Soudage par ultrasons

Le soudage par ultrasons utilise des vibrations acoustiques ultrasonores à haute fréquence qui sont appliquées aux pièces jointes qui sont assemblées sous basse pression. Cette méthode de soudage est le plus souvent utilisée pour assembler des thermoplastiques et lorsque le boulonnage, le brasage ou le collage ne convient pas.

Bien que le soudage par ultrasons ait été développé dès les années 1940, il a été utilisé pour la première fois industriellement au début des années 1960 pour souder des fils fins dans l'industrie électronique. En 1963, le soudage par ultrasons a commencé à être utilisé pour coller le polyéthylène. Depuis, le soudage par ultrasons est utilisé pour souder l'aluminium et les tôles fines dans l'industrie automobile (modules d'allumage, fils de cosse, fils).

La lenteur du processus de reconnaissance des avantages du soudage par ultrasons dans l'industrie est due au manque d'équipements à ultrasons puissants capables de garantir une qualité de soudage constante, même pour les grandes pièces.En conséquence, la recherche dans les années 1980 et 1990 s'est principalement concentrée sur le développement d'équipements à ultrasons.

Bien que le soudage par ultrasons utilise des vibrations, cette méthode est différente du "soudage par vibration", également appelé soudage par friction. Dans le cas du soudage par vibration, l'une des pièces à assembler est maintenue en place et l'autre oscille (par un entraînement électromagnétique ou hydraulique).

Le soudage par ultrasons maintient les deux pièces en place et utilise des ondes sonores à haute fréquence pour créer une friction. L'énergie acoustique crée une friction et produit de la chaleur qui permet de souder des pièces en moins d'une seconde, faisant du soudage par ultrasons l'un des plus rapides actuellement utilisés.

Le processus de soudage par ultrasons est entièrement automatisé et est réalisé sur des installations spéciales. Le principe du soudage par ultrasons est illustré à la fig. 1, et la composition d'une installation typique est illustrée à la fig. 2.

Riz. 1. Principe du soudage par ultrasons : a — alignement des pièces, b — contact des pièces avec la pointe, c — application de la pression, d — soudage, e — maintien, f — soulèvement de la pointe

Riz. 2. Schéma de montage pour le soudage sonique

Le générateur (dans une unité séparée) est utilisé pour convertir les vibrations électriques du réseau en haute fréquence (20 ... 60 kHz), le transducteur, à l'aide d'éléments piézoélectriques, convertit les vibrations électriques en vibrations acoustiques. L'amplificateur et la sonotrode sont des éléments résonnants passifs de l'installation qui servent à transférer les vibrations du transducteur aux pièces.

En règle générale, les machines de soudage par ultrasons sont équipées d'un ensemble d'amplificateurs avec différents rapports de transformation de déplacement.La forme de la sonotrode est déterminée par la configuration de soudure requise. Des oscillations radiales longitudinales, de bord et autres ondes sont créées en fonction de la forme de la sonotrode. Chaque couture nécessite sa propre sonotrode.

L'essence physique du processus consiste en l'apparition de très fortes vibrations de faible amplitude au contact de deux pièces. La vibration combinée à la pression élimine les impuretés et les oxydes de la surface des pièces. Les électrons commencent à circuler entre les pièces, formant une couture métallurgique.

Le soudage par ultrasons est idéal pour réaliser des connexions électriques, souder de l'aluminium et du cuivre, sceller les extrémités de tuyaux en cuivre, souder des plastiques, noyer des pièces métalliques dans des plastiques.

Riz. 3. Joints réalisés par soudage par ultrasons

Le soudage par ultrasons des plastiques permet des joints plus fiables que les autres méthodes. Dans ce cas, le soudage par ultrasons des plastiques est fondamentalement différent du soudage des métaux.

Premièrement, le soudage par ultrasons des métaux se produit au moyen de vibrations transversales parallèles aux surfaces soudées. Le soudage par ultrasons des plastiques utilise des vibrations longitudinales normales (c'est-à-dire perpendiculaires) aux surfaces à souder. La forme des sonotrodes, qui transmettent les vibrations ultrasonores aux joints métalliques et plastiques, est également complètement différente.

Deuxièmement, lors du soudage de métaux, une couture est créée par l'interaction de friction des surfaces, ce qui crée une connexion rigide sans faire fondre le matériau.Le soudage par ultrasons des pièces en plastique est basé sur la fusion du matériau de la même manière que de nombreuses autres méthodes de soudage traditionnelles, telles que le soudage à l'arc, le soudage par résistance ou le soudage au laser), mais dans des plages de température beaucoup plus basses.

Riz. 4. Équipement de soudage par ultrasons

Les avantages du soudage par ultrasons :

1. Aucun nettoyage de surface spécial requis.

2. Aucune atmosphère protectrice requise.

3. Aucun consommable de soudage (fil, électrodes, soudure, etc.) n'est nécessaire.

4. Faible consommation d'énergie.

5. Temps d'épissage court pour former un joint (environ un quart de seconde).

6. Automatisation complète du processus de soudage et possibilité d'intégration facile avec d'autres processus de production.

7. Possibilité de souder des matériaux de nature différente, y compris ceux sensibles aux températures élevées, car une petite quantité de chaleur est générée lors du soudage.

8. Souder toutes sortes de détails.

9. Les soudures créées par ce processus sont visuellement agréables et nettes.

10. Le soudage par ultrasons n'utilise pas de produits chimiques corrosifs et produit une petite quantité de fumées, contrairement aux autres méthodes.

Limites du soudage par ultrasons :

1. La limitation la plus sérieuse dans l'utilisation du soudage par ultrasons est la taille des pièces soudées - pas plus de 250 mm. Cela est dû aux limitations de la puissance de sortie du transducteur, à l'incapacité de la sonotrode à transmettre des ondes ultrasonores de très haute puissance et à la difficulté de contrôler l'amplitude.

2. Le soudage par ultrasons nécessite également une faible teneur en humidité dans les matériaux à assembler.Sinon, le soudage par vibration est préféré.

3. Le soudage par ultrasons n'est pas efficace pour assembler des matériaux à parois épaisses. Au moins une des pièces à raccorder doit être légère, car elle « absorbe » une énorme quantité d'énergie.