ES2203540T3

ES2203540T3 - Sistema termoplastico soldado por friccion y metodo para soldar dos piezas a soldar termoplasticas.

Info

Publication number: ES2203540T3
Application number: ES00984489T
Authority: ES
Inventors: Val A. Kagan; Chul S. Lee
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2004-04-16
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: US6726790B2; DE60004101D1; WO2001047691A1; KR20020063267A; ATE245523T1; CN1434763A; EP1240002B1; AU2109901A; US20030155062A1; US6447866B1; DE60004101T2; CN1295070C; CA2395323A1; EP1240002A1

Abstract

Un artículo termoplástico soldado por fricción, que comprende una primera pieza (10) a soldar termoplástica y una segunda pieza (12) a soldar termoplástica soldadas por fricción, teniendo cada una de dicha primera y dicha segunda piezas a soldar termoplásticas una superficie (14, 16) de emparejamiento, en el que a. al menos una de dicha primera y segunda piezas a soldar (10, 12) está compuesta de un termoplástico reforzado con fibras; b.dicha superficie (14) de emparejamiento de dicha primera pieza (10) a soldar termoplástica y dicha superficie (16) de emparejamiento de dicha segunda pieza (12) a soldar termoplástica están unidas en una región (20) de fusión; c.dicha superficie (14) de emparejamiento de dicha primera pieza (10) a soldar estaba comprendida, antes de la soldadura, de una restricción al flujo lateral de la masa fundida entre las piezas a soldar, y dicha superficie (16) de emparejamiento de dicha segunda pieza (12) a soldar era sustancialmente plana; d.la restricción al flujo lateral de la masa fundida entre las piezas a soldar es una proyección (18) sustancialmente rectangular a lo largo de cada borde lateral de cada primera pieza (10) a soldar; e.el grosor de cada una de dichas proyecciones (18) es entre 5% y 35% del grosor de dicha primera pieza (10) a soldar; y f.la altura de cada una de dichas proyecciones (18), con relación al punto más bajo sobre la superficie (14) de emparejamiento inicial, es al menos 25% de la dimensión de la región (20) de fusión.

Description

Sistema termoplástico soldado por fricción y método para soldar dos piezas a soldar termoplásticas.

Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención

La presente invención se refiere a un artículo termoplástico soldado por fricción y a un método para soldar una primera pieza a soldar termoplástica y una segunda pieza a soldar termoplástica.

2. Descripción de la técnica anterior

La soldadura por fricción de componentes termoplásticos está bien reconocida en la técnica. La soldadura por fricción incluye las técnicas de soldadura por vibración lineal, soldadura orbital y soldadura por frotamiento rotativo. En cada una de estas técnicas, el procedimiento se logra colocando las dos piezas a soldar en una relación apilada, yuxtapuesta, aplicando una fuerza compresora entre las piezas a soldar y entonces aplicando un movimiento vibracional, orbital o rotacional de las piezas a soldar una con relación a la otra en el plano de la superficie de contacto entre las dos. El calentamiento por fricción de la superficie de contacto provoca la fusión y el flujo del material termoplástico en una zona de masa fundida. Al detener el movimiento, y tras el enfriamiento a presión, la solidificación del material en la zona de la masa fundida forma una junta soldada entre las piezas a soldar.

Las partes a soldar frecuentemente tienen diferentes grosores. Típicamente, una parte puede tener un grosor de 2 a 4 mm, y la otra parte de 4 a 6 mm de grosor en la región del área de soldadura.

Se ha descrito y analizado la fenomenología del proceso de soldadura por vibración. Véase V.K. Stokes, "Vibration Welding of Thermoplastics, Part I: Phenomenology of the Welding Process", Polymer Engineering and Science, 28, 718(1998); "Vibration Welding of Thermoplastics, Part II, Analysis of the Welding Process", Polymer Engineering and Science, 28, 728(1988). Stokes describió el proceso de soldadura como un proceso en cuatro fases:

1) Calentamiento de la superficie de contacto por fricción;

2) Fusión y flujo hacia fuera en una dirección lateral al movimiento vibratorio;

3) Un estado estacionario en el que la velocidad de fusión del sólido iguala a la efusión del material fundido; y

4) Solidificación del material fundido cuando se detiene el movimiento vibratorio.

El material fundido que sale de la junta al ser exprimido durante la operación de soldadura se denomina de forma diversa "rebaba" o "saliente". Si el aspecto de rebaba es objetable en la parte acabada, una operación separada puede eliminar la rebaba tras la soldadura. Como alternativa, las partes a soldar pueden incorporar "trampas para rebabas" que ocultan a la rebaba de la vista.

La resistencia de la zona soldada por fricción es una función compleja de un número de parámetros. Entre estos están la frecuencia de vibración, la amplitud y dirección del movimiento vibratorio (longitudinal, lateral, angular, orbital), la presión normal a la superficie de contacto entre las piezas a soldar, el tiempo de soldadura o la penetración de la soldadura (fusión) y el tiempo de retención o enfriamiento. Los efectos de algunos de estos parámetros sobre las resistencias de varios termoplásticos sin rellenar se han dado a conocer por V.K. Stokes en "Vibrational Welding of Thermoplastics, Part IV: Strengths of Poly(Butylene Terepthalate), Polyetherimide and Modified Polyphenylene Oxide Butt Welds" Polymer Engineering and Science, 28, 998 (1988).

Para muchas aplicaciones, tales como aplicaciones de automoción bajo capó, herramientas mecánicas y otros, es necesario incorporar fibras reforzantes en los materiales termoplásticos base. Estas fibras reforzantes, tales como vidrio, carbón, metal, aramida y otras fibras, aumentan enormemente la resistencia, rigidez y la temperatura de distorsión por calor de las resinas base. La presencia de estas fibras reforzantes afecta y complica las relaciones entre los parámetros de procesamiento de la soldadura y las resistencias de las soldaduras en los materiales termoplásticos a unir. V. Kagan et al. describieron la soldadura por vibración de tales termoplásticos rellenos en "The Optimized Performance of Linear Vibration Welded Nylon 6 and Nylon 66 Butt Joints", Plastics-Racing into the Future, Proceedings of the SPE 54^{th} Annual Technical Conference and Exhibits, p. 1266-1274, 1996 y también en la Patente de EE.UU. nº 5.874.146, publicaciones las cuales se incorporan aquí como referencia. Se encontró que, en condiciones optimizadas de procesamiento de la soldadura, de forma que las fibras de una de las piezas a soldar penetraban tanto en la soldadura como en la otra pieza a soldar, las soldaduras alcanzaron una resistencia máxima a la tracción. En condiciones de procesamiento menos que óptimas, las fibras reforzantes fracasaron en hacer de puente en la región soldada, y en consecuencia las resistencias de las soldaduras fueron menores.

En cada uno de los estudios anteriores, las piezas a soldar tuvieron superficies opuestas estrictamente planas. No se hizo ninguna sugerencia de que serían ventajosas otras geometrías de las superficies de contacto iniciales planas. De hecho, en "Vibration Welding of Thermoplastics, Part I: Phenomenology of the Welding Process", Polymer Engineering and Science, 28, 718 (1988), en la página 718, primera columna, segundo párrafo, el autor establece "El procedimiento de soldadura por vibración es idealmente adecuado para la soldadura de partes termoplásticas a lo largo de juntas relativamente planas. El procedimiento también se puede adaptar a juntas cuya curvatura fuera del plano sea pequeña". De este modo, el autor indica que las superficies de contacto longitudinales no planas son desventajosas para ser "adaptadas". No se hicieron comentarios sobre la geometría en sección transversal de las partes a soldar.

Un número de descripciones han propuesto métodos para soldar por fricción artículos plásticos.

La Patente Francesa 2.713.540 cita una junta soldada oculta para partes huecas obtenida por soldadura por vibración de los bordes periféricos de las piezas constituyentes. La referencia describe una trampa para rebabas que tiene suficiente volumen para contener y ocultar desde la vista exterior a la rebaba (o rebaba interna) que surge de la periferia de la zona de soldadura durante la soldadura.

La Publicación de Patente Japonesa JP 10-80952 describe un método para mejorar la resistencia de enlace de partes de resina enlazadas juntas mediante enlace por fusión por oscilación. En una realización, se unen las piezas a soldar primera y segunda, teniendo cada una, una parte saliente. La pieza a soldar primera tiene proyecciones en su parte saliente que se enlazan por fusión por oscilación a una parte de superficie receptora de la parte saliente de la segunda pieza a soldar.

La Patente de EE.UU. 4.601.927 describe un método para soldar por fricción partes termoplásticas. Durante la soldadura, aparece una distribución no uniforme de la temperatura, lo que bloquea efectivamente el flujo de la rebaba desde el borde de la junta. Este aspecto del método descrito en la Patente de EE.UU. 4.601.927 provoca que la junta sea liberada al menos parcialmente del esfuerzo y que resista la microfisuración de superficie y el agrietamiento.

La Solicitud de Patente PCT WO 97/17189 describe un método mejorado para soldar por vibración juntas termoplásticas. La soldadura se realiza haciendo vibrar dos partes termoplásticas reforzadas con fibra a presión a lo largo de su superficie de contacto común para generar calor por fricción para fundir y fusionar sus superficies juntas. Las fibras de al menos una superficie penetran tanto en la soldadura como en la otra superficie. Como resultado, las superficies termoplásticas reforzadas con fibras, soldadas, tienen una mayor resistencia a la tracción que la lograda hasta ahora. Las soldaduras por vibración de superficies termoplásticas reforzadas según esta invención logran una resistencia máxima a la tracción tan alta como alrededor de 120% de una soldadura formada por las superficies no reforzadas de materiales termoplásticos correspondientes.

El método y los artículos de la presente invención han de ser contrastados con la soldadura ultrasónica y los artículos soldados ultrasónicamente. En la soldadura ultrasónica, la vibración se imparte en una dirección normal al plano de la soldadura en vez de en el plano de la soldadura, habitualmente usando un horno ultrasónico. Un horno ultrasónico es una fuente de energía relativamente baja. En consecuencia, en contraste con la soldadura por fricción, la soldadura ultrasónica es apropiada sólo para partes relativamente pequeñas o para soldadura por puntos.

A fin de que la energía ultrasónica absorbida por las piezas a soldar sea suficiente para provocar la fusión local, es necesario concentrar el flujo de energía. Esto se hace mediante uso de una proyección, también conocida como un "director de energía" sobre la superficie de emparejamiento de una de las piezas a soldar. Véase, por ejemplo, la Patente de EE.UU. nº 4.618.516.

Un director de energía o proyección en soldadura ultrasónica es un medio para concentrar el flujo de energía. En el diseño de las partes a ser soldadas ultrasónicamente, se usa de la manera más habitual un director único de energía longitudinal (pequeño o grande) (véase "Specification for Standardized Ultrasonic Test Specimen for Thermoplastics", American Welding Society, AWS G1.2m/G1.2: 1999, An American National Standard, parte 5, página 3). Aunque se puede usar más de un director de energía en circunstancias especiales, habitualmente no se hace, por la razón de que más de un director de energía dispersa la fuente de energía ya débil y hace más difícil y más lenta a la soldadura. Se puede encontrar una excepción en la Patente de EE.UU. 5.540.808 en la que se usan dos directores de energía para soldar un material rígido a un material fácilmente fusible, flexible. Como se observará, la geometría, fin y función de estos directores de energía difiere de la geometría, fin y función de las proyecciones de los bordes rectangulares de la presente invención.

Sería deseable proporcionar un método para soldar artículos termoplásticos y obtener enlaces de alta resistencia en condiciones menores que las óptimas. Sería deseable además si este método fuese adecuado para soldar termoplásticos rígidos, reforzados con fibras. Aún sería deseable adicionalmente si el método fuese adecuado para formar soldaduras de dimensión sustancial. Especialmente se necesitan artículos fuertes, soldados por fricción, rígidos, termoplásticos reforzados con fibras.

Sumario de la invención

La invención proporciona un artículo termoplástico soldado por fricción como se describe en la reivindicación 1. El flujo lateral del material fundido fuera del espacio entre las piezas a soldar está restringido suficientemente para mantener una piscina de masa fundida de profundidad sustancial desde el comienzo de la fusión hasta el inicio de la solidificación. La restricción al flujo lateral del material fuera del espacio entre las piezas a soldar se proporciona por presas (proyecciones) de sección transversal esencialmente rectangular en cada borde lateral de una de las piezas a soldar, mientras que la otra pieza a soldar tiene una superficie de emparejamiento sustancialmente plana.

Expuesta de forma general, la invención proporcionar un artículo termoplástico soldado por fricción que comprende una primera pieza a soldar termoplástica y una segunda pieza a soldar termoplástica. Cada una de dichas primera y segunda piezas a soldar termoplásticas tiene una superficie de emparejamiento. La superficie de emparejamiento de la primera pieza a soldar termoplástica y la superficie de emparejamiento de la segunda pieza a soldar termoplástica se unen en una región de fusión. Antes de la soldadura, la superficie de emparejamiento de la primera pieza a soldar ha tenido una restricción al flujo lateral de la masa fundida entre las piezas a soldar. La superficie de emparejamiento de dicha segunda pieza a soldar es sustancialmente plana.

Más específicamente, se proporciona, según la invención, un artículo termoplástico soldado por vibración, que comprende: una primera pieza termoplástica a soldar y una segunda pieza termoplástica a soldar, teniendo cada una de dicha primera y segunda piezas a soldar termoplásticas una superficie de emparejamiento; uniéndose dicha superficie de emparejamiento de dicha primera pieza a soldar termoplástica y dicha superficie de emparejamiento de dicha segunda pieza a soldar termoplástica en una región de fusión; teniendo dicha superficie de emparejamiento de dicha primera pieza a soldar, antes de la soldadura, una restricción al flujo lateral de la masa fundida entre las piezas a soldar, y siendo dicha superficie de emparejamiento de dicha segunda pieza a soldar sustancialmente plana; en la que la restricción al flujo lateral de la masa fundida entre las piezas a soldar es una proyección sustancialmente rectangular a lo largo de cada borde lateral de la primera pieza a soldar; en la que el grosor de cada una de dichas proyecciones es entre alrededor de 5% y alrededor de 35% del grosor de la primera pieza a soldar; y la altura de cada una de dichas proyecciones, con relación al punto más bajo sobre la superficie de emparejamiento inicial es al menos alrededor del 25% de la dimensión de la región de fusión.

Además se proporciona, por la invención, un artículo termoplástico soldado por vibración, que comprende: una primera pieza a soldar termoplástica y una segunda pieza a soldar termoplástica, teniendo cada una de dichas primera y segunda piezas a soldar termoplásticas una superficie de emparejamiento; estando unidas dicha superficie de emparejamiento de dicha primera pieza a soldar termoplástica y dicha superficie de emparejamiento de dicha segunda pieza a soldar termoplástica en una región de fusión; teniendo dicha superficie de emparejamiento de dicha primera pieza a soldar, antes de la soldadura, una restricción al flujo lateral de la masa fundida entre las piezas a soldar, y siendo dicha superficie de emparejamiento de dicha segunda pieza a soldar sustancialmente plana; en el que la restricción al flujo lateral de la masa fundida entre las piezas a soldar es una proyección sustancialmente rectangular a lo largo de cada borde lateral de la primera pieza a soldar; en el que el grosor de cada una de dichas proyecciones es entre alrededor de 5% y alrededor de 35% del grosor de la primera pieza a soldar; y antes de la soldadura, el área de sección transversal del espacio definido por una línea entre los bordes superiores de las proyecciones rectangulares y las superficies del material entre ellos es al menos alrededor de 15% del producto del grosor de la primera pieza a soldar y la dimensión de la región de fusión.

La invención proporciona además un método para soldar una primera pieza a soldar termoplástica y una segunda pieza a soldar termoplástica como se describe en la reivindicación 7.

La soldadura por fricción de una primera pieza a soldar termoplástica a una segunda pieza a soldar termoplástica se logra mediante un método que comprende las etapas de: presionar a la primera y segunda piezas a soldar juntas en una presión de sujeción compresora; mover la primera pieza a soldar con relación a la segunda pieza a soldar en un plano paralelo a su superficie de contacto suficiente para calentar por fricción la superficie de contacto; fundir las superficies interfaciales de la primera y segunda piezas a soldar creando una región de fusión; proporcionar un medio para restringir el flujo lateral del material fundido fuera del espacio entre dichas superficies interfaciales; y retener una piscina de masa fundida de profundidad sustancial entre las piezas a fundir desde el comienzo de la fusión hasta el inicio de la solidificación.

Los artículos de esta invención muestran una utilidad mejorada para aplicaciones de automoción tales como colectores de recogida de aire, vigas de cruceta para coches, resonadores, depósitos para fluidos, y alojamientos para filtros de aire. Tales artículos son muy adecuados para uso en muchas otras aplicaciones tales como herramientas mecánicas.

Breve descripción de los dibujos

La invención se comprenderá de forma más completa y serán manifiestas ventajas adicionales cuando se hace referencia a la siguiente descripción detallada y a los dibujos que se acompañan, en los que los números de referencia iguales representan elementos similares en todas las varias vistas, y en los que:

La Fig. 1a es una vista en perspectiva de una primera pieza a soldar que tiene una superficie plana a emparejar, teniendo también una segunda pieza a soldar (no mostrada) una superficie de emparejamiento plana;

La Fig. 1b es una vista en sección de esta primera pieza a soldar a lo largo de la línea A-A.

La geometría de la superficie de contacto ilustrada en la Fig. 1a y 1b es un ejemplo comparativo.

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La Fig. 2a es una vista en perspectiva de una primera pieza a soldar que tiene "dientes" triangulares que corren a lo largo de la superficie a emparejar, teniendo una segunda pieza a soldar (no mostrada) una superficie de emparejamiento plana;

La Fig. 2b es una vista en sección de la primera pieza a soldar mostrada en la Fig. 2a a lo largo de la línea A-A.

La geometría de la superficie de contacto ilustrada en las Figs. 2a y 2b es un ejemplo comparativo.

La Fig. 3a es una vista en perspectiva de una primera pieza a soldar que tiene un "resalte" convexo a lo largo de la superficie a emparejar, teniendo una segunda pieza a soldar (no mostrada) una superficie de emparejamiento plana;

La Fig. 3b es una vista en sección de una primera pieza a soldar mostrada en la Fig. 3a a lo largo de la línea A-A.

La geometría de la superficie de contacto ilustrada en las Figs. 3a y 3b es un ejemplo comparativo.

La Fig. 4a es una vista en perspectiva de una primera pieza a soldar y una segunda pieza a soldar, teniendo la primera pieza a soldar una proyección rectangular en cada borde de sus caras laterales y una acanaladura suave entre dichas proyecciones rectangulares a lo largo de la superficie a emparejar, teniendo la segunda pieza a soldar una superficie de emparejamiento sustancialmente plana;

La Fig. 4b es una vista en sección de las primera y segunda piezas a soldar mostradas en la Fig. 4a a lo largo de la línea A-A.

La geometría de la superficie de contacto ilustrada en las Figs. 4a y 4b es un ejemplo de la invención.

La Fig. 5a es una vista en perspectiva de una primera pieza a soldar que tiene una proyección rectangular en cada borde de sus caras laterales y dos acanaladuras semicirculares entre dichas proyecciones rectangulares a lo largo de la superficie a emparejar, teniendo una segunda pieza a soldar (no mostrada) una superficie de emparejamiento sustancialmente plana;

La Fig. 5b es una vista en sección de la primera pieza a soldar mostrada en la Fig. 5a a lo largo de la línea A-A.

La geometría de la superficie de contacto ilustrada en las Figs. 5a y 5b es un ejemplo de la invención.

La Fig. 6a es una vista en perspectiva de una primera pieza a soldar que tiene una proyección rectangular en cada borde de sus caras laterales y una acanaladura suave entre dichas proyecciones rectangulares a lo largo de la superficie a emparejar, teniendo la superficie de emparejamiento de la primera pieza a soldar una ondulación u onda a lo largo de su longitud, y adaptándose la primera pieza a soldar para emparejarse con una segunda pieza a soldar (no mostrada) que tiene una superficie de emparejamiento sustancialmente plana;

La Fig. 6b y 6c son vistas en sección de esta primera pieza a soldar a lo largo de las líneas A-A y B-B, respectivamente.

La geometría de la superficie de contacto ilustrada en las Figs. 6a, 6b y 6c es un ejemplo de la invención.

La Fig. 7a es una vista en perspectiva de una primera pieza a soldar que tiene una proyección rectangular en cada borde de sus caras laterales y dos acanaladuras semicirculares entre dichas proyecciones rectangulares a lo largo de la superficie a emparejar, teniendo la superficie de emparejamiento de la primera pieza a soldar una ondulación u onda a lo largo de su longitud, y estando adaptada la primera pieza a soldar para emparejarse con una segunda pieza a soldar (no mostrada) que tiene una superficie de emparejamiento sustancialmente plana;

Las Figs. 7b y 7c son vistas en sección de la primera pieza a soldar mostrada en la Fig. 7a a lo largo de las líneas A-A y B-B, respectivamente.

La geometría de la superficie de contacto ilustrada en las Figs. 7a, 7b y 7c es un ejemplo de la invención.

La Fig. 8a es una vista en perspectiva de una primera pieza a soldar que tiene una proyección rectangular en cada borde de sus caras laterales y múltiples acanaladuras entre dichas proyecciones rectangulares a lo largo de la superficie a emparejar, teniendo una segunda pieza a soldar (no mostrada) una superficie de emparejamiento sustancialmente plana;

La Fig. 8b es una vista en sección de la primera pieza a soldar mostrada en la Fig. 8a a lo largo de la línea A-A.

La geometría de la superficie de contacto ilustrada en las Figs. 8a y 8b es un ejemplo de la invención.

La Fig. 9 es una vista en sección de una junta a tope compleja de la técnica anterior con trampas para rebaba, ilustrando esquemáticamente la sección la gran cantidad de rebaba producida cuando las superficies planas se sueldan por fricción;

La Fig. 10 es una vista en sección de una junta a tope compleja de la invención, ilustrando esquemáticamente la sección cómo está reducida la rebaba y se retiene una piscina de masa fundida en la región entre las proyecciones de los bordes rectangulares.

Descripción detallada de la invención

La invención proporciona un artículo termoplástico reforzado, soldado por fricción, de resistencia mejorada por medio de la restricción al flujo lateral del material fundido fuera del espacio entre las piezas a soldar, manteniendo de ese modo una piscina de masa fundida de profundidad sustancial desde el comienzo de la fusión al inicio de la solidificación. Específicamente, la restricción al flujo lateral del material fuera del espacio entre las piezas a soldar se proporciona por presas (proyecciones) de sección transversal esencialmente rectangulares en cada borde lateral de una de las piezas a soldar, mientras que la otra pieza a soldar tiene una superficie de emparejamiento sustancialmente plana.

La invención también proporciona un método para preparar artículos termoplásticos reforzados rellenos, soldados por fricción, de resistencia mejorada restringiendo el flujo lateral de material fundido fuera del espacio entre ellos, reteniendo de ese modo una piscina de masa fundida de profundidad sustancial entre ellos desde el comienzo de la fusión al inicio de la solidificación.

Las técnicas de soldadura por fricción y los aparatos para realizar la soldadura por fricción son bien conocidos en la técnica. Los soldadores por fricción (lineales, orbitales, de frotamiento rotativo) están comercialmente disponibles a partir de varias compañías multinacionales (Branson Ultrasonics, Forward Technologies, Inc., Bielomatik, etc.) en América del Norte, Europa, Asia, etc. Por ejemplo, Branson Ultrasonics Corporation, Danbury, Conn., fabrica máquinas para soldadura por vibración lineal diseñadas como Mini-Vibration Welder II, Ultra HY-Line modelo VW/8UH, y la serie 90 de Vibration Welders modelo VW/6.

La soldadura por fricción se puede realizar colocando una primera pieza a soldar termoplástica y una segunda pieza a soldar termoplástica en contacto bajo una presión de sujeción compresora. Las superficies de emparejamiento se mantienen a una presión de sujeción predeterminada, por ejemplo colocándolas en una plataforma bajo una presión aplicada por aire o cilindros hidráulicos. Entonces se confiere movimiento a una superficie con respecto a la otra superficie para crear un frotamiento por fricción que genera calor, funde la superficie y mezcla y fusiona los materiales termoplásticos de las primera y segunda piezas a soldar en una región de "fusión". La dimensión de la región de fusión se mide por el movimiento lineal de las plataformas opuestas que proporcionan la presión de sujeción y que se puede controlar por ajustes apropiados de la máquina.

La presión de sujeción es uno de los parámetros más importantes. Cuando los materiales termoplásticos están reforzados con fibras cortas, tales como vidrio, carbón, aramida u otras fibras, la manera de mezclar los materiales de las piezas a soldar opuestas se hace muy importante. Antes de la soldadura, las fibras en los materiales termoplásticos están orientadas típicamente al azar, es decir no tienen ninguna orientación preferida. Sin embargo, si no se pone una atención cuidadosa a las condiciones de soldadura, el movimiento relativo puede provocar que las fibras en la región de soldadura se orienten sólo en el plano de la soldadura. Esto conduce a una menor resistencia y rendimiento mecánico que si las condiciones de soldadura se optimizasen para provocar que las fibras penetren tanto en la soldadura como en la pieza a soldar opuesta.

Desafortunadamente, las condiciones optimizadas de soldadura no siempre se pueden lograr. La magnitud de la presión de sujeción compresora necesaria depende de los tamaños y geometría de las partes plásticas y de la estabilidad dimensional de los termoplásticos durante las operaciones previas de moldeo. En la práctica, las piezas a soldar a unir se moldean frecuentemente con rebordes, paredes y nervios que provocan una contracción y alabeo diferencial de las superficies a emparejar. Muchas aplicaciones requieren que la junta soldada esté sellada herméticamente. En estas circunstancias, se deben usar presiones de sujeción mucho más que óptimas para poner en contacto uniforme a las superficies de emparejamiento. Esta presión de sujeción más que óptima aumenta los esfuerzos de cizallamiento en la superficie de contacto, acentúa la tendencia de las fibras a orientarse en el plano de la soldadura, y reduce la resistencia a la tracción lograda.

Esta sensibilidad de la resistencia de la soldadura a la presión de sujeción se ilustra con los datos en la Tabla 1 a continuación obtenidos con geometrías de superficie de contacto planas en cada pieza a soldar. Las soldaduras de la Tabla 1 se prepararon mediante soldadura por vibración longitudinal en una Mini Welder II de Branson Ultrasonic Corp., a una frecuencia nominal de 240 Hz, una amplitud de vibración de 1,8 mm y una fusión de 1,5 mm. El material usado fue un nailon 6 Capron® de Honeywell International Inc., Morristown, Nueva Jersey.

TABLA 1 Influencia de la presión de sujeción (MPa) sobre la resistencia a la tracción de la soldadura a temperatura ambiente de nailon 6 Capron® 8233G HS BK-102, reforzado con 33% en peso de fibra de vidrio

Presión de sujeción, MPa	Resistencia a la tracción de
	la soldadura, MPa
0,66	73,7
0,86	85,2
1,28	80,3
2,17	77,6
3,5	65
5,6	58,2
6,4	46,8

Sin estar unido a ninguna teoría particular, se plantea la hipótesis de que el efecto de una presión mayor que óptima tiene un efecto similar a tener un grosor de la superficie de contacto de la soldadura que es demasiado bajo, y que puede dar como resultado un espacio suficiente para el giro de la fibra y por tanto restringe a las fibras de cruzar la superficie de contacto y penetrar en la pieza a soldar opuesta.

Para contrarrestar esta tendencia, en esta invención la geometría interfacial inicial se configuró para restringir el flujo lateral del material fundido fuera del espacio entre las piezas a soldar, manteniendo de ese modo una piscina de masa fundida de profundidad sustancial desde el comienzo de la fusión hasta el inicio de la solidificación (compárense las Figs. 9 y 10).

Según la invención, las dos piezas a soldar termoplásticas están compuestas de cualquier material polimérico termoplástico compatible. Polímeros termoplásticos adecuados incluyen de forma no exclusiva poliamidas, poliésteres, policarbonatos, polisulfonas, poliimidas, poliuretanos, poliéteres, poliolefinas, polímeros vinílicos, y sus mezclas. Los más preferidos son poliamidas tales como nailon 6 y nailon 66, por ejemplo nailon 6 Capron® 8233G HS y nailon 66 Capron® 5233G HS de Honeywell International de Morristown, N.J. y poliésteres tales como poli(tereftalato de etileno) Petra® 130 disponible de Honeywell International. Se pueden usar materiales termoplásticos distintos con tal de que se mezclen de forma compatible. Al menos uno, y preferiblemente ambos, materiales termoplásticos están reforzados con fibra. Fibras reforzantes adecuadas incluyen, de forma no exclusiva, material que no se reblandece, es decir pierde su rigidez, a temperaturas típicamente usadas para el moldeo por inyección, tales como temperaturas hasta alrededor de 400ºC. Preferiblemente el refuerzo con fibra comprende un material tal como vidrio, carbón, silicio, metales, minerales, fibras poliméricas, y sus mezclas. El refuerzo con fibra de vidrio es lo más preferido. En la realización preferida, la fibra es rígida y tiene un diámetro de alrededor de 8 hasta alrededor de 12 micrómetros, preferiblemente de alrededor de 9 hasta alrededor de 11 micrómetros, y lo más preferible alrededor de 10 micrómetros. La longitud de la fibra preferida es de alrededor de 120 hasta alrededor de 300 micrómetros, más preferiblemente de alrededor de 130 a 250 micrómetros y lo más preferible de alrededor de 140 hasta alrededor de 200 micrómetros. En la realización preferida, las fibras comprenden de alrededor de 6 hasta alrededor de 63% en peso de la composición termoplástica, y más preferiblemente de alrededor de 10 hasta alrededor de 40% en peso, y lo más preferible de alrededor de 14 hasta 25% en peso.

Haciendo referencia a las Figuras 4a y 4b se representan piezas a soldar para ser unidas según la invención. La primera pieza 10 a soldar tiene una superficie 14 de emparejamiento inicial y proyecciones 18 sustancialmente rectangulares en cada uno de sus bordes laterales. La segunda pieza 12 a soldar tiene una superficie 16 de emparejamiento sustancialmente plana. La primera pieza 10 a soldar y la segunda pieza 12 a soldar se unen colocando sus superficies de emparejamiento respectivas en relación de yuxtaposición, presionando juntas a las piezas a soldar bajo una presión de sujeción compresora, moviendo la primera pieza (10) a soldar con relación a la segunda pieza (12) a soldar en un plano paralelo a su superficie de contacto suficiente para calentar por fricción la superficie de contacto y fundir las superficies interfaciales de la primera y segunda piezas a soldar para crear una región 20 de fusión, y permitiendo que solidifique la región de fusión.

Según la invención, el grosor de las proyecciones 18 de la primera pieza 10 a soldar está en proporción con relación al grosor de la pieza a soldar. El grosor de cada proyección 18 (dimensión t en las Figs. 4-7; dimensión t_{1} en la Fig. 8) está típicamente entre alrededor de 5% y alrededor de 35% del grosor de la pieza 10 a soldar (dimensión W_{1} en las Figs. 4-8).

t/W_{1} \cong 0,05 \ a \ 0,35;

\hskip0.6cm

t_{1}/W_{1} \cong 0,05 \ a \ 0,35

Preferiblemente, el grosor de cada proyección 18 estará entre alrededor de 10% y alrededor de 20% del grosor de la primera pieza 10 a soldar.

t/W_{1} \cong 0,10 \ a \ 0,20;

\hskip0.6cm

t_{1}/W_{1} \cong 0,10 \ a \ 0,20

La altura de cada proyección 18 (h en Figs. 4-8) con relación al punto más bajo en la superficie 14 de emparejamiento inicial debe estar en proporción a la fusión (MD) deseada. La altura de cada proyección es típicamente al menos alrededor de 25% de la fusión y preferiblemente al menos alrededor de 33% de la fusión.

h/MD \geq 0,25; \ preferiblemente, \ h/MD \geq 0,33

Como alternativa, la geometría de la superficie 14 de emparejamiento inicial de la primera pieza 10 a soldar se puede definir en términos del volumen de la piscina de masa fundida más grande que puede estar contenida con relación al volumen máximo de la masa fundida producida por soldadura. El volumen de la piscina de masa fundida más grande que se puede contener entre las proyecciones 18 de los bordes rectangulares es igual a la longitud de la pieza 10 a soldar veces el área de sección transversal de la región definida por la línea horizontal entre los bordes superiores de las proyecciones 18 rectangulares y las uniones del espacio definidas por las proyecciones 18 rectangulares y la superficie del material entre ellas. Llámese a este área de sección transversal A. El volumen máximo de la masa fundida producida por soldadura es la longitud de la pieza a soldar veces las veces de la fusión (MD) el grosor de la pieza a soldar (W_{1}). Por lo tanto, el volumen de la piscina de masa fundida más grande que se puede contener entre las proyecciones 18 rectangulares en relación con el volumen más grande de masa fundida producida por soldadura es A/(MD x W_{1}). Según la invención, esta proporción es al menos alrededor de 0,15 (15%), y preferiblemente es al menos alrededor de 0,20 (20%).

A/(MD \ x \ W_{1})\geq 0,15; \ preferiblemente, \ A/(MD \ x \ W_{1}) \geq 0,20

También se contempla que, además de las proyecciones 18 esencialmente rectangulares en cada borde lateral, la primera pieza 10 a soldar pueda tener una ondulación u onda a lo largo de su longitud. La amplitud de esta ondulación (pico a sima) es de alrededor de 20% hasta alrededor de 800% de la fusión.

La segunda pieza 12 a soldar tendrá una superficie 16 de emparejamiento sustancialmente plana. En el contexto de esta invención, una superficie de emparejamiento sustancialmente plana es aquella que mantiene la restricción del flujo de la masa fundida entre las superficies de emparejamiento de las dos piezas a soldar. La segunda pieza 12 a soldar puede tener cierta convexidad o concavidad en tanto que la separación de la planaridad sea menor que alrededor de 1 mm, preferiblemente menor que alrededor de 0,5 mm en la región en la que lindará con las proyecciones 18 rectangulares de la primera pieza 10 a soldar.

Los siguientes ejemplos no limitantes sirven para ilustrar la invención. Se reconocerá que se pueden realizar variaciones en los elementos y proporciones por aquellos expertos en la técnica sin separarse de la presente invención.

Ejemplos y ejemplos comparativos

Se preparó una serie de artículos soldados por vibración lineal a partir de placas moldeadas por inyección de diferentes materiales termoplásticos reforzados con fibra, y de geometrías diferentes de superficie de contacto inicial, usando todos las siguientes condiciones constantes:

\bullet Tipo de junta: junta a tope con el mismo termoplástico

\bullet Soldador/Máquina de soldar: Branson Ultrasonic s Corp., Modelo Mini Welder II

\bullet Dimensiones iniciales de las placas moldeadas:

-: Primera pieza a soldar: anchura (W_{1}) x longitud (L) x grosor (T): 15,24 cm x 6,35 cm x 0,396 cm

-: Segunda pieza a soldar: anchura (W_{2}) x longitud (L) x grosor (T): 15,24 cm x 6,35 cm x 0,624 cm

Dimensiones de las placas soldadas: (W x L): 15,24 cm x 12,7 cm

Diseño de la superficie de contacto inicial de la pieza 1 a soldar: véase Tabla 2

Diseño de la superficie de contacto inicial de la pieza 2 a soldar: plano

Condiciones de soldadura

Frecuencia de vibración: 240 Hz (nominal)

Amplitud de vibración: 1,77 mm

Presión de sujeción de la soldadura: 3 MPa

Dirección de la vibración: Anchura de las placas (longitudinal)

Medio ambiente de la soldadura: Atmósfera estándar de laboratorio, 23ºC, 50\pm5% R.H. (humedad relativa)

Fusión: 1,5 mm

Materiales termoplásticos

Nailon 6 Capron® 8233G HS, 33% en peso de fibra de vidrio

Nailon 6 Capron® 8267G, 15% en peso de fibra de vidrio + 25% en peso de cargas minerales

Nailon 6 Capron® RX-1104, 33% en peso de fibra de vidrio

Nailon 66 Zytel® 70G33 HS1L (DuPont), 33% en peso de fibra de vidrio

Las placas soldadas se cortaron en tiras de 1,27 cm de anchura (muestras rectangulares), y se determinaron las resistencias a la tracción de las juntas soldadas por el método de ensayo ISO 527/ASTM D 638 para plásticos a una velocidad de estiramiento de 5 mm/min, a temperatura ambiente de 23ºC.

Las resistencias a la tracción determinadas para los ejemplos comparativos y los ejemplos de la invención según se muestran en las Figuras se presentan en la Tabla 2 a continuación.

TABLA 2 Resistencia a la tracción de juntas soldadas frente al diseño de la superficie de contacto

1

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Un análisis de varianza de los datos de la tracción muestra una diferencia altamente significativa entre las resistencias a la tracción de los ejemplos de la invención y de los ejemplos comparativos. Esta diferencia estadísticamente significativa es también altamente ventajosa desde el punto de vista tecnológico.

Los datos ilustran los beneficios de configurar el diseño de la superficie de contacto inicial para restringir el flujo lateral de la masa fundida fuera del espacio entre las piezas a soldar (10, 12) mediante el uso de presas (proyecciones 18) de sección transversal esencialmente rectangular en cada borde lateral de una de las piezas 10 a soldar mientras la otra pieza 12 a soldar tiene una superficie 16 de emparejamiento sustancialmente plana. Esto se puede ver de varias maneras.

Los ejemplos de la invención (Ejemplos 1 y 2) tuvieron una resistencia superior al Ejemplo Comparativo 1 cuando las superficies de emparejamiento iniciales fueron planas en ambas piezas a soldar. Los ejemplos de la invención tuvieron una resistencia superior al Ejemplo Comparativo 2, que tuvo proyecciones similares a "dientes" en cada borde de la superficie de emparejamiento inicial. La mayor diferencia de todas estaba entre los ejemplos de la invención y el Ejemplo Comparativo 3. En el Ejemplo Comparativo 3, la primera pieza a soldar tuvo un "resalte" convexo que tendió a acelerar la masa fundida fuera del espacio entre las piezas a soldar.

Ejemplo 3

Se formaron placas soldadas como en los Ejemplos 1 y 2 anteriores usando el diseño de pieza a soldar de la Fig. 6. Las resistencias a la tracción de las juntas soldadas se mejoraron con relación a las del Ejemplo Comparativo 1.

Ejemplo 4

Se formaron placas soldadas como en los Ejemplos 1 y 2 anteriores usando el diseño de pieza a soldar de la Fig. 7. Las resistencias a la tracción de las juntas soldadas se mejoraron con relación a las del Ejemplo Comparativo 1.

Habiéndose descrito de este modo la invención con un detalle más bien completo, se entenderá que tal detalle no necesita estar estrictamente adherido sino que se pueden sugerir por sí mismos cambios y modificaciones posteriores al experto en la técnica, todos dentro del alcance de la invención como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Un artículo termoplástico soldado por fricción, que comprende una primera pieza (10) a soldar termoplástica y una segunda pieza (12) a soldar termoplástica soldadas por fricción, teniendo cada una de dicha primera y dicha segunda piezas a soldar termoplásticas una superficie (14, 16) de emparejamiento, en el que

a.: al menos una de dicha primera y segunda piezas a soldar (10, 12) está compuesta de un termoplástico reforzado con fibras;

b.: dicha superficie (14) de emparejamiento de dicha primera pieza (10) a soldar termoplástica y dicha superficie (16) de emparejamiento de dicha segunda pieza (12) a soldar termoplástica están unidas en una región (20) de fusión;

c.: dicha superficie (14) de emparejamiento de dicha primera pieza (10) a soldar estaba comprendida, antes de la soldadura, de una restricción al flujo lateral de la masa fundida entre las piezas a soldar, y dicha superficie (16) de emparejamiento de dicha segunda pieza (12) a soldar era sustancialmente plana;

d.: la restricción al flujo lateral de la masa fundida entre las piezas a soldar es una proyección (18) sustancialmente rectangular a lo largo de cada borde lateral de cada primera pieza (10) a soldar;

e.: el grosor de cada una de dichas proyecciones (18) es entre 5% y 35% del grosor de dicha primera pieza (10) a soldar; y

f.: la altura de cada una de dichas proyecciones (18), con relación al punto más bajo sobre la superficie (14) de emparejamiento inicial, es al menos 25% de la dimensión de la región (20) de fusión.

2. Un artículo según la reivindicación 1, en el que la superficie (14) de emparejamiento de la primera pieza (10) a soldar tiene una ondulación u onda a lo largo de su longitud que tiene una amplitud (pico a sima) menor que 800% de la región (20) de fusión.

3. Un artículo según la reivindicación 1, en el que cada una de dicha primera (10) y segunda (12) piezas a soldar termoplásticas comprende un polímero termoplástico seleccionado del grupo que consta de poliamidas, poliésteres, policarbonatos, polisulfonas, poliimidas, poliuretanos, poliéteres, poliolefinas, polímeros vinílicos, y sus mezclas.

4. Un artículo según la reivindicación 1, en el que antes de la soldadura, el área de sección transversal del espacio definido por una línea entre los bordes superiores de las proyecciones (18) rectangulares y la superficie del material entre ellas es al menos alrededor de 15% del producto del grosor de la primera pieza (10) a soldar y la dimensión de la región (20) de fusión.

5. Un artículo según la reivindicación 1, en el que la fibra comprende un material que tiene un punto de fusión al menos 50ºC superior que el polímero termoplástico al que refuerza.

6. Un artículo según la reivindicación 1, en el que cada una de dichas primera y segunda piezas (10, 12) a soldar está compuesto de un termoplástico reforzado con fibra.

7. Un método para soldar una primera pieza (10) a soldar termoplástica y una segunda pieza (12) a soldar termoplástica, estando dichas piezas a soldar en una relación apilada, yuxtapuesta, y comprimidas juntas bajo una presión de sujeción compresora, teniendo cada una de dichas piezas a soldar una superficie (14, 16) de emparejamiento, en el que dicho método comprende las etapas de:

a.: mover la primera pieza (10) a soldar con relación a la segunda pieza (12) a soldar en un plano paralelo a su superficie de contacto suficientemente para calentar por fricción la superficie de contacto y fundir las superficies interfaciales de la primera y segunda piezas a soldar para crear una región (20) de fusión;

b.: proporcionar un medio de restricción para restringir el flujo lateral de material fundido fuera del espacio entre dichas superficies interfaciales, siendo dicho medio de restricción una proyección (18) sustancialmente rectangular a lo largo de cada borde lateral de dicha primera pieza a soldar, teniendo dichas proyecciones un grosor entre 5% y 35% del grosor de dicha primera pieza a soldar, y una altura, con relación al punto más bajo en la superficie (14) de emparejamiento inicial, de al menos 25% de la dimensión de la región (20) de fusión, siendo dicha superficie (16) de emparejamiento de dicha segunda pieza (12) a soldar sustancialmente plana;

c.: retener una piscina de masa fundida de profundidad sustancial entre las piezas (10, 12) a soldar desde el comienzo de la fusión hasta el inicio de la solidificación; y

d.: en el que al menos una de dichas primera y segunda piezas (10, 12) a soldar comprende un termoplástico reforzado con fibra.

8. Un método según la reivindicación 7, en el que, antes de la soldadura, el área de sección transversal del espacio definido por una línea entre los bordes superiores de las proyecciones (18) rectangulares y las superficies del material entre ellas es al menos alrededor de 15% del producto del grosor de la primera pieza (10) a soldar y la dimensión de la región (20) de fusión.

9. Un método según la reivindicación 7, en el que el movimiento relativo entre la primera y segunda piezas (10, 12) a soldar es un movimiento vibratorio lineal.

10. Un método según la reivindicación 7, en el que el movimiento relativo entre la primera y segunda piezas (10, 12) a soldar es un movimiento orbital.

11. Un método según la reivindicación 7, en el que el movimiento relativo entre la primera y segunda piezas (10, 12) a soldar es un movimiento rotacional.

12. Un método según la reivindicación 7, en el que cada una de dichas piezas (10, 12) a soldar termoplásticas comprende un polímero termoplástico seleccionado del grupo que consta de poliamidas, poliésteres, policarbonatos, polisulfonas, poliimidas, poliuretanos, poliéteres, poliolefinas, polímeros vinílicos, y sus mezclas.

13. Un método según la reivindicación 11, en el que cada una de dichas piezas (10, 12) a soldar termoplásticas comprende una poliamida.

14. Un método según la reivindicación 7, en el que cada una de dichas primera y segunda piezas (10, 12) a soldar comprende un termoplástico reforzado con fibra.