Soldagem por Ultrassom

Curso: Engenharia Mecânica

Disciplina: Processamento de Materiais

Professor: Antônio Fernando de Carvalho Mota

Aluno: Cleyton Albuquerque de Araujo

SÚMARIO Histórico Definição Funcionamento Tipos de Soldagens por Ultrassom Parâmetros de Soldagem Aplicação Vantagens e Desvantagens Conclusão

Histórico

• A aplicação prática de soldagem ultrassônica para plásticos rígidos foi concluída em 1960. Nesse ponto apenas plásticos duros poderiam ser soldados.

• A patente para o método de ultrassom para a soldagem de peças termoplásticas rígidas foi atribuído a Robert Soloff e Seymour Linsley em 1965.

• O primeiro carro feito inteiramente de plástico foi montado utilizando soldagem ultrassônica em 1969. Apesar de carros de plástico não pegou , soldagem ultrassônica fez. A indústria automotiva tem usado regularmente desde a década de 1980 .

Definição

Soldagem por Ultrassom

• Soldagem ultrassônica é uma técnica industrial que vibrações acústicas ultrassônicas de alta frequência são aplicados localmente para peças de trabalho a ser realizada em conjunto sob pressão para criar uma solda em estado sólido;

• Um processo de soldagem no estado sólido em que a coalescência é produzida nas superfícies de contato por a aplicação de energia vibratória de alta frequência, enquanto as peças de trabalho são mantidos juntos sob pressão estática moderadamente baixo ;

• Este tipo de soldagem serve tanto para soldar metais quanto termoplásticos, além de materiais não ferrosos, 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;

SolidState

Welding

Electrical

Chemical

Mechanical

Friction

PressureUltrosonic

Weld

Funcionamento•  O transdutor piezelétrico gera a energia vibratória do ultra som que

transmite a solda, através do sonotrodo, para as partes do material que recebem a solda e então as partes dos materiais são derretidas e unificadas.

• A força estática de aperto é aplicada perpendicular à interface entre as peças de trabalho .

• Transdutor• Amplificador (Booster)• Sontrodo

Funcionamento• 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.

• 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.

Funcionamento

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

𝐸=𝐾∗(𝐻∗𝑒)32

E = energia elétrica em Joules;K = Constante característica de cada tipo de soldagem;H = Dureza Vickers;e = espessura em mm do material em contato com o sontrodo;

Tipos de Soldagem por Ultrassom

A soldagem por ultrassom 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.

• A soldagem contínua, é utilizado com um sonotrodo rotativo e um suporte também rotativo; as peças são sobrepostas e passam entre o sonotrodo e a bigorna.

Soldagem em 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.

Soldagem em Metais• 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 Inter atômicas 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 ultrassom, 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 frequente em colagens. A soldagem ultrassônica 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 X Soldagem Afastada

• 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: 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 ultrassom são a pressão aplicada, o tempo de soldagem e a amplitude da onda de ultrassom na ponta do sonotrodo.

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

A pressão pode variar entre 40 e 60Kgf/cm2 no caso de plásticos e entre 60 e 120Kgf/cm2para metais.

O tempo de soldagem varia entre décimos de segundo e alguns segundos. A amplitude da onda de ultrassom é produto da vibração do sonotrodo,

alimentado pela energia elétrica de alta frequência.

Aplicação

• As aplicações de soldagem ultrassônica são extensas e são encontrados em muitas indústrias, incluindo elétrica e informática , automotiva e aeroespacial, médica , e embalagem.

• Soldagem ultrassônica é uma técnica muito popular para termoplásticos de ligação. É rápida e facilmente automatizado com tempos de solda frequentemente abaixo de um segundo e não existe qualquer sistema de ventilação necessário para remover o calor ou de escape . Este tipo de solda é muitas vezes usado para construir conjuntos que são muito pequenas , muito complexo , ou muito delicado para técnicas de soldagem mais comuns. 

Aplicação na Industria Automotiva• Para automóveis, soldagem por ultrassom tende a ser usada para montar

grades de plástico e componentes elétricos , tais como painéis de instrumentos , painéis de portas , luminárias, dutos de ar , volantes, estofos e componentes de motores .

• Como plásticos têm continuado a substituir outros materiais na concepção e fabrico de automóveis, a montagem e união de componentes de plástico tem se tornado uma questão crítica .

Aplicação na Industria Automotiva

• As indústrias automobilísticas são um dos grandes consumidores da soldagem por ultrassom, como também as indústrias de autopeças, na fabricação de painéis e para-choques.

Vantagens

• As vantagens em soldar metais pelo processo de ultrassom 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.

• Processo 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 ultrassom 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.

• Na soldagem de metais há uma restrição quanto a espessura da chapa, tendo em vista que o processo ocorre a frio.

Conclusão

• Após a análise do processo de soldagem por ultrassom, pode-se identificar sua aplicação nos mais diversos ramos industriais. O baixo custo dos equipamentos e sua versatilidade na utilização em pequenas peças para trabalhos detalhados.

• Na indústria automotiva esse processo não danifica o acabamento superficial, que é uma consideração crucial para muitos fabricante, tendo em vista que evitam o surgimento de marcas que as altas frequências de vibrações geram.

Obrigado!