Soldadura de plásticos

Introducción

La soldadura de plástico es un proceso destinado a unir piezas constituidas de materiales termoplásticos. La soldadura tiene lugar por el reblandecimiento de las zonas a unir. Las moléculas del polímero adquieren cierta movilidad por acción de un agente externo (calor, vibración, fricción, disolvente, etc.). Al juntarse ambas piezas y aplicárseles presión, se logra la interacción de las moléculas de ambas partes a unir, entrelazándose. Una vez cesada la acción del agente externo, disminuye el movimiento de las moléculas quedando constituida una estructura entrelazada de las mismas, formándose la unión de ambas partes plásticas.

Soldadura de plásticos

En el mercado existen diversos procesos de soldadura para unir plásticos y la aplicación idónea de cada una de ellas depende de múltiples factores. El tipo de pieza o elemento a unir, las características del material plástico, el número de piezas a unir en un mismo proceso, la aplicación del producto final..., son tan solo algunas de las múltiples variables que pueden influir directamente en la elección de un tipo u otro de soldadura.

La soldadura puede ser utilizada para producir uniones con propiedades mecánicas que se acercan a las del material matriz. La soldadura de plástico se limita a los polímeros termoplásticos, debido a que estos materiales pueden ser ablandados y fundidos por el calor. Los polímeros termoestables una vez endurecidos no pueden ser ablandados de nuevo por calefacción. El calor necesario para la soldadura de los polímeros termoplásticos es menor que la requerida para los metales.

Técnicas de soldadura

Un número de técnicas se utilizan para la soldadura de plásticos. En general, las distintas formas de unir piezas plásticas por soldadura se pueden agrupar en cuatro grandes bloques:

- Mediante aportación de calor de un elemento calefactor externo: una técnica que se destina a termoplásticos que, ante al aumento de temperatura, se funden, pudiéndose unir por compresión las superficies fundidas;

- Por emisión de alta frecuencia y ultrasonido: un método que consiste en emitir ondas de una determinada frecuencia en las superficies a unir, generando un efecto de vibración entre las moléculas del material, que provoca un aumento de temperatura y lo reblandece.

- Por emisión de haz láser: un sistema que se reserva para unir piezas pequeñas en áreas determinadas, emitiendo un haz láser que calienta la superficie a soldar;

- Por vibración: un proceso altamente fiable que permite manejar grandes piezas de materiales exigentes o múltiples piezas por ciclo con facilidad.

Otra técnica de soldadura de plásticos que cabría mencionar, bastante empleada tanto a nivel industrial como doméstico, es la soldadura química mediante el uso de solventes.

Procesos

A continuación se detallan brevemente algunas de las principales técnicas de soldadura de termoplásticos empleadas en la industria.

Soldadura por placa caliente

Es la más simple de las técnicas de producción en masa para unir plásticos. Una placa calentada se sujeta entre las superficies a unir hasta que se ablanden. La placa se retira y las superficies se reúnen de nuevo bajo presión controlada durante un período específico.

Las superficies fusionadas se dejan enfriar, formando una unión. La herramienta de soldadura o elemento calefactor está construido comúnmente de calentadores eléctricos insertos en una placa de aluminio.

Las temperaturas son generalmente entre 180°C y 230°C dependiendo del espesor y del tipo del material a soldar.

Etapas del proceso de soldado por placa caliente

Este proceso se utiliza comúnmente para soldar los extremos de tubos de plástico utilizados en la distribución de gas y agua, aguas residuales y evacuación de efluentes y en la industria química, la unión de tubos de llenado y conectores en los tanques de combustible moldeado por soplado para aplicaciones de automoción.

Muchos de los artículos de uso diario son producidos por este proceso: carcazas de aspiradoras, piezas para lavadoras y lavavajillas, piezas de automóviles, tales como depósitos de líquido de frenos, luces traseras, luces indicadoras, etc. La desventaja de este proceso es que es relativamente lento (intervalos de 10 a 20 segundos para artículos pequeños y hasta 30 minutos para tuberías muy grandes). Los platos calientes para el tipo convencional de soldadura (con temperaturas de hasta 300°C) son principalmente de aluminio. Los platos calientes para soldadura de alta temperatura se componen principalmente de aleación de cobre y de aluminio. La temperatura de las placas calientes es controlada por los reguladores electrónicos, con el sensor térmico situado lo más cerca posible a la superficie de trabajo.

Depósito de agua de plancha soldado por placa caliente

Soldadura por aire/gas caliente
Este proceso es similar a la soldadura oxi-acetileno de metales. La única diferencia es que la llama abierta de la soldadura de oxiacetileno se sustituye por una corriente de gas caliente. El aire comprimido, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno o dióxido de carbono se calienta mediante una bobina eléctrica a medida que pasa a través de una pistola de soldadura.
La soldadura de gas caliente es un proceso de fabricación para materiales termoplásticos.
El proceso, inventado a mediados del siglo XX, utiliza una corriente de gas caliente, normalmente aire, para calentar y derretir el material del sustrato termoplástico y una varilla de soldadura termoplástica. Se funde el material del sustrato y de la varilla para producir una soldadura. Para garantizar la soldadura, temperatura y presión adecuadas se deben aplicar a la varilla, junto con la correcta velocidad de soldadura y posición de la pistola.

Esquema de soldadura por aire caliente

Las aplicaciones típicas incluyen recipientes de almacenamiento de productos químicos, conducciones de ventilación y reparación de piezas de plástico, tales como los parachoques de automóviles. El nitrógeno se usa para plásticos sensibles al oxígeno. El aire comprimido es muy popular, ya que da resultados satisfactorios para muchos propósitos y es barato.

Los plásticos que pueden ser soldados son: PVC, polietileno, policarbonatos, poliamidas, etc. La principal ventaja de este proceso es que se pueden construir grandes fabricaciones complejas.

Este proceso es lento y la calidad de la soldadura depende totalmente de la habilidad del soldador.

Reparación de pieza plástica de automóvil mediante soldadura de aire caliente

Sellado por calor

El termosellado es el proceso de sellado de un termoplástico a otro termoplástico similar usando calor y presión. Principalmente es aplicado para la unión de películas o láminas plásticas entre sí o para la unión de estas a otro artículo plástico. El método de contacto directo de termosellado utiliza un dado o barra de soldadura constantemente calentado para aplicar calor a un área o línea específica de contacto para sellar o soldar los termoplásticos juntos.

Las aplicaciones comunes para el proceso de sellado térmico son para cierre hermético de bolsas y películas para alimentos o dispositivos médicos esterilizados, fabricación de bolsas, etc. Esta técnica también es utilizada en la industria electrónica para unir las pantallas LCD a los PCB en muchos productos electrónicos de consumo.

Sellado térmico de bolsa con alimentos

Soldadura por extrusión

La soldadura por extrusión permite aplicar soldaduras más grandes en un solo paso de soldadura. Es la técnica preferida para uniones de materiales de más de 6 mm de espesor. La varilla de material de aporte se introduce en una extrusora miniatura de plástico, el material es plastificado y forzado a salir de la extrusora contra las partes a unir, que se suavizan con un chorro de aire caliente para permitir que la unión tenga lugar.

Soldadura por extrusión

Soldadura por inyección

La soldadura por inyección es similar a la soldadura de extrusión, excepto, con algunas variaciones en la soldadora portátil, se puede insertar la punta en los agujeros de defectos de plástico de diferentes tamaños. El Drader injectiweld es un ejemplo de tal herramienta.

Soldadura por inyección

Soldadura por ultrasonido

Este método utiliza vibraciones de alta frecuencia mecánicas para formar la unión. Las piezas a ensamblar se mantienen juntas bajo presión entre el sonotrodo oscilante y un yunque o cuna inmóvil y se someten a vibraciones ultrasónicas de frecuencia de 20 a 40 KHz en ángulo recto con el área de contacto.

Esquema de soldadura por ultrasonido

La acción de la alta frecuencia genera calor en la interfaz común para producir una soldadura de buena calidad. Los equipos para este proceso son bastante caros por lo que se prefiere su uso en grandes series de producción.

La soldadura se limita a los componentes con longitudes de soldadura que no excedan de unos pocos centímetros.

Etapas de soldadura por ultrasonido

Las aplicaciones van desde válvulas y filtros utilizados en equipos médicos, a los cuerpos de cassette, componentes de automoción y carcazas de electrodomésticos.

Piezas soldadas por ultrasonido (luces de bicicleta)

Soldadura por alta frecuencia

Ciertos plásticos con dipolos químicos, tales como PVC, poliuretanos y poliamidas pueden ser calentados con ondas electromagnéticas de alta frecuencia. La soldadura de alta frecuencia utiliza esta propiedad para ablandar los plásticos a unirse. El calentamiento puede ser localizado, y el proceso puede ser continuo. También conocido como sellado dieléctrico o termosellado RF (Radio Frecuencia).

En la soldadura con alta frecuencia (HF) los materiales se unen utilizando la energía de un campo electromagnético (27,12 MHz) y aplicando presión sobre las superficies a soldar. La energía la produce un generador y la herramienta usada para aplicarla se denomina electrodo. La energía eléctrica hace que las moléculas del interior de los materiales empiecen a moverse, lo cual produce calor, que a su vez reblandece los materiales a soldar, que entonces se unen entre sí.

Esquema de soldadura por alta frecuencia

Como ejemplos de aplicaciones de esta técnica pueden citarse toldos para camiones y embarcaciones, lonas plásticas, tiendas y carpas, liners de piscinas, toldos de sol, productos inflables, depósitos para líquidos, pantallas de cine, camas de agua, túneles de ventilación, barreras de contención, etc.

Salvavidas inflable de PVC soldado/sellado por alta frecuencia

Soldadura por láser

La soldadura por láser es adecuada para unir películas y piezas plásticas. Se utiliza un rayo láser para fundir el plástico en la región de la unión. El láser genera un haz intenso de radiación (por lo general en la zona infrarroja del espectro electromagnético), que se centra sobre el material a unir. Esto excita a una frecuencia de resonancia en la molécula, lo que resulta en el calentamiento del material circundante.

Esquema de soldadura por láser

La soldadura por láser es un proceso de producción de alto volumen con la ventaja de no crear vibraciones y la generación de inflamación mínima de la soldadura. Los beneficios de un sistema de láser incluyen; un haz de potencia controlable, lo que reduce el riesgo de la distorsión o daños a los componentes; enfoque preciso del haz de láser permitiendo que se formen uniones precisas en un proceso sin contacto, que es a la vez limpio e higiénico. La soldadura por láser se puede realizar de una manera de disparo único o continuo, pero los materiales a unir requieren de sujeción. Generalmente se utiliza para la unión de un termoplástico transparente al laser (no absorbente del infrarrojo) con un termoplástico opaco absorbente del infrarrojo, el cual se calienta y funde para generar la soldadura.

Las velocidades de soldadura dependen de la absorción de polímero.

Soldadura láser de faro trasero de automóvil

Soldadura por vibración

Este proceso también se conoce como soldadura por fricción lineal. Dos piezas termoplásticas se frotan entre sí bajo presión a una frecuencia y amplitud adecuada, hasta que se genera el calor suficiente para fundir el polímero.

Después se detiene la vibración, las partes se alinean y el polímero fundido se deja solidificar creándose la soldadura. El proceso es similar a soldadura rotatoria, excepto que el movimiento es lineal en lugar de rotatorio. El proceso es rápido, las vibraciones aplicadas normalmente son de 100 - 240 Hz, 1-5 mm de amplitud.

La principal ventaja de este proceso es su capacidad para soldar grandes uniones lineales complejas a altas tasas de producción. Otras ventajas son la capacidad para soldar un número de componentes de forma simultánea, la simplicidad de los equipos y la aptitud para la soldadura de casi todos los materiales termoplásticos.

Equipo para soldadura por fricción lineal

La soldadura por vibración ha encontrado sus principales aplicaciones en la industria del automóvil y de los electrodomésticos.

La soldadura por vibración se puede aplicar a casi todos los materiales termoplásticos, ya sea moldeado por inyección, extruido, moldeado por soplado, termoformado, espumado o estampado.

Depósito de líquido de freno soldado por vibración lineal

Soldadura por fricción (rotacional)

La soldadura por fricción de termoplásticos es también llamada soldadura por frotamiento rotativo. La soldadura por rotación es una forma particular de la soldadura por fricción. En este proceso uno de los sustratos es fijo, mientras que el otro se hace girar con una velocidad angular controlada. Cuando las partes se presionan entre sí, el calor de fricción hace que el polímero funda y una soldadura se crea en el enfriamiento. Los principales parámetros de soldadura incluyen la velocidad de rotación, la presión por fricción, presión de forja, tiempo de soldadura y área de soldadura.

Esquema de soldadura por fricción rotacional

Las ventajas de la soldadura por fricción son la alta calidad de la soldadura y la sencillez y reproducibilidad del proceso. El inconveniente de este proceso es que, en su forma más simple, sólo es adecuada para aplicaciones en las que al menos uno de los componentes es circular y no requiere alineación angular.

Esta es una forma común de producción de bajo y medio costo de ruedas de plástico, por ejemplo, de juguetes o carritos de compra.

Soldador rotacional

Soldadura por disolvente

En la soldadura por disolvente, se aplica un disolvente que pueda disolver temporalmente el polímero a temperatura ambiente. Cuando esto ocurre, las cadenas de polímero son libres de moverse en el líquido y pueden mezclarse con otras cadenas disueltos de manera similar en el otro componente. Dado suficiente tiempo, el disolvente se evapora, de modo que las cadenas pierden su movilidad. Esto deja una masa sólida de cadenas de polímero entrelazadas que constituye una soldadura.

Esta técnica se utiliza comúnmente para la conexión de tuberías de PVC y ABS, como en la tubería de la casa. También es empleada para reparación de piezas plásticas.

Esquema de unión de tubo de PVC por soldadura química

Existe una larga lista de disolventes, tales como tolueno, dicloroetano, acetona, cloroformo, acetato de butilo, ciclohexanona, etc., que por su composición química tienen la propiedad de disolver ciertos materiales plásticos. Uno de los más utilizados es la acetona, que es empleada para la soldadura de piezas de ABS.

Unión de tubería de PVC por soldadura química

Fuentes:
Welding processes for plastics, Advance materials and processes - Robert A.Grimm
http://www.bransoneurope.eu
http://opus.mcerf.org
http://www.eina.es
http://www.dukane.com
http://www.mecasonic.es
http://www.interempresas.net
http://www.weldon.com
http://www.balddesign.com.ar
http://en.wikipedia.org
http://www.drader.com
http://www.plasticsmag.com
http://www.emersonindustrial.com
http://aristegui.info
http://www.weiku.com
http://www.forsstrom.com