Comprendere la saldatura ad ultrasuoni

CLICCA SULL'IMMAGINE PER UNA VISUALIZZAZIONE INGRANDITAFigura 1Sebbene i mezzi con cui vengono prodotte le vibrazioni nel sistema a lamella a cuneo differiscono dal sistema di trasmissione laterale, i risultati sono gli stessi.

Le vibrazioni ultrasoniche vengono utilizzate per la saldatura di metalli e plastica sin dagli anni '50. Per la saldatura dei metalli a ultrasuoni, la natura a stato solido del processo, insieme ad altri vantaggi, ha portato ad applicazioni diffuse nei settori elettronico, automobilistico, aerospaziale, degli elettrodomestici e medico. Varie caratteristiche della saldatura dei metalli a ultrasuoni, nonché le recenti tendenze nello sviluppo del processo, stanno aprendo la strada a un utilizzo ampliato del processo in numerosi settori industriali.

Nella saldatura ad ultrasuoni, le vibrazioni ultrasoniche creano un movimento relativo simile all'attrito tra due superfici tenute insieme sotto pressione. Il movimento deforma, taglia e appiattisce le asperità superficiali locali, disperdendo ossidi e contaminanti dell'interfaccia, per portare il contatto metallo-metallo e il legame tra le superfici.1, 2 Il processo è allo stato solido, il che significa che avviene senza fusione o fusione dei metalli vili.

Figura 1 illustra i due principali tipi di sistemi utilizzati per la saldatura dei metalli a ultrasuoni e mostra anche i dettagli del comportamento locale nella zona di saldatura. Il sistema di azionamento laterale comprende un trasduttore a ultrasuoni, un booster e un avvisatore acustico/sonotrodo. L'alimentatore fornisce energia elettrica ad alta frequenza al trasduttore piezoelettrico, creando una vibrazione meccanica ad alta frequenza all'estremità del trasduttore. Una frequenza operativa tipica è 20 kHz, ma è possibile arrivare a 30 kHz o superiore. Questa vibrazione viene trasmessa attraverso la sezione booster, che può essere progettata per amplificare la vibrazione, e viene quindi trasmessa al corno/sonotrodo, che trasmette le vibrazioni ai pezzi in lavorazione.

CLICCA SULL'IMMAGINE PER UNA VISUALIZZAZIONE INGRANDITAFigura 2a Il sistema di saldatura a trasmissione laterale mostrato qui fornisce energia elettrica ad alta frequenza al trasduttore piezoelettrico, creando una vibrazione meccanica ad alta frequenza all'estremità del trasduttore. Foto per gentile concessione dell'EWI.

I pezzi, solitamente due sottili fogli di metallo in una semplice giunzione, vengono fissati saldamente tra il sonotrodo e un'incudine rigida mediante una forza statica. Il pezzo superiore viene afferrato contro il sonotrodo in movimento tramite una struttura zigrinata sulla superficie del sonotrodo. Allo stesso modo, il pezzo inferiore viene serrato contro l'incudine mediante un motivo zigrinato sull'incudine. Le vibrazioni ultrasoniche del sonotrodo, che sono parallele alle superfici del pezzo, creano il movimento relativo simile all'attrito tra l'interfaccia dei pezzi, provocando la deformazione, il taglio e l'appiattimento delle asperità precedentemente notate.

I componenti del sistema di saldatura sono alloggiati in una custodia che afferra il gruppo di saldatura in punti critici in modo da non smorzare le vibrazioni ultrasoniche e per fornire un mezzo per applicare una forza e spostare il gruppo per portare il sonotrodo a contatto con i pezzi e applicare la forza statica. Un esempio di saldatrice a trascinamento laterale è mostrato inFigura 2A.

Un secondo tipo di sistema di saldatura dei metalli ad ultrasuoni è noto come lamella a cuneo. Gli elementi chiave di questo sistema sono il trasduttore piezoelettrico che aziona un booster, chiamato cuneo per la sua forma caratteristica (ma per il resto svolge lo stesso ruolo del booster precedentemente descritto). Il cuneo quindi guida un'asta verticale (reed) in una vibrazione flettente. La vibrazione all'estremità dell'ancia viene quindi trasmessa ai pezzi in lavorazione tramite il sonotrodo sull'ancia (VediFigura 2B).

La disposizione del pezzo è simile al sistema di azionamento laterale: viene bloccato tra il sonotrodo e l'incudine tramite una forza statica. L'incudine del sistema a lamella non è rigida (come nel caso della trasmissione laterale), ma è progettata per flettersi leggermente sotto l'azione delle vibrazioni ultrasoniche. Sebbene il modo in cui vengono prodotte le vibrazioni nella lamella a cuneo differisce da quello dell'azionamento laterale, i risultati sono gli stessi: un movimento vibrazionale del sonotrodo parallelo alle superfici del pezzo e crea il movimento relativo simile all'attrito sui pezzi 'interfaccia.