Principe général de conception des outillages en soudure ultrason
On appelle « sonotrode » l’outil adapté à l’assemblage par ultrason. Il fait partie d’un ensemble acoustique composé du transducteur (ou convertisseur), du booster et de la sonotrode.
L’ensemble acoustique doit être accordé comme une corde à un arc pour produire le bon son. Pour la soudure ultrason, il faut que la vibration maximale soit au niveau du plan de joint.
Pour chaque assemblage, la règle de base est la suivante :
- il faut en principe concevoir une sonotrode pour chaque application (chaque assemblage est unique par sa nature, la forme des pièces, la surface et la forme de la soudure) ;
- le transducteur reste inchangé ;
- le booster est choisi en fonction de son rapport d’amplitude ;
- l’amplitude doit être adaptée soit manuellement (par le booster), soit automatiquement (par le générateur) ;
- l’enclume est adaptée à la pièce immobile et pour la soudure ultrason (pièce massive et fixation ne faisant pas subir de contrainte à la pièce).
À noter
La réalité est souvent toute autre, car pour des raisons économiques, de manque d’informations ou de proximité de spécialistes des ultrasons, souvent les sonotrodes sont multi-usages, le booster n’est pas adapté et l’amplitude est négligée.
Le test pour accorder l’ensemble acoustique s’effectue automatiquement à la mise sous tension de la machine. Mais si cette dernière n’est jamais éteinte (cas des machines intégrées dans une ligne de production en grande série), aucune correction ne peut être faite en cas de dérive de l’ensemble (usure, fatigue, choc…).
Réaliser une sonotrode : en interne ou faire appel à un professionnel ?
Un outillage mal conçu vous donnera du fil à retordre à chaque démarrage de production, surtout si vous avez des matériaux techniques ou semi-cristallins.
Qualité de votre sonotrode
Vous avez le choix entre :
- l’acier trempé : pour les outils de taille réduite en raison de sa forte densité ou pour les matières abrasives (chargées de fibre de verre par exemple) ;
- l’aluminium anodisé ou non : séries moyennes et matière non abrasives ;
- le titane ou titane carburé : pour accepter les fortes amplitudes.
L’autre critère est le caractère abrasif des pièces. Les matériaux semi-cristallins et chargés de fibres de verre sont très abrasifs et usent votre sonotrode et l’enclume très rapidement. L’ajustement entre la sonotrode et l’enclume augmentera au fil des séries de production.
Chaque matériau est choisi en fonction de la qualité de transmission de la vibration et de l’usage. Votre critère de choix ne doit pas se limiter au rapport coût/nombre de pièces à réaliser.
Réalisation de la sonotrode
Différentes formes et tailles de sonotrodes, lisses ou non, composées ou simples
Il existe maintenant des logiciels qui permettent de simuler la transmission des ultrasons dans l’ensemble acoustique. Ceci permet aux fabricants de sonotrode avertis de respecter les règles de construction des électrodes destinées à la soudure par ultrason (US) ou les sonotrodes. Il n’est pas conseiller de se tourner vers un usineur classique, votre production et votre machine pourraient en faire les frais.
- Une première étape consiste à usiner la sonotrode en fonction de la forme de la pièce mobile et de l’amplitude à obtenir.
- La deuxième étape est de retoucher la sonotrode pour que les vibrations soient transmises avec l’amplitude voulue au point souhaité et en accord avec l’ensemble des autres éléments de la machine (booster et convertisseur).
Conséquence d’une sonotrode mal conçue
La sonotrode se déforme et se fatigue très rapidement. Dans les cas extrêmes, l’ensemble acoustique peut arriver à se souder avec à la machine.
Attention
Cette possibilité peut arriver aussi, si vous ne possédez pas toutes les sécurités et si vous avez mal serré les vis du système de bridage de l’ensemble acoustique.
Sonotrode mal conçue : les vibrations déforment toute la sonotrode dans tous les plans
Sonotrode mal conçue : la sonotrode bat de haut en bas sans se déformer
Choix du convertisseur ou transducteur
Différents types de boosters en fonction de la fréquence (à droite booster étanche)
Livré en général avec la machine, le booster n’est changé qu’en cas d’incident ou de panne. Avec le générateur, il donne les caractéristiques de base de votre machine. Tous les calculs pour trouver la bonne amplitude partent des caractéristiques du convertisseur. Sachez que vous pouvez éventuellement le changer pour obtenir une amplitude adéquate pour votre assemblage.
Choix du booster
Exemples de boosters du commerce
Les fabricants proposent des boosters standards que vous pouvez choisir dans leur catalogue. Vous avez le choix entre la gamme en titane ou en aluminium. Le titane a une durée de vie plus longue, mais est plus cher que l’aluminium ; faites un bref calcul économique.
Sachez que le titane vous garantira la plus faible dérive de vos paramètres machines due à la fatigue des matériaux. Il est donc impératif pour les très grandes séries.
Réalisation de l’enclume
Différentes conceptions d’enclumes pour de petites pièces
Concevez une pièce massive, englobant la pièce fixe de votre assemblage, tout en laissant une certaine latitude pour ne pas créer de contrainte. Préférez des parois épaisses et un usinage dans un bloc d’acier, d’aluminium, de laiton, ou de bronze. Celle-ci peut aussi être coulée en résine.
Nous ne développerons pas en détails les règles de conception des pièces soudées en ultrason.
Si besoin, contactez le fournisseur de vos matières premières, il peut certainement vous fournir le guide de conception des pièces destinés aux assemblages par ultrason (US) avec leurs matières premières.
La sonotrode dans la machine
- La planéité et le parallélisme entre la sonotrode et l’enclume : à contrôler à la réception des outillages neufs et à chaque montage sur la machine. Les moyens actuels nous permettent de réaliser ce type de contrôle plus aisément.
- Conception de l’enclume et dérive de cotes des pièces à assembler : mettez en place un contrôle qualité avec un suivi des variations des cotes. L’enclume doit immobiliser la pièce, mais ne doit pas la mettre sous contrainte. Les soudures et l’assemblage risquent d’en pâtir.
Quelques exemples de sonotrodes et d’enclumes spécifiques à une application
- Adéquation sonotrode, pièce et enclume : vérifiez régulièrement la géométrie. Les pièces abrasives ont tendance à user rapidement l’enclume et la sonotrode au fil des séries. En cas de trop grande liberté, la pièce supposée être fixe deviendra mobile. L’échauffement ne se fera plus au plan de joint mais aux surfaces de contact de la pièce fixe avec l’enclume.
- Changez rapidement de sonotrode : sur la plupart des machines, le changement de sonotrode est simple mais peut se révéler un exercice périlleux. Le lien entre la sonotrode et le booster est une vis spéciale. Elle s’abîme et grippe, et vous passerez beaucoup de temps pour changer de sonotrode.
