  0-8493-3469-1 .
  • Grewell, David A .; Benatar, Avraham; & Park, Joon B. (Eds), (2003). Manual de soldagem de plásticos e compostos . Cincinnati, Ohio: Hanser Gardner Publications, Inc. ISBN  1-56990-313-1 .
  • Plastics Design Library (1997). Handbook of Plastics Joining: A Practical Guide . Norwich, New York: Plastics Design Library. ISBN  1-884207-17-0 .

Leitura adicional