Comprendre le soudage par ultrasons

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

Les vibrations ultrasoniques sont utilisées pour le soudage des métaux et des plastiques depuis les années 1950. Pour le soudage des métaux par ultrasons, la nature solide du processus, ainsi que d'autres avantages, ont conduit à des applications généralisées dans les secteurs de l'électronique, de l'automobile, de l'aérospatiale, de l'électroménager et du médical. 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 élargie de ce procédé dans un certain nombre de secteurs industriels.

Lors du soudage par ultrasons, les vibrations ultrasonores créent un mouvement relatif semblable à une friction entre deux surfaces maintenues ensemble sous pression. Le mouvement déforme, cisaille et aplatit les aspérités locales de la surface, dispersant les oxydes et les contaminants de l'interface, pour établir un contact et une liaison métal sur métal 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 les détails du comportement local dans la zone de soudure. Le système d'entraînement latéral comprend un transducteur ultrasonique, un booster et un cornet/sonotrode. L'alimentation électrique 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 une fréquence de 30 kHz ou plus est possible. Cette vibration est transmise à travers la section booster, qui peut être conçue pour amplifier la vibration, puis est 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 haute fréquence au transducteur piézoélectrique, créant une vibration mécanique haute fréquence à l'extrémité du transducteur. Photo gracieuseté d’EWI.

Les pièces à usiner, 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 serrée 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 un mouvement relatif de type frottement entre l'interface des pièces, provoquant la déformation, le cisaillement et l'aplatissement des aspérités précédemment notées.

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 mettre la sonotrode en contact avec les pièces à usiner et appliquer la force statique. Un exemple de soudeuse à entraînement latéral est illustré dansFigure 2A.

Un deuxième type de système de soudage par ultrasons des métaux est connu sous le nom de coin-reed. Les éléments clés de ce système sont le transducteur piézoélectrique qui pilote un booster, appelé coin en raison de sa forme distinctive (mais qui joue par ailleurs le même rôle que le booster décrit précédemment). Le coin entraîne ensuite une tige verticale (anche) dans une vibration de flexion. La vibration à l'extrémité de l'anche est ensuite transmise via la sonotrode sur 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 à coin diffère de celle 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 un mouvement relatif de type friction au niveau des pièces. 'Interface.