Les ultrasons de puissance sont un domaine de spécialistes.
Il existe de nombreuses méthodes pour souder deux pièces entre elles : la soudure par lame chauffante, le soudage par ultrasons, le soudage par rotation, par outil pivot, par laser ou encore par courant haute fréquence.
Pour son activité de conception de machines spéciales et de réalisation d’installations pilotes, HighTaiX a développé son expertise dans la technique d’assemblage et de découpe la plus rapide et la plus économique pour l’industrie: la soudure ultrason.
Il existe très peu de sociétés en France qui travaillent dans ce domaine, mais grâce à plus de 20 ans d’expérience en soudure ultrason (soudure US), HighTaiX est ainsi devenu un spécialiste reconnu qui propose à ses clients un accompagnement expérimenté pour répondre à leurs problématiques de thermo-fusion et de découpe.
Le Principe de l’Ultrason
Les pièces à souder (ou à couper) sont mises en vibration à des hautes fréquences grâce à un outil vibrant (la « sonotrode » ou la « tête de soudure »).
Les vibrations générées engendrent sur la surface de contact de ces deux pièces une chaleur importante, ce qui crée le phénomène de soudure par thermo-fusion.
On parle d’ultrasons parce que les fréquences utilisées sont supérieures aux capacités auditives de l’oreille humaine : typiquement de 20 kHz à 70 kHz. La vitesse de propagation du son dans les métaux est de l’ordre de 5000m/s.
Les amplitudes, quant à elles, varient entre 10 et 120 micromètres, en fonction du type de matériel et de la forme des pièces à assembler.
Bien évidemment, seuls les matériaux thermo-fusibles peuvent être utilisés pour ce type de soudage.
La Théorie
L’effet ultrasonore est une onde ultrasonore stationnaire maintenue dans un outil (sonotrode) avec deux effets concomitants qui sont utilisés pour souder et/ou couper des matériaux:
- Un effet mécanique (marteau-piqueur)
- Un effet thermique (outil chaud)
Pour souder et/ou couper des matériaux, il faut de l’énergie. Elle est calculée ainsi:
Eus = P x A x T
Avec:
- P = pression appliquée aux matériaux
- A = amplitude ultrasonore
- T = temps
La génération ultrasonore est décrite par le « triplet de Langevin »:
- Des céramiques piezo-électriques polarisées que l’on excite
- Un champ électrique sinusoïdal (de quelques centaines de volts à quelques milliers de volts)
- Des vibrations de faible amplitude (quelques µm) et de force élevée
Les amplitudes générées sont faibles (±9µm) et le calcul de l’amplification dans un matériau en demi longueur d’onde est défini par:
A1 / A2 = V2 x Z2 / V1 x Z1
Avec:
- A: amplitudes
- V: volumes
- Z: impédances acoustiques
On peut voir une modélisation des efforts ci-contre réalisée avec Nastran:
- En vert : amplitude d’excitation
- En rouge : amplitude résultante
- En noir : nœud de vibration
Dans la chaîne ultrasonore, l’amplification est progressive au niveau des ventres de vibration et les nœuds ont des amplitudes nulles avec de fortes contraintes:
Deux Techniques d’Utilisations Distinctes
- En travail en pression:
- La sonotrode est utilisée comme un outil chaud
- La pression assure la cohésion mécanique
- Ce travail est principalement adapté au soudage des thermoplastiques à poste fixe
- En travail en entrefer:
- Un entrefer est maintenu à demi-amplitude
- L’effet thermique et l’effet mécanique sont combinés
- Ce travail est adapté à la coupe et à la soudure de matériaux minces
- A noter l’absence de contact entre la sonotrode et l’enclume
Les Applications Industrielles de l’Ultrason
- Soudage thermoplastique à poste fixe
- Travail en pression
- Utilisation de vecteurs d’énergie
- Effet thermique
- Pièces jusqu’à plusieurs mm
- Applications dans l’automobile, le médical, etc…
- Coupe/soudage des thermoplastiques à poste fixe
- Matériaux minces
- Utilisation d’enclumes de forme
- Travail en pression et/ou en entrefer
- Applications dans le textile médical, l’emballage, etc…
- Coupe/soudage des thermoplastiques en continu
- Matériaux minces
- Utilisation de tambours rotatifs de forme
- Travail en pression et/ou en entrefer
- Applications dans l’alimentaire, l’électroménager et l’hygiène, etc…
- Soudage des métaux
- Effet mécanique de grippage
- Soudage à basse température et sans apport
- La plupart des non-ferreux
- Applications dans l’emballage, l’électronique, l’énergie, etc…
Les Avantages
Les raisons pour lesquelles le soudage ultrason est privilégié dans l’industrie sont nombreuses :
- Soudage extrêmement propre
- Très rapide à réaliser
- Pas d’agent de soudage à ajouter (pas de solvant, de colle…)
- Mise en place et automatisation facilitées
- Répétitif : pas d’opération de nettoyage avant ou après le soudage
L’Équipement Nécessaire
- Le générateur : il envoie un courant alternatif dont la fréquence correspond à celle de la vibration recherché pour le soudage
- Le convertisseur (ou transducteur) qui est composé de céramiques piézo-électriques : il transforme le courant alternatif en vibrations mécaniques. C’est la spécificité des céramiques piézo-électriques : lorsqu’on leur envoie une tension électrique, la céramique s’allonge ou se raccourcit suivant la polarité de la tension
- Le booster (optionnel): grâce à leur fréquence de résonance mécanique, ils permettent de varier mécaniquement l’amplitude de la vibration
- La sonotrode : c’est l’élément ultime de la chaîne qui transmet la vibration produite et permet ainsi le transfert d’énergie
Les Acteurs du Marché de l’Ultrason
Il existe de nombreux acteurs de l’ultrason: les fournisseurs de chaînes ultrasonores, les laboratoires de recherche et les intégrateurs d’applications dont HighTaiX fait partie.
Les fournisseurs de chaînes ultrasonores:
- Les «majors» généralistes :
- Branson groupe Emerson (USA)
- Rinco (Suisse)
- Dukane (USA)
- Mécasonic (France)
- Quelques niches en Europe:
- Stapla (Allemagne) groupe Schunk (Allemagne)
- Hermann (Allemagne)
- Sinaptec (France), Sonimat (France)…
Les laboratoires de recherche en Europe:
- Ceux des fabricants de chaînes ultrasonores (Rinco, Mécasonic, Stapla)
- Ceux des fabricants de matériaux thermoplastiques (Dupont, Toman, Bayer , etc…)
- Laboratoire des procédés non conventionnels (ENSAM Paris)
- Quelques intégrateurs privés
Les intégrateurs d’applications:
- Intégrateurs pour le soudage de coques thermoplastiques: moins d’une dizaine en France dont un fabricant (Mécasonic)
- Intégrateurs pour les autres applications: moins de 5 en Europe, dont HighTaiX