Soldagem ultrassônica de plásticos

Soldagem ultrassônica de plásticos

Pontos principais

• Aquecimento viscoelástico na interface — a vibração de 20–40 kHz funde um direcionador de energia ou uma junta de cisalhamento em menos de um segundo.
• Resinas amorfas são soldadas com facilidade; resinas semicristalinas exigem uma junta de cisalhamento, geometria em campo próximo e controle mais rigoroso.
• O modo de distância de colapso, com uma janela definida, é a forma robusta de operar e validar o processo.
• O método de soldagem mais rápido e barato, limitado por particulados, marcas do sonotrodo e conteúdos sensíveis à vibração.

Soldagem ultrassônica de plásticos

A soldagem ultrassônica é um processo de união de termoplásticos em que uma vibração mecânica de 20–40 kHz e amplitude pico a pico de 20–120 µm é transmitida por uma das peças até a interface da junta, onde o aquecimento viscoelástico e por atrito funde uma fina camada de polímero que se solidifica sob pressão e forma a solda. Não há solvente, adesivo nem consumível.

O conjunto é formado por um conversor piezoelétrico que fornece cerca de 20 µm a 20 kHz, um booster com ganho como 1:1,5 ou 1:2,5 e um sonotrodo sintonizada na mesma frequência, que pressiona a peça com força pneumática ou servoacionada. A frequência de 20 kHz serve a peças maiores e potências mais altas; 30–40 kHz serve a peças pequenas, delicadas ou estéticas, pois a amplitude, a tensão e a marcação são menores.

Os polímeros são viscoelásticos: a deformação cíclica se converte parcialmente em calor por histerese, concentrado na menor seção — a ponta do direcionador de energia ou a interferência da junta de cisalhamento —, onde a fusão começa em milissegundos. Uma junta a até cerca de 6 mm da face do sonotrodo está em campo próximo; além disso, em campo distante. Resinas amorfas transmitem com pouca perda e são soldadas em campo distante; resinas semicristalinas e elastômeros amortecem a vibração e só são soldados com confiabilidade em campo próximo.

Adequação dos materiais

Parâmetros de processo e projeto da junta

O projeto da junta decide mais do que qualquer ajuste. Um direcionador de energia é uma nervura triangular em uma das faces de contato, com ângulo incluído de 60–90° e 0,2–0,6 mm de altura, base de cerca de duas vezes a altura; use 60° e a extremidade mais alta para resinas semicristalinas e posicione as peças com um degrau ou encaixe macho-fêmea. Uma junta de cisalhamento usa 0,2–0,4 mm de interferência radial entre o lábio e a parede, entrada de 30–45°, profundidade de solda de cerca de 1,25 vez a parede e um suporte que resista à tensão circunferencial. As juntas de cisalhamento dão as soldas mais resistentes e herméticas em resinas semicristalinas.

Solução de problemas de soldas ultrassônicas

Ultrassom em comparação com soldagem a laser, por vibração e por placa quente

O ultrassom raramente é superado em tempo de ciclo ou custo de ferramental e raramente é a escolha certa para peças grandes, de aparência crítica, com eletrônicos ou sensíveis a particulados. A soldagem a laser por transmissão é a alternativa usual; ela exige um par de resinas compatível (veja soldagem a laser por transmissão explicada e seleção do par de resinas e do corante) e faces da junta dentro de cerca de 0,1 mm, enquanto o ultrassom tolera um ajuste pior e qualquer cor. A Sabreen projeta processos de soldagem a laser, não vende equipamentos e aplica essa comparação antes de recomendar qualquer um dos dois.

Especificação e validação de uma solda ultrassônica

“Soldar por ultrassom” em um desenho não especifica nada. Defina um requisito de desempenho, uma janela de processo e a evidência de que a janela o atende.

• Resistência. Resistência à tração do conjunto ou o corpo de prova em I da AWS G1.2M/G1.2 para triagem de pares de materiais; soldas amorfas em campo próximo chegam a 70–100% da resistência do material base. Informe o mínimo e o modo de falha.
• Estouro e vazamento. Uma pressão mínima de estouro e um limite numérico de queda de pressão ou de vazamento com hélio, e não “sem vazamentos”. Uma solda forte com uma falha de 2 mm ainda vaza.
• Janela de colapso. Por exemplo, 0,35 ± 0,05 mm, com energia e potência de pico como limites secundários registrados a cada ciclo; peças fora da janela são rejeitadas.
• IQ/OQ/PQ. Sob a ISO 13485 e o regulamento de sistema de qualidade da FDA: a IQ confirma a soldadora, o conjunto, o dispositivo de fixação e a amplitude medida; a OQ mapeia a janela por planejamento de experimentos em amplitude, força e colapso; a PQ roda três lotes no valor nominal com operadores e resina de produção. Requalifique após qualquer troca de sonotrodo, booster ou resina; a DVS 2216 trata do projeto da junta.

Termos relacionados e leitura

• Soldagem a laser de plásticos
• Soldagem a laser por transmissão
• Serviços de soldagem a laser
• Soldagem a laser por transmissão explicada
• Seleção do par de resinas e do corante
• Soldagem a laser de transparente com transparente

Aplicação na produção

A The Sabreen Group oferece suporte de engenharia independente para desenvolvimento de processos de soldagem ultrassônica e a laser, projeto de juntas e validação de soldas. Se você está especificando um processo, qualificando um material ou resolvendo um problema de produção, nossa equipe de serviços de engenharia pode ajudar. Fale conosco para discutir sua aplicação.

Perguntas frequentes

Devo soldar a 20 kHz ou a 40 kHz?

Use 20 kHz para peças acima de cerca de 50 mm, paredes espessas, resinas semicristalinas e juntas em campo distante, que exigem mais amplitude e potência. Use 30–40 kHz para peças pequenas, de parede fina ou estéticas e para qualquer peça com eletrônicos: a amplitude e a tensão transmitida caem pela metade, a marcação diminui e o sonotrodo tem metade do comprimento.

Polipropileno e outros plásticos semicristalinos podem ser soldados por ultrassom?

Sim, com uma janela mais estreita. Eles amortecem a vibração, então a junta deve ficar a até cerca de 6 mm do sonotrodo, com amplitude de 60–120 µm, e deve ser uma junta de cisalhamento ou um direcionador agudo de 60°, e não o direcionador de 90° usado no ABS. O ponto de fusão bem definido faz a força de retenção importar mais.

Por que uma solda passa no ensaio de tração e mesmo assim vaza?

Porque resistência e continuidade são coisas diferentes. O ensaio de tração calcula a média de toda a solda e passa se 90% da junta estiver íntegra, enquanto uma única falha de 2 mm, causada por uma peça empenada ou um sonotrodo desnivelada, vaza. Especifique o vazamento como limite numérico, opere no modo de colapso para que peças subsoldadas sejam rejeitadas e verifique o paralelismo do sonotrodo quando os vazamentos se concentrarem.

Quando a soldagem a laser é a melhor escolha?

Quando a peça é de aparência crítica, leva eletrônicos, precisa de um caminho de fluido livre de particulados, tem uma costura longa ou tridimensional ou excede o alcance de um sonotrodo. O laser não tem vibração, marcas de sonotrodo nem particulados, ao custo de maior investimento, de um par de resinas compatível e de faces da junta dentro de cerca de 0,1 mm. O ultrassom ainda vence em tempo de ciclo e custo.

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