Le 7 regole d’oro per una giunzione a prova di bomba!

Per poter saldare correttamente un particolare a ultrasuoni è necessario studiare un particolare design o in linea di massima bastano solo alcuni accorgimenti?

Questa è la domanda che mi viene fatta dal 80% delle aziende che si rivolgono a me per studiare una nuova soluzione di saldatura a ultrasuoni.

La risposta a questo domanda è molto precisa e deve essere il punto di riferimento per tutti i tuo futuri progetti.

Un particolare deve essere necessariamente concepito e sviluppato per essere saldato a ultrasuoni. Lo studio dimensionale deve evidenziare, in modo ragionevolmente preciso, i valori reali di resistenza e tenuta meccanica della regione di giunzione, in base al polimero utilizzato e alle specifiche desiderate.

Questo è il metodo che deve essere utilizzato che, purtroppo nel 90% dei casi non viene rispettato. Se anche tu hai ricevuto dal tuo attuale fornitore una scansione di un foglio scritto a mano o se in fase finale di saldatura, non hai ottenuto i risultati che ti aspettavi, allora sai a che cosa mi riferisco.

In Italia la maggior parte delle società che lavora in questo settore non ha una conoscenza specifica approfondita di tutti gli aspetti chiave del dimensionamento della regione di giunzione e chi ne fa le spese purtroppo sei tu!

La prossima volta, se anche tu non vuoi trovarti in spiacevoli problematiche di ritardi, scarti e saldature non regolari, scegli bene il tuo partner; ne va della perfetta riuscita del tuo progetto e della reputazione tua e della tua azienda.

Il motivo per cui dedicherò ampio spazio in questo articolo, e in altri, ai principi che guidano il dimensionamento della regione di giunzione è perché, nonostante sia un tema di fondamentale importanza, nella pratica viene trattato in modo superficiale e senza i dovuti accorgimenti e calcoli che sono necessari per garantire la perfetta riuscita della saldatura e delle sue caratteristiche.

La regione di giunzione, come definizione, è la zona di contatto tra i due particolari che saranno saldati.

All’interno di questa zona si trovano due elementi distinti ed egualmente importanti: il direttore di energia e l’area di accoppiamento.

Il direttore di energia è dove io stabilisco a priori il punto di inizio della fusione. La sua forma terminerà idealmente in un’area puntiforme in cui si concentrerà la vibrazione ultrasonica; questo provocherà lo scioglimento localizzato del materiale.

L’area di accoppiamento è il complemento del direttore di energia. La zona in cui il materiale in fusione, chiamato anche “melt flow”, sarà convogliato, racchiuso e compresso.

In nessun caso è consigliabile introdurre la saldatura a ultrasuoni in un secondo momento se il particolare non nasce per questo tipo di utilizzo.

In modo sintetico e chiaro ti posso dire che il design ha un peso del 49% sull’intero progetto. Praticamente è metà del lavoro.

Il rimanente 51% è dato dall’affidabilità e dalla precisione degli strumenti che utilizzi per saldarlo: utensili e saldatrice.

In quest’articolo io voglio darti una precisa linea guida in 7 punti su come sviluppare il tuo progetto nel modo più efficace e sicuro evitando errori e problemi nella successiva fase di produzione.

1. Prevedere in modo preciso il punto di inizio della saldatura o punto di innesco

Questa è sicuramente la caratteristica più importante e conosciuta anche se, a giudicare da quello che si trova sui siti di molti costruttori, viene spesso sottovalutata o tralasciata. Per farti un esempio, qui sotto puoi vedere un modello di direttore di energia proposto da una società che produce saldatrici a ultrasuoni. Voglio farti notare che molti chiamano questa regione di giunzione “a gradino” o “scala” o “step” e rappresenta quanto di più errato e dannoso per il tuo progetto.

Il motivo è semplicemente che, nel caso di contatto di una superficie invece che puntuale, l’innesco avviene in modo randomico sulla superficie invece che preciso in un punto. Questo comporta un inizio di saldatura ritardato (anche oltre 0,2 secondi contro l’ottimale <0,05s) con maggior dispendio di energia e una canalizzazione inefficiente e spesso inesistente del materiale fuso (punto 4). I particolari così costruiti hanno una giunzione fragile, presenza importante di bave e segni sui particolari a contatto diretto col sonotrodo.

Per darti un’indicazione di come dev’essere il direttore corretto, ti posso dire di usare in linea generale, angoli a 90° per gli amorfi (più facili da saldare) e angoli 60° per i semi-cristallini in modo da portare il tempo di inizio saldatura, in tutte le condizioni, ad un valore prossimo a 0,05 s.

2. Creare una superficie di contatto dedicata per il sonotrodo

Una superficie di contatto dedicata consente una trasmissione più efficace (gli ultrasuoni si propagano in senso normale alla loro applicazione) direttamente sulla giunzione e una superficie di contatto col sonotrodo più semplice da realizzare. Questo permette di poter realizzare sonotrodi con design più semplice e distribuzione di ampiezza superficiale più costante.

3. Prevedere un supporto rigido nella zona attigua alla regione di giunzione

Nel momento in cui si attivano gli ultrasuoni, il sonotrodo comincia a trasmettere la vibrazione al particolare con cui è a contatto. Poco sotto si trova anche il secondo particolare che deve essere saldato e, se non venisse ancorato rigidamente al posaggio, anch’esso vibrerebbe e l’energia verrebbe dissipata in spostamento relativo tra i due particolari invece che essere canalizzato esclusivamente nella regione di giunzione. E’ fondamentale che nel pezzo sottostante inizi la fusione per trasmissione di calore e non per vibrazione relativa. Giusto per darti un’idea chiara di come deve essere il processo, la qualità del supporto rigido ha un impatto di circa il 50% sul rispetto della condizione di inizio saldatura ideale che deve essere < o = a 0,5 millisecondi. Questo dato è ovviamente in funzione delle dimensioni del particolare e può variare fino a + o – 0,3 millisecondi.

4. Creare una zona di contenimento per il materiale in fase di fusione

Hai presente quei filamenti sottilissimi che fuoriescono dalle regioni di giunzione a processo ultimato? Oppure quella polvere che si trova depositata in prossimità del posaggio? In entrambi i casi la causa può essere una zona di contenimento mal dimensionata. La zona ideale deve essere sufficientemente grande da raccogliere il materiale in fase liquida e tenerlo compresso per il successivo periodo di raffreddamento. In questo caso eviterai bave di qualsiasi genere e questo materiale parteciperà attivamente alla resistenza della regione stessa.

Qui sotto una foto ai raggi x che dimostra un esempio pratico.

5. Assicurare l’auto centraggio degli assiemi

Questo si ricollega al punto 3. I due particolari destinati a unirsi devono necessariamente formare un assieme fisso e stabile. Se questo punto non viene rispettato ti può succedere che in fase di vibrazione i due pezzi si disallineino o più in generale si separino creando bave, fuoriuscite di materiale, perdite di tenuta e segni evidenti sia sulla superficie a contatto col sonotrodo che in quella a contatto col posaggio.

6. Considerare l’equilibrio del volume fusione – solidificazione: prevedere un percorso determinato per il direttore di energia e per la sua parte in fusione

Ricorda che dal passaggio allo stato liquido dallo stato solido i termopolastici aumentano in media il proprio volume del 8%. Devi quindi prevedere uno spazio dedicato per il fuso e contemporaneamente per la rimanente parte solida che scenderà verso il pezzo inferiore. In questo caso, oltre a compensare l’aumento di sezione a contatto con una differente (maggiore) forza di saldatura devi anche pensare al percorso che farà il direttore di energia all’interno del pezzo dall’inizio degli ultrasuoni fino alla fine del tempo di raffreddamento.

7. Prevenire il bloccaggio delle parti: funzione fondamentale del gap

Finora ti ho spiegato cose più o meno note all’interno della cultura che puoi trovare dai vari costruttori e fornitori di SUS. E’ davvero strano come questo ultimo punto, così fondamentale e critico per l’intero processo, sia così tanto trascurato o ignorato dalla maggior parte dei così detti “specialisti” del settore. La presenza del gap, o intercapedine o fuga è il principale elemento di controllo della tua saldatura. Se vuoi avere un parallelo dalla natura, il gap è come l’ultimo argine che separa il fiume dalla città. Se tutto andrà male, questo è l’unico elemento che si frappone e che fa la differenza tra un’abbondante pioggia e un’alluvione.

Forte ti sembrerò esagerato ma ti assicuro che non è così. La condizione che viene garantita dal gap è che, sia durante la fase attiva degli US che durante il raffreddamento (soprattutto!), il pezzo superiore scende su quello inferiore spinto da una forza che si individua come forza di saldatura fino a che gli US sono attivi e forza di raffreddamento quando gli US sono spenti e si vuole stabilizzare il particolare. In assenza del gap si avrà una situazione di bloccaggio in cui il materiale non completamente raffreddato crea delle zone di vuoto (dovute al ritiro nel passaggio tra stato liquido e solido). Nelle zone di vuoto si crea col tempo una concentrazione di tensioni che porta alla rottura della giunzione. Altro problema è che, se la forza va a 0, i due particolari non saranno accoppiati in modo corretto e la saldatura tenderà ad essere superficiale. Ne otterrai un incollaggio invece di una saldatura vera e propria.

Così invece di avere una giunzione con resistenza alla trazione che va dal 60% al 90% del materiale originario, avrai un valore ridotto a meno della metà.

Se ancora questi concetti non ti sono chiari, non preoccuparti perché li affronterò con alcuni esempi nel post dedicato alla pratica dei direttori di energia.

Adesso che sai tutto questo possiamo parlare dell’ottavo e più importante punto!

Starai mica pensando che ti sto prendendo in giro?!

In realtà il punto numero 8 riguarda una considerazione importante che trova applicazione nella maggior parte dei casi reali:

8. Se non puoi rispettare tutti i sette punti precedentemente esposti, ricordati di ciò che hai trascurato e trova una compensazione “artificiale” utilizzando gli utensili (sonotrodo o posaggio) o i programmi di saldatura.

Qui sotto trovi un’immagine al microscopio di una sezione di una pompa auto che lavora con pressioni fino a 8 bar. I punti chiave della saldatura sono:

• Giunzione tipo “mash” (che tratterò approfonditamente in un altro post)
• Modalità RPN con controllo dell’energia, tempo e potenza
• Gap tra le pareti dimensionato per contenere il fuso che esce dalla giunzione
• Il materiale delle pareti aiuta e favorisce la resistenza della giunzione nel lungo periodo

Riassumendo in 3 punti chiave

I.        Il direttore di energia deve essere sempre di forma puntiforme, arrotondata con raggio 0,1 o 0,2 al massimo. Tutte le giunzioni in cui il contatto si fa con una superficie sono errate e causano: inizio di saldatura con posizione randomica, ritardo nell’innesco (ideale <0,5ms) e dispersione del fuso.

II.        Deve essere previsto un canale o zona di raccolta del materiale in fusione. Bisogna  considerare che i termoplastici, nel passaggio da liquido a solido, aumentano del 8% medio il proprio volume. In raffreddamento questo espansione verrà poi annullata dal processo di contrazione. Senza zona di raccolta del fuso si avranno: bave, fuoriuscite di materiale, ridotta tenuta delle giunzioni, problemi di tenuta ermetica.

III.        Il gap è uno dei punti più utili e meno conosciuti. Evita il bloccaggio degli assiemi, permette un accoppiamento flessibile rispetto alle tolleranze ed evita l’assenza di zone di vuoto che renderanno la giunzione più fragile con la tendenza a rompersi. Grazie al gap la tua giunzione potrà arrivare fino al 90% della resistenza alla trazione del materiale iniziale.

Buon lavoro e, chiunque tu sia, sii sempre unico.

Francesco