Soldadura por radiofrecuencia

La soldadura por radiofrecuencia , también conocida como soldadura dieléctrica o soldadura de alta frecuencia , es un proceso de soldadura de plásticos que utiliza campos eléctricos de alta frecuencia para inducir el calentamiento y la fusión de materiales termoplásticos . ^{[ 1 ]} El campo eléctrico se aplica mediante un par de electrodos después de que las piezas a unir se sujetan entre sí. La fuerza de sujeción se mantiene hasta que la unión se solidifica. Las ventajas de este proceso son tiempos de ciclo rápidos (del orden de unos pocos segundos), automatización, repetibilidad y buena apariencia de la soldadura. Solo los plásticos que tienen dipolos pueden calentarse con ondas de radio y, por lo tanto, no todos los plásticos pueden soldarse con este proceso. Además, este proceso no es adecuado para uniones gruesas o demasiado complejas. El uso más común de este proceso es para uniones solapadas o sellos en láminas o piezas delgadas de plástico.

En los materiales sometidos a campos eléctricos alternos de alta frecuencia pueden producirse cuatro tipos de polarización: ^{[ 2 ]}

• La polarización electrónica o eléctrica es la redistribución de electrones.
• La polarización iónica es la redistribución de partículas cargadas: cationes y aniones.
• La polarización de Maxwell-Wagner es una acumulación de carga en las interfaces de materiales no homogéneos.
• La polarización dipolar es la realineación de dipolos permanentes.

La polarización dipolar es el fenómeno responsable del mecanismo de calentamiento en la soldadura de plásticos por radiofrecuencia, calentamiento dieléctrico . Cuando se aplica un campo eléctrico a una molécula con una distribución asimétrica de carga, o dipolo , las fuerzas eléctricas hacen que la molécula se alinee con el campo eléctrico. ^{[ 1 ]} Cuando se aplica un campo eléctrico alterno, la molécula invertirá continuamente su alineación, lo que produce una rotación molecular. Este proceso no es instantáneo; por lo tanto, si la frecuencia es suficientemente alta, el dipolo no podrá rotar con la suficiente rapidez para mantenerse alineado con el campo eléctrico, lo que resulta en un movimiento aleatorio a medida que la molécula intenta seguir el campo eléctrico. Este movimiento causa fricción intermolecular, lo que genera calor. ^{[ 3 ]} La cantidad de calor generada por la fricción en el material depende de la intensidad del campo, la frecuencia, la intensidad del dipolo y el volumen libre en el material. ^{[ 1 ]} Dado que la principal fuerza impulsora del calentamiento dieléctrico es la interacción del dipolo de una molécula con el campo eléctrico aplicado, la soldadura por radiofrecuencia solo puede realizarse en moléculas dipolares. El rango de frecuencia típico para el calentamiento dieléctrico es de 10 a 100  MHz, pero normalmente la soldadura por radiofrecuencia se realiza alrededor de 27  MHz. ^{[ 3 ]} A frecuencias demasiado bajas, los dipolos pueden alinearse con el campo eléctrico y mantenerse en fase con la corriente eléctrica, minimizando la fricción intermolecular producida. Esto también puede describirse como una pérdida de potencia mínima del campo eléctrico, ya que las moléculas se mantienen en fase y absorben una energía mínima. A medida que las frecuencias aumentan, la pérdida de potencia comienza a incrementarse, ya que los dipolos no pueden alinearse a la velocidad del campo eléctrico inverso. Los dipolos se desfasan, absorben energía y es entonces cuando se produce el calentamiento. A cierta frecuencia, se alcanza un máximo de pérdida de potencia, mientras que frecuencias más altas tendrán una pérdida de potencia menor y producirán menos calentamiento. La pérdida de potencia dieléctrica máxima depende del material. ^{[ 4 ]}

El mecanismo de calentamiento por radiofrecuencia se basa en un dipolo en la molécula para generar calor y, por lo tanto, los plásticos utilizados en la soldadura por radiofrecuencia se limitan a aquellos cuyas moléculas contienen un dipolo eléctrico. ^{[ 5 ]} Los dipolos moleculares permanentes pueden formarse debido a las diferencias en las electronegatividades entre los átomos de una molécula. La carga negativa se desplaza hacia los átomos con mayor electronegatividad, lo que da como resultado regiones cargadas más negativamente que rodean a los átomos más electronegativos y regiones cargadas positivamente que rodean a los átomos menos electronegativos. ^{[ 1 ]} Debido a que el polietileno consta de grupos mer simétricos , no se forma ningún dipolo y el polietileno no se puede unir mediante soldadura por radiofrecuencia. Al igual que el agua, el cloruro de polivinilo (PVC) consta de átomos distribuidos asimétricamente de diferentes electronegatividades, con un momento dipolar resultante. Debido a su fuerte momento dipolar (y otras propiedades), el PVC se considera un excelente material para la soldadura por radiofrecuencia. Además de la polaridad, las propiedades que contribuyen a una buena soldabilidad por radiofrecuencia son una alta constante dieléctrica, que reduce la resistencia al flujo de corriente; alta rigidez dieléctrica, que evita la formación de arcos eléctricos a través de los elementos de unión durante la soldadura; y alta pérdida dieléctrica, que es un factor que describe la cantidad de calor generado por un campo eléctrico. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Algunos plásticos que se sueldan comúnmente con calentamiento dieléctrico incluyen: ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 6 ]}

• cloruro de polivinilo (PVC)

• Cloruro de polivinilo clorado (CPVC)
• Poliuretano

• Medias de nailon
• acetato de celulosa
• etileno-acetato de vinilo (EVA)
• cloruro de polivinilideno (PVDC)
• tereftalato de polietileno (PET)

Se pueden agregar elementos adicionales a una junta por diversas razones: mejorar el aislamiento térmico, evitar que las piezas se adhieran al equipo de soldadura, prevenir la formación de arcos eléctricos y amortiguar la presión de sujeción o el campo eléctrico no uniformes. ^{[ 2 ]} Es posible soldar plásticos no polares utilizando un implante compuesto conductor para mejorar la pérdida dieléctrica. ^{[ 1 ]}

El procedimiento de soldadura por RF consta de cinco pasos: ^{[ 1 ]}

1. Cargando piezas
2. Aplicar presión
3. Aplicación de campo eléctrico
4. Mantener la presión
5. Descarga de piezas

La carga consiste en colocar la pieza a unir en la máquina de soldar. La operación de soldadura comienza con la aplicación de presión sobre las piezas mediante los electrodos. Generalmente, el electrodo inferior está fijo y el actuador empuja el electrodo superior hacia abajo con una fuerza preestablecida. El campo eléctrico se aplica a las piezas durante un tiempo determinado mientras se mantiene la presión de los electrodos. El calentamiento dieléctrico provoca la fusión de las piezas que están en contacto íntimo, y los polímeros líquidos se difunden entre sí en la interfaz. La difusión y la solidificación de la unión se producen mientras se mantiene la presión durante un tiempo determinado. Una vez que la unión se enfría y el electrodo superior se retrae, la pieza se puede descargar. ^{[ 1 ]}

Los parámetros utilizados para controlar el proceso de soldadura consisten en: ^{[ 1 ] [ 2 ]}

• Tiempo de soldadura: duración durante la cual se aplica el campo eléctrico.
• Potencia: potencia del campo eléctrico en la articulación
• Presión de sujeción (o distancia de colapso): límite de presión de compresión (o límite de distancia de compresión) de las piezas que se presionan juntas.
• Tiempo de mantenimiento: duración durante la cual se aplica presión después de apagar la fuente de alimentación.
• Temperatura de la matriz – temperatura de las matrices
• Número/secuencia de ciclos: modificación del proceso de soldadura para realizar múltiples ciclos en secuencias para maximizar la calidad de la soldadura.

Los parámetros enumerados suelen ser interdependientes, y es necesario desarrollar una ventana de proceso para ajustar el proceso y obtener una calidad de soldadura aceptable. ^{[ 2 ]}

El equipo de soldadura por radiofrecuencia generalmente consta de: generador de potencia de RF, unidad de control, prensa, carcasa, electrodos y, a veces, un mecanismo de manipulación. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} El generador de potencia de RF convierte la energía de la red en energía de alta frecuencia y alto voltaje para la soldadura. Los voltajes típicos son de 1 kVCA a 1,5 kVCA a una frecuencia de 27,12 MHz. ^{[ 1 ]} La potencia necesaria para la soldadura se basa en el área de la soldadura, el espesor y el material. ^{[ 2 ]} La unidad de control es el sistema utilizado para operar la máquina. La unidad de control es responsable de procesar la información sobre las entradas de soldadura deseadas, como fuerza, potencia y tiempo de calentamiento, e instruir a los demás componentes de la máquina para satisfacer estos parámetros del proceso. Algunos controladores son capaces de monitorear las salidas y ajustar los parámetros para garantizar una soldadura satisfactoria. ^{[ 1 ]} La prensa (o actuador) suministra la fuerza de sujeción neumática o hidráulicamente. ^{[ 2 ]} Los electrodos son un par de estructuras conductoras que transmiten el campo eléctrico a través de los elementos que se están uniendo. Los electrodos entran en contacto con las piezas y aplican la presión de sujeción antes y durante la soldadura, y durante la solidificación. Generalmente, el electrodo superior sobresale de la superficie superior del accesorio, mientras que el electrodo inferior es una superficie conductora plana. En algunos casos, el electrodo inferior puede sobresalir por encima del accesorio inferior para adaptarse a la geometría o para localizar mejor la fusión mediante la reducción del campo eléctrico parásito. Ambos electrodos pueden fabricarse con características para modificar el acabado de la superficie soldada. Suelen estar hechos de latón, cobre o bronce. ^{[ 1 ]} Se utiliza una carcasa de RF o una jaula que rodea los electrodos y las áreas abiertas para proteger al operador de lesiones, incluida la radiación de radiofrecuencia. ^{[ 1 ]} Las máquinas automatizadas pueden ser semiautomáticas (que requieren que el operador manipule las piezas) o totalmente automáticas (donde la máquina se encarga de cargar, transportar y manipular las piezas). ^{[ 2 ]}

La aplicación más común de la soldadura por radiofrecuencia (RF) es el sellado de láminas delgadas de termoplásticos polares como el PVC. Algunos productos que suelen utilizar la soldadura por RF incluyen pelotas de playa, colchones de aire, chalecos salvavidas, cubiertas de libros y carpetas de hojas sueltas. La soldadura por RF también se utiliza comúnmente para artículos médicos como bolsas de sangre, ropa desechable, manguitos de presión arterial y embalajes para ciertos artículos. ^{[ 3 ]} La soldadura por RF se utiliza con mayor frecuencia en la fabricación de productos que requieren un sellado hermético al agua o al aire. Un proceso de sellado mediante soldadura o inserción de tubos crea sellos que pueden soportar diversos requisitos para ciertos tipos de líquidos o presiones de aire. Un ejemplo de esto sería en la industria médica, donde garantizar que el sellado sea hermético al aire y a los fluidos es crucial. ^{[ 7 ]}

• Calentamiento dieléctrico
• Soldadura por microondas
• Soldadura de plástico