Soudage par ultrasons des plastiques

Soudage par ultrasons des plastiques

Points clés

• Échauffement viscoélastique à l'interface — une vibration de 20–40 kHz fond un directeur d'énergie ou un joint de cisaillement en moins d'une seconde.
• Les résines amorphes se soudent facilement ; les résines semi-cristallines exigent un joint de cisaillement, une géométrie en champ proche et un contrôle plus rigoureux.
• Le mode à distance d'écrasement avec une fenêtre définie est la manière robuste d'exécuter et de valider le procédé.
• Méthode de soudage la plus rapide et la moins chère, limitée par les particules, les traces de sonotrode et les contenus sensibles aux vibrations.

Soudage par ultrasons des plastiques

Le soudage par ultrasons est un procédé d'assemblage des thermoplastiques dans lequel une vibration mécanique de 20–40 kHz et de 20–120 µm d'amplitude crête à crête est transmise à travers une pièce jusqu'à l'interface du joint, où l'échauffement viscoélastique et par frottement fait fondre une fine couche de polymère qui se solidifie sous pression pour former la soudure. Aucun solvant, adhésif ou consommable n'intervient.

L'empilement comprend un convertisseur piézoélectrique fournissant environ 20 µm à 20 kHz, un amplificateur de gain tel que 1:1,5 ou 1:2,5, et une sonotrode accordée à la même fréquence qui appuie sur la pièce sous une force pneumatique ou asservie. Le 20 kHz convient aux pièces plus grandes et aux puissances plus élevées ; le 30–40 kHz convient aux pièces petites, délicates ou d'aspect, car l'amplitude, les contraintes et le marquage y sont plus faibles.

Les polymères sont viscoélastiques : la déformation cyclique est en partie convertie en chaleur par hystérésis, concentrée dans la section la plus petite — la pointe du directeur d'énergie ou l'interférence du joint de cisaillement — où la fusion démarre en quelques millisecondes. Un joint situé à moins de 6 mm environ de la face de la sonotrode est en champ proche, au-delà en champ lointain. Les résines amorphes transmettent avec peu de pertes et se soudent en champ lointain ; les résines semi-cristallines et les élastomères amortissent la vibration et ne se soudent de façon fiable qu'en champ proche.

Aptitude des matériaux

Paramètres de procédé et conception du joint

La conception du joint compte plus que n'importe quel réglage. Un directeur d'énergie est une nervure triangulaire sur une face d'appui, d'angle inclus 60–90° et de 0,2–0,6 mm de hauteur, avec une base d'environ deux fois la hauteur ; utilisez 60° et la hauteur la plus grande pour les résines semi-cristallines, et positionnez les pièces par un épaulement ou une rainure et languette. Un joint de cisaillement utilise 0,2–0,4 mm d'interférence radiale entre la lèvre et la paroi, une entrée de 30–45°, une profondeur de soudure d'environ 1,25 fois la paroi, et un support qui résiste à la contrainte circonférentielle. Les joints de cisaillement donnent les soudures les plus résistantes et les plus hermétiques dans les résines semi-cristallines.

Dépannage des soudures par ultrasons

Ultrasons, laser, vibration et plaque chauffante : comparaison

Les ultrasons sont rarement battus sur le temps de cycle ou le coût d'outillage, et rarement adaptés aux pièces grandes, d'aspect critique, porteuses d'électronique ou sensibles aux particules. Le soudage laser par transmission est l'alternative habituelle ; il exige un couple de résines compatible (voir le soudage laser par transmission expliqué et le choix du couple de résines et du colorant) et des faces de joint à 0,1 mm environ, alors que les ultrasons tolèrent un ajustement moins précis et toute couleur. Sabreen met au point des procédés de soudage laser, ne vend aucun équipement, et applique cette comparaison avant de recommander l'une ou l'autre technique.

Spécifier et valider une soudure par ultrasons

« Soudé par ultrasons » sur un plan ne spécifie rien. Indiquez une exigence de performance, une fenêtre en cours de procédé et la preuve que cette fenêtre la garantit.

• Résistance. Résistance à l'arrachement sur l'assemblage, ou éprouvette en I AWS G1.2M/G1.2 pour le criblage des couples de matériaux ; les soudures amorphes en champ proche atteignent 70–100 % de la résistance du matériau de base. Indiquez le minimum et le mode de rupture.
• Éclatement et fuite. Une pression d'éclatement minimale et une limite numérique de chute de pression ou de fuite à l'hélium, et non « aucune fuite ». Une soudure résistante comportant un défaut de 2 mm fuit tout de même.
• Fenêtre de distance d'écrasement. Par exemple 0,35 ± 0,05 mm, avec l'énergie et la puissance crête comme limites secondaires consignées à chaque cycle ; les pièces hors fenêtre sont rejetées.
• IQ/OQ/PQ. Selon l'ISO 13485 et la réglementation américaine de la FDA sur le système qualité : l'IQ confirme la soudeuse, l'empilement, le montage et l'amplitude mesurée ; l'OQ cartographie la fenêtre par plan d'expériences sur l'amplitude, la force et l'écrasement ; la PQ exécute trois lots à la valeur nominale avec les opérateurs et la résine de production. Requalifiez après tout changement de sonotrode, d'amplificateur ou de résine ; la DVS 2216 couvre la conception des joints.

Termes connexes et lectures

• Soudage laser des plastiques
• Soudage laser par transmission
• Services de soudage laser
• Le soudage laser par transmission expliqué
• Choix du couple de résines et du colorant
• Soudage laser transparent sur transparent

Application en production

The Sabreen Group fournit un accompagnement d'ingénierie indépendant pour la mise au point des procédés de soudage par ultrasons et laser, la conception des joints et la validation des soudures. Si vous spécifiez un procédé, qualifiez un matériau ou cherchez à résoudre un problème de production, notre équipe de services d'ingénierie peut vous aider. Contactez-nous pour discuter de votre application.

Questions fréquentes

Faut-il souder à 20 kHz ou à 40 kHz ?

Utilisez 20 kHz pour les pièces de plus de 50 mm environ, les parois épaisses, les résines semi-cristallines et les joints en champ lointain, qui demandent plus d'amplitude et de puissance. Utilisez 30–40 kHz pour les pièces petites, à parois minces ou d'aspect, et tout ce qui contient de l'électronique : l'amplitude et la contrainte transmise sont divisées par deux, le marquage diminue, et la sonotrode est deux fois plus courte.

Peut-on souder le polypropylène et les autres plastiques semi-cristallins par ultrasons ?

Oui, avec une fenêtre plus étroite. Ils amortissent la vibration : le joint doit donc se situer à moins de 6 mm environ de la sonotrode, avec 60–120 µm d'amplitude, et il doit s'agir d'un joint de cisaillement ou d'un directeur à 60° vif plutôt que du directeur à 90° de l'ABS. Leur point de fusion net rend la force de maintien plus importante.

Pourquoi une soudure réussit-elle son essai d'arrachement tout en fuyant ?

Parce que la résistance et la continuité sont deux choses différentes. Un essai d'arrachement moyenne l'ensemble de la soudure et est conforme si 90 % du joint est sain, alors qu'un défaut de 2 mm dû à une pièce gauchie ou à une sonotrode mal d'aplomb provoque une fuite. Spécifiez la fuite comme une limite numérique, utilisez le mode à distance d'écrasement pour rejeter les pièces insuffisamment soudées, et vérifiez le parallélisme de la sonotrode lorsque les fuites se concentrent.

Quand le soudage laser est-il le meilleur choix ?

Lorsque la pièce est d'aspect critique, contient de l'électronique, exige un circuit de fluide exempt de particules, présente un cordon long ou tridimensionnel, ou dépasse la portée d'une sonotrode. Le laser n'engendre ni vibration, ni traces de sonotrode, ni particules, au prix d'un investissement plus élevé, d'un couple de résines compatible et de faces de joint à 0,1 mm environ. Les ultrasons l'emportent encore sur le temps de cycle et le coût.

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