Soldadura por ultrasonidos

Estado sólido: una vibración rápida une pequeñas juntas en menos de un segundo

La soldadura ultrasónica une piezas presionándolas entre sí y sacudiéndolas muy rápido, unas 20.000 a 40.000 veces por segundo. El frotamiento calienta la unión hasta que se suelda, en mucho menos de un segundo, sin pegamento, tornillos ni metal de aportación. La mayoría de las carcasas de plástico soldadas, desde los faros de coche hasta los mangos de cepillos de dientes, y muchas conexiones de baterías y de cables se hacen así.

Foto: Herrmann Ultraschalltechnik, CC BY-SA 4.0, vía Wikimedia Commons

Soldadura ultrasónica · conjunto de soldadura y detalle ampliado de la uniónLos números en círculo coinciden con los pasos de abajo; el detalle de la derecha muestra lo que ocurre en la unión de las piezas de plástico.

Cómo funciona

Carga las piezas. Las dos piezas se colocan en un utillaje sobre el yunque (un soporte fijo con la forma adecuada para sujetarlas). Las piezas de plástico se moldean con una pequeña cresta, llamada director de energía, donde se tocan.
Prensa. La bocina (también llamada sonotrodo, la punta metálica con forma de la máquina) baja y aprieta las piezas entre sí.
Vibra. Un generador envía corriente de alta frecuencia al convertidor, cuyos cristales piezoeléctricos (materiales que cambian de forma con la tensión) la convierten en vibración. El amplificador y la bocina la amplían hasta un movimiento de unas pocas centésimas de milímetro.
Funde la unión. La fricción concentra el calor en el pequeño punto de contacto, así que el director de energía se funde primero y fluye por la unión. El resto de la pieza se mantiene frío.
Mantén y enfría. La vibración se detiene, pero la fuerza se mantiene un momento mientras la masa fundida solidifica. Las dos piezas ya son una.

Los metales funcionan de otra forma. En hilos metálicos, láminas y lengüetas de baterías, la bocina frota de lado en lugar de golpear arriba y abajo. El frotamiento rompe los óxidos superficiales y presiona metal limpio contra metal limpio, así que la unión se forma sin fundir.

Datos clave

Materiales: Termoplásticos como ABS, policarbonato, polipropileno y nailon; metales blandos y finos como láminas e hilos de cobre y de aluminio
Piezas típicas: Carcasas de faros de coche, productos sanitarios, filtros, juguetes, blísteres, lengüetas de baterías, empalmes de mazos de cables
Tamaño de pieza: Zonas de unión de unos pocos milímetros hasta unos 20–30 cm con una bocina; chapas metálicas normalmente de menos de 1 mm
Precisión: Muy repetible; la altura de la pieza soldada, normalmente dentro de unos ±0,05–0,1 mm cuando la máquina controla el colapso
Acabado superficial: Unión limpia, a menudo invisible; a veces un pequeño cordón de plástico exprimido (rebaba) o una marca texturizada de la bocina en los metales
Tamaño de lote adecuado: Series grandes; cada forma de pieza necesita su propia bocina y utillaje
Coste de utillaje y máquina: Decenas de miles de dólares por una soldadora; unos pocos miles por cada bocina y utillaje a medida
Velocidad: Tiempo de soldadura normalmente de 0,1–1 s; un ciclo completo de unos pocos segundos, así que miles de piezas al día por máquina

Ventajas y límites

Ventajas

Muy rápida, limpia y fácil de automatizar
Sin pegamento, tornillos, disolventes ni metal de aportación que comprar
Bajo consumo de energía, calor solo en la unión
Une metales distintos, como cobre con aluminio

Límites

Solo para juntas pequeñas y piezas bastante finas
Cada diseño de pieza necesita su propia bocina y utillaje
Solo funciona con termoplásticos y metales blandos y finos
La vibración puede dañar la electrónica delicada del interior de la pieza

Dónde se usa

AutomociónCarcasas de pilotos traseros y faros, empalmes de mazos de cables
BateríasLengüetas de celdas y barras colectoras en baterías de coches eléctricos y teléfonos
MedicinaFiltros, piezas de sueros intravenosos, carcasas de dispositivos estancas
EnvasadoBlísteres, tapas de cápsulas de café, sellado de tubos
Bienes de consumoJuguetes, cepillos de dientes, piezas de teléfonos, mascarillas y toallitas de tela no tejida

Cómo reconocerlo

Dos mitades de plástico moldeado unidas sin tornillos, clips ni pegamento, y una fina costura que no se puede abrir.
A veces una fina línea de plástico exprimido a lo largo de la costura.
En empalmes de hilos metálicos o lengüetas de baterías, una pequeña zona aplastada con un patrón rugoso, moleteado, que deja la bocina.

Compáralo con

Soldadura por resistencia por puntos7.2también une piezas solapadas en pequeñas áreas, pero con corriente y fusión, para chapas de acero más gruesas.Soldadura fuerte y blanda7.3une hilos y lengüetas con metal de aportación; la soldadura ultrasónica no lo necesita y no añade calor al resto de la pieza.Soldadura por fricción-agitación7.6otro método basado en la fricción, pero con una herramienta giratoria para placas de aluminio gruesas.

Míralo

DuskLight · Las partes de la máquina, animadas

The Weld Nugget · Cómo la vibración se convierte en calor en la unión

Branson Ultrasonics · Una soldadora trabajando en una línea automatizada

HerrmannUltrasonics · Muchos productos reales fabricados así

Ver fotos reales

Wikipedia: Soldadura ultrasónica — las partes del conjunto de soldadura y aplicaciones, con enlaces a fotos
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

Una vibración de 20.000 o más ciclos por segundo se convierte en calor justo en la unión.
Las uniones de plástico se funden en una pequeña cresta; las uniones metálicas se sueldan sin fundir, frotando de lado.
Es rápida y limpia, pero limitada a juntas pequeñas y piezas finas.