Unir cables a piezas metálicas pequeñas

Desde principios de la década de 1980, los ultrasonidos se han utilizado para empalmar cables y soldar cables a conectores y terminales metálicos. Foto cortesía de Emerson, que muestra la tecnología de soldadura de metales de Branson Ultrasonics

La soldadura ultrasónica empalma eficazmente alambre trenzado (superior) y estañado. Foto cortesía de Sonobond Ultrasonics Inc.

La soldadora SPG 2600 suelda por ultrasonidos haces de cables de hasta 20 milímetros cuadrados en un solo terminal. Foto cortesía de Sonobond Ultrasonics Inc.

Cuando una persona promedio abre un refrigerador y toma una lata o botella de refresco demasiado caliente, su reacción inicial es de decepción. Pero, si esa persona es ensambladora de arneses para este tipo de electrodoméstico, su pensamiento inicial es: Revisar el mazo de cables del ventilador del evaporador. Mientras lo inspecciona en busca de desgaste y daños, también aprenderá si los cables fueron soldados o soldados a los conectores, y qué tan bien se realizó cualquiera de los procesos.

Lo más probable es que vea que los cables están soldados por ultrasonidos. Los fabricantes de arneses que atienden al mercado de electrodomésticos prefieren cada vez más esta tecnología porque produce conexiones confiables con alta conductividad.

Esto no quiere decir que todos los fabricantes de arneses hayan hecho el cambio a la soldadura ultrasónica. Muchos todavía prefieren la soldadura por resistencia y la soldadura fuerte. El primero es económico y capaz de unir materiales similares y diferentes, mientras que el segundo sigue siendo popular para terminar cables estañados y para producción de bajo volumen.

Lo que los fabricantes saben con certeza es que los tres métodos son eficaces para unir cables a piezas metálicas, así como para unir dos o más cables. También saben que comprender plenamente todos los pros y los contras de cada tecnología es esencial para seleccionar el mejor proceso de unión para una aplicación.

Desde principios de la década de 1980, los ultrasonidos se han utilizado para empalmar cables y soldar cables a conectores y terminales metálicos. El proceso implica hacer vibrar hilos de alambre juntos bajo presión a una frecuencia de 15 a 40 kilohercios. La energía vibratoria dispersa los óxidos de la superficie para crear una irritación en los hilos y formar una unión metalúrgica de estado sólido.

“El proceso ultrasónico proporciona una soldadura de baja resistencia”, señala Joe Stacy, empleado de Emerson como gerente nacional de ventas de Branson Ultrasonics Metal Welding, América. "Y una soldadura de baja resistencia permite el uso de cables más pequeños, lo que ahorra dinero y espacio a los fabricantes".

Normalmente, los materiales conductores como el aluminio, el níquel, la plata, el cobre y el oro se sueldan por ultrasonidos. El proceso consume aproximadamente un 80 por ciento menos de energía que la soldadura por resistencia y no requiere refrigeración por agua. Y, a diferencia de la soldadura, la soldadura ultrasónica no requiere fundente ni materiales de relleno.

El sistema 2032S de Branson produce empalmes de cables de alta calidad en un área de sección transversal de 0,7 a 40 milímetros cuadrados. Equipado con una fuente de alimentación Versagraphic, el sistema ajusta automática e instantáneamente los parámetros de empalme, incluidos el ancho, la presión, la amplitud y la energía. Los operadores pueden programar un número preestablecido de empalmes en secuencia para una eficiencia de producción óptima. Otras características estándar incluyen un yunque retráctil (para maximizar el área de carga del cable), una herramienta de recolección (para retirar fácilmente el empalme) y aire de enfriamiento para aumentar la vida útil de la herramienta en entornos de alta producción.

"Independientemente de las industrias a las que prestan servicios, los fabricantes de arneses necesitan soldadores que sean confiables y rentables las 24 horas del día, los 7 días de la semana", dice Stacy. "La soldadura ultrasónica es siempre rentable y esta es una de las principales razones de su creciente popularidad".

Janet Devine, presidenta de Sonobond Ultrasonics Inc., dice que la evolución de la tecnología de las máquinas también ayuda a que la soldadura ultrasónica mantenga sus ventajas económicas y de eficiencia sobre otros métodos de unión. Los transductores piezoeléctricos cerámicos, por ejemplo, pueden funcionar eficientemente a alto voltaje y alta temperatura (hasta 300 C). Además, la fuente de alimentación y la electrónica ofrecen precisión y control digitales.

La soldadora SPG (tierra de un solo punto) 2600 de Sonobond suelda ultrasónicamente haces de cables de hasta 20 milímetros cuadrados (18 cables como máximo) a un solo terminal. La unidad controlada por microprocesador realiza la soldadura en un solo pulso antes de plegar automáticamente los brazos terminales para aliviar la tensión en la unión. Maneja cables estándar y ligeramente estañados u oxidados.

Devine dice que la soldadora cuenta con un sistema patentado Wedge-Reed en lugar de un sistema de accionamiento lateral. El primero combina una baja amplitud vibratoria con una alta fuerza vibratoria dirigida en modo de corte paralelo a la interfaz de los materiales que se están soldando. Esto produce una coincidencia de impedancia mucho mejor con una pieza soldada de metal, que es de seis a nueve veces más densa que los plásticos.

A pesar de los numerosos beneficios, la soldadura ultrasónica tiene algunas limitaciones. Para empezar, el proceso lleva más tiempo que el engarzado (unos 2 segundos) y el equipo es relativamente caro (entre 35.000 y 70.000 dólares). No se puede utilizar con estañado, haces de cables de menos de 1 milímetro cuadrado, cables individuales delgados (36 AWG y superiores) o aquellos con un alto número de hilos. Además, debido a que el proceso requiere una superposición, no siempre es posible realizar uniones a tope.

Al igual que la soldadura ultrasónica, la soldadura por resistencia tiene un largo historial de unión rápida y rentable de cables a piezas metálicas pequeñas. En lo que difieren es en que la soldadura por resistencia es más adecuada para materiales menos conductores como el níquel y el acero inoxidable. El proceso se utilizaría, por ejemplo, si el terminal es de latón estañado.

En la soldadura por resistencia, se inserta un cable en un orificio u otro tipo de diseño de terminal autofijado. Luego, el cable y la otra parte se juntan mientras se pasa brevemente una corriente eléctrica a través de ellos. La resistencia a la corriente genera el calor para soldar, tanto dentro como entre la pieza y el cable. Cuando la corriente se detiene, los electrodos continúan manteniendo unidas las piezas para formar una soldadura.

La soldadura por resistencia se utiliza normalmente para empalmar y compactar cables de cobre trenzados. El proceso ocurre en un plazo de 2 a 50 milisegundos, dependiendo del tamaño del cable (50 a 10 AWG). Sus otros beneficios son la eficiencia energética, soldaduras limpias y una zona mínima afectada por el calor, donde el calor de la soldadura apenas altera el material en la soldadura o cerca de ella.

En el lado negativo, el calor generado durante la soldadura por resistencia puede recocer el alambre, lo que puede reducir la resistencia a la tracción de los hilos del alambre adyacentes a la soldadura. El desgaste de los electrodos también es elevado debido a la densidad de corriente.

"La clave para soldar por resistencia con éxito alambre de cobre trenzado a diferentes tipos de terminales es evitar que se extienda durante la soldadura", explica David Steinmeier, fundador y presidente de microJoining Solutions (mJS), una empresa consultora. Desde 1998, mJS se ha especializado en el desarrollo, optimización y validación de procesos de soldadura por láser y por resistencia. "Todos los hilos de alambre que se extienden más allá de la unión pueden provocar un cortocircuito en los conectores cercanos".

Steinmeier ofrece cuatro métodos para capturar estos hilos. La primera es la solidificación eléctrica, que implica solidificar el cable trenzado en un bloque de cobre sólido pasando una corriente eléctrica alta a través del bloque a través de electrodos de tungsteno superior e inferior. La fuerza sobre el electrodo superior ayuda a comprimir y solidificar el cable trenzado. Luego, el bloque sólido se suelda al terminal.

Otra opción es hacer una ranura en forma de V o un arco de medio diámetro en la punta del electrodo y luego colocar los hilos dentro de esta área durante la soldadura. Es posible que este método no capture y suelde todos los hilos, además presenta el desafío de limpiar y mantener la punta, y la posibilidad de que el electrodo superior haga un cortocircuito contra el inferior y termine el proceso de soldadura.

El método de aislamiento de cola de cerdo implica separar, pero no quitar, el aislamiento del cable (para reducir la extensión del cable durante la soldadura) y poner en contacto los hilos del cable expuestos con un electrodo superior plano rectangular. Una última opción es diseñar su dispositivo con postes guía o pasadores de retención que sujeten el cable trenzado sobre el terminal y eviten que los hilos se extiendan durante la soldadura. Este diseño puede acomodar uno o más terminales.

“El alambre de aluminio se puede soldar por resistencia, pero es un desafío”, señala Marty Mewborne, gerente de ingeniería de ventas de Amada Miyachi America. "El problema es que la capa superior se oxida y el cable se debilita rápidamente".

Para superar el problema, Mewborne recomienda que los fabricantes de arneses utilicen terminales de cobre con un revestimiento de aluminio en el extremo. Estos terminales permiten una soldadura de aluminio a aluminio.

Durante décadas, los fabricantes europeos de motores eléctricos Bosch, Siemens y Volkswagen utilizaron máquinas o productos químicos para quitar la capa de esmalte de los extremos de los cables magnéticos antes de engarzarlos en terminales o manguitos de anillo de cobre. Strunk Connect GmbH & Co. KG cambió todo eso en 2010 con la introducción del prensado en caliente, una tecnología que vaporiza el aislamiento durante el prensado del cable y del terminal o manguito. Además de aumentar la productividad de los fabricantes, la tecnología mejora la resistencia de la soldadura al minimizar la tensión sobre el cobre en el cable y el terminal.

De manera similar a la soldadura por resistencia, el prensado en caliente se basa en el calor generado por la resistencia eléctrica del material que se está soldando y la fuerza utilizada para mantener unidos los materiales durante la soldadura. A diferencia de la soldadura por resistencia, el prensado en caliente utiliza cabezales de soldadura especialmente diseñados que unen el cable al terminal con una resistencia de contacto casi nula.

Heinz Bockard, director general de Strunk Connect, afirma que la tecnología puede unir cables magnéticos estándar y de alta frecuencia (corriente superior a 10 kilohercios) y cables de cobre sin aislamiento. El alambre magnético está hecho de cobre o aluminio y recubierto con una capa muy fina de esmalte o aislamiento de polímero. El prensado en caliente puede soldar diámetros de alambre desde 30 AWG hasta 300 MCM (300 000 mils circulares).

En una máquina de sobremesa semiautomática, un trabajador coloca la bobina enrollada con alambre magnético en la máquina, inserta los extremos abiertos del alambre en el terminal y activa el ciclo de soldadura. En milisegundos, los cabezales de soldadura liberan suficiente corriente para producir una temperatura de aproximadamente 700 C en el terminal, vaporizando el aislamiento y soldando los extremos del cable entre sí y con el terminal. Durante los siguientes segundos, el terminal se enfría a 100 C y luego a 45 C antes de retirarlo manualmente de la máquina.

Los sistemas semiautomáticos tienen una pequeña plataforma que mueve el componente dentro y fuera de la máquina prensadora en caliente. El trabajador inserta los extremos del cable en el terminal, activa la máquina y retira el componente del palé después de que se enfríe. Los sistemas totalmente automatizados también automatizan la inserción de los extremos de los cables en el terminal antes de soldar.

Los ensambladores han utilizado la soldadura para soldar y empalmar cables durante más de un siglo, lo cual es relativamente nuevo para una tecnología que existe desde el año 3000 a.C. Soldar es el proceso de unir dos piezas de metal con un metal de aportación (soldadura) que tiene un punto de fusión (aproximadamente 200 C) inferior al de la pieza de trabajo.

Debido a que se realiza principalmente de forma manual, la soldadura es más adecuada para producciones de bajo volumen. Sin embargo, en algunas aplicaciones de gran volumen, la soldadura manual es inevitable. Los ejemplos incluyen conectar cables a un dispositivo especial donde un empalme es imposible, o soldar un cable coaxial de alta gama a un conector.

El proceso tiene varias ventajas y desventajas. En el lado positivo, la soldadura ofrece durabilidad, resistencia a la corrosión, equipos relativamente económicos y la flexibilidad de realizar conexiones que se pueden quitar fácilmente, simplificando así la creación de prototipos y el trabajo de campo. Los aspectos negativos incluyen preocupaciones de seguridad (hierros calientes y metal fundido en el piso de producción), fundente corrosivo y la necesidad de extractores para eliminar los vapores del fundente quemado.

"La soldadura rápida de cables a terminales está empezando a aparecer en aplicaciones en las que no es posible aplicar electrodos de soldadura por resistencia a la unión cable-terminal", afirma Steinmeier. "Este método automatizado implica el uso de láseres de diodo y tarda entre 0,1 y 0,25 segundos, en comparación con los aproximadamente 2 segundos de la soldadura manual".

Según Steinmeier, la soldadura rápida está diseñada para terminar o empalmar cables pequeños: de 15 a 125 micrones de ancho (50 a 36 AWG). Utiliza soldadura estándar o sin plomo (punto de fusión de 80 C a 220 C) y se prefiere para aplicaciones que involucran conectores o PCB pequeños y sensibles, como los de dispositivos médicos.

La tecnología también es flexible. Steinmeier dice que se puede utilizar un bolígrafo de aire caliente en lugar de un láser. Los terminales presoldados son otra opción. Después de engarzar el cable en el terminal, se pasa por delante del bolígrafo para que la soldadura se derrita y fluya en su lugar.

Jim es editor senior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.