Saldatura a ultrasuoni: caratteristiche e vantaggi

Per ultrasuono si intende un’onda la cui frequenza è maggiore della soglia udibile dall’orecchio umano, ovvero > 20 kHz.

Vantaggi della saldatura a ultrasuoni

La saldatura a ultrasuoni è un processo rivolto a una particolare categoria di plastiche: i materiali polimerici termoplastici, cioè quelli che tipicamente sono ottenuti per stampaggio a iniezione e che si possono riciclare all’infinito (si ricorda, però, che i polimeri termoindurenti vanno incontro a degradazione se riscaldati dopo la loro formatura). I termoplastici più indicati per questo processo sono quelli amorfi. Esempi di materiali adatti sono: ABS, PVC, PC e PMMA; al contrario, materiali come PE, PP e Nylon, sono più complicati da saldare. Vi sono poi diverse ricerche per studiare l’applicazione di questa tecnologia di saldatura su materiali metallici e in particolare sul rame.

I due pezzi da saldare vengono appoggiati ad una piastra che vibra ad altissima frequenza (proprio nel range di frequenze degli ultrasuoni). L’ampiezza della vibrazione è estremamente limitata, nell’ordine dei micrometri, quindi invisibile a occhio nudo, ma è sufficiente a generare attrito a livello delle lunghe macromolecole sulla superficie del manufatto di plastica da saldare. Questo elevato attrito interno al materiale sviluppa molto calore e, quindi, la temperatura localmente sale molto. Una volta che la zona d’interesse arriva a fusione, i due pezzi da saldare vengono rimossi dalla zona di riscaldamento e premuti l’uno contro l’altro fino al raffreddamento completo in modo da solidificarsi nella posizione corretta.

Questo processo può essere impiegato per saldare superfici piane oppure cilindriche. Quest’ultimo caso è tipico dell’idraulica: si fonde la superficie esterna del tubo termoplastico con la superficie interna del rispettivo raccordo/gomito.

I principali vantaggi di questa tecnica sono:

• Tecnologia ripetibile: una volta impostati i parametri di processo, è possibile avere il medesimo risultato anche su grandi lotti con poca variabilità.
• Rapida: il ciclo di riscaldamento, la pressione reciproca e il raffreddamento richiedono solo pochi secondi. I pezzi sono subito utilizzabili dopo la saldatura.
• Prestazioni meccaniche: visto che c’è una fusione di due lembi, le strutture molecolari si amalgamano diventando un tutt’uno e le prestazioni meccaniche finali rimangono comunque soddisfacenti. Inoltre è possibile ottenere risultati a tenuta ermetica.

Come è fatto un impianto di saldatura a ultrasuoni

L’impianto di saldatura si compone di un generatore di segnale, che crea una tensione (e corrente) ad alta frequenza. Il generatore, poi, trasferisce tale tensione, con un cavo, all’emettitore. L’emettitore, normalmente, è un cristallo piezoelettrico che converte la tensione alternata in vibrazione meccanica proprio per la natura chimico-fisica dei cristalli piezoelettrici. La vibrazione meccanica viene poi trasferita all’amplificatore meccanico e, quindi, al sonotrodo su cui verrà appoggiata la superficie da fondere. La vibrazione è orientata in senso perpendicolare alla superficie di accoppiamento da saldare. Il pezzo, per l’attrito interno del materiale, si scalda e arriva a fusione nella zona della giunzione. Una volta raggiunta la completa fusione, si stacca dal sonotrodo e le due superfici da saldare vengono avvicinate esercitando una determinata pressione fino alla solidificazione a temperatura ambientale.

Le principali caratteristiche della saldatura a ultrasuoni sono:

• tempo di fusione di pochi secondi;
• ampiezza della vibrazione (legata alla tensione del generatore) tra i 10 e 50 micron picco-picco;
• frequenza tra i 20 kHz e i 40 kHz;
• forza impressa ai due pezzi dopo la fusione.

Per la stesura di questo articolo sono state consultate le seguenti fonti:

Sito Sirius Electr, consultato il 06/01/2022, pagina “Tutto quello che devi sapere sulla saldatura ad ultrasuoni”