Soldadura ultrasónica para metales

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1 38 SOLDADURA Foto: Cortesía: Branson Ultrasonics Soldadura ultrasónica para metales Jackeline Carrillo Corredor Periodista Vibraciones que unen. Se usa para soldar metales no ferrosos, incluso combinaciones de materiales disímiles, como el cobre con el aluminio. Es una técnica alternativa para la unión de componentes eléctricos y electrónicos en la industria automotriz, de comunicaciones y de energía solar, entre otras. Todo objeto que vibra produce sonidos y todo lo que produce sonidos vibra. Cuando las vibraciones alcanzan frecuencias altas superan el umbral de la audición humana (20 KHz) y se convierten en ondas ultrasónicas. Los ultrasonidos tienen multitud de aplicaciones: en medicina (terapia, ecografía, etc.), en oceanografía (medición de profundidades, detección de icebergs, funcionamiento del sónar, etc.); específicamente, en la industria son usados para modificar procesos o materiales. De hecho, gracias al ultrasonido es posible unir algunos componentes metálicos, sometiéndolos previamente a cierta presión. Esta técnica de unión se conoce con el nombre de soldadura ultrasónica. Originalmente, surgió en Alemania en 1936 y, aunque sólo hasta 1950 comenzó a darse a conocer en ciertos sectores de la industria, hoy es ampliamente aplicada para la adhesión de componentes de cobre, aluminio, estaño, zinc y diferentes aleaciones no ferrosas.

2 SOLDADURA 39 Considerando las ventajas que esta nueva tecnología puede brindar para que las empresas metalmecánicas diversifiquen su portafolio con nuevos componentes, agreguen valor a sus productos y amplíen la prestación de sus servicios, la Revista Metal Actual habló con Gustavo Villamarin, Key Account Manager de Emerson Industrial Automation- representante en Colombia de Branson Ultrasonics Corporation, para conocer de qué se trata está técnica, cómo funciona, sus aplicaciones, equipos, ventajas y limitantes. Principios de la tecnología En síntesis, la soldadura por ultrasonidos es proceso que fija dos piezas metálicas no ferrosas gracias a la aplicación simultánea de presión, fricción y vibraciones de alta frecuencia en la zona de contacto de las dos piezas. De este modo los átomos superficiales de los metales se entrelazan y se anclan. En otras palabras, consiste en transformar la energía eléctrica en un movimiento mecánico de alta frecuencia (vibraciones) mediante un sistema electromecánico. Específicamente, con un control-microprocesador integrado con una fuente de alimentación, un convertidor y un actuador neumático, que transmiten la energía a una herramienta acústica asociada llamada sonotrodo, la cual se encarga de efectuar la fuerza mecánica final en las partes a soldar. Para efectuar la unión, las piezas a soldar se comprimen muy fuertemente entre el sonotrodo, animado por el movimiento vibratorio ultrasónico de gran potencia, y un elemento fijo que forma una especie de yunque. La energía vibratoria ultrasónica se concentra en el empalme y la soldadura es garantizada por la unión atómica de los materiales sobre la superficie de contacto. Véase el gráfico esquema de un sistema típico de soldadura ultrasónica para metales. La fuente de alimentación convierte la tensión y frecuencia de alimentación Tubos soldados por ultrasonido. El tubo de la derecha soporta 900 libras de presión, mientras que el de la izquierda 1800 libras. Las nuevas tecnologías de soldadura permiten obtener bordes redondeados (sin filos cortantes). normal en alta frecuencia (por lo general 220VAC, 1Æ, 50 o 60 Hz) a VAC, (20kHz), a la vez que regula su salida de línea y cambios de carga para mantener sistematizada la frecuencia y amplitud. La salida de alta frecuencia de la fuente de alimentación se aplica al convertidor que actúa como un motor eléctrico muy eficiente transformando la energía eléctrica a energía mecánica. Esta energía, en forma de vibraciones, es transferida al sonotrodo ultrasónico, con el que se pueden unir láminas delgadas, empalmes, conectores, armazones de motores, sensores solares, conexiones eléctricas, tubería de refrigeración y muchas otras piezas. Las aplicaciones de la soldadura ultrasónica crecen y la oferta en el mercado de máquinas adecuadas al uso industrial aumenta cada año. El sonotrodo y el yunque tienen superficies ásperas o fresadas con estrías cruzadas para apretar las piezas que se ensamblarán y prevenir deslizamientos indeseables. Se pueden encontrar sonotrodos hechos de acero con tratamiento térmico de alta calidad. No obstante, Foto: Cortesía: Branson Ultrasonics por su resistencia y propiedades acústicas, la mayoría de las veces están fabricados con titanio. Es un proceso mecánico en el cual ni corriente eléctrica ni calor fluyen a través de la pieza de trabajo y no se produce una fusión, lo que la hace ideal para la soldadura de aleaciones no ferrosas similares o distintas, puesto que la resistencia y la conductividad térmica son factores irrelevantes. La principal dificultad en la soldadura de metales no ferrosos es el óxido y la contaminación de los materiales como resultado de la exposición a la atmósfera. El aluminio, por ejemplo, forma un óxido resistente en microsegundos cuando se expone al oxígeno complicando aún más el proceso de unión. También existen en superficies normales contaminantes como lubricantes u otros materiales. Puesto que la soldadura ultrasónica de metal no depende de la consecución de una masa fundida de los metales a unir, sus temperaturas de fusión, conductividad térmica y conductividad eléctrica, no son factores en el proceso. Dependiendo de área y espesor, el proceso de soldadura se lleva a cabo completamente entre 0,25 segundos a 0,50 segundos, aproximadamente.

3 40 SOLDADURA Cortesía: Branson Ultrasonics Parámetros de la soldadura ultrasónica Ventajas del ultrasonido El experto en soldadura Rubén Mamani explica que muchas fuentes de energía pueden ser usadas para la soldadura, incluyendo una llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un rayo de electrones, procesos de fricción o ultrasonido, siendo este último el método más avanzado para la unión de metales conductores no ferrosos tales como el aluminio, cobre, níquel, plata, oro, litio, cadmio y latón, entre otros. Una de las principales ventajas de la soldadura por ultrasonido está dada en que ni la contaminación superficial normal, ni los óxidos, que inicialmente inhiben el flujo de corriente eléctrica, interfieren con el proceso, lo que si puede suceder en la soldadura por fusión de partes y piezas no ferrosas. La limpieza de la superficie que tiene lugar en una soldadura ultrasónica de manera inherente dispersa inmediatamente estos materiales. Otra de las características más significativas del ultrasonido es la baja temperatura que se produce al hacer una soldadura, la cual es local y normalmente llegará sólo la mitad de la temperatura de fusión del metal. La poca afectación térmica significa que no hay cambio en las características del material original por el recocido, al mismo tiempo se evitan daños en componentes o cables cercanos al área de la soldadura. También se traduce en que componentes muy delgados se pueden soldar a los componentes gruesos sin dañar los primeros. Dado que la mayoría de los metales utilizados en aplicaciones eléctricas son excelentes conductores del calor, es más difícil soldarlos con técnicas de fusión, ya que el mismo material transfiere el calor rápidamente y hace necesaria más energía en la aplicación para llevar a cabo la soldadura de unión. El proceso ultrasónico no utiliza calor de esta forma su masa no afecta el proceso de soldadura. De hecho, ya que no se produce ninguna fusión, una soldadura ultrasónica utiliza aproximadamente treinta veces menos energía de un soldador de resistencia equivalente. En términos reales, esto significa que un sistema de ultrasonido 3KW hará el trabajo de un soldador de resistencia 90 KW, en la unión de piezas no ferrosas susceptibles a soldar con ultrasonido. Una ventaja adicional del proceso de ultrasonido es que puede unir grandes áreas del metal en corto tiempo y con bajo consumo de energía eléctrica, al no requerir mayor consumo de la misma. Esto también mejora en Equipo de soldadura ultrasónica para la unión de lámina de cobre. Foto: img.weiku.com

4 gran medida la integridad estructural y, más importante, la integridad eléctrica de la soldadura. Otra ventaja de este tipo de soldadura es la larga vida de la herramienta. Mientras que un sistema de soldadura por resistencia debe ser reparado y/o sustituido con frecuencia por la deformación de la superficie causada por los arcos eléctricos, las herramientas de ultrasonidos son fabricadas con caras múltiples de trabajo, de acero templado con recubrimiento duro patentado. Dependiendo del área y materiales a soldar, con un mantenimiento pre-establecido, la vida útil de las herramientas puede alcanzar de a de soldaduras. El ahorro en los costos de herramientas y bajo tiempo de mantenimiento suelen justificar el uso del proceso de ultrasonido. Aplicaciones Empleada originalmente para la unión de piezas plásticas, la soldadura de metales por ultrasonido está siendo cada vez más utilizada por la industria a nivel mundial. Actualmente es aplicada en gran medida a la fabricación de electrodomésticos y partes para automóviles. Además se usa en paneles de control, lámparas, ductos de aire, componentes del motor y tubería de cobre para instalaciones de gas. Ciertas aplicaciones como son, por ejemplo, salpicaderos, paneles para puertas, tuberías de entrada de aire, redes de cohesión, cafeteras, aspersores de lavavajillas, tambores de lavadoras, son soldadas con el uso de la tecnología de vibración. También se suman cables, conectores y semiconductores, conductores entre paneles solares, tubería de cobre, bronce y aluminio, baterías y tubería de refrigeración. Así mismo, este método es útil para realizar conexiones eléctricas en terminales, conectores y transformadores, motores eléctricos, capacitores y alternadores. Para empaques, explosivos, fuegos pirotécnicos y químicos reactivos. Específicamente, existe una excelente oportunidad en la unión de paneles solares, Pues, a pesar de que en Colombia la técnica por soldadura ultrasónica es apenas insipiente para el sector metálico, gracias a la Ley 1715 del 13 de mayo de 2014, mediante la cual se regula la integración de las energías renovables no convencionales al sistema energético nacional, se espera un auge importante en el uso y aplicación de la unión ultrasónica para los fabricantes de paneles solares. De acuerdo con el artículo 19 de la presente Ley, la generación de energía solar se constituye en prioridad para el Gobierno Nacional, que a través del Ministerio de Minas y Energía, Ministerio de Vivienda y de Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible, fomentarán el aprovechamiento del recurso solar en proyectos de urbanización municipal o distrital, 41

5 42 SOLDADURA en edificaciones, en los sectores industrial, residencial y comercial. Para destacar La soldadura de metales mediante ultrasonidos ofrece excelentes acabados, cifras de producción más altas y mantenimientos más breves. La soldadura ultrasónica puede controlarse mediante límites de tiempo, potencia y altura, lo que asegura un excelente control de proceso. La eliminación de consumibles tales como el estaño y conectores de engarce hacen de la soldadura por ultrasonidos un proceso ecológico y seguro. Las herramientas por ultrasonidos multicaras de acero tipo herramienta de alta calidad son trabajadas a máquina con precisión y aseguran larga vida útil, facilidad de instalación y soldadura de precisión. Los ultrasonidos requieren menos de 1/30 de la energía que consume la soldadura por resistencia. La soldadura por ultrasonidos elimina la necesidad de costosos insumos y fundentes. Puesto que la soldadura por ultrasonidos genera apenas calor, no se recalientan las piezas de metal y tampoco se requiere agua para la refrigeración. Un proceso de soldadura en estado sólido que suelda por la aplicación vibraciones de energía de alta frecuencia mientras las piezas están siendo sujetadas a presión. En la mayoría de los casos, la alta frecuencia de las oscilaciones por ultrasonidos hacen innecesaria la eliminación del recubrimiento de los hilos lacados/ magnéticos o una limpieza previa de las piezas. La vida útil de los equipos supera generalmente las soldaduras. Proceso totalmente mecánico - no hay corriente eléctrica a través de la pieza de trabajo. Ideal para soldar electroaleaciones similares o diferentes y metales no ferrosos de espesores variables. Foto: Menor costo por soldadura en comparación con otros métodos de soldadura de metales. Las variables de soldadura pueden ser supervisadas y controladas con precisión, con resultados consistentes. Fácil de instalar y operar Algunas limitaciones La primera y fundamental limitación es que sólo trabaja en metales no ferrosos, es decir que no tengan hierro. Dependiendo de la característica y la textura de los materiales puede estar alrededor de un límite de dos centímetros de espesor. La soldadura se restringe a soldadura de solapa. La soldadura en curvatura se debe analizar caso a caso No permite hacer soldaduras de cordón. Foto: i.ytimg.com Aplicación del ultrasonido para la unión de conectores eléctricos. Fuentes Gustavo Villamarin. Key Account Manager de Emerson Industrial Automation. gustavo. villamarin@emerson.com Alain Schwarz. Director Sales-Latin America Branson Ultrasonics. Emerson Industrial Automation. Rubén Mamani. INSPECTOR1104

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