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?
Nella saldatura a ultrasuoni, vibrazioni meccaniche ad alta frequenza vengono introdotte in modo mirato nei componenti. In combinazione con la pressione, creano un giunto resistente nella zona di saldatura. I processi coinvolti variano in base al materiale e all’applicazione: materie plastiche, tessuti non tessuti e materiali da imballaggio vengono riscaldati localmente e uniti. Nei metalli, il giunto si forma attraverso l’azione meccanica e l’avvicinamento delle superfici, senza fondere i pezzi. Dopo un breve tempo di mantenimento, il giunto si stabilizza.
Vantaggi
La saldatura a ultrasuoni offre una serie di vantaggi rispetto a metodi di giunzione tradizionali quali l’incollaggio o la saldatura a gas:
- Estrema rapidità: i materiali vengono fusi e uniti tra loro in poche frazioni di secondo.
- Qualità elevata costante: una tecnica di regolazione precisa consente di ottenere risultati sempre esatti e riproducibili.
- Flessibilità: metodo adattabile ai materiali, alle forme e ai processi più svariati.
- Processo di giunzione efficiente: la saldatura a ultrasuoni utilizza energia solo durante il breve ciclo di saldatura e, nelle applicazioni idonee, non richiede agenti di giunzione aggiuntivi.
- Economicamente conveniente: processi brevi, minor consumo di energia, nessun ausilio supplementare quali viti, colle, ecc.
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).
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.
Geometria del giunto
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).
Design del sonotrodo
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.
Struttura dell’incudine
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 ultrasuon
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.
Per cordoni di giunzione uniformi ed ermetici, gli ultrasuoni devono essere applicati al pezzo con forza. L’intensità di questa forza dipende dalla potenza, dalla superficie di giunzione e dalle dimensioni dei pezzi.
Saldatura rapidissima: una volta che il punto trigger è stato raggiunto e gli ultrasuoni sono stati attivati, l’effettivo processo di saldatura dura solo qualche frazione di secondo. Il tempo di saldatura termina al raggiungimento di un criterio di disinserzione predefinito.
