T-1-17

ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOLO GÍAS DE UNIÓN

Tem a 1 1.17

PROCESOS D DE U UNION P P A R A P PL A STICOS

A c t u al i zad o p p o r : C Cr i s t i n a JJ i m én ez FUND A CIÓN IIN A SMET

Sept Septiemb iembre re 2004 2004

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Introducción a los materiales plásticos 1.2. Materiales termoplásticos 1.3. Materiales termoestables 2. MÉTODOS DE UNIÓN 2.1. Uniones mecánicas 2.1.1. Uniones por insertos 2.1.2. Tornillos autorroscantes 2.1.3. Uniones por engarce 2.2. Unión por adhesivos 2.2.1. Modelos de adhesión 2.2.1.1.- Modelo Mecánico 2.2.1.2.- Modelo eléctrico 2.2.1.3.- Modelo de la difusión 2.2.1.4.- Modelo de la adsorción termodinámica (mojado superficial) 2.2.1.5.- Modelo del enlace químico 2.2.1.6.- Modelo de las capas débiles 2.2.2. Ventajas y limitaciones de las uniones adhesivas 2.2.2.1.- Ventajas 2.2.2.2.- Desventajas 2.2.3. Modos de fallo 2.2.4. Aspectos a considerar en la formación de una unión adhesiva 2.2.4.1.- Selección del adhesivo más adecuado al sustrato y a la aplicación deseada 2.2.4.2.- Diseño correcto de la unión adhesiva 2.2.4.3.- Limpieza y preparación adecuada de los sustratos 2.2.4.4.- Obtención de un buen contacto interfacial adhesivo/sustrato 2.2.4.5.- Control del curado del adhesivo 2.2.4.6.- Determinación de la durabilidad de la unión 2.2.5. Clasificación de los adhesivos 2.2.5.1.- Adhesivos prepolimerizados prepolimerizados 2.2.5.2.- Adhesivos reactivos 2.2.5.2.1.- Adhesivos rígidos y tenaces 2.2.5.2.2.- Adhesivos flexibles 2.2.6. Preparación superficial de los materiales a unir 2.2.6.1.- Tratamientos generales 2.2.6.2.- Sólidos de baja energía superficial y sus tratamientos 2.2.7. Control de calidad 2.2.8. Métodos de ensayo/Ensayos destructivos -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.17-1-


2.2.9. Métodos de ensayo/Ensayos no destructivos 2.2.10. Procedimiento 2.3. Soldadura de materiales plásticos 2.3.1. Soldadura por ultrasonidos 2.3.2. Soldadura por fricción 2.3.3. Soldadura por vibración 2.3.4. Soldadura por chapa caliente 2.3.5. Soldadura por gas caliente 2.3.6. Soldadura por implante 3. TABLAS

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.17-2-


1. INTRODUCCIÓN Los polímeros y composites poliméricos son atractivos principalmente por su alta relación resistencia/peso, su inercia química y por su facilidad en ser procesados con formas complejas a un relativo bajo costo. La utilización de materiales plásticos aumenta constantemente tanto en ingeniería de estructuras como en aplicaciones electrónicas. El consumo de polímeros o plásticos ha aumentado en los últimos años. Estos petroquímicos han sustituido parcial y a veces totalmente a muchos materiales naturales como la madera, el algodón, el papel, la lana, la piel, el acero y el cemento. Los factores que han favorecido el mercado de los plásticos son los precios competitivos y a veces inferiores a los de los productos naturales, y el hecho de que el petróleo ofrece una mayor disponibilidad de materiales sintéticos que otras fuentes naturales. La crisis petrolera de 1974 también influyó en el aumento del consumo de los plásticos, sobre todo en la industria automotriz. Los plásticos permitían disminuir el peso de los vehículos, lo cual repercutía en un ahorro en el consumo de combustible por kilómetro recorrido. Entre los polímeros usados para reducir el peso de los automóviles se encuentran los poliésteres, polipropileno, cloruro de polivinilo, poliuretanos, polietileno, nylon y ABS (acrilonitrilo-butadienoestireno). Sin embargo, el mercado más grande de los plásticos es el de los empaques y embalajes. Debido principalmente a esa facilidad de los materiales plásticos de ser fácilmente moldeados el estudio de la unión no fue un tema estudiado, excepción a esto fueron los composites de altas prestaciones para la que se desarrolló la tecnología de unión por adhesivos. Actualmente la unión de plásticos compuestos está teniendo gran importancia por varias razones. 1. La utilización de de estos materiales va creciendo día a día en uniones uniones estructurales complejas, complejas, en las las que las consideraciones de unión y coste están siendo importantes. 2. La aplicación estructural de estos estos materiales requiere requiere uniones uniones que soporten soporten bien cargas estáticas o cargas a fatiga. 3. Las resinas termoplásticas soldables soldables están siendo utilizadas utilizadas día a día en mayor mayor número de aplicaciones. Los cuatro plásticos principales son el polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo y poliestireno. Estos alcanzan cerca del 80% del consumo total de plásticos. Actualmente existen otros plásticos que mejoran las características de los anteriores (resistencia a la temperatura) como son el nylon, polietertertona, ABS, policarbonatos. Estas características que presentan los plásticos especialmente su bajo peso, justifican su empleo en lugar de metales, en determinadas ocasiones. Dentro de las industrias que emplean actualmente plásticos que precisan uniones podemos indicar: industria del automóvil, industria electrónica, construcción, aerospacial...


Tema 1.17-3-


1.1. 1.1. Introd Introd ucció n a los materiales plásticos Las palabras “polímeros y plásticos” a menudo se consideran sinónimos y sin embargo existe una diferencia entre ellas. Los polímeros son moléculas formadas mediante la repetición sucesiva de un mismo grupo de átomos que constituyen el monómero. De ahí proviene su nombre (poli=muchos, mero=unidad): mero=unidad): A+A+A+·······+A  A-A-A······A Monómero

polímero

Este proceso se denomina polimerización.

El polímero es un material puro que se obtiene un proceso de polimerización. Los polímeros puros es raro que se utilicen solos sino que suelen ir acompañad acompañados os de aditivos por lo que pasan a denominarse plásticos. Los materiales plásticos están formados por: Resina base: base: es el polímero o macromolécula de gran masa molar que se sintetiza a partir de pequeñas moléculas llamadas monómeros, monómeros, por ejemplo el polietileno se origina a partir de moléculas de etileno (monómero). El número de unidades que se unen se conoce como grado de polimerización Residuos de polimerización: polimerización : compuestos no polímeros que se forman en la reacción de polimerización, por ejemplo: restos de catalizadores, restos de solventes, emulsionantes, etc Adit Ad itiv ivos os:: agentes que optimizan las propiedades del material plástico (por ejemplo la impermeabilidad), sus características mecánicas o bien facilitan su elaboración. Algunos que podemos mencionar son: -

Plastificantes: Plastificantes: que modifican la rigidez del material

-

Estabilizantes: Estabilizantes: retardan la descomposición descomposición del polímero

-

Protectores UV: UV: para evitar la interacción de la radiación, por ejemplo los aceites (demoran el enranciamiento) enranciamiento)

-

Agentes antiestáticos: antiestáticos: impiden la atracción de cargas y la deposición de polvo

-

Agentes bactericidas y antifúngicos: antifúngicos: evitan que los microorganismos microorganismos ataquen al plástico

-

Cargas: Cargas: materiales inertes para aumentar la resistencia o bajar el costo

-

Colorantes

La definición dada por ASTM es la más aceptada: son materiales que contienen como ingrediente esencial una ó más sustancias poliméricas de alto Peso molecular (PM). -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.17-4-


Un concepto muy importante es el PM. Muchas propiedades propiedades del polímero dependen del llamado PM, que es un valor indicativo de la longitud y peso de la cadena del material. En la mayoría de los polímeros el nombre se forma a partir del monómero con el prefijo “poli”. Ejem. polipropileno, polipropileno, polietileno vienen de la unión del propileno y etileno respectivamente. Existen muchos tipos de plásticos con una amplia gama de propiedades según sea su base polimérica y los aditivos empleados. Sin embargo todos los plásticos pueden ser clasificados en dos categorías, de acuerdo a su comportamiento frente al calor (termoplásticos y termoestables) o en función del mecanismo de polimerización (polímeros de adición o de condensación). Los plásticos tienen diferentes ventajas en comparación con los materiales tradicionales. Una de las ventajas más importantes es su bajo coste de obtención así como su bajo peso. En los materiales metálicos las densidades oscilan entre 2.6 para el Aluminio y 7.8 del acero. En los materiales plásticos éstas oscilan entre 0.9 y 1.4. Algunas de las características más ventajosas de los plásticos son: su baja resistencia a la fricción, buena resistencia a la corrosión y buenas propiedades aislantes entre otras. En general la resistencia química de los plásticos complementa la de los metales. De aquí que sean resistentes a los ácidos que atacan a los metales, si bien son vulnerables a los disolventes orgánicos. Son adecuados para instalaciones donde se requiere aislamiento eléctrico y térmico (equipos de refrigeración, electrodomésticos). Una de las ventajas de los plásticos es que pueden ser obtenidos “a medida”. Existen plásticos transparentes pudiéndose colorear añadiendo tinta y pigmento, evitando en estos casos la necesidad de pintado. Las desventajas más notorias de los materiales plásticos en comparación con los metales son su poca rigidez, y limitada resistencia a temperatura. Los módulos de Young típicos de los plásticos son unos pocos GN/m 2 en comparación con los aproximadamente aproximadamente 200 GN/m G N/m 2 del acero. Algunos plásticos no pueden emplearse a temperaturas superiores a 50ºC, otros sin embargo pueden ser empleados a temperaturas de 400ºC. Si comparamos resistencia y rigidez con peso, vemos que dada la ligereza de los plásticos esta comparación es favorable a estos últimos. Pueden obtenerse plásticos de mayor resistencia y rigidez mediante la incorporación de relleno o fibras de refuerzo. De hecho algunos tipos de plásticos compuestos poseen mayor resistencia que todos los otros materiales industriales disponibles. Los plásticos se utilizan ampliamente en aplicaciones donde se precisa una buena relación resistencia/peso. Ejem. automoción aerospacial. aerospacial. Los plásticos compuestos se refuerzan con fibra de vidrio. La dureza superficial de los plásticos es baja, generalmente y como mucho comparable a la del aluminio, lo que puede dar lugar a una indentación considerable a altas cargas locales superficiales. La resistencia a otros refuerzos superficiales. Ejem. la abrasión, varía considerablemente. De aquí que algunos plásticos se puedan desgastar rápidamente. rápidamente. Por el contrario, el nylon puede desgastarse menos que el metal con el que se está tratando.


Tema 1.17-5-


Hay plásticos que pueden degradarse por exposición a la radiación ultravioleta. Esto puede evitarse con aditivos capaces de absorber esta radiación. Así mismo, el tipo del material plástico también influye en la capacidad de soportar la exposición a la intemperie. Algunos se degradan rápidamente, mientras que otros pueden resistir años de exposición continuada al agente atmosférico.

1.2. Materiales termoplásticos Los materiales termoplásticos son aquellos que están constituidos por moléculas lineales. Su principal característica es la existencia de una temperatura a partir de la cual son capaces de fluir, transformándose en sólidos por debajo de dicha temperatura. t emperatura. Los ciclos calentamiento-enfriamiento se pueden producir las veces que sean precisas sin que las propiedades cambien significativamente, siempre que no se alcancen temperaturas que puedan ocasionar la degradación del material. Estas características se deben a que las cadenas poliméricas que lo forman son independie independientes ntes entre sí, pudiéndose deslizar una sobre la otra.

A este grupo pertenecen la mayoría de los polímeros comerciales, como son el polietileno, policloruro de vinilo, poliestireno, polipropileno, ABS, poliamida...

1.3. 1.3. Materiales Materiales t ermoestables ermoest ables Estos materiales presentan cadenas poliméricas entrecruzadas, formando una resina con una estructura tridimensional que no se funde. Son polímeros que tras un aporte calorífico sufren una serie de reacciones químicas con reticulación, transformándose en materiales rígidos, incapaces de fluir. Al calentarlos llegarían a descomponerse antes que a fundir.

Por esta razón, estos materiales van a ser insolubles, ante cualquier disolvente, ya que éste no va a poder separar las fuertes uniones entre cadenas y disolverlas. En algunos casos el disolvente podrá entrar entre las cadenas e hincharlas pero sin llegar a disolverlas. Otra característica mecánica de estos materiales es su alta rigidez, con un elevado módulo elástico y una baja deformación debido a la estructura tridimensional. Para transformar estos materiales, en una primera fase se polimerizan parcialmente dando lugar a una resina líquida. Es un material en estado intermedio de transformación. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.17-6-


Posteriormente, pueden ser transformados en un molde, bien por un agente de reticulación, o por acción de calor, dando lugar a un plástico reticulado. Una vez transformado el material, no podrá volver a ser procesado, debido a que es infundible. Son materiales termoestables típicos las resinas de poliester, las resinas fenólicas, las resinas de melamina, etc. La aplicación de calor a estos productos termoestables ya transformados, únicamente conseguirá su descomposición y carbonización. Son compuestos que no admiten ni recuperación ni reciclado.

2. MÉTODOS DE UNIÓN La unión de plásticos y sus compuestos puede dividirse ampliamente en cierres mecánicos y unión. En el siguiente esquema está recogida dicha división.

Los polímeros son sustratos sustratos con energía superficial baja baja de aprox. 50mJ/m2. 50mJ/m2. La obte obtención nción de una “buena” unión depende de 4 factores: - la naturaleza química del polímero - la energía superficial - la topografía superficial - la contaminación contaminación superficial. Estos factores afectan en gran medida cuando los métodos de unión a utilizar son los adhesivos ó la unión por disolventes. Sin embargo la soldadura por fusión es mucho más tolerante a estos aspectos


Tema 1.17-7-


2.1. 2.1. Uniones mecánic as En algunas aplicaciones, cuando las uniones permanentes bien por soldadura ó por adhesivos no son deseables, y cuando los requerimientos estructurales así lo permiten se emplean las uniones mecánicas. A continuación se detallan los distintos tipos de uniones mecánicas. 2.1.1. 2.1.1.-- Uniones por Insertos

Una de las posibilidades de unir plásticos con otros materiales es a través de insertos metálicos. Dependiendo Dependiendo del método usado para su inserción tenemos. 1. Inserción por Sobreinyectado 2. Insección por Ultrasonidos 3. Insertado Mediante Blocaje Mecánico 1.- Inserción por sobreinyectado: Estos insertos se colocan en el interior del molde previo a la inyección del material para que éste fluya alrededor del inserto. Normalmente se emplean emplean bien cuando el el inserto metálico es grande y lleva él todas las fijaciones ó bien en moldes de series cortas. En este tipo de inserción conviene tener en cuenta una serie de consideraciones consideraciones como: •

Evitar cantos vivos en el inserto

•

Mantener el mínimo número de moleteados.

•

Los insertos deben estar limpios de polvo, suciedad, grasa…

•

Evitar el enfriamiento rápido.

•

Utilizar cuando sea posible latones ó aluminios para los insertos.

•

Normalmente se recomiendan largos tiempos de enfriamiento.

2.- Inserción por ultrasonidos Este proceso consiste en la introducción del inserto por fusión del plástico mediante un frotamiento entre ambas piezas, provocado por un ultrasonidos. Dentro de las ventajas de este proceso se pueden señalar: •

Se puede utilizar sobre cualquier tipo de material termoplástico


Tema 1.17-8-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN •

Fácilmente automatizable automatizable con lo que se puede producir una disminución de costes.

•

El efecto de la inserción es un efecto local que no afecta al resto de la pieza.

•

Es un proceso que no produce ningún tipo de deformaciones.

Para que el proceso se pueda realizar es necesario que el inserto cumpla, al menos algunas condiciones: La pieza a insertar debe de tener un moleteado y ranuras. El dimensionado del alojamiento alojamiento será función del tipo de inserto.

INSERCIÓN POR ULTRASONIDOS

3.- Insertado Mediante Blocaje Mecánico. Consiste en un cuerpo cilíndrico con unas ranuras por donde se desliza una cruceta de expansión, que abre la parte inferior clavando en la pieza de plástica un prefilado prefilado ó unos hilos concéntricos a modo de rosca, que impedirá la salida de los mismos.


Tema 1.17-9-


2.1.2.- Tornillos autorroscantes

La técnica de unión por tornillos produce uniones de piezas de termoplásticos de muy bajo coste. El propio tornillo produce la rosca al ir atornillando. El alojamiento de los tornillos se realiza en forma de torreta y normalmente se refuerzan con nervios para evitar el sobredimensionado. sobredimensionado. 2.1.3. 2.1.3.-- Union es po r engarce

Normalmente deben cumplir una serie de requisitos tales como: Los esfuerzos no deben ser permanentes, Deben ser fáciles de realizar Existen tres formas básicas: Corchetes Corchetes elásticos elásticos . Uniones cilíndricas y uniones de rótula. son corchetes elásticos con resortes a flexión que engarzan en el elemento opuesto. Uniones cilíndricas. cilíndricas . Disponen de un reborde r eborde o engrosamiento. Uniones de rótula. rótula . Sirven de articulación para transmitir tr ansmitir movimiento.

UNIÓN POR ENGARCE

UNIÓN POR RÓTULA


Tema 1.17-10-


UNIONES CILÍNDRICAS

UNIÓN DESMONTABLE

UNIÓN NO DESMONTABLE

2.2. 2.2. Unión Unión por adhesivos Se puede definir adhesivo como aquélla sustancia que aplicada entre las superficies de dos materiales permite una unión resistente a su separación. Se denominan sustratos o adherentes a los materiales que se pueden unir por mediación del adhesivo. El conjunto de interacciones físicas y químicas que se produce en la interfase adhesivo/adherente se conoce con el nombre de adhesión Sustrato 1 adhesivo

ESQUEMA BÁSICO DE UNA UNIÓN ADHESIVA


Tema 1.17-11-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 2.2.1.- Modelos de adhesión.

Los mecanismos o modelos de adhesión tratan de explicar las causas por las que se produce la adhesión entre dos materiales. No existe un modelo de adhesión universal. En general cada unión adhesiva puede ser explicada considerando varios modelos de adhesión a la vez. Los modelos de adhesión más aceptados son: 2.2.1.1.- Modelo mecánico Es la teoría de adhesión más antigua. Se basa en el anclaje del adhesivo en los poros de la superficie de los sustratos para justificar la adhesión. La adhesión se ve favorecida mediante: El aumento de la superficie del sustrato debido a la creación de rugosidades La penetración del adhesivo en los poros del sustrato

DETALLE DE LA ADHESIÓN MECÁNICA SOBRE LAS IRREGULARIDADES DEL SUSTRATO

2.2.1.2.- Modelo eléctrico Esta teoría se aplica a uniones metal/adhesivo donde la diferente naturaleza de los materiales facilita la transferencia de electrones del metal al adhesivo. El resultado es la creación de una doble capa eléctrica en la interfase. La existencia de esta doble capa se observa cuando al realizar ensayos a elevada velocidad aparecen destellos eléctricos. Las fuerzas electrostáticas implicadas en la separación de la unión pueden ser el resultado más que la causa del incremento de la adhesión. 2.2.1.3.- Modelo de la difusión Esta teoría permite explicar la adhesión entre polímeros mediante la migración de cadenas poliméricas entre las superficies de dos polímeros en contacto. Es necesario que los polímeros sean miscibles, solubles entre sí. Deberán tener parámetros de solubilidad parecidos. Este modelo de adhesión demuestra: 1) la pobre adhesión entre las poliolefinas (polipropileno, (polipropileno, polietileno...) polietileno...) 2) La pobre miscibilidad de de las mayoría de los polímeros polímeros en agua debido debido al menor parámetro parámetro de solubilidad de los polímeros 3) Los polímeros polímeros con muy diferentes parámetros parámetros de solubilidad solubilidad no presentan adhesión adhesión


Tema 1.17-12-


4) La autoadhesión autoadhesión de plásticos mediante mediante soldadura soldadura por aplicación aplicación de calor calor o con disolventes Sin embargo, el modelo de adhesión presenta las siguientes limitaciones: 1) No considera la disipación disipación viscoelástica producida producida cuando se realiza un ensayo mecánico de de adhesión 2) Los efectos debid debidos os al tiempo de contacto contacto y peso molecular molecular de los polímeros pueden pueden explicarse explicarse también considerando considerando variaciones en la cinética del proceso de mojabilidad de los sustratos 2.2.1.4.-Modelo de la adsorción termodinámica (mojado superficial) Este modelo establece que para que se produzca una buena adhesión deberá de haber múltiples zonas de contacto entre el adhesivo y la superficie del sustrato. La adhesión será tanto mejor cuanto mayor sea la mojabilidad del adhesivo. adhesivo. Este modelo es aplicable a cualquier proceso de adhesión. La adhesión implica la formación de fuerzas intermoleculares en la interfase adhesivo/sustrato. Dichas fuerzas son enlaces secundarios, enlaces físicos tales como fuerzas de Van der Waals y enlaces de hidrógeno. Se trata de fuerzas secundarias pero que pueden resultar en una adhesión muy fuerte si se produce un elevado número de enlaces. Así pues, la adhesión se produce cuando el adhesivo moja al sustrato. La mojabilidad se cuantifica mediante la medición de los ángulos de contacto ( θ) de diversos líquidos patrón sobre la superficie del sustrato. A partir de los valores de ángulo de contacto se puede calcular la energía de superficie (WA) del sustrato: WA=Y1(1+cosθ) Donde Y1 es la tensión superficial del líquido. La mojabilidad óptima se consigue cuando el ángulo de contacto( θ) es bajo. Además se produce una adecuada adhesión intrínseca cuando W A del sustrato es mayor que la energía superficial del adhesivo. Por otra parte, es recomendable recomendable que ambas energías superficiales sean del mismo orden de magnitud.

M AL MOJ ADO

BUEN MOJ ADO

2.2.1.5.- Modelo del enlace químico Este modelo se basa en la creación de enlaces primarios entre el adhesivo y el sustrato. Esto se logra: 1)

mediante tratamientos superficiales del sustrato

2)

mediante el empleo de adhesivos reactivos (por ejemplo epoxi o cianoacrilato)


Tema 1.17-13-


Se pueden formar diferentes tipos de enlaces: 1)

Covalentes: por ejemplo, en la interfase entre elastómeros y adhesivos epoxi

2)

Iónicos: por ejemplo, la interacción de óxido de zinc con ácido poliacrílico

Hay dos sistemas reconocidos en la bibliografía cuya adhesión se justifica fundamentalmente mediante adhesión química: 1)

incorporación de complejos organometálicos: organometálicos: contienen un átomo metálico central (titanio, zirconio,

cobalto) rodeado de ligandos orgánicos: a) forman una monocapa monocapa sobre la superficie de de los sustratos b) suelen incrementar la durabilidad durabilidad de las uniones adhesivas 2)

Incorporación de primers. Se trata de compuestos que se adicionan a la superficie del sustrato para promover la unión con el adhesivo, para aumentar las fuerzas de adhesión . De los compuesto utilizados como primers, los silanos son los más utilizados. Responden a la fórmula X3Si(CH2)n X= grupo hidrolizable (reacciona con un grupo del adhesivo) Y= grupo organofuncional que reacciona con el sustrato N suele oscilar entre 1 y 3

Su estructura se corresponde con una cadena química que contiene un grupo polar y un grupo apolar en cada extremo. Estos compuestos generan uniones mediante enlaces covalentes, creándose un retículo que permite el anclaje de los adhesivos.

ESQUEMA DE UNA INTERFASE QUÍMICA ENTRE UN SUSTRATO SILÍCEO Y UN ADHESIVO MODIFICADO CON SILANOS

2.2.1.6.- Modelo de la capas débiles Este modelo permite explicar la carencia de adhesión en muchas uniones.La propagación de la fractura de la unión adhesiva no tiende a producirse en la zona interfacial, sino que tiende a dirigirse hacia zonas


Tema 1.17-14-


débiles de la superficie del sustrato o del adhesivo (“weak boundary layer”). Las capas débiles se producen por diversas cirscustancias: 1)

Contaminación Contaminación (burbujas de aire, aceite, polvo..) que no se ha eliminado de la superficie del sustrato

2)

Sustancias de bajo peso molecular o aditivos aditivos que migran a la interfase una vez que que se forma forma la unión. unión. Es el caso de la migración de antioxidantes (ceras) a la superficie de los cauchos o plastificantes en el PVC.

3)

Reacciones entre el sustrato sustrato y el adhesivo una vez que que se ha ha producido producido la unión adhesiva. Se puede puede producir la creación de nuevas estructuras cuyas propiedades sean diferentes a las de la interfase. Por ejemplo en la unión de aluminio con polietileno, fibra de carbono con matriz epoxi, caucho SBR y aluminio

4)

Excesivo o inadecuado tratamiento superficial: Una abrasión excesiva puede producir un debilitamiento mecánico del material que puede favorecer el fallo. Una halogenación excesiva de los cauchos provoca un deterioro de la superficie tratada que genera un “endurecimiento” de la superficie en contacto con la interfase.

2.2.2. 2.2.2.-- Ventajas Ventajas y L imi tacion es de las unio nes adhesivas

2.2.2.1.- Las uniones por adhesivos presentan una serie de ventajas ventajas con respecto a otros métodos de ensamblado: 1.

Permite la unión de materiales de diferente naturaleza, forma y/o espesor

2.

Se obtiene una mejor distribución de tensiones. Se eliminan las puntas de tensión que aparecen en otros métodos de unión como los taladros roscados o la soldadura por resistencia o por puntos

3.

No se produce distorsión del sustrato. No se produce produce deformación ya que no se alcanzan elevadas temperaturas

4.

Su utilización es normalmente mucho más barata.

5.

Uniones selladas. Los adhesivos actúan también como selladores

6.

Eliminación de los problemas de corrosión. Los adhesivos permiten la unión de materiales con diferentes propiedades electroquímicas

7.

Aspecto mejorado. Las uniones adhesivas son más lisas mejorando la estética del conjunto.

8.

Uniones híbridas. Los adhesivos pueden ser combinados combinados con otros métodos de unión mecánico mejorando el rendimiento global de la junta.


Tema 1.17-15-


2.2.2.2.- Como Como desventajas desventajas de los adhesivos se pueden destacar: 1.

En muchos casos es necesario realizar una preparación superficial que puede ser larga y costosa

2.

Se puede generalizar diciendo que prácticamente todos los adhesivos están dirigidos al fracaso cuando se aplican tensiones de pelado, o impacto principalmente.

3.

Las uniones adhesivas pueden ser difíciles de desmontar

4.

Los adhesivos tienen limitadas sus condiciones de servicio en función de la temperatura. Esto es lógico ya que están formados por materiales orgánicos en los que la degradación tiene lugar aproximadamente a 250ºC.

5.

Determinación de la durabilidad de las uniones adhesivas: Existen ensayos normalizados para comprobar la durabilidad de las uniones adhesivas. Esto nos permite comparar entre sí diferentes adhesivos, de modo que con una información técnica adecuada podemos decidir, a priori, qué adhesivo soportará mejor las condiciones de trabajo de nuestra aplicación

2.2.3.- Modos de fallo

En una unión adhesiva se contemplan dos tipos de fuerzas: la adhesión y la cohesión. La adhesión es el conjunto de fuerzas que se generan entre el adhesivo y la superficie del sustrato. La cohesión corresponde a las fuerzas que se generan dentro de la masa del adhesivo y que se producen cuando cura. La adhesión generada entre dos sustratos se puede evaluar mediante la realización de ensayos de rotura. El fallo de la unión adhesiva puede ocurrir de tres modos: -

rotura cohesiva: la rotura se produce en el seno del adhesivo

-

rotura adhesiva: la rotura se produce en la interfase adhesivo-sustrato

-

rotura del sustrato: El sustrato rompe antes que el adhesivo o la interfase

F ALL O COHESIVO

F ALL O ADHESIVO

F ALL O COHESIVO 50%


F ALL O DEL SUSTRATO

Tema 1.17-16-


2.2.4.- Aspectos a considerar en la formación de una unión adhesiva

1. Selección del del adhesivo más adecuado adecuado al sustrato y a la aplicación aplicación deseada. deseada. 2. Diseño correcto de la unión adhesiva 3. Limpieza y preparación preparación adecuada de los los sustratos sustratos 4. Obtención de un un buen buen contacto interfacial adhesivo/sustrato 5. Control del curado del adhesivo 6. Determinación de la durabilidad de la unión unión 2.2.4.1.- Selección del adhesivo más adecuado al sustrato y a la aplicación deseada A la hora de seleccionar un adhesivo para una aplicación concreta se deben tener en cuenta los siguientes factores: 1.- Capacidad de adhesión inherente al sustrato 2.- Condiciones de uso de la unión adhesiva a)

Esfuerzos (tracción, cizalla, fatiga, impacto, pelado etc): cada adhesivo presenta unas características mecánicas que lo hacen adecuado frente a determinados esfuerzos e inadecuado para otros

b)

Factores químicos: Externos: disolventes, ácidos... Internos: migraciones en el seno del sustrato de sustancias internas (plastificantes) o reacciones entre adhesivo y sustrato

3.- Entorno de trabajo de la unión adhesiva: condiciones medioambientales, medioambientales, rango de T, etc. 4.- Requisitos especiales: cuando el adhesivo cumple funciones adicionales que difieren de la propiamente adhesiva. Sellado, aislamiento/conducción aislamiento/conducción térmica y eléctrica, prevención de corrosión, rellenado etc 5.- Restricción de producción: en función f unción del proceso productivo donde t de manipulación, t de curado,dosificación del adhesivo, almacenamiento, son importantes a la hora de elegir el adhesivo adecuado 2.2.4.2.- Diseño correcto de la unión adhesiva.

La filosofía de una unión mecánica o soldada no es extrapolable a una unión adhesiva. Deben ser considerados los aspectos particulares involucrados en esta última EJEMPLOS DE DISEÑO DE UNIONES ADHESIVAS

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONAL ES DE SOLDADURASOLDADURA -

Tema 1.17-17-


2.2.4.3.- Limpieza y preparación adecuada del sustrato La adhesión es un fenómeno de interfase y precisa de un contacto entre adhesivo y sustrato, sin interferencias provocadas por agentes extraños o propios del sustrato y que impidan tal contacto. 2.2.4.4.- Obtención de un buen contacto interfacial adhesivo/sustrato El mojado o contacto interfacial entre el adhesivo y el sustrato es una característica que depende de la relación entre la tensión superficial del adhesivo y la energía superficial del sustrato La tensión superficial del adhesivo deberá ser inferior a la energía superficial del sustrato 2.2.4.5.- Creación de las fuerzas de adhesión intrínsecas a la unión Para que se produzca la adhesión entre el adhesivo y el sustrato se deben desarrollar fuerzas en la interfase. Se deben de crear interacciones físicas o químicas. Una alta adhesión no requiere de la generación de enlaces químicos en la interfase. Los puentes de hidrógeno o las fuerzas de Van de Waals generan múltiples puntos de unión en la interfase. Si la fuerzas de adhesión no son suficientemente elevadas se pueden incrementar mediante: -

realización de un tratamiento superficial específico

-

adición de promotores de la adhesión al adhesivo

2.2.4.6.- Control del curado del adhesivo El curado de un adhesivo viene determinado por su naturaleza. Así el curado de un adhesivo se produce: -

mediante reacciones químicas en el seno del adhesivo por calor, agentes de curado, radiación UV,... Son los llamados adhesivos reactivos

-

Enfriamiento de un líquido: Adhesivos termofusibles o Hot Melt

-

Secado por evaporación de disolvente: adhesivos en disolución

-

Presión: adhesivos sensibles a la presión (PSA-pressure sensintive adhesives)

2.2.4.7.- Determinación de la durabilidad de la unión Existen ensayos normalizados para comprobar la durabilidad de las uniones adhesivas. Esto nos permiite comparar entre sí diferentes adhesivos, de modo que con una información técnica adecuada podemos decidir, a priori, qué adhesivo soportará mejor las condiciones de trabajo de nuestra aplicación. 2.2.5. Clasificación de los adhesivos

La gran variedad de bases químicas de los adhesivos y la diversidad de sustratos dificulta la realización de una clasificación de los adhesivos. Una de las clasificaciones más empleadas se basa en el mecanismo de formación de una unión adhesiva. De esta forma, se pueden distinguir dos grandes grupos: los -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.17-18-


adhesivos prepolimerizados, aquéllos cuyo polímero ya existe antes de ser aplicado sobre el sustrato, y los adhesivos reactivos, reactivos, aquéllos cuyo polímero se forma una vez aplicado sobre la superficie.

CLASIFICACION DE LOS ADHESIVOS ADHESIVOS PREPOLIMERIZADOS Adhes Ad hesiv ivos os en fase f ase líqu l íquid ida a

ADHESIVOS REACTIVOS Adhes Ad hesiv ivos os rígid ríg idos os y tenac t enaces es

Soluciones acuosas

Anaeróbicos

Soluciones orgánicas

Acrílicos

Emulsiones

Cianoacrilatos epoxis

Adhes Ad hesiv ivos os en fase f ase sól s ólid ida a

Adhes Ad hesiv ivos os fl exibl exi bles es

Adhesivos sensibles a la presión (PSA)

Siliconas

Adhesivos termofusibles o Hot Melt

Poliuretanos Silanos modificados

2.2.5.1.- Adhesivos prepolimerizados prepolimerizados -

En fase líquida: soluciones acuosas de origen natural (cementos, caseína, celulosa...), soluciones acuosas de origen sintético (polialcohol vinílico-PVA-, polivinil pirrolidona-PVP-, polietilenglicol-PEG, soluciones orgánicas (caucho, elastómeros termoplásticos...), emulsiones (PVC, polietileno, poliacetato de vinilo)...

-

En fase sólida: Adhesivos sensibles a la presión (adhesivos que bajo presión se deforman y mojan la superficie), adhesivos termofusibles o Hot melt (humectan los sustratos cuando se calientan por encima de la temperatura de reblandecimiento del termoplástico y al enfriar adquieren la consistencia de un plástico (polietileno, EVA, poliamidas, poliésteres)

2.2.5.2.- Adhesivos reactivos Este tipo de adhesivos polimerizan durante la unión adhesiva, es decir, cuando se hallan entre los sustratos que se pretenden ensamblar. Se trata de fluidos más o menos viscosos constituidos básicamente por monómeros y/u oligómeros. De su polimerización resulta el adhesivo curado. Este tipo de adhesivos presenta las siguientes particularidades:


Tema 1.17-19-


-

La profundidad de curado depende del grado de iniciación de la reacción de polimerización. En general, los adhesivos monocomponentes que curan mediante diversos sistemas de iniciación superficial (presencia de iones metálicos, presencia de humedad sobre las piezas, humedad ambiental, uso de activadores,etc) presentan profundidades de curado limitadas. Sin embargo, los sistemas bicomponentes (que inician la polimerización en todo su volumen) permiten profundidades de curado ilimitadas.

-

El adhesivo pasa de estado líquido a sólido sin pérdida de masa

-

Son adhesivos sin disolvente por lo que no presentan problemas de emisión de agentes inflamables, tóxicos o dañinos para el medio ambiente

Dentro de la familia de adhesivos reactivos podemos mencionar: 2.2.5.2.1.- Adhesivos rígidos y tenaces Los adhesivos rígidos se emplean generalmente en aplicaciones estructurales. Presentan un alto rendimiento frente a esfuerzos estáticos a cortadura, compresión y tracción (los anaeróbicos no resisten esfuerzos importantes a tracción). Son, sin embargo, muy sensibles frente a esfuerzos de pelado y cargas dinámicas, a no ser que los adherentes sean capaces de absorber o minimizar los efectos negativos de estas solicitaciones. Dentro de este grupo se encuentran los adhesivos anaeróbicos, cianoacrilato y epoxi. Una variación en el monómero de partida o la adición de diferentes aditivos modifica de forma importante el rendimiento mecánico y térmico de los adhesivos convirtiéndolos en adhesivos tenaces. Los adhesivos tenaces se emplean en estructuras sometidas a esfuerzos dinámicos. Presentan un alto rendimiento frente a esfuerzos estáticos y dinámicos, a cortadura, compresión y tracción. Responden mejor que los adhesivos rígidos frente a esfuerzos de pelado. A este grupo pertenecen los adhesivos acrílicos y los rígidos modificados. a) Adhesivos anaeróbicos: estos adhesivos, basados en monómeros de diacrilato y dimetacrilato, presentan la particularidad de curar en ausencia de oxigeno cuando se ponen en contacto con la superficie de un metal de transición. Cuando la superficie del metal es pasiva, se puede suplir la ausencia de iones activos mediante el empleo de activadores que desencadenen la reacción de polimerización. Como ventajas de estos adhesivos se pueden destacar: -

presentan muy buena resistencia a cortadura

-

buena resistencia a la temperatura (de –55ºC a 230ºC)

-

curado rápido

-

no se precisa acabado superficial excepcional

-

efecto sellador con excelente resistencia química


Tema 1.17-20-


-

buena resistencia a vibraciones

-

buena resistencia a cargas dinámicas

-

adecuados para sustratos metálicos

Como desventajas se pueden citar: -

Según las formulaciones presentan resistencias a tracción, pelado y desgarro pobres

-

necesitan activadores sobre sustratos pasivos o no metálicos

Entre las aplicaciones de estos adhesivos podemos podemos citar: -

fijación de roscas

-

retención de piezas cilíndricas

-

sellado de bridas

-

sellado de zonas roscadas

-

acoplamiento de bridas

b) Adhesivos acrílicos: estos adhesivos, basados en monómeros monofuncionales monofuncionales como el metacrilato de metilo, generalmente se presentan en dos componentes. componentes. La parte A contiene la resina r esina y la parte B contiene el iniciador (peróxidos). También contienen un reductor y colorante para diferenciar la parte A de la B. Estos adhesivos no necesitan de una mezcla homogénea entre resina y activador. Una vez generados los “”centros activos” la propagación del polímero se produce en el seno del adhesivo. Los adhesivos acrílicos presentan como ventajas: -

gran estructuralidad

-

elevada tenacidad con elongaciones a rotura importantes

-

excelente durabilidad frente a agentes medioambientales medioambientales

-

excelente resistencia a la fatiga

-

tiempos de manipulación cortos

-

resistencia a temperaturas de 120ºC-150ºC según sustratos

-

preparación superficial mínima o innecesaria para metales y plásticos

-

tolerancia en la proporción de mezcla.


Tema 1.17-21-


Como desventajas: -

pobre adhesión sobre elastómeros

-

olor característico a ácido acrílico

-

sistemas de mezclado en proporciones diferentes

-

puntos de inflamación bajos (el adhesivo sin curar puede presentar temperaturas de ignición ligeramente inferiores a la ambiental).

Gracias al alto rendimiento frente a cargas dinámicas y a temperaturas moderadamente altas de estos adhesivos sus aplicaciones son muy diversas. Entre ellas se pueden citar: adhesión de ferritas a carcasas de motores eléctricos, adhesión de zapatas de frenos a coronas, paneles de calefacción solar, adhesión estructural en aviones y embarcaciones, adhesión entre madera y vidrio, fabricación de aparatos médicos desechables. c) Cianoacrilatos: Estos adhesivos están basados en monómeros de cianoacrilato de etilo, metilo, propilo,.... Además contienen estabilizadores, espesantes, colorantes... . Para acelerar el curado de estos adhesivos se utilizan activadores basados en aminas primarias, secundarias o terciarias. Estos activadores se suelen aplicar en la superficie de los sustratos antes de aplicar el adhesivo. El curado de estos adhesivos se realiza mediante la humedad presente en la superficie de los sustratos que proporciona grupos hidroxilo que servirán como iniciadores de la polimerización. Cuando se trata de una película delgada entre dos superficies, el adhesivo cura muy rápido. Cuanto más fina es la película más rápido se produce la polimerización y, por lo tanto, el curado. Los adhesivos de cianoacrilato presentan como ventajas: -

adhesivos monocomponentes monocomponentes de fácil aplicación

-

forman adhesiones fuertes rápidamente

-

se necesita muy poca cantidad de adhesivo

-

si se evita el exceso de adhesivo forman uniones virtualmente invisibles

-

buena resistencia química a la mayoria de los disolventes.

Como desventajas: -

capacidad de relleno de holgura limitada (normalmente 0,2 mm) excepto los cianoacrilatos de curado UV

-

resistencia pobre al impacto (a no ser que el propio material absorba su efecto)

-

pobre durabilidad en ambientes húmedos


Tema 1.17-22-


-

baja resistencia a esfuerzos de pelado

-

temperatura máxima de exposición 80ºC, presentan un fenómeno denominado “blooming” o empañamiento causado por la volatilidad del monómero (con un exceso de adhesivo se produce una nube blanca como consecuencia de la evaporación del monómero).

Las aplicaciones típicas de los cianoacrilatos son: fabricación de desechables médicos, industria cosmética, suturas médicas, automoción, electrónica y electricidad. d) epoxis: epoxis: Estos adhesivos están basados en monómeros en base a epoxi ( bisfenol A que al reaccionar con la epiclorhidrina genera un líquido de peso molecular moderado compuesto por moléculas lineales terminadas en grupos epoxi) que al reaccionar con agentes de curado como aminas, mercaptanos, imidazoles, etc generan uniones altamente estructurales. Se presentan en uno o dos componentes. Los primeros curan por acción de la humedad mientras que los segundos lo hacen por la acción del calor. Estos adhesivos presentan como ventajas: -

adhieren casi todos los sustratos

-

alta resistencia a cizalla y tracción

-

gran capacidad de relleno de holguras

-

adhesivos muy rígidos

-

buena resistencia química

-

resistencia a temperaturas de hasta 180ºC (algunas formulaciones hasta 250ºC).

Como desventajas: -

presentan problemas de absorción y difusión de la humedad en su seno

-

problemas de tiempo de curado

-

vida de mezcla y necesidad de temperaturas para conseguir un alto grado de reticulación

Entre las aplicaciones más comunes de estos adhesivos: adhesivos estructurales para la industria aeronáutica, fabricación de materiales compuestos, electrónica... 2.2.5.2.2.- Adhesivos flexibles Dentro de este grupo se encuentran los adhesivos elásticos con resistencia a cizalla y tracción generalmente superiores mientras que los selladores elásticos son normalmente materiales de bajo módulo -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.17-23-


que se emplean como barrera frente al paso de líquidos, vapores, gases o sólidos. Los sistemas flexibles se pueden encontrar básicamente en dos formatos: monocomponente o RTV-1 donde el adhesivo reacciona con la humedad ambiental. El curado comienza en la capa más exterior y continúa hacia el interior del cordón aplicado. Conforme se produce la polimerización el caucho se vuelve cada vez más impermeable a la humedad, dificultando la polimerización de las capas interiores. Esto limita la capacidad de relleno de holguras, que se halla entre los 6 y los 12mm. En los sistemas bi-componente o RTV-2, el adhesivo reacciona con el segundo componente. Los tiempos de curado son muy inferiores a los de sus homólogos monocomponentes. e) Siliconas: Estos adhesivos contienen como componentes principales: polímeros de silicona, agentes de entrecruzamiento, catalizadores, antioxidantes, cargas, colorantes... . La polimerización de las siliconas da lugar a subproductos de reacción que por lo general son volátiles. Usualmente las siliconas se clasifican de acuerdo con el subproducto que liberan durante el proceso de curado: -

Acéticas: cuando liberan ácido acético (olor característico a vinagre). Generan problemas de corrosión sobre ciertos sustratos metálicos como el cobre

-

Alcoxi: liberan alcoholes de diferente peso molecular generalmente metanol

-

Amínicas: liberan aminas

-

Oxímicas: formulaciones especiales que liberan oximas, pero con la particularidad de que este subproducto de reacción es neutralizado nuevamente en la reacción de polimerización. Por este motivo también se denomina denominan n siliconas neutras.

Existen además siliconas que curan bajo radiación UV, mediante el uso de fotoiniciadores en la composición. Las siliconas presentan como ventajas: -

buena adhesividad y sellado sobre una amplia variedad de sustratos

-

permanecen flexibles entre –55ºC y 250ºC aunque hay formulaciones que aguantan hasta 350ºC en picos

-

resistentes a la humedad, al ozono y a la radiación UV

-

propiedades dieléctrcias destacadas.


no son pintables

-

las siliconas acéticas producen un olor penetrante

-

baja resistencia a aceites calientes, combustibles y productos clorados.


Tema 1.17-24-


Las siliconas se emplean en muy diversas aplicaciones, como adhesivos y selladores en la construcción, en electrónica, en electrodométicos... electrodométicos... f) Poliuretanos: Son polímeros basados basados en la química del isocianato. A menudo la denominación “poliuretano” es incorrecta, ya que sólo una pequeña fracción de los enlaces son verdaderos grupos uretano. Son el resultado de la reacción de un isocianato con agua, o con un poliol o una amina en el caso de los poliuretanos bicomponentes. bicomponentes. Los poliuretanos monocomponentes contienen los siguientes componentes: prepolímero en base a polioles, cargas, plastificantes, agentes de entrecruzamiento (isocianatos-MDI,TDI-), catalizadores Los poliuretanos bicomponentes contienen los siguientes componentes en su formulación: Parte A: prepolímero en base a polioles, cargas, plastificantes y catalizadores Parte B: Agentes de entrecruzamiento (MDI, TDI) y pigmentos Los poliuretanos monocomponentes reaccionan con la humedad atmosférica para generar un caucho elastómero. Al igual que en el caso de las siliconas la polimerización ocurre desde el exterior hacia el interior del cordón. Por el contrario, los poliuretanos bicomponentes polimerizan como resultado de la reacción de los isocianatos con los correspondientes polioles o aminas en toda la masa de la junta adhesiva. Esto elimina las limitaciones de holgura de curado y permite velocidades de curado muy superiores. Los poliuretanos presentan como ventajas: -

sellan un amplio rango de sustratos

-

permanecen flexibles entre –40ºC y 80ºC

-

buena resistencia a productos químicos

-

adhesivos pintables

-

amortiguación de ruidos

-

vibraciones, etc


pobre resistencia a la radicación UV

-

necesidad de imprimaciones para realizar uniones estructurales

-

problemas de seguridad e higiene relacionados con los isocianatos cuando se aplica calor sobre el adhesivo sin polimerizar (no obstante, los poliuretanos una vez curados contienen cantidades extremadamente extremadamente bajas de isocianato sin curar)

Entre las aplicaciones de estos adhesivos se pueden citar: construcción y reparación, transporte y automoción, electromecánica, electromecánica, ingeniería mecánica y montaje de máquinas... -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.17-25-


g) Silanos modificados: Su uso como selladores y adhesivos elásticos ha crecido de forma exponencial exponencial en los últimos años. En su composición presentan: polímeros de silano modificado (poliéteres terminados en grupos siloxano), cargas y pigmentos, plastificantes catalizadores, promotores de adhesión, antioxidantes, absorbentes de luz UV...La reacción de polimerización de estos adhesivos sucede a través de los grupos soloxano finales que reaccionan con la humedad ambiental o la adición de un segundo componente. El mecanismo de curado con la humedad se produce desde fuera hacia dentro del cordón como ocurre en las siliconas y poliuretanos. Entre las ventajas de estos adhesivos: -

buena adhesividad y sellado sobre una amplia variedad de sustratos

-

bajas viscosidades antes del curado que facilita su dosificación

-

buena capacidad de relleno de holguras y buen sellado

-

permanecen flexibles entre –40ºC y 100ºC

-

buena resistencia a los productos químicos

-

buena resistencia a la radiación UV

-

adhesivo pintable

Entre las desventajas cabe citar el hecho de que inhiben el curado de los poliuretanos ya que generan metanol durante el curado. Entre sus aplicaciones: transporte y automoción; industria de la construcción, sellado de paneles de cemento, aluminio, construcción de puertas y ventanas... 2.2.6. 2.2.6.-- Preparación Preparación s uperfi cial de lo s materiales a unir

La adhesión es un fenómeno de superficie. El espesor dentro del cual tienen lugar las interacciones entre adhesivo y sustrato (interfase adhesiva) tiene una magnitud del orden de las distancias intemoleculares. Por lo tanto, cualquier capa exterior de composición o estructura diferente de la del seno del sustrato va a afectar en la calidad de cualquier adhesión. Por ello, es necesario que las superficies a adherir se hallen exentas de cualquier agente extraño (polvo, aceites, suciedad...). Para ello se realizan sobre los sustratos diferentes y adecuados tratamientos superficiales. Los tratamientos no son siempre necesarios pero su aplicación permite optimizar la adhesión y, cuando menos, reproducir las características de la adhesión en grandes cadenas productivas preservando los niveles de calidad diseñados. Mediante un tratamiento superficial se persiguen los siguientes objetivos: -

Desarrollar la fuerza y durabilidad de la adhesión, optimizando el contacto intermolecular entre adhesivo (y/o imprimación) y sustrato dentro de los que se encuentran los sustratos de baja energía superficial y los de alta energía superficial.

-

Generar una topografía superficial que multiplique la superficie real de la interfase


Tema 1.17-26-


-

Facilitar la reproducibilidad de los resultados

-

Evitar la formación de capas de débil cohesión. Producidas, por ejemplo, por la migración de plastificantes del seno de los plásticos a la superficie

Estos objetivos se logran mediante diferentes técnicas basadas en la eliminación de los contaminantes superficiales, por métodos mecánicos o químicos o en la modificación física o química de la superficie, para lograr rugosidades adecuadas para la adhesión o para modificar la estructura de enlaces de la superficie. En ocasiones el tratamiento superficial tiene como función facilitar la reticulación del adhesivo, actuando como un activador. Existe una enorme variedad de tratamientos superficiales que pueden ser empleados par adecuar cada superficie a un determinado proceso de adhesión. Los factores que deben considerarse a la hora de decidir la preparación superficial idónea prodrían resumirse entre los siguientes: -

Tamaño y forma geométrica de las superficies

-

Tipo de instrumentación disponible

-

Estabilidad de los materiales

-

Posibilidad de migraciones superficiales

Muchos polímeros no presentan problemas a la hora de ser unidos mediante adhesivos y la mayoría de los casos precisan únicamente de una limpieza superficial. Sin embargo, existen materiales poliméricos que presentan superficies de muy baja energía superficial que debe ser aumentada mediante la realización de tratamientos superficiales específicos. 2.2.6.1.- Descripción de los principales tratamientos 1.-

Limpieza superficial: consiste consiste en la eliminación eliminación de la contaminación contaminación superficial superficial de un sustrato, sin provocar alteraciones físicas o químicas del mismo. Existen tres procedimientos de limpieza con disolventes: 1.1.- Desengrase en fase vapor: la superficie del sustrato se pone en contacto contacto con vapor vapor caliente de un disolvente capaz de solubilizar aceites, grasa,etc. Se produce condensación del vapor sobre la superficie fria hasta que el peso de la gota hace que esta retorne al baño caliente


Tema 1.17-27-


1.2.- Tratamiento en baño con ultrasonidos: ultrasonidos: la pieza a tratar se introduce en un baño con disolvente en el que mediante la irradiación de ondas ultrasónicas se produce una agitación y cavitación que elimina las partículas más inaccesibles. La frecuencia de los ultrasonidos se halla en el rango 20000 a 50000 Hz.

1.3.- El frotado que consiste en el paso de un un paño con disolvente disolvente varias veces, la inmersión inmersión en baños de disolvente y el sprayado de disolvente que asegura que todo el disolvente que llega a la pieza esté limpio, son los métodos más simples y versátiles, pero a su vez, son más difíciles de controlar. 2.- Tratamientos abrasivos: son fundamentalmente lijados, cardados, chorro de arena, chorro de granalla, etc. El método de abrasión elegido y las variables experimentales dependerán del sustrato. Mediante este método se logra la eliminación de los contaminantes superficiales, superficiales, la creación cr eación de una superficie activa, el aumento del área de contacto con el adhesivo y se retarda la fractura mecánica de la unión adhesiva. Tras la realización de estos tratamientos es necesario proceder a la limpieza de la superficie de los sustratos tratados y llevar a cabo la adhesión antes de que aparezca la corrosión o contaminación. contaminación. 3.- Tratamientos químicos crean grupos polares en la superficie de los sustratos responsables de uniones de mayor durabilidad. Los tratamientos químicos más usuales son: Acido crómico


Tema 1.17-28-


(empleado para el PE), disoluciones de sodio (para plásticos y poliolefinas fluoradas, ciclación con ácido sulfúrico y halogenación (para cauchos). Existen otros tipos de tratamientos químicos (los decapantes) que no modifican químicamente la superficie pero que eliminan las capas débiles (por ejemplo de óxido). Se emplean habitualmente en metales. 4.- Primers o imprimaciones: Son sustancias que se emplean como intermedio entre el adhesivo y el sustrato. Tienen muy diversas funciones. En superficies de alta energía superficial se emplean para incrementar la resistencia de las uniones adhesivas a la fatiga, la temperatura y la humedad. Los efectos que producen son: -

protección de la superficie del sustrato

-

mejora de la interacción entre el adhesivo y el sustrato

-

incremento de la mojabilidad de los adhesivos más viscosos

-

posibilidad de unión de sustratos difíciles de unir

-

creación de una capa de mayor energía superficial

-

protegiendo la superficie contra los fatores externos

Existen ciertas imprimaciones que se emplean en el caso de sustratos de materiales de baja energía superficial y, por lo tanto, difíciles de unir por su baja apolaridad como las poliolefinas poliolefinas o el teflón. 5.- Tratamientos de de llama: Se basan basan en la oxidación superficial superficial debida a una reacción que se inicia inicia por radicales libres creados a elevadas temperaturas (2000ºC). Este método se aplica fundamentalmente para las poliolefinas y se basa en pasar la superficie del sustrato por varios quemadores y durante menos de 1 segundo

6.- Descarga corona: corona: Muy utilizado con sustratos plásticos plásticos ya que aumenta la la energía superficial del polímero por creación de grupos carbonilo. El sustrato se hace pasar bajo un electrodo metálico al que se le hace llegar un alto voltaje que ioniza el gas.


Tema 1.17-29-


2.2.6.2.- Sólidos de baja energía superficial y su tratamiento superficial Algunos de los sólidos de baja energía superficial y sus tratamientos superficiales se presentan a continuación: 1.- polímeros fluorados (PTFE, PCTFE, FEP, fluoruro de polivinilo y floruro de polivinilideno) que presentan unas características de baja adhesividad muy marcada. En consecuencia, es absolutamente necesario preparar superficialmente estos polímeros para poder emplearlos como sustratos en adhesiones. Los tratamientos posibles son los siguientes: 1) Abrasión: mejora la adhesión pero aún no es efectiva 2) Tratamiento de “marcado” (etching): se aplican disoluciones de sodio en THF o amoníaco líquido que crean una serie de instauraciones sobre el polímero y una capa de carbono 3) imprimaciones 2.- Poliolefinas: A este grupo de polímeros pertenecen el polietileno, PE, de alta y baja densidad y el polipropileno, polipropileno, PP. Los tratamientos comúnmente utilizados para estos materiales son: 1) Limpieza con disolventes: cloroformo para PE de alta densidad y PP 2) Tratamiento de llama: para el PE de baja densidad 3) Tratamiento químico: el más habitual se realiza con ácido crómico que crea instauraciones y grupos carbonilo (C=O) sobre la superficie del polímero 4) Imprimaciones 3.- Cauchos: Estos materiales presentan dificultades dificultades para ser unidos una vez vulcanizados. La utilización de imprimaciones es muy típica para estos materiales. Los tratamientos superficiales empleados suelen ser: 1) Abrasión mecánica 2) Halogenación 3) Ciclación -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.17-30-


4.- Siliconas y cauchos termoplásticos: Las siliconas y los cauchos termoplásticos presentan asimismo problemas de adhesión. Para estos materiales se pueden emplear los siguientes tratamientos: 1) Plasma 2) Descarga corona 3) Abrasión 4) Tratamiento con ácido crómico 5) Tratamiento con llama 6) Limpieza con disolventes 7) Imprimaciones empleada empleadass conjuntamente conjuntamente con cianoacrilatos 2.2.7. 2.2.7.-- Contro l de calidad

El nivel de calidad de la unión variará de industria a industria y dependerá de “cuánto” de crítica sea esa unión para una aplicación determinada. Una vez conformada la unión adhesiva es difícil realizar un control de calidad de la misma. Su inspección se limita a la comprobación de las dimensiones del producto y si efectivamente las piezas están unidas. A partir de aquí se requiere de técnicas de inspección no destructiva (END) cuya finalidad es detectar defectos en la unión, determinar las propiedades del adhesivo y asegurar el rendimiento de la unión adhesiva La inspección debe llevarse a cabo por dos métodos: destructivos y no destructivos. Un plan a seguir en los procesos de control de calidad de las uniones por adhesivos puede ser el siguiente:


Tema 1.17-31-


Detalles de los adherentes

Adhesivos

Ensayos de aceptación

Ensayos de aceptación

Certificación del material

Certificación del material

Control de almacenamiento almacenamiento

Control de almacenam almacenamiento iento

Material certificado

Material certificado

Preparación superficial Control de equipo Control de proceso Control de inspección superficial Fabricación de la unión Control de equipo Control de proceso Probeta de ensayos Curado de la unión Control de proceso Probeta de ensayo Unión completa Inspección ENSAYOS DESTRUCTIVOS

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

2.2.8. 2.2.8.-- Método Método s de ensayo/ ensayos ensayos destr uct ivo s

Existen una gran variedad de métodos estándar para evaluar el comportamiento de las uniones adhesivas. Tales métodos permiten predecir la resistencia de las juntas adhesivas frente a diferentes tipos de esfuerzos o diferentes condiciones de envejecimiento. También existen normas sobre preparaciones superficiales para los distintos tipos de sustratos, nomenclatura y terminología, métodos de muestreo y presentación de resultados,etc La realización de ensayos destructivos sobre pobretas patrón permite: 1. Comparar de propiedades propiedades 2. Comparar la calidad de la unión 3. Comprobar la efectividad efectividad de las diferentes diferentes preparaciones preparaciones superficiales 4. Determinar los los parámetros más adecuados adecuados para para la realización realización de la unión. unión.


Tema 1.17-32-


Los ensayos mecánicos más extendidos de caracterización de uniones adhesivas son los siguientes: TRACCIÓN Las fuerzas son perpendiculares al plano de la junta, siendo éstas uniformemente distribuidas sobre el área total. Cuando esto sucede, la junta se encuentra bajo esfuerzo en el mismo momento y todo el adhesivo está trabajando al mismo tiempo. No hay parte de la junta o unión que esté sometida a mayor o menor parte de la carga.

CORTADURA El esfuerzo es paralelo al plano de la junta. El esfuerzo también se distribuye uniformemente sobre el área total de la junta y todo el adhesivo está trabajando al mismo tiempo Estos ensayos se caracterizan por una buena reproducibilidad de resultados. La principal diferencia entre la probeta de simple y doble solapamiento es que esta última tiene mayor resistencia al cleavage y al pelado.

PROBETA DE SIMPLE SOLAPAMIENTO

PROBETA DE DOBLE SOLAPAMIENTO

PELADO Se utiliza con adhesivos flexibles. Probablemente el ensayo más común de pelado es el ensayo en T. En este ensayo toda la carga aplicada es transmitida a través de la unión.

Para este tipo de ensayo es necesario un adherente flexible.


Tema 1.17-33-


2.2.9.- Métodos de ensayo/ Ensayos no destructivos

2.2.9.1.- Inspección visual La inspección visual se realiza con la ayuda de una luz potente. Se puede utilizar para detectar algunas grietas en el sustrato o en el adhesivo, despegues, delaminaciones, impactos, inclusión de elementos extraños, aparición de burbujas. Lo más difícil es detectar los defectos relacionados con un inadecuado curado o tratamiento superficial. 2.2.9.2.- Métodos ultrasónicos Estos se basan en la respuesta de la unión a energías de bajo poder ultrasónico (entre 2.25 y 10 Mhz). Entre los métodos ultrasónicos para la caracterización de uniones se pueden citar: -

Eco de un pulso de contacto: se emplea el mismo transductor para emitir y detectar la reflexión del pulso de ultrasonidos

-

Transmisión por contacto: el detector del pulso se coloca al lado opuesto del emisor del pulso de ultrasonidos

-

Método de inmersión: la unión se sumerge en un tanque de agua. El pulso se detecta por reflexión, por transmisión o empleando una placa reflectora

La mayor limitación de los métodos de ultrasonidos es la aparición de interferencias debidas al espesor del adhesivo o de los sustratos, y que pueden hacer creer al usuario que existen despegues donde no los hay. 2.2.9.3.- Radiografías Es un método caro pero permite realizar inspecciones en un solo barrido. Es capaz de detectar discontinuidades, discontinuidades, variaciones de densidad y variaciones de absorción de rayos-X en los materiales. 2.2.9.4.- Líquidos penetrantes Estos se utilizan para un examen local. Primeramente la superficie debe limpiarse y desengrasarse. Los líquidos penetrantes se aplican a la unión. Por acción capilar estos líquidos se van introduciendo en las zonas donde existen defectos. Aplicando un revelador se podrán distinguir los defectos 2.2.10 2.2.10..- Procedimi ento

Una vez realizados los ensayos correspondientes y optimizados los parámetros de unión se realizará el procedimiento correspondiente. correspondiente. Sería conveniente escribir un procedimiento aproximado en el que se recoja:


Tema 1.17-34-


2.3. Soldadura de materiales plásticos La soldadura de los materiales plásticos se limita únicamente a la soldadura de los materiales termoplásticos, es decir, a aquellos materiales que puedan derretirse ó ablandarse con el calor sin que experimenten degradación. Los plásticos termo-estables, que no se ablandan con el calor, no pueden soldarse, por lo que su única forma de unión es mediante adhesivos. Los plásticos termoplásticos tienen un rango de fusión muy pequeño entre la temperatura a la cual se reblandecen y la temperatura a la cual se queman o degradan. También son pobres conductores del calor , por lo que es difícil calentarlos de forma uniforme; debido a esto la superficie del plástico puede quemarse antes de que se reblandezca. El tiempo de degradación a la temperatura de soldeo es mmás corto que el requerido para completar el reblandecimiento reblandecimiento de la mayoría de los termoplásticos por soldadura o unión por fusión. Por lo tanto, el equipo para soldar plásticos deberá trabajar con un rango de temperatura mucho menor que el utilizado en la soldadura de metales. El rango de temperaturas que se emplea en los materiales termoplásticos es 250ºC-500ºC. Los procesos de soldeo pueden dividirse en dos grupos: 1. Procesos que involucran movimiento movimiento mecánico, por por ejemplo: con ultrasonidos, fricción (rotación...) (rotación...) y por vibración. 2. Procesos donde interviene el calor externo, por ejemplo por placa caliente, caliente, gas caliente, soldeo por injerto, etc.


Tema 1.17-35-


2.3.1.- Soldadura por ultrasonidos

El soldeo por ultrasonidos es un proceso que emplea vibraciones mecánicas a altas frecuencias para la unión, con una máquina llamada sonotrodo. Las partes a ensamblar se mantienen unidas bajo presión y entonces se someten a vibraciones ultrasónicas, normalmente entre 10 y 40 KHz en ángulos rectos con el área de contacto de forma que se transmitan vibraciones longitudinales a través del componente. Los esfuerzos alternantes producidos por la alta frecuencia dan lugar a calor en el material y, si los componentes están diseñados adecuadamente, adecuadamente, este calor puede ser generado selectivamente en la interfase de la junta. La generación de calor se produce por una combinación de fricción superficial e intermolecular. La posibilidad de poder soldar un componente con ultrasonidos dependerá del diseño del equipo de soldeo, de las propiedades físicas del material a ser soldado, el diseño de los componentes y los parámetros de soldeo. El equipo de soldeo consta de cinco componentes básicos: suministro eléctrico, convertidor, brazo de sobrealimentación, brazo y soporte del conjunto. La facilidad con que puede efectuarse el soldeo del material dependerá de su facilidad para transmitir vibraciones a altas frecuencias. Fuerza de soldadur a Energía eléctrica

Transductor

Sonotrodo Material a soldar

Dirección de vib raciones

Interfase Mesa de fijació n

EQUIPO DE SOLDEO POR ULTRASONIDOS

El calor generado por las acciones internas creadas en el material hace que el material plastifique localmente. Al aplicar una presión las dos partes quedan unidas permanentemente. Inconvenientes 1.

Procedimiento limitado por las piezas a soldar, principalmente debido al tamaño.

2.

Posibilidad limitada de soldar materiales de diferente naturaleza, excepción hecha para el P.S./B/A con ciertos tipos de poliestireno y de acrílico.


Tema 1.17-36-


Ventajas 1.

Soldaduras robustas sin introducir tensiones.

2.

Automatización posible, rapidez.

3.

Es muy adecuado particularmente para los plásticos rígidos con alto módulo de elasticidad así como para los materiales reforzados.

4.

Las uniones obtenidas por este procedimiento pueden admitir cargas elevadas y son impermeables a gases y líquidos

Normalmente los plásticos poseen un alto módulo elástico y poseen bajas pérdidas internas por vibración ultrasónica, por ello permiten la máxima transmisión de la energía a la junta. Un tema importante es el diseño de la junta, es necesario un ajuste holgado entre las partes a soldar. Este tipo de soldadura es perfectamente adecuado para una producción masiva, permite un alto nivel de automatización. Normalmente los tiempos de soldadura oscilan entre 0.5 y 1.5 seg. (suponiendo un equipo para realizar una determinada unión).

TIPOS DE JUNTAS


Tema 1.17-37-


Material Material pl ástico

Designación Campo cercano normalizada

Acrilonitrilo Butadieno Estireno

P-S, B/A

Polioximetileno

(*)

Campo lejano (**)

Excelente

Buena

P-OM

Buena

Buena

Acetato de celulosa

C-A

Regular

Regular

Polimetil metacrilato

P-MMA

Buena

Buena

Butirato de celulosa

C-AB

Buena-regular

Buena-regular

Poliamida

P-A

Buena

Buena

Buena

Buena

Fenoxi Policarbonato

P-C

Excelente

Excelente

Polietileno de baja densidad

P-E

Buena-regular

Regular

Polietileno de alta densidad

P-E

Buena

Buena-regular

Polipropileno

P-P

Media

Regular

Polipropileno – fibras de vidrio

P-P – FV

Buena

Media

Polisulfona

P-PSU

Buena

Buena

Poliestireno normal

P-S

Excelente

Excelente

Poliestireno alto impacto

P-S

Excelente

Excelente

Poliestireno – fibras de vidrio

P-S – FV

Buena

Buena

Estireno – acrilonitrilo

P-S / AN

Excelente

Excelente

Polióxido de fenileno

P-PO

Buena

Buena

Vinvlique rigide

Media

regular

Vinvlique souple

Regular

Regular

(*) Campo cercano: soldadura a 6mm de la fuente de ultrasonidos (**) Campo lejano: Soldadura que se puede efectuar hasta a 25 mm de la fuente POSIBILIDADES DE SOLDADURA POR ULTRASONIDOS DE LOS PRINCIPALES MATERIALES PLÁSTICOS

2.3.2.- Soldadura por fricción

El soldeo por fricción se descubrió en 1930. El principio básico es el mismo que para los metales, a diferencia de que los metales se unen sin ablandarse. El ablandamiento tiene lugar en la interfase de la junta en el caso de los plásticos. El movimiento puede ser rotativo, angular u orbital. El orbital posee la ventaja de que con él pueden soldarse componentes circulares. Los principales parámetros en el soldeo son la velocidad de rotación, la presión ejercida para la fricción, la presión de forjado y el tiempo empleado en la soldadura. En general las velocidades de rotación están dentro de la gama 1-20 rps. Las presiones de fricción 0.8-1.5 bars y los tiempos de soldeo en el rango r ango 1-20 seg. Se dice que las ventajas del soldeo a fricción son: la alta calidad de la soldadura y la simplicidad y reproducibilidad del proceso. En muchas aplicaciones se requiere una fase de acabado de la junta. La desventaja más notoria es que únicamente este tipo de soldadura es apropiada para aquellos casos en que


Tema 1.17-38-


uno de los componentes sea circular y no precise alineación angular. También estas soldaduras pueden efectuarse mediante un soldeo orbital, lo único que el proceso es mucho más complejo. El soldeo a fricción rotativa se ha empleado en componentes sólidos y huecos como por ejemplo flotadores, botellas aerosoles, tubos... Puesto que el calor depende de la velocidad superficial relativa en los componentes sólidos el máximo calor se genera en el borde externo. Una de las principales ventajas que se atribuyen el soldeo a fricción es la facultad de poder soldar por debajo de la superficie de un líquido, lo que permite sellar un contenedor con rapidez sin que exista atrapamiento de burbujas. La duración de la operación suele ser de 1 a 2 segundos en una máquina preparada para esto. Ventaja: soldadura rápida para las superficies de revolución, soldaduras robustas.

ESQUEMA PROCESO SOLDEO POR FRICCIÓN 2.3.3. 2.3.3.-- Soldadura por vi bració n

Al igual que el soldeo convencional a fricción rotatoria, el calor friccional se genera por el movimiento relativo entre las partes a soldar que se encuentran bajo presión. Una vez obtenido el material ablandado en la interfase de la junta, se detiene la vibración, se alinean las partes y se consolida la soldadura por el enfriamiento. El proceso resulta rápido (en el proceso se emplean de 1 a 5 segundos). La vibración es típicamente de 100-240 Hz con amplitud de 1-5 mm, mientras que las presiones son parecidas a las empleadas en el soldeo por rotación y en el ultrasónico (1-4 N/mm2). La ventaja principal del soldeo por vibración es la facultad de poder soldar grandes y complejas juntas lineales a altos rangos de producción. Como ventajas se incluyen: capacidad de soldar un número de componentess simultáneamente, posibilidad componente posibilidad de soldar todos los materiales termoplásticos.


Tema 1.17-39-


El soldeo por vibración puede aplicarse prácticamente a todos los materiales termoplásticos, tanto si son moldeados por inyección, por extrusión... Esta técnica es muy adecuada para nilon, polietileno, polipropileno, polipropileno, los cuales no se sueldan fácilmente con ultrasonidos ni con adhesivo a base de disolventes. A este tipo de soldadura también se le denomina soldadura lineal, vibran las partes bajo presión. En este proceso las partes a soldar son lacadas y puestas en contacto bajo presión. Las partes vibran en un plano de la intercara hasta que las superficies funden. Los principales parámetros de este proceso son: 1. Frecuencia de oscilación. 2. Amplitud. 3. Tiempo de soldadura. Normalmente la frecuencia suele ser de 120-240 Hz: amplitud 5 mm, tiempo 1-10 seg. Aplicación de soldadura soldadura por vibración La soldadura por vibración ha encontrado gran cantidad de aplicaciones. Las principales están en la industria de automoción y electrodomésticos. electrodomésticos. 2.3.4. 2.3.4.-- Soldadura p or chapa cali ente

Normalmente se suele utilizar una chapa plana caliente aunque existen herramientas mucho más complejas. En este proceso las superficies a unir son llevadas a temperatura de fusión por contacto directo de las mismas con una chapa metálica caliente. En general los principios básicos operativos de este procedimiento son los siguientes: se coloca una chapa o material caliente entre las superficies a unir hasta que el material comienza a ablandarse. Se retira la placa y se aplica una presión controlada hasta que las superficies se unen, todo dentro de un tiempo específico. Las superficies unidas se dejan enfriar hasta que se forma la junta que posee un mínimo del 90% de la resistencia del base. El elemento calentador está hecho de metal y dispone de unas resistencias eléctricas en su interior, aunque pueden emplearse otras fuentes de calor. El uso de sensores de temperatura nos permite llegar a la temperatura requerida. Para prevenir que la capa fundida se queda pegada a la chapa metálica, ésta se suele recubrir con una capa de PTFE. De cualquier forma la utilización de estos recubrimientos limita la aplicación de este proceso a temperaturas próximas a 260ºC. En algunos materiales, los films fundidos tienen tendencia a adherirse más a las superficies calientes que al propio film. De cualquier forma este proceso es difícil de controlar y un calentamiento no uniforme produce una soldadura de poca calidad. Este proceso normalmente se puede describir en forma de cuatro fases representadas esquemáticamente.


Tema 1.17-40-


Fase 1.- Las superficies se ponen en contacto con la chapa caliente. Se utiliza una determinada presión para asegurarnos este contacto. Esta presión se mantiene hasta que las partes comienzan a reblandecerse y fluyen lateralmente. Fase 2.- En esta fase se reduce la presión. Fase 3.- Una vez que tengamos suficiente espesor de capa fundida se separa la chapa metálica. Fase 4.- Las interfases fundidas son posteriormente puestas en contacto bajo presión. Durante esta cuarta fase el film fundido fluye lateralmente mientras se enfría. Los más conveniente es minimizar el tiempo de la fase 3 con el fin de evitar el enfriamiento rápido. rápido. Los parámetros de soldadura para este proceso son los siguientes: -

Alcance de la temperatura.

-

Presión y duración de la fase 1.

-

Presión fundida de la fase 2.

-

Cambio en función del tiempo.

-

Presión y duración de la fase 4.

Aunque se han realizado muchos intentos para comprender el proceso éste no está perfectamente definido.


Tema 1.17-41-


Los efectos de los distintos parámetros del proceso en la resistencia de la unión no están perfectamente cuantificados. Una cuantificación y compresión del proceso es importante por varias razones. 1.

No hay que llegar a fundir el material ya que éste se podría degradar.

2.

La velocidad de enfriamiento de la fase γ podría controlarse por el espesor inicial de la película, la temperatura inicial de la misma y la P de soldadura determina la velocidad de cristalización en polímeros semicristalinos.

El proceso de soldadura con chapa caliente tiene como ventajas importantes: 1.

Se pueden soldar distintas geometrías.

2.

Se puede controlar la temperatura, temperatura, esto es importante en materiales que degradan a temperatura un poco inferior a las requeridas para obtener el fundido.

3.

Distintos termoplásticos pueden soldarse.

Como desventaja de este proceso habría que indicar la lentitud que suele ser de 10-20 segundos para piezas pequeñas y de 30 minutos para tuberías de gran diámetro. Como ejemplos de partes soldadas con este proceso depósito de líquidos de frenos, baterías, productos médicos... tuberías de plásticos empleados para la distribución del gas y de agua. En caso de tuberías de gran diámetro (200 mm) éste es el único proceso posible. En la siguiente tabla tenemos algunas características e indicaciones para diferentes materiales plásticos.


Tema 1.17-42-


Material

Designación

Posibilidades

Comentarios

normalizada Acrilonitrilo butadieno estireno

P-S/B/A

Buena

Acrílico

P-MMA

Buena

Poliamida

P-A

posible

Soldadura más favorable con las piezas moldeadas

Policarbonato

P-C

Buena

Polietileno (baja densidad)

P-E

Posible

Polietileno (alta densidad)

P-E

Buena

Polipropileno

P-P

Excelente

Poliestireno

P-S

Posible

Politetrafluoretileno

P-TFE

Posible

Policloruro de vinilo (rigido)

P-VC

Excelente

Policloruro de vinilo (flexible)

P-VC

Excelente

Policloruro de vinilo (plastificado)

P-VC

Excelente

Polióxido de fenileno

P-PO

Buena

Poliacetal

P-OM

Buena

Polibutilen tereftalato

P-BTP

Buena

POSIBILIDADES DE SOLDADURA POR CHAPA CALIENTE DE LOS PRINCIPALES MATERIALES PLASTICOS

2.3.5. 2.3.5.-- Soldadura po r gas caliente

La soldadura por gas caliente de termoplásticos, es similar a la técnica de soldadura con llama utilizada para metales. A menudo el gas utilizado es aire. Esta técnica es también conocida como soldadura con aire caliente. El proceso exige la fusión (reblandecimiento) de los bordes a unir por la acción envuelve fusión del área soldada mediante una fluidez de gas caliente desde una antorcha manual. La varilla de aporte no funde por el chorro de gas, pero es suficiente para reblandecerla, y permitir su unión en el metal base a la vez que se aplica una cierta presión. El equipo de soldadura es simple y barato. Consiste en una resistencia y un ventilador y una boquilla para dirigirlo. El O2 es apropiado ya que nos permite obtener fuertes uniones, mientras que los realizados con CO2 son débiles.


Tema 1.17-43-


1. Antorcha eléctrica 2. Varilla soldadura 3. Entrada tubo varilla 4. Zona de precalentamiento precalentamiento 5. Zona para ejercer presión 6. Precalentamiento Precalentamiento de la zona a soldar 7. Calor

POSICIÓN DE SOLDADURA

Algunos casos como polietileno y acetales se oxidan rápidamente, por lo que se suele utilizar N 2 como gas. La forma de las boquillas puede elegirse en función de la preparación de la soldadura. La velocidad de la soldadura es fácil y rápida pero las propiedades de la unión están muy condicionadas con la habilidad manual de la soldadura. Normalmente el material de aportación consiste en una varilla de plastico de sección circular, triangular u otras, de diferentes medidas . Los únicos parámetros que suelen variar normalmente son el caudal de aire y la temperatura. Típicamente los caudales oscilan entre 15-60 l/min. y la temperatura del orden de 200-300 ºC. La soldadura se consigue con el calentamiento adecuado del aporte y los bordes a unir y una correcta aplicación del material de aportación . Calentamientos Calentamientos insuficientes pueden dar lugar a uniones pobres. Por el contrario los sobrecalentamientos sobrecalentamientos pueden provocar carbonizaciones y ampollamientos. ampollamientos. La soldadura por gas caliente se suele emplear normalmente para tope y ángulo fillet pero también para solape y finas láminas. En solape y fillet no es necesario una preparación de las superficies. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.17-44-


Aplicaciones La soldadura por gas caliente es el único proceso de soldadura de plásticos que es manual y manejable. En determinadas ocasiones es la única técnica que se puede llevar, es muy adecuada así mismo en operaciones de reparación. Existen varias áreas de aplicación. Materiales rígidos, materiales flexibles y reparación. El 80% de la soldadura con gas caliente se realiza sobre policloruro de vinilo, polietileno y polipropileno. Otros materiales que también pueden ser soldados con gas caliente son: policarbonato ABS, polimetacrilato... Materiales rígidos superiores a 50 mm de espesor pueden ser soldados, aunque los más comunes son espesores inferiores a 15 mm. Aplicaciones típicas son plantas industriales, donde el empleo de plásticos es utilizado para resistencia a la corrosión (procesos químicos, containers de almacenamiento)... La manejabilidad y facilidad de transportar este proceso lo hace ideal para operaciones de reparación (Ejem. reparación de vehículos), bombas, paneles, unidades del aire acondicionado...) Una buena unión sólo puede ser obtenida utilizando un metal de aporte de la misma composición que el base. Esto puede ser un problema a la hora de realizar reparaciones ya que el base puede no ser conocido. La gran cantidad de plásticos hace muy dificil la identificación, de cualquier forma muchos de los plásticos más comunes pueden ser identificados quemando una parte y observando el olor, el humo y la llama. Actualmente existe una tendencia, sobre todo en la industria de automoción de marcar el tipo de plástico. Esto permite así mismo que el plástico se recicle. Propiedades Propiedades y calidad de la unión Se cree que la mayoría de los plásticos son soldables mediante soldadura de gas caliente, teniendo cuidado en optimizar las condiciones de soldadura. La resistencia de los materiales puede ser tan buena como los base. Ensayos de polietileno y polipropileno han indicado que soldaduras de gas caliente realizadas bajo óptimas condiciones tiene valores similares a los bases. Adecuados diseños podrían permitir obtener mejores resistencias de las uniones. En aplicaciones críticas es esencial obtener una buena calidad de la soldadura. En algunos casos es necesario al igual que para la soldadura convencional, el realizar homologaciones de soldadores..


Tema 1.17-45-


SOLDADURA LINEAL CON GAS CALIENTE 2.3.6.- Soldeo por implantes o soldeo por injerto

Un metal insertado o implantado se dispone entre las partes a unir y se calienta por resistencia o por inducción hasta la fusión y unión de estas partes.+ Se suele realizar calentamiento por inducción ó alta frecuencia 2-30 MHz. La soldadura por implante es un proceso simple con cortos tiempos de soldadura aprox. 20 seg. para largos componentes. Es aplicable a la mayoría de los termoplásticos, pero la presencia de un inserto limita la resistencia de la unión. Un desarrollo de este técnica utiliza partículas ferromagnéticas (normalmente óxido de Fe) dispersas en una matriz termoplástica la cual se dispone previamente a lo largo de la unión en forma de pasta ó tape. La soldadura por implante es un proceso simple que ha sido aplicado a uniones complejas en componentess diversos. componente


Tema 1.17-46-


3. TABLAS En este apartado adjuntamos algunas tablas con información sobre plásticos y adhesivos.

TEMPERATURA MÁXIMA DE USO EN CONTINUO DE ALGUNOS PLÁSTICOS


Tema 1.17-47-


TEMPERATIRAS APROXIMADAS DE SOLDEO ABS

350oC

Acrylic

350oC

PVC Rígido

220oC – 300oC

Hypalon

600oC

Policarbonato

350oC

Polietileno (Rígido)

250oC – 280oC

Polietileno (Flexible)

270oC – 300oC

Poliisobutileno

600oC

Polipropileno

300oC

Poliestireno

250oC

Polivinil floride

350oC

Lucobit

600oC TEMPERATURAS DE SOLDEO APROXIMADAS

PROPIEDADES TÍPICAS DE ADHESIVOS ESTRUCTURALES Poliuretano

Pobre

Excelente

15.4 <525

Acríl Ac rílic ico o

Cianoacrilato

Anaeróbico

Buena

Pobre

Mala

15.4

25.9

18.9

17.5

14,000

5,250

<525

1,750

Sustratos no

Sustratos no

porosos

porosos

-55 to 120

-160 to 80

-70 to 120

-55 to 80

-55 to 150

Si

Si

No

No

No

Excelente

Buena

Buena

Buena

Excelente

Excelente

Mala

Buena

pobre

Buena

0.15

3

0.75

0.25

0.60

Olor

Medio

Medio

Fuerte

Moderado

Medio

Toxicidad

Moderada

Moderada

Moderada

Baja

Baja

Flamabilidad Flamabilidad

Baja

Baja

Alta

Baja

Baja

Resistencia al impacto

Epoxi

modificado

Resistencia a tracción, MPa Resistencia pelado en T, N/m Unión de sustratos

La mayoria

Temperatura en

La mayoría de los sustratos no porosos

Metales activos

servicio, oC Curado por calor Resistencia a disolventes Resistencia a humedad Relleno de holguras, mm

PROPIEDADES TÍPICAS Y CARACTERÍSTICAS DE ADHESIVOS ESTRUCTURALES


Tema 1.17-48-


Temperatura Temperatura m áxima

Temperatura minima bajo

bajo carga

carga

115

85

-50

-20

150

95

-25

Poliestireno

100

---

70

-50

Polimetil metacrilato.

100

---

70

-50

Policloruro de vinilo

80

---

70

-30

Polioximetileno

-13

160

90

-50

PTFE

127

327

150

-150

Nylon 6

50

215

110

-40

Nylon 66

60

260

110

-30

Policarbonato

149

225

110

-70

Caucho natural

-75

---

---

---

Tg (oC)

Tm (oC)

-105, -20

Polipropileno

MATERIAL Polietileno

PROPIEDADES DE DIFERENTES PLÁSTICOS


Tema 1.17-49-

T-1-17

Recommend Documents