Saldatura ad ultrasuoni
La saldatura a ultrasuoni utilizza vibrazioni acustiche ultrasoniche ad alta frequenza che vengono applicate a parti unite che vengono assemblate insieme a bassa pressione. Questo metodo di saldatura viene spesso utilizzato per unire materiali termoplastici e quando la bullonatura, la saldatura o l'incollaggio non sono adatti.
Sebbene la saldatura a ultrasuoni sia stata sviluppata già negli anni '40, è stata utilizzata per la prima volta a livello industriale all'inizio degli anni '60 per saldare fili sottili nell'industria elettronica. Nel 1963, la saldatura ad ultrasuoni iniziò ad essere utilizzata per incollare il polietilene. Da allora, la saldatura a ultrasuoni è stata utilizzata per saldare alluminio e lamiere sottili nell'industria automobilistica (moduli di accensione, cavi terminali, fili).
Il lento processo di riconoscimento dei vantaggi della saldatura ad ultrasuoni nell'industria è dovuto alla mancanza di potenti apparecchiature ad ultrasuoni in grado di garantire una qualità di saldatura costante anche per pezzi di grandi dimensioni.Di conseguenza, la ricerca negli anni '80 e '90 si è concentrata principalmente sullo sviluppo di apparecchiature a ultrasuoni.
Sebbene la saldatura ad ultrasuoni utilizzi le vibrazioni, questo metodo è diverso dalla "saldatura a vibrazione", nota anche come saldatura ad attrito. Nel caso della saldatura a vibrazione, una delle parti da unire è tenuta in posizione e l'altra è oscillante (mediante un azionamento elettromagnetico o idraulico).
La saldatura a ultrasuoni mantiene le due parti in posizione e utilizza onde sonore ad alta frequenza per creare attrito. L'energia acustica crea attrito e produce calore che si traduce nella saldatura delle parti in meno di un secondo, rendendo la saldatura a ultrasuoni una delle più veloci oggi in uso.
Il processo di saldatura ad ultrasuoni è completamente automatizzato e viene eseguito su impianti speciali. Il principio della saldatura ad ultrasuoni è mostrato in fig. 1, e la composizione di un impianto tipico è mostrata in fig. 2.
Riso. 1. Principio della saldatura ad ultrasuoni: a — allineamento delle parti, b — contatto delle parti con la punta, c — applicazione della pressione, d — saldatura, e — tenuta, f — sollevamento della punta
Riso. 2. Schema di montaggio per saldatura sonica
Il generatore (in un'unità separata) viene utilizzato per convertire le vibrazioni elettriche dalla rete in alta frequenza (20 ... 60 kHz), il trasduttore, utilizzando elementi piezoelettrici, converte le vibrazioni elettriche in acustiche. L'amplificatore e il sonotrodo sono elementi risonanti passivi dell'impianto che servono a trasferire le vibrazioni dal trasduttore alle parti.
Tipicamente, le saldatrici ad ultrasuoni sono dotate di una serie di amplificatori con diversi rapporti di trasformazione della cilindrata.La forma del sonotrodo è determinata dalla configurazione di saldatura richiesta. A seconda della forma del sonotrodo, vengono create oscillazioni radiali longitudinali, di bordo e di altro tipo. Ogni cucitura richiede il proprio sonotrodo.
L'essenza fisica del processo consiste nella comparsa di vibrazioni molto forti di piccola ampiezza al contatto di due parti. La vibrazione unita alla pressione rimuove le impurità e gli ossidi dalla superficie delle parti. Gli elettroni iniziano a fluire tra le parti, formando una cucitura metallurgica.
La saldatura a ultrasuoni è ideale per realizzare collegamenti elettrici, saldare alluminio e rame, sigillare le estremità di tubi in rame, saldare materie plastiche, incorporare parti metalliche in plastica.
Riso. 3. Giunti realizzati mediante saldatura ad ultrasuoni
La saldatura ad ultrasuoni della plastica consente giunzioni più affidabili rispetto ad altri metodi. In questo caso, la saldatura ad ultrasuoni della plastica è fondamentalmente diversa dalla saldatura dei metalli.
In primo luogo, la saldatura ad ultrasuoni dei metalli avviene per mezzo di vibrazioni trasversali parallele alle superfici saldate. La saldatura a ultrasuoni della plastica utilizza vibrazioni longitudinali normali (cioè ad angolo retto) rispetto alle superfici da saldare. Anche la forma dei sonotrodi, che trasmettono le vibrazioni ultrasoniche alle cuciture metalliche e plastiche, è completamente diversa.
In secondo luogo, durante la saldatura dei metalli, viene creata una giunzione dall'interazione per attrito delle superfici, che crea una connessione rigida senza fondere il materiale.La saldatura ad ultrasuoni delle parti in plastica si basa sulla fusione del materiale allo stesso modo di molti altri metodi di saldatura tradizionali, come saldatura ad arco, resistenza o saldatura laser), ma in intervalli di temperatura molto più bassi.
Riso. 4. Attrezzatura per saldatura ad ultrasuoni
I vantaggi della saldatura ad ultrasuoni:
1. Non è richiesta alcuna pulizia speciale della superficie.
2. Nessuna atmosfera protettiva richiesta.
3. Non sono necessari materiali di consumo per saldatura (filo, elettrodi, saldatura, ecc.).
4. Basso consumo energetico.
5. Breve tempo di giunzione per formare un giunto (circa un quarto di secondo).
6. Completa automazione del processo di saldatura e possibilità di facile integrazione con altri processi produttivi.
7. Possibilità di saldare materiali di diversa natura, compresi quelli sensibili alle alte temperature, poiché durante la saldatura si genera una piccola quantità di calore.
8. Saldatura di tutti i tipi di dettagli.
9. Le saldature create da questo processo sono visivamente gradevoli, pulite.
10. La saldatura ad ultrasuoni non utilizza prodotti chimici corrosivi e produce una piccola quantità di fumi, a differenza di altri metodi.
Limitazioni della saldatura a ultrasuoni:
1. La limitazione più grave nell'uso della saldatura ad ultrasuoni è la dimensione delle parti saldate - non più di 250 mm. Ciò è dovuto alle limitazioni nella potenza di uscita del trasduttore, all'incapacità del sonotrodo di trasmettere onde ultrasoniche di potenza molto elevata e alla difficoltà nel controllare l'ampiezza.
2. La saldatura a ultrasuoni richiede anche un contenuto di umidità inferiore nei materiali da unire.In caso contrario, è preferibile la saldatura a vibrazione.
3. La saldatura a ultrasuoni non è efficace per unire materiali con pareti spesse. Almeno una delle parti da collegare deve essere leggera, in quanto «assorbe» un'enorme quantità di energia.