Le soudage par ultrasons (USW) est un procédé de soudage à l'état solide dans lequel deux composants sont assemblés en appliquant des contraintes de cisaillement oscillatoires à haute fréquence tout en étant soumis à une force de serrage modeste. Cette procédure, fréquemment utilisée dans le soudage par recouvrement (comme le montre la figure ci-dessous), brise les revêtements de surface et permet un contact étroit entre les composants, formant ainsi une liaison métallurgique solide. La chaleur est produite à l'interface par friction et déformation plastique, mais les températures restent bien en dessous du point de fusion, éliminant ainsi le besoin de gaz de protection, de flux ou de métaux d'apport.
Chez USW, une sonotrode fixée à un transducteur ultrasonique transmet le mouvement oscillatoire à la pièce supérieure. Cet appareil transforme l'énergie électrique en mouvement vibratoire à haute fréquence, avec des amplitudes de 0.018 à 0.13 mm (0.0007 à 0.005 pouces) et une plage de fréquences allant généralement de 15 à 75 kHz. Les surfaces ne sont pas déformées plastiquement de manière significative puisque les pressions de serrage utilisées sont nettement inférieures à celles du soudage à froid. Les temps de soudage sont généralement inférieurs à une seconde.
Le cuivre et l’aluminium font partie des matériaux les plus souples sur lesquels le soudage par ultrasons fonctionne le mieux. Les matériaux plus durs érodent la sonotrode plus rapidement. Les meilleures pièces sont petites, généralement inférieures à 3 mm (1/8 pouce) d'épaisseur de soudure. La soudure n’est pas nécessaire lors de l’utilisation de cette technologie pour les terminaisons de fils et l’épissage dans les secteurs électrique et électronique. De plus, il est utilisé dans le soudage de tubes de panneaux solaires sur des tôles, l'assemblage de petites pièces et l'assemblage de panneaux en tôle d'aluminium.
Processus de soudage
Ce qui suit décrit le fonctionnement général du processus de soudage par ultrasons :
-Préparation du matériau : placez les composants en plastique sur la pile de soudage de la machine dans une configuration de joint à recouvrement.
-Production d'électricité haute fréquence : L'électricité standard (50-60 Hz) est transformée en électricité haute fréquence (20-40 kHz) par le générateur.
-Conversion en ultrasons : les vibrations sont amplifiées par le booster après que le transducteur convertit l'électricité haute fréquence en ondes ultrasoniques.
-Soudage : Des vibrations ultrasoniques sont dirigées sur les pièces assemblées par le cornet de soudage, également appelé sonotrode. La presse est utilisée par l'opérateur pour fournir une pression. L'opérateur extrait les composants soudés et rétracte le cornet après le soudage.
Composants de machines à souder par ultrasons
Les machines de soudage par ultrasons sont constituées de différentes pièces ayant chacune une fonction spécifique. Voici quelques pièces clés que l’on retrouve dans tous les types de machines de soudage par ultrasons :
Génératrice
Le générateur convertit l'énergie électrique en haute fréquence et en tension requises à une fréquence de résonance. Un microprocesseur qui gère le cycle de soudage et permet la communication essentielle via l'interface utilisateur en fait également partie.
Presse de machine
La presse mécanique sécurise l’ensemble soudé et applique la force nécessaire au maintien du joint. Il est équipé d'un manomètre et d'un régulateur, permettant à l'opérateur d'ajuster la force appliquée au système.
Pile de soudage
Le transducteur, le booster et le cornet de soudage font tous partie de la pile de soudage et sont fixés à la presse au milieu du booster. Les vibrations ultrasonores sont produites par cet ensemble, et afin de garantir d'excellentes soudures, leur fréquence doit correspondre presque à celle du générateur.
Transducteur
Un transducteur, parfois appelé convertisseur, convertit l'énergie électrique à haute fréquence en vibrations mécaniques. Il est constitué de nombreux disques piézoélectriques en céramique pris en sandwich entre deux blocs de titane. De plus, une fine électrode en métal est positionnée entre les disques piézoélectriques.
Intermediaire
Le booster a deux objectifs principaux. Il transmet les vibrations au cornet de soudage après les avoir amplifiées par contraction et expansion. Il sert également de base pour la pile de soudage sur la presse à souder.
Corne de soudage
Un cornet de soudage, généralement en aluminium ou en titane, transmet les vibrations à la pièce soudée. Bien que l’aluminium fonctionne bien dans les applications à faible volume, il s’use rapidement. Afin de contrer cela, la majorité des cornes de soudage comprennent des pointes durcies, qui améliorent les performances et la longévité en cas d'utilisation intensive.
Outillage de soutien
L'outillage de support sert de base à la machine en soutenant son composant inférieur pendant le soudage. Afin d'assurer stabilité et précision, il est conçu pour s'adapter aux courbes des pièces.
Paramètres de soudage
Le soudage par ultrasons est une méthode très efficace pour assembler des matériaux, généralement des métaux ou des polymères, en utilisant des vibrations à haute fréquence. La force appliquée perpendiculairement à la direction de la vibration, l’amplitude de la vibration et la durée de la vibration sont les trois principaux facteurs technologiques qui affectent l’efficacité et la qualité du soudage par ultrasons. Comprendre et gérer ces variables est essentiel pour obtenir des soudures idéales.
Durée des vibrations
Le temps pendant lequel les vibrations ultrasonores sont appliquées aux matériaux à connecter est appelé durée de vibration ou temps de soudage. Cette durée est généralement inférieure à une seconde pour la majorité des opérations de soudage. Néanmoins, si une soudure nécessite plus d'énergie, il faut augmenter la longueur de vibration tout en conservant les mêmes valeurs pour les autres paramètres. La formule suivante détermine l'énergie nécessaire pour un cycle de soudage :
où �� est l'énergie en joules, �� est la puissance en watts, F est la force en newtons, �� est l'amplitude en micromètres, �� est la fréquence en hertz et Δ�� est le temps de cycle en secondes .
Amplitude de vibration
L'amplitude des vibrations ultrasoniques, qui varie entre 5 et 35 micromètres, permet de mesurer l'extension et la contraction longitudinales de l'outil de soudage. Cette amplitude est importante car elle correspond à la distance de frottement de la surface de soudage. Il faut moins de temps pour introduire la même quantité d'énergie lorsque l'amplitude est augmentée car il faut plus de puissance pour maintenir la vibration. Le profilage d'amplitude ou le pas, comme on l'appelle, est rendu possible par l'équipement ultrasonique de pointe pendant le cycle de soudage. Comme il renforce la liaison et évite le coincement de l'outil, cette méthode est très utile pour souder des alliages comme l'aluminium.
Force perpendiculaire à la direction de la vibration
Un facteur clé dans le processus de soudage par ultrasons est la force appliquée perpendiculairement à la direction de vibration. La contrainte mécanique requise sur la zone de soudage est créée par cette force produite par un vérin pneumatique. Ce qui suit décrit les critères de performance pour la création et le maintien des vibrations :
où Smh est la surface de la section transversale du vérin pneumatique en mètres carrés, pℓ est la pression de l'air comprimé en pascals et η est le rendement mécanique. À mesure que la pression augmente, la charge mécanique augmente, nécessitant plus de puissance pour maintenir la vibration.
Variantes de processus
Dans le soudage par ultrasons par points, le mouvement oscillant est transmis des inserts superposés aux matériaux plus fins (allant de 0.005 à 3 mm). La sonotrode, en appliquant une force pour comprimer les pièces, crée une liaison soudée qui vibre avec la pièce. Il est essentiel qu'il y ait un mouvement relatif entre les pièces, et non entre la sonotrode et la pièce supérieure. Cette méthode permet de connecter des tôles ou des fils de différentes qualités de matériaux. Le soudage par ultrasons, une forme de soudage par points continu, produit des joints soudés entre des tôles minces superposées positionnées entre la sonotrode et l'enclume. Pendant le processus, trois unités de vibration fournissent un mouvement alternatif autour de l'axe de la sonotrode tubulaire, formant une couture de taille et de forme uniformes avec sa surface avant tubulaire.
Types de soudage par ultrasons
Les métaux et les polymères, qui présentent des compatibilités de matériaux différentes, sont fréquemment assemblés par soudage par ultrasons.
Soudure plastique par ultrasons : pour les thermoplastiques comme le polyester, l'ABS et le polycarbonate, la soudure plastique par ultrasons est la meilleure méthode. Des propriétés comme la dureté et la teneur en humidité doivent être prises en compte. Mais elle n'est pas adaptée aux polymères plastiques comme le polyamide et le PVC.
Soudage des métaux par ultrasons : Cette technique est efficace pour assembler des métaux, notamment des alliages de cuivre, d'argent, de laiton, de nickel, d'or et d'aluminium. Cette méthode fonctionne mieux avec des métaux fins et de petit diamètre, ce qui la rend idéale pour les utilisations sensibles.
Avantages du soudage par ultrasons
Étant donné que le soudage par ultrasons utilise des techniques de chauffage indirect, il améliore l'esthétique sans sacrifier la fonctionnalité, ce qui le distingue des méthodes conventionnelles de soudage de tôles et de non-soudage. Voici ses principaux avantages :
Vitesse : les vibrations ultrasoniques à haute fréquence produites par le soudage par ultrasons soudent rapidement les pièces appropriées, garantissant un processus de production rapide. Des délais d'exécution courts et un débit élevé en sont le résultat.
Niveau élevé de sécurité : moins de risques opérationnels sont créés par l'application de chaleur indirecte. Les connexions soudées et les matériaux environnants sont protégés des dommages grâce à la dissipation localisée et rapide de la chaleur générée.
Fiabilité : Les machines sont fiables et présentent peu de dysfonctionnements et de pannes. L'automatisation minimise davantage les erreurs opérationnelles et humaines, réduit les dépenses d'exploitation et améliore la qualité des joints soudés.
Convient aux matériaux différents : Un autre aspect important du soudage du plastique est que cette procédure fonctionne bien pour assembler des matériaux disparates. Lors de l'assemblage de plastiques différents, le soudage par ultrasons ne nécessite pas le développement de liaisons moléculaires, contrairement à d'autres techniques de soudage des plastiques.
Inconvénients du soudage par ultrasons
Le soudage par ultrasons présente un certain nombre d'inconvénients. Il est tout d'abord inapproprié pour les plastiques durs et humides. Cette méthode pose des problèmes avec les thermoplastiques à forte teneur en humidité et les polymères résistants comme le polypropylène. De plus, la portée limitée du transducteur de 100 à 150 mm signifie qu'il est incapable de souder des pièces avec des joints supérieurs à 150 mm. La taille des pièces est une autre contrainte. Le fait que la fusion de matériaux épais nécessite beaucoup d'énergie rend également cette méthode problématique.
Le coût initial élevé est un autre inconvénient majeur. Pour les entreprises, les équipements de soudage par ultrasons nécessitent un investissement financier important en raison de leur coût élevé, qui augmente avec l'automatisation. De plus, cette méthode est limitée aux joints à recouvrement, qui sont formés de sections qui se chevauchent sur une surface plane. D'autres types de joints, tels que les joints d'angle, bout à bout, en T et de bord, ne doivent pas l'utiliser. Lorsque vous décidez si le soudage par ultrasons est la meilleure technique pour votre application, gardez à l'esprit que ces inconvénients limitent sa polyvalence par rapport aux autres techniques de soudage.
Applications du soudage par ultrasons
Le soudage par ultrasons est une technique précieuse qui trouve des applications dans un large éventail d'industries, notamment dans la fabrication de biens de consommation et industriels. Il est utilisé pour fabriquer des fournitures médicales essentielles comme des filtres d'anesthésie, des filtres à sang et à gaz et des masques faciaux. Cette méthode est parfaite pour les dispositifs médicaux car elle garantit des joints peu coûteux et de haute qualité dans des pièces composées de différents polymères médicaux, comme l'ABS et le polyéthylène.
Pour créer des composants tels que des tableaux de bord, des panneaux de porte et des volants, l'industrie automobile utilise le soudage par ultrasons pour fusionner le plastique. En plus de ses faibles coûts d'investissement, de son automatisation, de ses temps de cycle rapides et de sa flexibilité, le processus est préféré car il utilise une chaleur indirecte, qui n'endommage pas la pièce.
En raison de sa précision, de sa rapidité et de la qualité de ses joints, le soudage par ultrasons aide également le secteur aéronautique.
De la même manière, le secteur de l’électronique utilise le soudage par ultrasons pour assembler les fils et assembler les moteurs électriques, les condensateurs, les supports de stockage et les circuits délicats. En raison de sa précision et de sa fiabilité, il est parfait pour créer des composants électriques minuscules et complexes.
Références
Groover, MP, 2010. Fondamentaux de la fabrication moderne : matériaux, processus et systèmes. 4e éd. Hoboken, New Jersey : John Wiley & Sons, Inc.
