La saldatura a ultrasuoni
Cosa sono gli ultrasuoni?
Dal cinguettio degli uccelli ai toni più acuti in grado di mandare in frantumi il vetro, il suono è molto più di quello che siamo in grado di percepire con le nostre orecchie. Il suono è prodotto dalla vibrazione meccanica dei corpi. Se per esempio si pizzica la corda di una chitarra, la sua vibrazione provoca variazioni di pressione e densità nell’aria che, a partire dalla sorgente del suono, si propagano in tutte le direzioni come onde. Ciò avviene non solo nell’aria, ma in qualsiasi mezzo elastico, ovvero gas, fluidi e corpi solidi.
Gli ultrasuoni sono un esempio di come l’essere umano non sia in grado di sentire tutti i tipi di suoni. Queste onde sonore ad alta frequenza e “silenziose” trovano impiego nell’industria e in campo medico.
Le onde sonore vengono classificate in base alla loro frequenza (numero di onde per secondo). Gli ultrasuoni, per es., hanno una frequenza compresa tra 20 kHz e 1 GzHz. Nella saldatura a ultrasuoni vengono impiegate frequenze da 20 kHz a 70 kHz: nel range più basso, esse risultano ancora percepibili all’orecchio umano, dato che il campo di frequenze udibili è compreso tra 16 Hz e 20 kHz. Le frequenze superiori vengono tutt’al più percepite come vibrazioni.
Come funziona la saldatura a ultrasuoni?
Quando gli ultrasuoni incontrano un materiale (per es. un materiale plastico), le catene di molecole all’interno di quest’ultimo vengono sottoposte a vibrazioni. Le molecole iniziano a muoversi e sfregano l’una sull’altra, producendo energia (il cosiddetto calore da attrito). Nei materiali termoplastici questo provoca la fusione del materiale. La saldatura a ultrasuoni sfrutta questo principio. Dopo un breve tempo di permanenza durante il quale viene applicata una pressione, materiali diversi (i pezzi) vengono così saldati a livello molecolare nella zona di giunzione.
Per cosa è adatta la saldatura a ultrasuoni?
La saldatura a ultrasuoni viene prodotta in qualche frazione di secondo senza l’utilizzo di ulteriori ausili quali colle o viti. Gli ultrasuoni vengono impiegati per la realizzazione di imballaggi, componenti automobilistici, giocattoli e molti altri prodotti, per esempio per:
- la giunzione di pezzi stampati a iniezione (per es. per giocattoli)
- l’inglobamento di membrane (per es. membrane filtranti in componenti medicali)
- l’inglobamento di cuoio, tessuto non tessuto e materiali tessili (per es. per il filtro dell’aria delle automobili)
- la rivettatura di materiali di tipo diverso (per es. per gli airbag)
- la produzione di giunti ad accoppiamento geometrico mediante rimodellazione (per es. per i contatti magnetici dei caricabatterie)
- l’inserimento di boccole e magneti (per es. magneti incapsulati per l’azionamento di sensori)
Il sistema di saldatura a ultrasuoni
Il sistema completo di saldatura a ultrasuoni è costituito da diversi componenti. I componenti attivi generano gli ultrasuoni, li trasmettono e li applicano nelle parti da saldare. I componenti passivi assorbono le forze risultanti, mantengono i pezzi in posizione e soprattutto supportano la formazione del cordone di saldatura (punto in corrispondenza del quale i pezzi vengono uniti tra loro).
Attivi:
Trasformatore di ampiezza (amplificatore o booster)
Sonotrodo (utensile di saldatura)
Insieme, convertitore, amplificatore e sonotrodo formano la cosiddetta unità vibrante.
Passivi:
Tecnica di processo: il principio di focalizzazione dell'energia
Per indurre la fusione con precisione nei pezzi, l’energia vibratoria deve essere concentrata in un punto: questo principio è chiamato focalizzazione dell'energia. In questo preciso punto lo sviluppo di calore è massimo e produce la fusione per un determinato processo di saldatura definito con consumo di energia ridotto.
Tipi di focalizzazione dell'energia
È tutto una questione di forma: per concentrare l’energia vibratoria nel punto giusto, la geometria dei pezzi da saldare o dell’utensile deve essere scelta in modo adeguato. Nella focalizzazione integrata nei pezzi, appositi direttori dell’energia (in breve: ERG) concentrano l’energia nei materiali. In caso di focalizzazione tramite la geometria dell’utensile, gli utensili vengono realizzati con una forma speciale.
Nella focalizzazione tramite la geometria del giunto l’energia viene focalizzata mediante la forma dei pezzi. La zona in cui i due pezzi devono essere uniti viene pertanto configurata con una forma speciale, per lo più con una punta o uno spigolo. Queste strutture sono i punti in cui l’energia viene focalizzata e vengono quindi chiamate direttori dell’energia (ERG).
L’energia può essere focalizzata anche attraverso l’utensile di saldatura. In questo caso, il profilo del sonotrodo funge da ausilio di avvio della fusione: l’energia si concentra sulla sua punta, che diventa il punto più caldo del sistema. Questo tipo di focalizzazione dell’energia è impiegato, per esempio, nella rivettatura a ultrasuoni.
Anche in questo caso la forma dell’utensile svolge un ruolo decisivo. L’incudine presenta strutture rialzate che creano punti di contatto con i pezzi, dove l’energia si focalizza e provoca la fusione. Questo tipo di focalizzazione viene impiegato soprattutto con i materiali in foglio continuo, come film e tessuto non tessuto, oppure con cartone.
I principali parametri di processo nella saldatura a ultrasuoni
Ermeticità, resistenza ed estetica: per il cordone di saldatura perfetto è necessario che utensile di saldatura, materiale e processo di saldatura siano perfettamente coordinati. Tutto sta nelle impostazioni: i parametri di processo corretti consentono risultati ottimali e riproducibili.
Il punto trigger definisce l’avvio della saldatura. Il sonotrodo preme sul pezzo con la cosiddetta forza di trigger. Se entro un determinato intervallo di tempo il pezzo cede anche solo minimamente, gli ultrasuoni vengono azionati e la forza di trigger diventa forza di saldatura. In tal modo il punto di avvio della saldatura rimane sempre uguale e la qualità dei risultati resta costantemente elevata.
Quali materiali possono essere saldati con gli ultrasuoni?
Sostanzialmente gli ultrasuoni sono in grado di saldare la maggior parte dei materiali termoplastici (materiali plastici deformabili con il calore). Più il materiale è duro, meglio funziona il processo. Oltre ai materiali plastici, anche diversi metalli non ferrosi come alluminio, nichel, ottone e rame sono adatti alla saldatura a ultrasuoni.
