O design do sonotrodo é a chave para o sucesso da soldagem ultrassônica de conjuntos automotivos

Herrmann foi encarregado de soldar painéis de isolamento revestidos de alumínio para um compartimento do motor. Foto cedida por Herrmann Ultrasonics Inc.

Um robô de seis eixos usa uma ferramenta de soldagem ultrassônica para montar painéis de isolamento plástico para um compartimento de motor. Foto cedida por Herrmann Ultrasonics Inc.

A soldagem ultrassônica é usada para fixar uma lente de plástico transparente a um corpo de plástico com vedação hermética. A forma 3D complexa da peça e a superfície classe A são um desafio para soldar. Foto cedida por Herrmann Ultrasonics Inc.

Para montar variantes de modelos de luzes diurnas, todas as peças deste soldador ultrassônico formam uma “estrutura de ferramentas de troca rápida” que pode ser destacada da máquina principal e trocada por uma estrutura diferente. Foto cedida por Herrmann Ultrasonics Inc.

Herrmann introduziu um novo soldador ultrassônico que perfura simultaneamente uma membrana de poliéster de uma bobina de material e a solda a um invólucro de plástico. Foto cedida por Herrmann Ultrasonics Inc.

Este soldador ultrassônico oferece cinco modos de operação: tempo, energia, potência, distância absoluta (ponto final da distância de soldagem) e distância RPN (referenciando a profundidade da solda até um ponto inicial). Foto cedida por Herrmann Ultrasonics Inc.

A soldagem ultrassônica é amplamente utilizada na indústria automotiva. As aplicações variam desde componentes internos (revestimentos das portas laterais, console central) até componentes do compartimento do motor (tampa do cabeçote, tampas do motor), até iluminação, filtros e espumas acústicas. Os soldadores podem ser operados imediatamente, sem tempo de aquecimento. Os tempos de ciclo são curtos e o consumo de energia é baixo.

Para que o processo seja eficaz, a ferramenta de soldagem, chamada de buzina ou sonotrodo, deve ser projetada para se ajustar ao formato da peça enquanto vibra de maneira eficaz. Isto é particularmente verdadeiro na indústria automotiva, onde misturas de materiais e formas assimétricas podem dificultar a soldagem de peças plásticas.

Com mais de cinco décadas de experiência em união de plásticos, a Herrmann Ultrasonics aprendeu algumas coisas sobre design de sonotrodos.

Todas as tecnologias de união atingem os seus limites quando é necessário unir materiais diferentes ou difíceis, especialmente se as peças tiverem formas assimétricas. Com a soldagem por placa quente, por exemplo, esse desafio pode resultar em distribuição desigual de temperatura. Algumas áreas podem ficar muito quentes e produzir fios; outras áreas podem permanecer frias e não se unirem de maneira homogênea. Com a soldagem por vibração, é necessário plástico adicional na área da junta. Como resultado, uma grande quantidade de material fundido é produzida durante a soldagem. Este material pode ser empurrado para fora da junta, criando uma linha de ligação desagradável.

A soldagem ultrassônica também está sujeita a tais limitações físicas ao unir peças complexas em formato 3D. Porém, se o sonotrodo for corretamente dimensionado através do uso de análise de elementos finitos (FEA), a soldagem ultrassônica oferece inúmeras vantagens:

Em uma aplicação, Herrmann foi encarregado de soldar painéis de isolamento revestidos de alumínio para o compartimento do motor. A combinação de materiais foi matadora: tapetes acústicos de poliuretano (PU) revestidos de alumínio tiveram que ser colados a painéis de polipropileno reforçado com fibra de vidro (PP). Se isso não bastasse, seis peças diferentes tiveram que ser soldadas.

Esta aplicação representou um verdadeiro desafio para a união permanente e segura dos componentes. Os adesivos não funcionariam devido a considerações de custo e à combinação de materiais. Os elementos de fixação ou parafusos eram muito arriscados, pois poderiam se soltar durante a operação do motor. Nenhum dos outros métodos de união térmica, como soldagem a laser, soldagem infravermelha ou soldagem por vibração, era adequado.

Os testes iniciais usando um soldador ultrassônico portátil foram positivos. Uma junta estanque poderia ser criada entre a manta de PU e a peça de PP moldada por injeção, apesar da camada de alumínio intermediária. Foi possível que vibrações ultrassônicas penetrassem no revestimento de alumínio e energizassem as moléculas da peça de PP.

A tarefa então passou a ser como obter resultados de soldagem repetíveis e garantir o requisito de resistência à tração do cliente de pelo menos 50 newtons por ponto de solda. O aço temperado resistente ao desgaste provou ser o material certo para os sonotrodos. Os engenheiros da Herrmann determinaram os locais dos pontos de solda e projetaram os acessórios complexos, incluindo o sistema de fixação e os sensores de digitalização das peças.