La gente tiembla cuando tiene miedo o frío. Los músculos intentan calentarse. En el primer caso, para estar preparados para un ataque -o para escapar, si la persona es astuta-. En el caso del frío, en cambio, el cuerpo quiere proteger los órganos vitales de una bajada de temperatura. Curiosamente, existe un método de soldadura que también utiliza el escalofrío. Sin embargo, oscila más rápido de lo que pueden hacerlo los humanos o el álamo temblón.
Fig. 1: Populus tremula - el álamo temblón; ilustración histórica de una enciclopedia florística de 1885 [3]En cuanto a las hojas del álamo temblón: como sugiere la palabra, no es el árbol el que tiembla, sino sus hojas, que crecen en tallos largos y bastante delgados y, por tanto, se tambalean a la menor brisa, lo que Hieronymus Bosch [2] representó de forma muy eficaz en algunos de sus cuadros.
De todos los muchos métodos de soldadura, sólo uno hace uso del temblor. La soldadura por ultrasonidos [4] tiene la ventaja particular de no necesitar fundente y, por lo tanto -siempre que no se introduzcan otras impurezas-, no requiere limpieza tras el proceso de soldadura.
Esta tecnología también ha abierto aplicaciones completamente nuevas que no eran viables con los métodos térmicos tradicionales. El vidrio y la cerámica también pueden soldarse, y el acero inoxidable y el aluminio, que antes requerían fundentes muy corrosivos, ahora pueden unirse sin ácido.
El desarrollo se remonta a la década de 1960. El primer soldador ultrasónico apareció en Alemania en 1936 (patente de 1939). Gracias a la electrónica moderna, el método ha mejorado enormemente. Esto se debe principalmente a la generación de ondas ultrasónicas, que ha experimentado un gran progreso desde Paul Langevin [5] gracias al descubrimiento de la piezoelectricidad (1880) por Jacques [6] y Pierre Curie [7], que también ha tenido un gran impacto en las muy diversas aplicaciones.
Hoy en día se utilizan principalmente cristales piezoeléctricos. Estos osciladores son estimulados a oscilar por tensiones aplicadas, pero en función del material y de las dimensiones, proporcionan una frecuencia de resonancia y una amplitud de oscilación determinadas. Por este motivo, se selecciona un transductor adecuado para cada aplicación específica.
Extensas investigaciones han demostrado que los resultados pueden optimizarse de este modo. La eficacia y la calidad de la soldadura dependen, por tanto, de la frecuencia y la amplitud de las vibraciones generadas. Como esto no tiene sentido para todas las soldaduras en producción, se hacen generalizaciones y todo se agrupa (en gran medida). Como no hay fundente, la soldadura se realiza al vacío o con gas inerte.
En la soldadura -a diferencia de la soldadura- siempre se utiliza una aleación adicional, la "soldadura". Esto permite trabajar con el soldador adecuado (o un crisol de soldadura). Con la aparición de las llamadas soldaduras activas [8], todo el ámbito de la soldadura se ha ampliado para incluir vidrio, cerámica e incluso diamantes.
Fig. 2: Dispositivo ultrasónicoEl sonidose propaga de forma diferente en gases, líquidos y sólidos, lo que también se aplica a los ultrasonidos. Mientras que los ultrasonidos se atenúan mucho en el aire, el sonido se propaga con poca atenuación en los líquidos, lo que resulta útil en la soldadura, ya que hay que fundir la soldadura para formar la unión.
Sin embargo, no es de extrañar que los procesos fisicoquímicos de la soldadura de metales y de vidrio o cerámica sean diferentes.
Los metales difíciles de soldar, como el aluminio y el acero inoxidable, tienen una capa de óxido fuerte y resistente, que se combatía con fundentes excepcionalmente fuertes en la soldadura tradicional. La soldadura ultrasónica utiliza un efecto que se produce en los líquidos cuando se "sobrecargan". Las diferencias de presión provocan la formación de burbujas diminutas, lo que en otras zonas (hélices de barco) se conoce como cavitación [9]. Estas burbujas se producen en gran número, se vuelven críticas y se colapsan. Como resultado, se liberan localmente energías impresionantes en 50 milésimas de segundo que, de forma muy agradable, hacen volar las partículas de óxido.
Esto despeja el camino para que la soldadura se adhiera al metal.
Fig. 3: Principio de la soldadura por ultrasonidos
Fig. 4: SiO2 como vidrio: vidrio de cuarzo (Wiki)
Fig. 5: Soldadura en una placa de vidrio (modelo)Se utilizan soldadores con una doble función: calientan y funden la soldadura y, al mismo tiempo, conducen ondas sonoras (20-60 kHz) al metal ahora líquido. Dado que los picos pueden alcanzar los 450 °C, el cristal piezoeléctrico debe aislarse térmicamente, ya que de lo contrario este elemento esencial sufre y su rendimiento disminuye.
Además de la ventaja de no tener que utilizar fundente, los usuarios también han observado que las juntas de soldadura presentan pocos o ningún orificio de soplado. El uso de ultrasonidos para desgasificar líquidos es bien conocido. Además, la energía de vibración aparentemente fuerza a la soldadura líquida a penetrar en huecos estrechos e incluso microporos del sustrato, lo que es deseable en juntas para aplicaciones de alto vacío. Por cierto, esto también aumenta la superficie que se humedece con la soldadura, un efecto que no debe pasarse por alto, especialmente con juntas de soldadura muy pequeñas.
El vidrio y el aluminio son materiales oxidados y, por tanto, no pueden humedecerse con las reacciones de soldadura por ultrasonidos explicadas anteriormente. Sin embargo, como sigue funcionando, debe haber otro principio detrás.
No parece que se conozca con exactitud, pero se supone que la unión se crea utilizando oxígeno. Las burbujas de cavitación se colapsan y liberan oxígeno (O2), así como calor. Algunos de los componentes de la soldadura, a menudo añadidos deliberadamente, tienen una gran afinidad por el oxígeno y éstos -según el modelo- forman un enlace con la superficie del vidrio o la cerámica mediante una reacción química.
El número de compuestos químicos mencionados en las distintas publicaciones varía enormemente y depende en parte de los aditivos de las soldaduras. No obstante, el campo de aplicación de la soldadura por ultrasonidos se amplía constantemente.
Un ejemplo que se menciona repetidamente es la soldadura de paneles de vidrio para colectores solares: los electrodos se sueldan a módulos solares fotovoltaicos mediante ultrasonidos.
Sin embargo, aún está por ver si este método de soldadura es recomendable para ensamblajes, ya que el uso de ultrasonidos en sistemas de lavado ya ha sido desacreditado porque los componentes "sensibles" -algunos dicen que de calidad inferior- resultaban dañados por las vibraciones naturales; al menos esa era la afirmación.
Sobre la persona
El profesor Rahn es un consultor activo en todo el mundo en temas de tecnología de conexión. Su libro "Special Reflow Processes" ha sido publicado por Leuze Verlag. Puede ponerse en contacto con él en 
Bibliografía
Joshua Caleb Wilson: Wetting Analysis of the Ultrasonic-Assisted Soldering Process (tesis de máster), Clemson University, Carolina del Sur (EE. UU.) 2020
Somayeh Gheybi Hashemabad et al.: Flux-less direct soldering of aluminium by ultrasonic surface activation, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 233, 2016
Priyanka Tripathi et al.: Ultrasonics: Past, Present & Future, International Journal of Engineering Development and Research, Vol. 7, Issue 3, 2019
Keitaro Kago et al.: Novel Ultrasonic Soldering Technique for Lead-Free Solders, Materials Transactions, Vol. 45, No. 3, 2004
Jennifer Shaffer Brown et al.: Failure modes and bonding strength of ultrasonically-soldered glass joints, Journal of Materials Processing Technology 299, 2022
Felix Weber and Markus Rettenmayr: Joining of SiO2 glass and 316L stainless steel using Bi-Ag-based active solders, Journal of Material Science, Volume 56, 2021
Fuentes de imágenes
www.mbr-gmbh.com
www.cheersonic.com
www.japanunix.com
Referencias
[1] Por ejemplo, en "Meier Helmbrecht" de Wernher der Gartenaere (autor bávaro o austriaco de mediados del siglo XIII). También hay que tener en cuenta que el álamo temblón se debe a que proporcionó la madera para la cruz de Cristo y a que se dice que Judas se colgó de un álamo temblón, un bosque verdaderamente trágico.
[2] Hieronymus Bosch (nacido Jheronimus van Aken hacia 1450-1516), pintor holandés de finales del Gótico y el Renacimiento.
[3] Prof. Dr. Otto Wilhelm Thomé Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz 1885, Gera, Alemania
[4] Frecuencias de 20 kHz a 10 GHz
[5] Paul Langevin (1872-1946), físico francés
[6] Jacques Curie (1855-1941), físico francés
[7] Pierre Curie (1859- 1906), físico francés
[8] Las soldaduras activas consiguen la humectabilidad añadiéndoles componentes activos como el titanio, el circonio o el hafnio.
[9] https://de.wikipedia.org/wiki/Kavitation
