ES2266335T3 - Sonotrodo para una instalacion de soldadura por ultrasonidos. - Google Patents
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Abstract
Sonotrodo para una instalación de soldadura por ultrasonidos con un generador de ultrasonidos, que conduce energía eléctrica de alta frecuencia a un convertidor, éste convierte la energía en oscilaciones mecánicas y dado el caso mediante un amplificador las conduce a un sonotrodo (2), estando el sonotrodo (2) configurado con una superficie de contacto (3), estando dispuestas en la superficie de contacto (3) espigas (1) y estando las espigas (1) configuradas cónicas, caracterizado porque la conicidad de las espigas (1) es de entre 5º y 20º, preferentemente de unos 10º hacia la punta.
Description
Sonotrodo para una instalación de soldadura por
ultrasonidos.
El invento se refiere a un sonotrodo para una
instalación de soldadura por ultrasonidos según el preámbulo de la
reivindicación 1.
La soldadura es una unión de materiales bajo
calor y presión. El calor aquí se genera como sigue:
Un generador suministra energía eléctrica de
alta frecuencia (por ejemplo 35 kHz) que en el transductor acústico
(convertidor) por medio de elementos piezoeléctricos es convertida
en oscilaciones longitudinales mecánicas.
Estas oscilaciones de alta frecuencia dado el
caso mediante un amplificador son transmitidas a un sonotrodo y
producen por fricción interna un calentamiento de los materiales
sintéticos a soldar. El sonotrodo aquí se pone en unión con las
piezas a soldar.
El material sintético termoplástico se
fluidifica al aplicar el sonotrodo. Con el enfriamiento bajo presión
se forma una unión, que puede transmitir fuerzas.
Según el material sintético se distingue por
ejemplo entre "soldadura de campo lejano" (apropiada sólo para
materiales sintéticos duros, frágiles, con pequeño factor de
pérdidas mecánico), en la cual la oscilación de alta frecuencia es
conducida con pérdidas pequeñas a través de la pieza de forma hasta
la zona de soldadura. En contraposición a esto hay la "soldadura
de campo cercano" o "soldadura por contacto", en la cual la
distancia entre introducción del sonido y zona de soldadura es
pequeña, puesto que la oscilación en material sintético blando es
amortiguada rápidamente.
En la unión por soldadura superficial por medio
de ultrasonidos se introduce localmente en el material sintético
una energía térmica (por ejemplo 300 .. 1200 Ws en el generador) por
zona de soldadura.
Son problemáticas por ello las zonas de
incidencia, que se forman en el lado opuesto a la unión por
soldadura (por ejemplo superficies visibles pintadas de un
parachoques para automóviles).
En la soldadura por ultrasonidos por ejemplo de
piezas de cierre en la envoltura exterior del parachoques de un
automóvil de turismo en la actualidad usualmente por medio de una
protuberancia de soldadura (nervio), sobre la cual se cala un
cubrejuntas acabado, se obtiene una unión de acoplamiento forzado
mediante remachado de la protuberancia (abombamiento en forma de
seta).
Mediante juntas, bordes etc. dependientes del
diseño fue posible hasta ahora moldear nervios también en la
envoltura exterior, sin que las zonas de incidencia resultantes
llamen la atención por su mal aspecto.
Cuando los nervios no eran posibles, se soldaba
"directamente", es decir, superficialmente con los denominados
"sonotrodos planos".
Con ello resultan zonas de incidencia de mal
aspecto, que normalmente no son aceptadas por el cliente.
El documento US 5,076,870 muestra todas las
particularidades del preámbulo de la reivindicación 1. No está
indicado sin embargo el empleo del sonotrodo para soldar piezas
exteriores de automóviles, como parachoques, con sus piezas
interiores, es decir, piezas de construcción con exigencias visuales
y elementos adicionales y de refuerzo correspondientes a ellas.
En el documento US 5,076,870 se describe la
unión por soldadura de una alfombra, efectuándose la unión por
soldadura a través del velo cardado de la alfombra. Aquí no se
presenta el problema de las zonas de incidencia sobre el lado
opuesto a la unión por soldadura.
El documento US 4,767,492 describe un
dispositivo de soldadura por ultrasonidos con un medio de radiación
acústica y un yunque.
El documento EP 0256 509 describe una
instalación de soldadura por ultrasonidos, en la que sobre la
superficie situada opuesta a la soldadura se introduce un modelo de
protuberancias y concavidades.
Sirve de base al invento el problema de mejorar
un sonotrodo para una instalación de soldadura por ultrasonidos
según el preámbulo de la reivindicación 1, de manera que se eviten
zonas de incidencia de mal aspecto.
Según el invento este problema es solucionado
mediante las particularidades de la reivindicación 1. La
introducción de energía ya no se realiza a través de la superficie
de contacto, sino a través de las espigas.
Según el invento éstas están configuradas
cónicas, por lo que se posibilita una penetración más fácil en el
material.
La conicidad de las espigas es de entre 5º y
20º, preferentemente de unos 10º hacia la punta.
Preferentemente la longitud de las espigas en el
caso de dos piezas de construcción a soldar de espesores de pared
de 2,7 y 3,6 mm está situada, dependiendo de la geometría, entre 4 y
5 mm, de preferencia en 4,3 mm.
En una forma de realización preferida en la
superficie de contacto del sonotrodo están previstas por lo menos
dos filas paralelas de espigas, estando las dos filas exteriores
compuestas por ocho espigas y la fila más interior por nueve
espigas. Por principio puede emplearse cualquier realización en la
cual las espigas en la vista en planta estén dispuestas
simétricamente con respecto a dos ejes perpendiculares uno a
otro.
Preferentemente la punta de las espigas presenta
una sección transversal triangular simétrica en dirección
longitudinal, con un ángulo de punta \alpha de
60º<\alpha<150º, preferentemente \alpha = 120º.
Ventajosamente el sonotrodo se emplea para
soldar materiales sintéticos termoplásticos, especialmente para la
unión por soldadura de piezas exteriores de automóviles, como
parachoques, con sus piezas interiores, es decir, piezas de
construcción con exigencias visuales y elementos adicionales y de
refuerzo correspondientes a ellas.
Especialmente ventajoso resulta con respecto a
la problemática de las zonas de incidencia que las piezas sean
pintadas antes de la soldadura.
De ensayos con diferentes formas de sonotrodo ha
resultado que una determinada forma de sonotrodo denominada
"sonotrodo de faquir" ofrece ventajosas propiedades con
relación a la problemática de las zonas de incidencia arriba
mencionada. Los ensayos con esta forma dieron sin excepción los
mejores resultados visuales.
La geometría del sonotrodo según el invento se
compone de una multiplicidad de pequeñas espigas que presentan una
conicidad (aquí: unos 10º) (fácil desmoldeo al extraer el
sonotrodo), así como una punta (favorece la unión por fusión).
Mediante las muchas pequeñas espigas la energía térmica necesaria es
introducida en el material sintético distribuida de forma
especialmente moderada o favorable, lo que resulta en pocas zonas
de incidencia. La longitud de las espigas para los espesores de
pared a soldar (2,7 mm a 3,6 mm) fue determinada en un ensayo. Aquí
fue favorable la longitud de espigas 4,3 mm.
A continuación algunos ejemplos con un sonotrodo
según el invento.
En la soldadura de piezas sin pintar de los
espesores de pared (2,7/3,0 mm) se alcanzaron fuerzas de separación
por tracción de (270 \pm 30) N. Las superficies pintadas acto
seguido mostraron zonas de incidencia débiles.
Estas zonas de incidencia pudieron claramente
ser minimizadas cuando (con por lo demás las mismas condiciones) se
soldó una placa de prueba pintada. Sin embargo el lado a soldar tuvo
que estar libre de restos de pintura, para no afectar a la unión
por soldadura. Para no dañar la superficie pintada, el dispositivo
tuvo que estar adecuadamente almohadillado.
Debe determinarse que un pintado con
anterioridad repercute positivamente en la calidad visual de la
superficie visible con respecto a las zonas de incidencia. La
explicación para esto podría encontrarse en la influencia del calor
al pintar.
Esta explicación pudo ser confirmada en un
ensayo en el cual se soldó una pieza atemperada antes y se comparó
con una pieza soldada no atemperada: la incidencia en la pieza
atemperada es menor que en la no atemperada, sin embargo no desde
luego en la medida que en la pieza pintada. Probablemente la capa de
pintura tiene asimismo un efecto positivo en la reducción de las
zonas de incidencia.
Un aumento del espesor de pared del parachoques
desde 3,0 mm a 3,6 mm disminuyó claramente las zonas de
incidencia.
Para un ensayo de soldadura con un sonotrodo de
faquir, espesores de pared de (2,7/3,6 mm) y la unión por soldadura
de las piezas sin pintar pudieron medirse fuerzas de desprendimiento
a tracción de (300 \pm 40) N. Las placas de prueba pintadas a
continuación ya no mostraron casi zonas de incidencia ninguna.
Partiendo del sonotrodo de faquir original
(longitud de espigas 3 mm) se preparó un sonotrodo de faquir con
espigas más cortas (longitud de espigas 3,4 mm), para comprobar si
de esta manera se puede obtener una disminución de las zonas de
incidencia.
De ello resultó que con esta corta longitud de
espigas sólo se puede conseguir una unión por soldadura fiable
(espesores de pared 2,7/3,0 mm, fuerza de desprendimiento a tracción
> 200 N) cuando se hace profundizar el sonotrodo completamente,
es decir, el sonotrodo entero se marca en la pieza de construcción.
Con ello se introduce mucha energía en el material sintético (>
700 Ws); las zonas de incidencia están fuertemente señaladas. Son
más favorables por lo tanto espigas largas, puesto que con ello la
base del sonotrodo no toca las placas a soldar; sólo se marcan las
espigas. Sólo aproximadamente tanto como la mitad de energía
(alrededor de 300 Ws), con por lo demás las mismas condiciones, se
necesita para soldar las piezas de construcción y las zonas de
incidencia están menos señaladas.
Para una unión por soldadura suficiente (fuerza
de desprendimiento a tracción > 200 N) no es por lo tanto
necesario hacer profundizar el sonotrodo hasta la base de las
espigas. La presión de apriete puede aplicarse sólo mediante el
pisador. Esto se utiliza en la denominada "desconexión de
profundidad", en ella el ultrasonido es desconectado tan pronto
el sonotrodo ha alcanzado una profundidad definida.
Otras particularidades resultan de las Figuras,
que están descritas a continuación. Muestra:
La Figura 1 una sonotrodo según el invento,
la Figura 2 una espiga individual del sonotrodo
y
la Figura 3 una vista de la superficie de
contacto del sonotrodo.
La Figura 1 muestra un sonotrodo 2 según el
invento, también denominado sonotrodo de faquir. Este sonotrodo
está -no mostrado- dado el caso mediante un amplificador unido con
el transductor acústico (convertidor) de una instalación de
soldadura por ultrasonidos.
La superficie de contacto 3 del sonotrodo 2
presenta tres filas de espigas 1, presentando la fila más interior
nueve espigas 1 y las dos filas más exteriores ocho espigas 1 en
cada caso.
La Figura 3 muestra una vista en planta de la
superficie de contacto 3 con las espigas individuales 1 del
sonotrodo 2. La Figura 2 muestra una espiga individual. La longitud
de espiga está designada con h. La espiga 1 está configurada
cónica, reduciéndose la espiga 1 hacia la punta en unos 10º. La
punta 4 de la espiga 1 presenta una sección transversal en forma de
pirámide con un ángulo de punta \alpha de 120º. El pie de la
espiga 1 que se encuentra situado en la superficie de contacto 2
tiene un diámetro de d_{2} = 2,0 mm, y el diámetro en la punta 4
es d_{1} = 1,4 mm.
Claims (6)
1. Sonotrodo para una instalación de soldadura
por ultrasonidos con un generador de ultrasonidos, que conduce
energía eléctrica de alta frecuencia a un convertidor, éste
convierte la energía en oscilaciones mecánicas y dado el caso
mediante un amplificador las conduce a un sonotrodo (2), estando el
sonotrodo (2) configurado con una superficie de contacto (3),
estando dispuestas en la superficie de contacto (3) espigas (1) y
estando las espigas (1) configuradas cónicas, caracterizado
porque la conicidad de las espigas (1) es de entre 5º y 20º,
preferentemente de unos 10º hacia la punta.
2. Sonotrodo según la reivindicación 1,
caracterizado porque la longitud (h) de las espigas (1) en el
caso de dos piezas de construcción a soldar de espesores de pared
2,7 y 3,6 mm es, dependiendo de la geometría, de entre 4 y 5 mm, de
preferencia 4,3 mm.
3. Sonotrodo según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque las espigas (1) en la vista en planta
están dispuestas axialmente simétricas con respecto a dos ejes
perpendiculares uno a otro, por ejemplo en 3 filas paralelas con
ocho espigas (1) en la parte de fuera y nueve espigas (1) en el
centro.
4. Sonotrodo según una de las reivindicaciones
1 a 3, caracterizado porque la punta (4) de las espigas (1)
presenta una sección transversal triangular simétrica en dirección
longitudinal, con un ángulo de punta \alpha de
60º<\alpha<150º, preferentemente \alpha = 120º.
5. Empleo de un sonotrodo según una de las
reivindicaciones 1 a 4 para unir por soldadura piezas exteriores de
automóviles, como parachoques, con sus piezas interiores, es decir,
piezas de construcción con exigencias visuales y elementos
adicionales y de refuerzo correspondientes a ellas.
6. Procedimiento para soldar piezas de material
sintético con un sonotrodo (2) según una de las reivindicaciones 1 a
5, caracterizado porque las piezas son pintadas antes de la
soldadura.
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