Tecnología HF
Introducción
El calentamiento por alta frecuencia es un proceso de calentamiento electrotérmico basado en oscilaciones eléctricas de alta frecuencia producidas por circuitos oscilantes asociados a tubos electrónicos termoiónicos. Existen dos tipos de calentamiento por alta frecuencia:
- El calentamiento por inducción con frecuencias de 200 KHz a 5 MHz se reserva para calentar materiales conductores.
- El calentamiento por pérdida dieléctrica (o calentamiento capacitivo) utiliza una frecuencia de 5 MHZ a 100 MHz para calentar materiales eléctricamente aislantes.
El calentamiento por pérdidas dieléctricas se consigue utilizando las pérdidas de calor que se producen en los cuerpos aislantes sometidos a un campo eléctrico alterno de alta frecuencia.
Aunque SIEMENS concibió por primera vez esta tecnología en 1864, no se puso en práctica hasta 1935, tras los trabajos de los Sres. Dufour y Leduc, que la utilizaron para procesar caucho. Desde entonces, la tecnología se ha utilizado para diversas aplicaciones: calentamiento de vidrio, secado de papel, textiles, tabaco, madera, etc.
La principal característica de este proceso es que consigue una temperatura uniforme dentro de la masa calentada, lo que permite que la temperatura aumente rápidamente sin dañar el material.
Como el efecto de calentamiento es proporcional a la resistencia del campo excitador, se utilizan frecuencias muy altas.
En la industria, la tecnología empezó a desempeñar un papel importante con la llegada del PVC.
Para realizar una soldadura, el material se coloca entre dos electrodos (normalmente una herramienta y una contraherramienta) que se someten a una tensión alterna sinusoidal que provoca el calentamiento del material.
En el sector industrial, la ley obliga a utilizar las tres frecuencias asignadas a la industria:
- 13,56 MHz + 0,05
- 27,12 MHz + 0,6%: la que utilizamos en nuestros generadores para la soldadura de alta frecuencia
- 40,68 MHz + 0,05
Cómo funciona la soldadura por pérdida dieléctrica
La soldadura de alta frecuencia (AF) utiliza energía electromagnética de alta frecuencia (27,12 MHz) para generar calor en los materiales. El material a soldar debe ser capaz de convertir el campo eléctrico alterno en calor.
Los materiales se someten a un campo eléctrico alterno de alta frecuencia. Cuando la corriente atraviesa el material, pierde parte de su energía, que se propaga por el material (son las pérdidas dieléctricas o térmicas).
- Si no hay materia, la corriente eléctrica atraviesa el campo sin pérdidas: su intensidad es la misma al principio (A) y al final (B) (figura 0.1).
- Si un material dieléctrico se encuentra en el campo (C), parte de la corriente eléctrica se disipará en el material: su intensidad será mayor antes de atravesar el material (A), y menor después (B) (figura 0.2).
Durante el proceso de pérdida dieléctrica, parte de la energía es absorbida por el material y no se libera, sino que se transforma en calor.
Este proceso se denomina polarización bipolar, que se produce a nivel molecular en los materiales compuestos por moléculas bipolares.
Las moléculas no polares en un campo eléctrico mueven los electrones de modo que se alinean de tal forma que los centros de carga positiva y negativa dejan de coincidir. El fenómeno es instantáneo y no da lugar a la generación de calor por CC. Sin embargo, la polarización dipolar utilizada en la soldadura HF no es instantánea. En presencia de un campo eléctrico alterno, la orientación de los dipolos también es «alterna»: cambian de posición al mismo tiempo que varía la corriente (Figura 2), 27 millones de veces por segundo (27,12 MHz). Como los dipolos intentan alinearse con el campo eléctrico que se alterna rápidamente, la orientación se desfasa. La alineación imperfecta provoca fricción molecular interna y conduce a la generación de calor. El retardo entre los cambios en la dirección del campo eléctrico y los cambios en la polarización dipolar se ilustra en la Fig. 3.
Este principio es el mismo que se utiliza para calentar alimentos en el microondas: el fenómeno de las microondas agita las moléculas de agua, lo que hace que se calienten, calentando así los alimentos.
Una prensa de soldar de alta frecuencia consta de una parte superior móvil y una parte inferior fija, llamada contraherramienta. En la parte móvil está fijado el cabezal de soldadura que soporta las herramientas comúnmente llamadas electrodos de soldadura o plantillas de soldadura.
La cabeza suele estar conectada al generador de HF, pero a veces se conecta la placa inferior dependiendo de la aplicación. Si la placa superior está conectada a HF, la inferior lo estará a masa y viceversa. El utillaje define la forma y las dimensiones de la soldadura.
Los materiales a soldar se colocan entre el electrodo y el mármol, y la prensa aplica presión en la zona de soldadura.
A continuación, se aplica potencia de AF durante un tiempo predefinido, conocido como tiempo de soldadura. Una vez transcurrido el tiempo de soldadura, se sigue aplicando presión a los materiales hasta que la soldadura se solidifica. Esto se denomina tiempo de enfriamiento. A continuación, la prensa se abre y libera el conjunto soldado.
Normalmente, la soldadura HF sólo se utiliza para unir láminas y materiales finos y flexibles. Esto se debe a que es difícil producir un campo eléctrico suficientemente potente y es más difícil fundir el material si la separación entre el electrodo y el mármol es superior a 3 mm.
Ventajas e inconvenientes
La soldadura por HF utiliza un proceso que sólo requiere electricidad y aire comprimido. El proceso de excitación molecular evita la liberación de gases nocivos o el uso de disolventes o adhesivos para soldar, lo que minimiza el riesgo de contaminación y facilita la reciclabilidad de las piezas soldadas. Además, los tiempos de ciclo son bastante cortos (hasta 20 golpes por minuto en los procesos automatizados). El proceso de excitación molecular calienta los materiales que se van a soldar desde dentro hacia fuera (fig. 2.32), evitando así «aporrear» el material y proporcionando la soldadura más autogeneradora de los diversos procesos de soldadura de plásticos.
Las prensas de soldadura de alta frecuencia también pueden utilizarse para la soldadura por corte (fig. 5). Los electrodos pueden fabricarse de forma que permitan separar la pieza soldada del material base, convirtiéndose el material restante en lo que se conoce como «residuo», sin necesidad de una operación de corte secundaria, pero esta operación de soldadura por corte sólo puede realizarse sobre película y no sobre tejido revestido, que requiere un corte mecánico y mucha más presión que las presiones de soldadura convencionales.
También se pueden crear marcas (fig. 5) y pliegues en un producto sin dañar el material. También es posible soldar accesorios como válvulas (figs. 6 y 7) o tubos en cualquier punto de un producto sin soldar los materiales subyacentes, utilizando aisladores. Por último, en determinadas aplicaciones, la soldadura de alta frecuencia puede utilizarse para marcar, repujar o moldear una forma.
La principal desventaja de la soldadura HF es que sólo es adecuada para materiales con una estructura molecular polar. Los materiales no polares pueden soldarse, pero requieren la adición de material polar entre espesores, como en el caso de láminas complejas compuestas por varios materiales diferentes (por ejemplo, PE/EVOH/PE). En algunos casos, hablamos de tiras de relleno que reaccionan a la frecuencia incorrecta y permiten el calentamiento.
Campos de aplicación
La soldadura HF se utiliza habitualmente para sellar láminas finas y películas de PVC plastificado para productos de papelería, como carpetas de bolsillo, fundas de chequeras, tarjeteros y cubiertas de libros. Otro mercado importante es el de los productos hinchables (fig. 7), como balones de playa, colchones hinchables, chalecos salvavidas, bolsas de aire y botes hinchables.
Otras aplicaciones incluyen artículos médicos, como balones gástricos, bolsas de sangre (fig. 4), ropa nuclear desechable, como trajes QBRN (fig. 6), productos ortopédicos, estructuras hinchables, manguitos para la tensión arterial, camas hinchables y cojines (fig. 6). Los blísteres y otros tipos de envases también utilizan soldadura HF.
Por último, la soldadura HF se utiliza mucho en el sector de las lonas para soldar lonas de camión, depósitos de agua (fig. 8), cubiertas de piscina, revestimientos, pérgolas y cubiertas de sombra.
Muchos de nuestros productos se sueldan mediante soldadura de alta frecuencia. Puedes encontrar ejemplos en la sección del sector de nuestro sitio, aquí.
