Leçon 7.7AssemblerChapitre 7 · Assemblage

Soudage par ultrasons

À l'état solide : des vibrations rapides lient de petits joints en moins d'une seconde

Le soudage par ultrasons assemble des pièces en les pressant l'une contre l'autre et en les secouant très vite, environ 20 000 à 40 000 fois par seconde. Le frottement chauffe le joint jusqu'à ce qu'il se lie, en bien moins d'une seconde, sans colle, vis ni métal d'apport. La plupart des boîtiers plastiques soudés, des feux de voiture aux manches de brosses à dents, et de nombreuses connexions de batteries et de fils sont faits ainsi.

Photo : Herrmann Ultraschalltechnik, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Soudage par ultrasons · ensemble de soudage et gros plan du jointLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; le gros plan à droite montre ce qui se passe au joint dans les pièces plastiques.

Comment ça marche

Charger les pièces. Les deux pièces reposent dans un montage sur l'enclume (un support fixe dont la forme les maintient). Les pièces plastiques sont moulées avec une petite arête appelée directeur d'énergie là où elles se touchent.
Presser. La sonotrode (aussi appelée cornet, la pointe métallique profilée de la machine) descend et presse les pièces l'une contre l'autre.
Vibrer. Un générateur envoie un courant haute fréquence au convertisseur, dont les cristaux piézoélectriques (des matériaux qui changent de forme selon la tension) le transforment en vibration. Le booster et la sonotrode l'amplifient en un mouvement de quelques centièmes de millimètre.
Fondre le joint. Le frottement concentre la chaleur au petit point de contact : le directeur d'énergie fond donc en premier et s'écoule sur le joint. Le reste de la pièce reste froid.
Maintenir et refroidir. La vibration s'arrête, mais l'effort reste appliqué un instant pendant que la matière fondue se fige. Les deux pièces n'en font plus qu'une.

Les métaux fonctionnent autrement. Pour les fils métalliques, les feuilles et les languettes de batteries, la sonotrode frotte latéralement au lieu de marteler de haut en bas. Le frottement brise les oxydes de surface et presse du métal propre contre du métal propre : le joint se forme donc sans fusion.

Chiffres clés

Matériaux: Thermoplastiques comme l'ABS, le polycarbonate, le polypropylène et le nylon ; métaux fins et tendres comme les feuilles et fils de cuivre et d'aluminium
Pièces typiques: Boîtiers de feux de voiture, dispositifs médicaux, filtres, jouets, blisters, languettes de batteries, jonctions de faisceaux de fils
Taille de pièce: Zones de joint de quelques millimètres à environ 20–30 cm avec une sonotrode ; tôles métalliques généralement de moins d'environ 1 mm
Précision: Très répétable ; hauteur de la pièce soudée généralement à environ ±0,05–0,1 mm quand la machine contrôle l'affaissement
État de surface: Joint net, souvent invisible ; parfois un petit cordon de plastique refoulé (bavure) ou une marque texturée de la sonotrode sur les métaux
Taille de série adaptée: Grandes séries ; chaque forme de pièce exige sa propre sonotrode et son propre montage
Coût d'outillage et de machine: Des dizaines de milliers de dollars pour une soudeuse ; quelques milliers pour chaque sonotrode et montage sur mesure
Vitesse: Temps de soudage généralement 0,1–1 s ; un cycle complet de quelques secondes : des milliers de pièces par jour et par machine

Atouts et limites

Atouts

Très rapide, propre et facile à automatiser
Pas de colle, de vis, de solvants ni de métal d'apport à acheter
Faible consommation d'énergie, chaleur uniquement au joint
Assemble des métaux dissemblables comme le cuivre et l'aluminium

Limites

Seulement pour de petits joints et des pièces assez minces
Chaque conception de pièce exige sa propre sonotrode et son propre montage
Ne fonctionne qu'avec des thermoplastiques et des métaux tendres et minces
Les vibrations peuvent endommager l'électronique délicate à l'intérieur de la pièce

Où on l'utilise

AutomobileBoîtiers de feux arrière et de phares, jonctions de faisceaux de fils
BatteriesLanguettes de cellules et barres omnibus dans les batteries de voitures électriques et de téléphones
MédicalFiltres, pièces de perfusion, boîtiers étanches de dispositifs
EmballageBlisters, opercules de capsules de café, scellage de tubes
Biens de consommationJouets, brosses à dents, pièces de téléphones, masques et lingettes non tissés

Comment le reconnaître

Deux moitiés de plastique moulé assemblées sans vis, clips ni colle, avec un mince joint qu'on ne peut pas rouvrir.
Parfois une fine ligne de plastique refoulé le long du joint.
Sur les jonctions de fils métalliques ou les languettes de batteries, une petite zone aplatie à motif texturé, moleté, laissé par la sonotrode.

À comparer avec

Soudage par points par résistance7.2assemble aussi des pièces qui se chevauchent sur de petites zones, mais avec du courant et de la fusion, pour des tôles d'acier plus épaisses.Brasage fort et brasage tendre7.3assemble fils et languettes avec un métal d'apport ; le soudage par ultrasons n'en exige aucun et n'ajoute aucune chaleur au reste de la pièce.Soudage par friction-malaxage7.6une autre méthode par friction, mais avec un outil rotatif pour de fortes plaques d'aluminium.

À regarder

DuskLight · Les parties de la machine, animées

The Weld Nugget · Comment la vibration devient chaleur au joint

Branson Ultrasonics · Une soudeuse au travail sur une ligne automatisée

HerrmannUltrasonics · De nombreux vrais produits fabriqués ainsi

Voir de vraies photos

Wikipédia : Ultrasonic welding — les parties de l'ensemble de soudage et les applications, avec des liens vers des photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Une vibration à 20 000 cycles par seconde ou plus se transforme en chaleur exactement au joint.
Les joints plastiques fondent à une petite arête ; les joints métalliques se lient sans fusion par frottement latéral.
Il est rapide et propre, mais limité aux petits joints et aux pièces minces.