Claves para la elección del proceso más adecuado

Cómo soldar piezas técnicas

Christian Bonten y Viktor Mattus (1); Pablo Esteras-Emperador (2)
Basf - Ludwigshafen (1);  Basf - Barcelona (2)
15/03/2003

SOLDADURA

Cuando se trata de soldar piezas plásticos es importante que los que llevan a cabo el desarrollo del producto y sus fabricantes conozcan las particularidades de los diversos métodos para soldar existentes. Este artículo es una interesante guía para encontrar el proceso más adecuado.
El proceso de inyección ofrece una gran libertad en lo que se refiere a las formas de las piezas y muchas de ellas ya salen totalmente terminadas del molde. Pero cuando se fabrican piezas complejas en ocasiones hay que unir diversas partes producidas por separado. Soldar es una de las opciones para lograr uniones inseparables. Existen diversos procesos de soldadura para unir plásticos técnicos. En (1) se pueden ver los actuales sistemas disponibles.

Los procesos de soldadura que se utilizan en la actualidad en la fabricación de piezas a partir de plásticos técnicos imponen diferentes exigencias al material, la construcción de las piezas a unir y la forma de la zona a soldar. Es por ello que es muy importante que el desarrollador de la pieza y su fabricante conozcan las diferencias entre unas soldaduras y que las tengan en cuenta ya en las primeras fases de todo el proceso, con el fin de evitar problemas y reducir costes.

En muchas ocasiones la soldadura se ve como algo secundario que se encuentra al final de la cadena del proceso y sólo se recurre a un asesor competente (bien de la propia casa o bien de parte del suministrador del equipo o el material) cuando ya es demasiado tarde o cuando surgen los problemas. En estos casos, el tipo de soldadura a utilizar no condiciona mucho la forma del producto. Pero el proceso de unión entre partes debe ser contemplado ya desde la conceptualización de la forma y, en cualquier caso, cuando se elija el material o el proceso de transformación. La experiencia demuestra que en los procesos exitosos la determinación de qué tipo de soldadura se utilizaría existía ya desde el principio.

Desde luego no existe una respuesta a la pregunta de qué tipo de soldadura es la más adecuada, porque hay que tener en cuenta una serie de factores. Se ha demostrado que en algunos casos, leves desplazamientos en las consideraciones técnicas o económicas pueden incluso llevar a elegir otro proceso de soldadura. Las exigencias en la línea de soldadura (resistencia, hermetismo, aspecto...), en el material a soldar y en el número de piezas a soldar son también factores a considerar en la fase inicial de desarrollo de una pieza.

La propia elección del material ya puede convertirse en una limitación a la hora de elegir el tipo de soldadura (ver tabla 1). Por otro lado, las máquinas tienen poca influencia en la decisión, dado que sus costes son sólo una pequeña parte de los costes totales de la pieza, al contrario que ocurre con los equipos de transformación. Es importante por lo tanto que, en caso de duda, se compruebe con precisión si no conviene aumentar el parque de máquinas de soldar, especialmente si la inversión no será sólo aprovechada por este producto.

A continuación se verán las características de los procesos de soldadura, todo ello basado en los consejos de profesionales de institutos tecnológicos, suministradores de materiales y de máquinas, así como de utilizadores (2).

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Tabla 1: Idoneidad para la soldadura de algunos termoplásticos técnicos

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Influencias en la elección del tipo de soldadura (6)

Soldadura por ultrasonidos

En este tipo de soldadura, se produce un calentamiento por el esfuerzo del cambio de presión del plástico en la zona de contacto de las piezas a unir, que proviene de vibraciones mecánicas de alta frecuencia (>15 kHz). Las vibraciones eléctricas producidas por un generador se traducen en vibraciones mecánicas mediante un convertidor y se transmiten a las piezas a soldar mediante un transformador y el sonotrodo. el convertidor de ultrasonidos, el transformador y el sonotrodo vibran en resonancia y están dispuestos de tal forma que se crea una vibración con la máxima amplitud en la superficie que se va a soldar.

La soldadura por ultrasonidos es un proceso especialmente económico seguro para series de pequeñas piezas compuestas por muchas partes. Las piezas con un diámetro o longitudes de líneas de hasta 100 mm (anchura de 1 a 1,5 mm) se pueden soldar sin problemas en menos de 1 s. Si las piezas son mayores se pueden colocar varios sonotrodos (máquinas especiales con varios cabezales), lo cual da una mayor libertada de formas, aunque no se pueden lograr soldaduras muy herméticas.

La resistencia de las líneas de soldadura es menor que en otros procesos, debido al pequeño volumen de material fundido, lo cual por otro lado tiene la ventaja de una menor salida de masa fundida y por tanto un mejor aspecto. Los nuevos controles de procesos mejorarán en cualquier caso las resistencias.

Al contrario que con otros procesos, con la soldadura por ultrasonidos existe el peligro de que, debido a vibraciones „vagabundas", se funda material fuera de la zona de soldadura y dañe partes importantes de la pieza. Es por lo tanto un proceso que requiere experiencia.

Este tipo de soldadura se utiliza en todo tipo de carcasas en la industria de la electrónica y el automóvil. Otros sectores habituales son el del juguete y envases y embalajes. Las aplicaciones más típicas son luces traseras de automóviles canales de aire y calefacción, relés, enchufes, etc.

Soldadura por vibración

En la soldadura por vibración se crea en las partes a unir, bajo presión en las zonas de contacto, un movimiento de fricción oscilante a baja frecuencia que introduce el calor directamente en la superficie a soldar. Hay que diferenciar la soldadura por vibración lineal, angular y biaxial (orbital, circular, etc.). La angular ya prácticamente no se utiliza. La lineal, con una anchura de vibración de 2,5 mm, permite la soldadura de superficies de 2,5D.

Este proceso se caracteriza por unas líneas de soldadura grandes, herméticas y de gran resistencia mecánica, además de por su seguridad. Cuando se trata de superficies de contacto planas, la soldadura por vibración le gana la partida a la soldadura por elementos calientes. Es posible lograr líneas de soldadura grandes e ininterrumpidas, con una dilatación determinada por la fuerza de la presión y la capacidad del equipo.

Según el material que se utilice se produce una abrasión en forma de fibra a lo largo de la línea de soldadura, algo a evitar especialmente en envases, en los cuales el aspecto puede perder calidad.

Con materiales con coeficientes de fricción bajos y baja viscosidad este proceso no es el adecuado. La línea de soldadura y la pieza estarían limitados en su forma, al contrario que ocurriría con la soldadura con elementos calientes, y la pieza tendría que poder resistir una mayor carga durante el proceso de fricción. En la soldadura por vibración lineal existe el peligro de que las almas que sean transversales a la dirección de la vibración también acompañen a la vibración y por tanto no sean suficientemente soldadas.

Algunas de las aplicaciones típicas de este proceso son tubos de aspiración e coches, carcasas electrónicas de PA y PBT o baterías de PP.

Soldadura por elementos calientes

En este tipo de soldadura, un elemento caliente ajustado a una de las líneas de soldadura se calienta mediante contacto o radiación y la unión se produce al retirar el elemento caliente.

La soldadura por elementos calientes utilizada en serie proporciona una elevada calidad de las líneas de soldadura. Mediante una plastificación cuidadosa y lenta en comparación con las de otros métodos, se consigue un gran volumen de material fundido. No se producen abrasiones como en la soldadura por vibración y, gracias a que es un proceso muy reproducible, la precisión de las soldaduras en serie es factible. Con este tipo de soldadura se pueden soldar superficies grandes sin interrupciones, así como también piezas pequeñas.

La desventaja económica son los tiempos de ciclo más largos frente a los de otros sistemas. Se necesitan, en principio, tiempos de calentamiento de unos 10 s/mm y de 5 s/mm de enfriamiento con relación al espesor de la pared. En los procesos en los que la soldadura no es determinante en el ciclo total, éste factor no tiene tanta influencia.

Aquellos plásticos de baja viscosidad como el poliéster y la poliamida tienden a adherirse al elemento calefactor. En algunos casos, una alternativa interesante es la soldadura por irradiación de las piezas a través del elemento de calentamiento. El indeseado calentamiento de la zona de la línea de soldadura debido al elemento caliente debe evitarse especialmente en piezas pequeñas y/o complejas.

Algunas aplicaciones típicas son los envases para líquidos en el sector del automóvil, luces traseras de vehículos, elementos del tanque de gasolina, carcasas para aspiradoras, limpiadores mediante presión o palets de transporte.

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En la soldadura mediante elemento calefactor la pieza se calienta mediante un elemento y las dos partes se unen al extraer el elemento.

Soldadura por láser

Al principio se intentó, como en la soldadura de metales, utilizar la luz del láser para el calentamiento en la soldadura de barra. Hoy en día se trabaja con el principio de penetración de la radiación (3). El láser se convierte en calor en el material absorbente y funde mediante transmisión de calor el material transparente.

Es un proceso ideal para piezas pequeñas, por ejemplo del sector de la medicina o técnicas de microsistemas, así como para piezas grandes, en tiempos de ciclos similares a los de la soldadura por vibración. Según la soldadura por láser que se elija, el espectro de formas posibles a soldar es bastante amplio.

Mediante el láser se pueden soldar piezas electrónicas que podrían ser dañadas por las altas frecuencias de los ultrasonidos o por la radiación de calor de un elemento caliente.

No todos los materiales se pueden soldar mediante láser. Sólo las combinaciones de materiales no coloreados y especiales con coloraciones absorbentes. Algunos materiales especiales tienen un precio muy elevado en el mercado, por lo cual conviene dedicar un tiempo a la elección del suministrador de material.

En principio, dados los altos precios de las máquinas de soldar mediante láser, no parece que este procedimiento vaya a restarle cuota de mercado a otros (4; 5). Sin embargo, aunque los equipos son hoy en día todavía muy caros, los precios empiezan a bajar.

La soldadura por láser se utiliza para carcasas de sensores en la industria de la electrónica y el automóvil, carcasas de teléfonos móviles, envases de líquidos, micropiezas y piezas para la técnica de la medicina.

La tabla 2 configura una interesante ayuda en la elección de un proceso de soldadura adecuado. Como ya se ha dicho, hay una serie de factores dependientes del utilizador que marcarán también la decisión. Sin embargo, en ocasiones se pueden descartar algunos tipos de soldadura o apostar por ellos sólo por sus características técnicas.

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Tabla 2: Características de los diferentes tipos de soldadura

Referencias

  1. N.N.: DVS-Merkblätter und –Richtlinien, Fügen von Kunststoffen. Band 68/IV. Düsseldorf: DVS-Verlag (2000)
  2. Bonten, C.: Serienschweißen von Kunststoffteilen. Kunststoffe 89 (1999) 8
  3. Mattus V., Engel J., Roos R.: Durchblick beim Durchstrahlen. Kunststoffe 91 (2001) 10
  4. Mattus, V./Roos, R.: Transmission laser-welding of thermoplastics. Technical Information for Experts 02/00e, BASF AG. Ludwigshafen/Germany
  5. Bonten, C./Schmachtenberg, E./Tüchert, C.: Laserschweißen – ein reifes Fügeverfahren. Kunststoffe 90 (2000) 10
  6. Bonten, C.: Kunststofftechnik für Designer. Carl Hanser Verlag (2003)

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