Comprendre le soudage par ultrasons

CLIQUEZ SUR L'IMAGE POUR AGRANDIRFigure 1Bien que les moyens par lesquels les vibrations sont produites dans le système d'anche à coin diffèrent du système d'entraînement latéral, les résultats sont les mêmes.

Les vibrations ultrasonores sont utilisées pour le soudage des métaux et des plastiques depuis les années 1950. Pour le soudage des métaux par ultrasons, la nature à l'état solide du processus, ainsi que d'autres avantages, ont conduit à des applications généralisées dans les industries de l'électronique, de l'automobile, de l'aérospatiale, de l'électroménager et de la médecine. Diverses caractéristiques du soudage des métaux par ultrasons, ainsi que les tendances récentes en matière de développement de procédés, ouvrent la voie à une utilisation étendue du procédé dans un certain nombre de secteurs industriels.

Dans le soudage par ultrasons, les vibrations ultrasonores créent un mouvement relatif semblable à un frottement entre deux surfaces maintenues ensemble sous pression. Le mouvement déforme, cisaille et aplatit les aspérités de surface locales, dispersant les oxydes d'interface et les contaminants, pour créer un contact métal sur métal et une liaison entre les surfaces.1, 2 Le processus est à l'état solide, ce qui signifie qu'il se produit sans fusion ni fusion des métaux de base.

Figure 1 décrit les deux principaux types de systèmes utilisés pour le soudage des métaux par ultrasons et montre également des détails sur le comportement local dans la zone de soudure. Le système d'entraînement latéral comprend un transducteur à ultrasons, un booster et un cornet/sonotrode. L'alimentation fournit une puissance électrique haute fréquence au transducteur piézoélectrique, créant une vibration mécanique haute fréquence à l'extrémité du transducteur. Une fréquence de fonctionnement typique est de 20 kHz, mais 30 kHz ou plus est possible. Cette vibration est transmise à travers la section d'amplification, qui peut être conçue pour amplifier la vibration, et est ensuite transmise au cornet/sonotrode, qui transmet les vibrations aux pièces.

CLIQUEZ SUR L'IMAGE POUR AGRANDIRFigure 2a Le système de soudage à entraînement latéral illustré ici fournit une puissance électrique à haute fréquence au transducteur piézoélectrique, créant une vibration mécanique à haute fréquence à l'extrémité du transducteur. Photo publiée avec l'aimable autorisation d'EWI.

Les pièces, généralement deux fines feuilles de métal dans un simple joint à recouvrement, sont fermement serrées entre la sonotrode et une enclume rigide par une force statique. La pièce supérieure est saisie contre la sonotrode mobile par un motif moleté sur la surface de la sonotrode. De même, la pièce inférieure est saisie contre l'enclume par un motif moleté sur l'enclume. Les vibrations ultrasonores de la sonotrode, qui sont parallèles aux surfaces de la pièce, créent le mouvement relatif de type friction entre l'interface des pièces, provoquant la déformation, le cisaillement et l'aplatissement des aspérités notées précédemment.

Les composants du système de soudage sont logés dans un boîtier qui saisit l'ensemble de soudage à des endroits critiques afin de ne pas amortir les vibrations ultrasonores, et de fournir un moyen d'appliquer une force et de déplacer l'ensemble pour amener la sonotrode en contact avec les pièces et appliquer la force statique. Un exemple de soudeuse à entraînement latéral est illustré dansFigure 2A.

Un deuxième type de système de soudage des métaux par ultrasons est connu sous le nom de wedge-reed. Les éléments clés de ce système sont le transducteur à base piézoélectrique qui entraîne un booster, qui est appelé un coin en raison de sa forme distinctive (mais joue par ailleurs le même rôle que le booster décrit précédemment). Le coin entraîne alors une tige verticale (anche) dans une vibration de flexion. La vibration au bout de l'anche est alors transmise via la sonotrode de l'anche aux pièces (VoirFigure 2B).

La disposition de la pièce est similaire au système d'entraînement latéral - elle est serrée entre la sonotrode et l'enclume par une force statique. L'enclume du système coin-anche n'est pas rigide (comme pour l'entraînement latéral), mais est conçue pour fléchir légèrement sous l'action des vibrations ultrasonores. Bien que la manière dont les vibrations sont produites dans l'anche en coin diffère de l'entraînement latéral, les résultats sont les mêmes : un mouvement vibratoire de la sonotrode qui est parallèle aux surfaces de la pièce et crée le mouvement relatif de type friction à l'interface des pièces.

Ceci est mis en évidence dans l'examen plus détaillé de la zone de soudure (Figure 1), qui montre que les deux systèmes produisent le même effet dans la zone de soudure d'une zone mince de matériau plastiquement déformé où une liaison à l'état solide s'est produite entre les pièces, sans fusion des matériaux.

Les systèmes de soudage par ultrasons sont similaires aux dispositifs de soudage par points car ils produisent une liaison sur une petite surface des pièces (typiquement de l'ordre de 40 mm2). Il est également possible de produire une soudure continue par ultrasons en faisant rouler en continu un disque solide vibré par ultrasons sur les pièces. D'autres types de systèmes de liaison par ultrasons comprennent les vibrations de torsion et le microcollage par ultrasons, largement utilisés dans l'industrie électronique pour joindre des fils fins aux circuits et aux micropuces et où les tailles des soudures sont de l'ordre de 0,150 mm2.

CLIQUEZ SUR L'IMAGE POUR AGRANDIRFigure 3aPhoto gracieuseté de Sonobond Corp.

Un certain nombre de paramètres peuvent affecter le processus de soudage, tels que la fréquence des ultrasons, l'amplitude des vibrations, la force statique, la puissance, l'énergie, le temps, les matériaux, la géométrie des pièces et l'outillage.

Fréquence ultrasonique. Les transducteurs de soudage par ultrasons sont conçus pour fonctionner à une fréquence spécifique de 15 à 300 kHz pour différents systèmes et applications. La plupart des systèmes de soudage des métaux fonctionnent entre 20 et 40 kHz, 20 kHz étant la fréquence la plus courante.

Amplitude des vibrations. L'amplitude de vibration de la pointe de soudage est directement liée à l'énergie fournie à la soudure. Les amplitudes de vibration ultrasonique sont assez faibles - 10, 30 ou 50 microns au niveau de la soudure et dépassent rarement 100 microns (environ 0,004 pouce). Dans certains systèmes de soudage, l'amplitude est une variable dépendante ; c'est-à-dire qu'elle est liée à la puissance appliquée au système. Dans d'autres systèmes, l'amplitude est une variable indépendante pouvant être réglée et contrôlée au niveau de l'alimentation électrique via un système de commande à rétroaction.

Force statique. La force exercée sur les pièces via la pointe de soudage et l'enclume crée un contact intime entre les surfaces opposées lorsque les vibrations de la soudure commencent. L'amplitude de la force, qui dépend des matériaux et des épaisseurs, ainsi que de la taille de la soudure réalisée, peut aller de quelques dizaines à des milliers de newtons. Par exemple, la réalisation d'une soudure de 40 mm2 dans un aluminium de la série 6000 peut nécessiter une force de 1 500 N, tandis que des soudures de 10 mm2 dans une feuille de cuivre souple de 0,5 mm d'épaisseur peuvent nécessiter seulement 400 N.

Puissance, énergie et temps. Bien qu'ils soient répertoriés comme des paramètres de soudage distincts, la puissance, l'énergie et le temps sont mieux examinés ensemble car ils sont tous étroitement liés. Lorsqu'une soudure est effectuée, la tension et le courant de l'alimentation électrique génèrent de l'énergie électrique qui s'écoule vers le transducteur pendant le cycle de soudage. L'énergie délivrée est l'aire sous la courbe de puissance de soudage. La plupart des sources d'alimentation de soudage sont évaluées en fonction de la puissance de pointe qu'elles peuvent fournir, celle-ci variant de quelques centaines de watts à plusieurs kilowatts. La plupart des temps de soudage sont inférieurs à une seconde. Sur la base d'une puissance de sortie constante, une soudure de 0,4 seconde d'un soudeur de 2 kW fournirait 800 joules d'énergie.

Matériaux. Cela englobe un large éventail de problèmes et de paramètres liés au soudage des métaux par ultrasons. Le premier est le type de matériau ou de combinaison de matériaux. La plupart des matériaux et des combinaisons de matériaux se sont avérés soudables d'une certaine manière, bien que les paramètres de soudage spécifiques et les données de performance manquent généralement pour la plupart d'entre eux. Les propriétés du matériau, y compris le module, la limite d'élasticité et la dureté, sont une considération clé.

De manière générale, les alliages doux comme l'aluminium, le cuivre, le nickel, le magnésium, l'or, l'argent et le platine sont plus facilement soudés par ultrasons. Les alliages plus durs tels que le titane, les fers et les aciers, les alliages aérospatiaux à base de nickel et les métaux réfractaires (molybdène et tungstène) sont plus difficiles.

Les caractéristiques de surface du matériau constituent un autre paramètre, notamment la finition, les oxydes, les revêtements et les contaminants.

Géométrie de la pièce. Les formes des pièces soudées jouent un rôle important, le facteur dominant étant l'épaisseur de la pièce. De manière générale, les pièces minces ont de meilleures chances de réussir une soudure par ultrasons. L'augmentation de l'épaisseur de la pièce, en particulier la pièce en contact avec la pointe de soudage, nécessite une plus grande surface de pointe de soudage, plus de force statique et une puissance de soudage plus élevée. Les épaisseurs maximales réalisables dépendront du matériau et de la puissance disponible de la source de courant de soudage.

Outillage. Composé de la sonotrode/pointe de soudage et de l'enclume, l'outillage sert à supporter les pièces et à transmettre l'énergie ultrasonore et la force statique. Dans la plupart des cas, la pointe de l'outil est usinée comme partie intégrante d'une sonotrode solide (voirFigure 2A ), mais dans certains cas, des info-bulles amovibles sont utilisées. Les surfaces de contact de l'outillage ont généralement des motifs moletés usinés de rainures et de méplats ou d'autres rugosités de surface pour améliorer la préhension de la pièce.

Alors que les surfaces de contact de la pointe de soudage et de l'enclume sont généralement plates, la pointe de soudage peut être conçue avec une légère courbure convexe afin de modifier les contraintes de contact.

CLIQUEZ SUR L'IMAGE POUR AGRANDIRFigure 3ePhoto gracieuseté de Dukane Corp.

Les applications du soudage par ultrasons se trouvent dans les industries électrique/électronique, automobile, aérospatiale, électroménager et médicale. Actuellement, les applications les plus larges dans ces industries impliquent des alliages de cuivre, d'aluminium, de magnésium et de métaux plus tendres, y compris l'or et l'argent. Certains exemples sont:

Une tendance future dans l'utilisation du soudage par ultrasons concerne les applications structurelles de l'automobile et de l'aérospatiale, l'assemblage de tôles d'aluminium de faible épaisseur et d'autres métaux légers. La faisabilité du procédé a été démontrée pour les panneaux de fermeture des hélicoptères et des avions.

Des systèmes de soudage plus puissants fonctionnant à 5 kW et plus sont en cours de développement. Cela permettra de souder les matériaux les plus difficiles et les joints plus épais.

Des recherches menant à une meilleure compréhension de ce procédé de soudage sont en cours dans plusieurs laboratoires industriels et universitaires afin de déterminer la gamme totale de matériaux et d'applications qui peuvent être rejoints de manière réaliste. Des progrès ont été réalisés sur les configurations de joints en plus du joint à recouvrement le plus courant ; la réalisation de soudures bout à bout a été rapportée à titre d'exemple. L'utilisation accrue de capteurs de processus peut permettre de surveiller et d'améliorer la qualité des joints.

Une application récemment apparue pour le soudage par ultrasons est la fabrication additive, dans laquelle de fines bandes métalliques sont soudées ensemble, avec des opérations d'usinage intercalées, pour produire des pièces métalliques solides. Cette application peut avoir une utilisation particulière dans le domaine du prototypage rapide.

Le Dr Karl Graff est le leader technologique des ultrasons et Matt Bloss est ingénieur de projet à l'Edison Welding Institute, 1250 Arthur E. Adams Drive, Columbus, OH 43221, 614-688-5000, [email protected].

Remarques

1. KF Graff (chapitre éd.), Chapitre 8, « Ultrasonic Welding of Metals », Welding Handbook, 9e éd., Vol. 4 (Miami : Société américaine de soudage, 2007).

2. KF Graff (chapitre éd.), Chapitre 9, "Ultrasonic Metal Welding," New Developments in Advanced Welding, éd. N. Ahmed (Cambridge, Angleterre : Woodhead Publishing, 2005).