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Soldagem por ultra-som

Escrito por Infosolda. Posted in Processos

Características do processo

A soldagem por ultra-som tem como objetivo unir peças por meio de vibrações mecânicas na faixa ultra-sônica, associadas a aplicação de pressão. Este tipo de soldagem serve tanto para soldar metais quanto termoplásticos, além de materiais não terrosos, vidro ou mesmo cerâmica; a diferença entre a soldagem de metais e a de termoplásticos é que no caso dos metais, a soldagem acontece no estado sólido, sem fusão do material de base, enquanto que no caso dos termoplásticos, existe a fusão dos materiais.

 

A soldagem por ultra-som produz uma solda limpa, de alta qualidade, não requer material de adição e tem um consumo baixo de energia.

Aplicação

O processo é aplicado na soldagem de contatos de semicondutores resistentes à temperatura, como fios de alumínio ou ouro com silício; em ligações entre semicondutores e transistores e conexões elétricas dos mais diversos tipos; na soldagem de metais diferentes, como alumínio-cobre, níquel-berílio; soldagem de latão estanhado com lâminas de cobre, com espessuras entre 0,1 e 0,2mm, nos transformadores.

No caso de materiais termoplásticos, aplica-se a soldagem por ultra-som na produção de componentes para a indústria de alimentos, de eletrodomésticos, de cosmética e eletrônica. As indústrias automobilísticas também são um dos grandes consumidores da soldagem por ultra-som, como também as indústrias de autopeças, na fabricação de painéis e pára-choques. A substituição de adesivos por equipamentos de soldagem ultra-sônica permite outras aplicações, como a união de componentes de telefones, de microcomputadores e a costura de produtos sintéticos.

vantagens

As vantagens em soldar metais pelo processo de ultra-som são a possibilidade de soldar chapas pintadas ou oxidadas sem preparação prévia das superfícies, reduzindo, assim, o tempo e o custo de mão-de-obra; dada a fraca liberação de calor, não existem problemas de deformação, fragilização e formação de compostos intermetálicos de alta resistência nas juntas de metais diferentes; a ligação entre alumínio e cobre, utilizada nos terminais de cobre ou latão dos condutores elétricos, é perfeita, fato que seria impossível pelo método de soldagem por resistência. Deve-se salientar, ainda, que este processo é particularmente adequado para a soldagem automatizada.

No caso dos termoplásticos, as vantagens são o elevado ritmo de produção, que pode chegar a 2 000 peças/hora; a possibilidade de soldagens limpas, custo baixo de mão-de-obra, durabilidade das ligações e ausência de riscos para o operador.

A soldagem de termoplásticos por ultra-som permite substituir fixações mecânicas tais como porcas e parafusos, melhorar o "design", proporcionar maior segurança na união e redução de risco da ação química do adesivo sobre o plástico, soldar materiais dissimilares e trabalhar com rapidez.

desvantagens

Na soldagem de termoplásticos, as desvantagens são a presença de desmoldantes, principalmente os de silício, formadores de uma película lubrificante que impede o atrito relativo; a diminuição da rigidez dos materiais por ação do butadieno, o que torna as peças mais absorventes e dificulta a soldagem; o aumento do tempo de soldagem, que é duplicado devido ao óxido de titânio; a diminuição da soldabilidade provocada pelos efeitos de oxidação e umidade em junta mal colocada.

Fundamentos do processo

O processo de soldagem por ultra-som é realizado por meio de um gerador de energia elétrica de alta freqüência que alimenta transdutores piezelétricos, responsáveis por transformar a energia elétrica em oscilações mecânicas ou vibrações, as quais são transmitidas à peça por meio de um sonotrodo. As vibrações e a força de compressão aplicadas à peça provocam um campo de tensões que, por sua vez, dá origem a uma deformação elastoplástica.

Sabe-se que toda superfície apresenta sempre pequenas rugosidades, observáveis em microscópio; durante a soldagem, ocorrem tensões de corte que vão eliminando as rugosidades, até que as superfícies se tocam completamente e então acontece a soldagem. As chapas a soldar são fixadas num suporte chamado bigorna.

A energia, relacionada com a dureza Vickers e a espessura das peças em contato com o sonotrodo, é o parâmetro principal no processo por ultra-som. Para calcular a energia necessária à soldagem por ultra-som costuma-se usar uma fórmula empírica:

sonotrodo

O sonotrodo transmite oscilações tangenciais de alta frequência para a peça. Se a força de pressão e a amplitude dos movimentos relativos entre as superfícies a soldar forem suficientemente fortes, ocorre fluidificação. Os filmes de sujeira, água e óxido são rompidos; as superfícies aquecidas e aplainadas se aproximam e forças de ligação de superfície entram em ação.

tipos de soldagem por ultra-som

A soldagem por ultra-som pode ser feita segundo quatro tipos: por pontos, anelar, linear e contínua.

Na soldagem por pontos, a energia vibratória produz pontos de soldagem nas chapas pressionadas uma contra a outra.

A soldagem anelar é utilizada nas formas circulares; no entanto, este tipo de soldagem também admite outras geometrias, como as quadrangulares, retangulares ou ovais.

A soldagem linear é semelhante à soldagem por pontos; neste caso, as peças são pressionadas uma contra a outra por meio de um suporte e de um eletrodo com extremidade linear.

O último tipo, soldagem contínua, é utilizado com um sonotrodo rotativo e um suporte também rotativo; as peças sáo sobrepostas e passam entre o sonotrodo e a bigorna.

soldagem de metais

Durante a soldagem de um material metálico, as vibrações provocadas pelo sonotrodo criam tensões de cisalhamento no material; enquanto essas tensões se encontram abaixo do limite de elasticidade do material, há apenas uma deformação elástica; porém, quando o limite de elasticidade é ultrapassado, ocorre um escorregamento superficial e a deformação plástica decorrente faz os óxidos metálicos superficiais se quebrarem, facilitando o aumento da área em contato e produzindo a soldagem.

Quando se soldam metais, o aquecimento é limitado a uma camada muito fina e a soldagem se faz a frio, em fase pastosa ou sólida; os átomos das interfaces das peças se combinam devido a forças interatômicas de atração. No entanto, se as quantidades são grandes, a soldagem a ponto por resistência algumas vezes se torna mais viável.

Entre os principais metais que admitem a soldagem por ultra-som, destacam-se: alumínio, cobre, ouro, magnésio, molibdênio, níquel, paládio, platina, prata, tântalo, estanho, titânio, tungstênio, zircônio, nióbio, além de aços; a soldagem de metais é feita no estado sólido, sem fusão do material de base. Soldam-se chapas finas, folhas e fios, com espessuras que variam de 0,003 até 2mm, de metais macios como alumínio, ouro e chapas espessas de aço.

soldagem de termoplásticos

O crescimento do uso do plástico na indústria tem exigido também um aprimoramento nos processo de fabricação, principalmente na união de materiais plásticos. Basicamente as uniões são feitas por adesivos que podem causar ataque químico ao plástico, fato muito freqüente em colagens. A soldagem ultra-sõnica substitui a colagem com vantagens de rapidez e evita tais riscos. No entanto, para que a soldagem seja viável, essa substituição exige pequenas modificações no projeto, como a utilização de ciclos da ordem de 20 a 40kHz, uma vez que as partes a soldar precisam estar em contato e sob pressão.

Os principais plásticos soldáveis por ultra-som são: ABS, sigla de acrilonitrila-butadieno-estireno, acrílico, náilon, policarbonato, poliéster, polipropileno, poliestireno e PVC, sigla de policloreto de vinila. A soldagem entre plásticos dissimilares, isto é, entre materiais plásticos diferentes, depende muito da resina empregada.

A soldagem de termoplásticos admite dois tipos: a soldagem próxima e a soldagem afastada.

soldagem próxima

A soldagem próxima é aquela em que o sonotrodo é colocado muito perto das juntas, de modo a permitir a soldagem de plásticos mau condutores de energia ultra- sonora, como por exemplo, náilon, acetatos e polipropileno.

soldagem afastada

A soldagem afastada acontece quando o sonotrodo é colocado relativamente longe da área de soldagem; este tipo serve para soldar plásticos com elevada elasticidade, em que as vibrações se propagam sem problemas; é o caso de materiais como policarbonatos, ABS e poliestirenos.

Parâmetros de soldagem

Os parâmetros de soldagem do processo por ultra- -som são a pressão aplicada, o tempo de soldagem e a amplitude da onda de ultra-som na ponta do sonotrodo. A pressão pode variar entre 40 e 60Kgf/cm2 no caso de plásticos e entre 60 e 120Kgf/cm2 para metais. O tempo de soldagem varia entre décimos de segundo e alguns segundos. A amplitude da onda de ultra-som é produto da vibração do sonotrodo, alimentado pela energia elétrica de alta frequência.

Na implantação do processo também devem-se considerar o ponto de fusão a ser empregado, a geometria e as dimensões da peça.

Equipamento

O equipamento para soldagem por ultra-som é composto das seguintes partes: sistema de deslocamento do cabeçote de soldagem, que permite a aplicação de pressão sobre as peças a soldar, um gerador de corrente que fornece energia de alta frequência para fazer vibrar o sonotrodo e um conjunto constituído de transdutor, amplificador e sonotrodo. O transdutor é a parte que transforma a energia elétrica em energia vibratória; o amplificador, geralmente feito de titânio ou duralumínio, é responsável pelo aumento das vibrações fornecidas pelo transdutor, que são muito fracas; o sonotrodo está ligado ao transdutor e é a parte que transmite a energia mecânica para as peças de trabalho. A pressão aplicada pode variar entre 40 e 60Kgf/cm2 quando se trata de soldar plásticos, e entre 60 e 120Kgf/cm2 no caso de metais.

Os diversos tipos e modelos de equipamentos apresentam potências que variam de 800 a 3000W. Os equipamentos de menor potência destinam-se a aplicações mais delicadas, ocupam menor espaço e não exigem isolamento acústico.

 Link Relacionado:

Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1ª ed. 1997