Maquinaria de soldadura de materias plásticas
Las partes semiacabadas y moldeados de termoplásticos del mismo material, o de pares de materiales distintos pero compatibles, se sueldan o juntan llevando a temperatura de flujo viscoso las zonas a unir y manteniéndolas en contacto bajo presión hasta su enfriamiento. La soldadura utiliza relativamente poca energía, no precisa, en general, material de aporte y su resistencia debe ser igual o mayor al 60% de la del material.
Aunque la tramsformación de los plásticos por inyección permite producir casi cualquier tipo de formas e incluso, mediante sobremoldeo, monopiezas en distinto color, no siempre es posible o más económico fabricar piezas complejas que recurrir a la soldadura de dos o más elementos. En otros casos son precisos montajes de productos termoplásticos intermedios para obtener el conjunto final. La soldadura puede ocasionar problemas inesperados debido a que puede liberar las tensiones residuales de piezas moldeadas por inyección, que suelen ser mayores cerca de la superficie. En estos casos cabe contemplar la alternativa del encolado, que va ganando terreno a medida que las técnicas se automatizan y permiten ya ciclos muy rápidos. En cualquier caso, una descripción, como la que sigue, de cada uno de los sistemas más habituales de soldadura puede ayudar a seleccionar entre las múltiples opciones disponibles la más adecuada para cada caso particular.
Técnicas de soldadura de taller y de campo
Los procesos más utilizados para las pequeñas series y en la preparación de conjuntos de tubería, sea en taller o en obra, son los de soldadura por gas caliente, extrusión o mediante herramientas calientes.
Las antorchas o pistolas de gas calientan entre 200 y 300 C a la región de soldadura mediante una corriente de gas o aire comprimido a un exceso de presión de 0,2 a 0,8 bar sobre la atmosférica. El aire no debe contener aceite o vapor de agua. En la soldadura por testa de placas se utiliza un aporte de material del mismo tipo de los polímeros a soldar, generalmente varillas de sección redonda o triangular, que deben ser precalentadas a la misma temperatura que los topes a soldar. Estas zonas suelen biselarse a un ángulo predeterminado, llenando el aporte la zona en V de contacto. La presión durante el enfriamiento la puede efectuar el operador experto con la misma pistola y material de aporte. En el caso de soldadura con solape no se aporta material y se utilizan pistolas con una boquilla plana, pudiéndose aplicar la presión mediante rodillos.
También es posible utilizar eventualmente los clásicos soldadores autocalefactados en cuña de lampistería para algunos trabajos menores.
Sistemas semiautomáticos de taller
En taller se utilizan algunas técnicas semiautomáticas, como la soldadura en continuo de bandas largas de materiales como paramentos de suelo o similares con máquinas dotadas de movimiento propio.
Otro proceso semiautomático es el de soldadura por extrusión, en la que el material es suministrado por una pequeña extrusora portátil que produce una varilla de material para rellenar los canales precalentados que forman las placas biseladas a tope, o bien unas gotas de material fundido para las soldaduras por solape.
La soldadura por elementos calientes utiliza placas calentadas eléctricamente para hacer soldaduras a tope. Las superficies frontales planas a soldar se calientan por contacto directo con ambas caras de la placa, que se retira para unir ambas superficies bajo presión hasta que se forma rebaba, dejándolas entonces enfriar. Para obtener una buena soldadura, todos los parámetros, temperaturas, tiempos, calentamiento y presión de soldadura deben estar controlados con precisión mediante dispositivos automáticos o semiautomáticos que dispongan de posicionadores y sistemas de fijación.
Se usan herramientas especiales de calentamiento para soldar perpendicularmente piezas en ranuras precalentadas, soldadura de manguito de campana y espiga (soldadura por polifusión) y material plegable con gotas de fundido en un rincón interno por medio de barras calientes con punta en cuña. La soldadura por herramienta caliente se utiliza principalmente en poliolefinas, disponiéndose de manguitos de soldadura calientes para unir tubería de HDPE.
Las técnicas industriales de placas calientes
La fabricación industrial de prendas, lonas o toldos de plástico, reforzado o no con tejidos, se efectúa en máquinas de rodillos de soldadura de costura, que trabajan en continuo como las máquinas de coser industriales. Una herramienta en forma de cuña se introduce en el solape por delante de un par de rodillos. Sobres, sacos y productos similares se fabrican a partir de dos películas que se sueldan y cortan en una sola operación utilizando barras calentadoras de borde de cuchilla.
En la soldadura mediante prensas o pinzas equipadas con barras calientes, denominada soldadura de calentamiento indirecto, el calor se conduce a través de las láminas o películas a la interfaz. Las barras están provistas de chapas deslizantes de PTFE para evitar el bloqueo. Existen dos técnicas distintas; el sellado por calor, en el que las herramientas se calientan de modo continuo y el sellado por impulso en el que un pequeño elemento resistente en la superficie de sellado se calienta fuertemente durante una pequeña fracción del ciclo de soldadura.
Las máquinas automáticas de soldadura a tope se utilizan para unir piezas moldeadas por inyección u otras piezas como una técnica de montaje económica de la producción en serie. Para la fabricación y soldadura de bolsas y sacos en gran serie, ver el trabajo específicamente dedicado a este sector en este mismo número de Plásticos Universales.
Generación del calor por fricción
Existen varios métodos industriales en que el calor se genera mediante fricción entre las dos partes a soldar sometidas, al mismo tiempo, a presión. Esta fricción, obtenida mediante diversas técnicas, se aplica durante un tiempo corto (por ejemplo, 0,5 segundos) y se deja enfriar la soldadura a presiones entre 0,1 y 2 N/mm, empleándose estos sistemas, en general, para plásticos rígidos.
La más utilizada es la soldadura por ultrasonidos, que utiliza el fenómeno de la resonancia para aumentar la amplitud de la vibración para que genere suficiente movimiento para transmitir energía a las partes a soldar. La corriente eléctrica pasa por un elemento piezoeléctrico que se expansiona y contrae a una frecuencia entre 15 y 70 kHz según la salida del convertidor. Esta frecuencia se transmite a una pieza metálica con dos ramificaciones o sonotrodos, que entra en resonancia alrededor de un punto nodal, habitualmente en el centro entre las dos ramas. Las ondas que se producen son de tres clases: longitudinales, que son las que transmiten energía a la pieza, las transversales, que deben evitarse puesto que sólo crean vibración en la superficie del sonotrodo y no transmiten energía a las piezas, y las ondas curvadas, que son perjudiciales para la soldadura y sólo ocurren cuando hay una desalineación en el equipo.
Los sonotrodos se fabrican con titanio, que tiene el mejor rendimiento y menor desgaste, aluminio, más económico y con propiedades acústicas adecuadas para el montaje de grandes piezas, o acero para aplicaciones de baja amplitud y desgaste elevado, como la fijación de insertos metálicos. Una de las piezas entra en contacto con el sonotrodo y la otra se soporta en un dispositivo que sirve para el centraje. La amplitud y tiempo de la vibración dependen del diseño del sonotrodo, del tipo de material, de los espesores y de la distancia al punto de aplicación de la vibración y, en los equipos actuales, suelen regularse mediante un microprocesador.
En este tipo de soldadura es crítico el diseño de la junta, que debe asegurar un contacto correcto entre las partes a soldar y disponer en la junta el material que debe fundir para efectuar la soldadura, bien en forma de relieve o en la de juntas de cizallamiento.
Cuando se trata de objetos circulares puede emplearse la soldadura por rotación, que es la más económica. Una de las dos piezas es estacionaria, mientras que la otra se hace girar manteniendo, al tiempo, una presión entre ellas entre 0,07 y 0,15 MPa. El calor generado por fricción y cizalladura en algunas capas del plástico hace que éste se caliente hasta alcanzar la temperatura adecuada, momento en que cesa el giro, aumentando la presión a 0,1 a 0,35 MPa, hasta el enfriamiento de la delgada película fundida. La velocidad angular de giro varía según el diámetro y el espesor de la pared.
Es un sistema rápido, fácil y económico, que produce soldaduras de la máxima calidad, con ciclos de entre 1 y 2 segundos por soldadura. Requiere por tanto, un control muy preciso de los tiempos de cada fase del ciclo, que en la soldadura por inercia se obtiene utilizando en cada ciclo la energía cinética almacenada en un volante de masa predeterminada, con lo que la cantidad de energía es la misma para cada soldadura.
La soldadura por vibración se utiliza para unir un gran número de piezas de plástico, facilitando el diseño al permitir soldaduras de hasta 550 mm de longitud por 400 mm de anchura. En ella hace oscilar una de las piezas con una amplitud de 0,5 a 4 mm con 120-240 ciclos por segundo. El funcionamiento del proceso se diferencia del anterior sólo en la forma de generar la fricción. Su mecanismo es simple, consistiendo sólo en un vástago de movimiento recíproco generado electromagnéticamente, sin superficies de rozamiento y que actúa directamente sobre una suspensión mecánica.
En los termoplásticos reforzados con fibras, este tipo de soldadura sólo obtiene la resistencia mecánica de la matriz, puesto que en la unión las fibras tienden a alinearse en la dirección de la rebaba, perpendicular a la línea de unión, con lo que no actúan como refuerzo en esa zona.
Se trata de un proceso rápido, con ciclos entre 1 y 10 segundos, y el utillaje es económico para grandes series, precisándose útiles de fijación de las piezas, que se realizan generalmente en aluminio complementado con colada de poliuretano para adaptarse a la geometría de las piezas a soldar, una de las cuales se suspende del vibrador y la otra se deposita en un lecho que se eleva para efectuar el contacto entre ambas piezas.
Métodos eléctricos para generar el calor
La pérdida dieléctrica en un campo de alta frecuencia (radio-frecuencia o HF) entre electrodos lineales fríos o de temperatura constante puede regularse de modo que se eleve la temperatura entre dos películas o láminas en contacto con los electrodos para efectuar una soldadura dieléctrica, mientras el restante material permanece frío. Los plásticos con polaridad limitada, como las poliolefinas, PS y PTFE no son soldables mediante HF, siendo su mayor uso en la soldadura de PVC plastificado, combinado también con cartón, tablero o textiles. CA, PA, TPU y muchos elastómeros termoplásticos pueden también soldarse mediante radiofrecuencia.
Los equipos de soldadura HF funcionan con cargas de 500 W a 100 kW e incluyen prensas neumáticas o hidráulicas con una fuerza de cierre de 0,1 a 1000 kN, cuya superficie puede llegar a los 2x3 m, de las utilizadas en la confección de botes hinchables de salvamento. Estas máquinas suelen ir acompañadas de pre- o post-tratamiento en las líneas automáticas de producción y utilizan la frecuencia de 27,12 1,6 MHz permitida internacionalmente para soldadura por radiofrecuencia.
La radiofrecuencia se ha utilizado también para efectuar el endurecimiento de resinas termoestables, así como las microondas, en procesos de moldeo continuos como la pultrusión, por lo que es posible utilizar adhesivos que fragüen mediante el uso de aporte energético en forma de radiación, del mismo modo que se utiliza ya en el fraguado de adhesivos mediante radiación UV para plásticos transparentes. Se trata de sistemas de unión alternativos a la soldadura que utilizan principios similares.
Cuando se trata de soldar plásticos que son difíciles de combinar o plásticos distintos puede utilizarse la soldadura por inducción. Se utiliza entre las dos partes a soldar un depósito de polvo cerámico de óxido de hierro o un material o agente de soldadura, que es una película extrusionada que contiene polvo metálico disperso. Éste es excitado por un campo eléctrico para efectuar un movimiento browniano (movimiento aleatorio en un espacio de 3D) cuya disipación de energía calienta el material intermediario y las zonas de plástico en contacto con él.
La ventaja de estos procedimientos es que no precisan inducir movimiento o vibración en las partes a soldar, por lo que pueden utilizarse en piezas delicadas y evita las eventuales distorsiones por tensiones internas generadas en las áreas próximas a la soldadura.
