Le soudage par ultrasons est un procédé largement reconnu et accepté pour assembler des matériaux thermoplastiques. Il offre de nombreux avantages, notamment la fiabilité et la répétabilité du processus, une consommation d’énergie inférieure à celle des autres techniques d’assemblage, des économies de matériaux (car il n’y a pas besoin de consommables, tels que la colle ou les fixations mécaniques) et des économies de main-d’œuvre.
Mais comme pour tout processus, il existe des situations où des problèmes apparents avec cette technique peuvent interrompre le processus de production. La clé pour résoudre et éviter ces problèmes est de comprendre leurs origines probables. Les transformateurs qui réussissent à utiliser le soudage par ultrasons partagent généralement deux caractéristiques principales : ils disposent d’un processus de soudage bien documenté et validé, et ce processus est soutenu et entretenu par un « champion » résident et bien formé. Si l’un ou l’autre de ces facteurs importants n’est pas présent, il est probable que vous appellerez très vite à l’aide. Même si les deux sont présents, il est possible que vous ayez besoin d’aide ou d’assistance technique au moins une fois de temps en temps.
Comment fonctionne le procédé
Avant d’examiner les causes courantes des problèmes de soudage par ultrasons, prenons un moment pour comprendre le cycle de soudage lui-même. Dans le soudage ultrasonique, des vibrations à haute fréquence sont appliquées aux surfaces de deux pièces par un outil vibrant, communément appelé « corne » ou « sonotrode ». La soudure se produit à la suite de la chaleur de friction générée à l’interface entre les pièces. Les vibrations ultrasonores sont créées par une série de composants – l’alimentation électrique, le convertisseur, le booster et le cornet – qui fournissent des vibrations mécaniques aux pièces.
Comme le montre la figure 1, l’alimentation électrique prend une tension de ligne électrique standard et la convertit en une fréquence de fonctionnement. Dans l’exemple suivant, nous utiliserons une fréquence de soudage par ultrasons courante de 20 kHz, bien que le soudage puisse avoir lieu sur une plage de 15 à 60 kHz pour répondre à des besoins spécialisés. En fonctionnement, l’alimentation électrique envoie de l’énergie électrique à la fréquence spécifiée au convertisseur via un câble RF. Le convertisseur utilise des céramiques piézoélectriques pour convertir l’énergie électrique en vibrations mécaniques à la fréquence de fonctionnement de l’alimentation. Cette vibration mécanique est soit augmentée soit diminuée en fonction de la configuration du booster et du pavillon. L’amplitude de vibration mécanique appropriée est déterminée par un ingénieur d’application et est basée sur les matériaux thermoplastiques utilisés dans les pièces.
Les pièces à souder sont mises sous une charge mécanique, généralement avec un actionneur pneumatique qui maintient le booster et la corne. Sous cette charge, les vibrations mécaniques sont transmises à l’interface entre les surfaces des matériaux, qui concentre les vibrations pour créer une friction intermoléculaire et superficielle. Cette friction crée de la chaleur et une fusion subséquente, qui se solidifie en une liaison soudée.
Les composants de base d’un système ultrasonique sont une alimentation électrique, un actionneur et une pile (voir la figure 2). L’alimentation électrique prend la tension du secteur à un niveau nominal de 120-240V et la transforme en un signal haute tension et haute fréquence. Il contient également la programmation nécessaire pour faire fonctionner l’actionneur et la pile de manière contrôlée afin d’obtenir le résultat de soudage souhaité. L’actionneur, à commande pneumatique ou électrique, disponible sous forme d’unité autonome ou intégrée à un système automatisé, déplace l’outillage à ultrasons vers les pièces à assembler. Il applique la force nécessaire aux matériaux pour aider à créer les conditions de soudage.
L’empilement ultrasonique complète le système. Il transfère l’énergie vibratoire, par contact direct avec les pièces, à la surface de scellement/assemblage. La pile se compose généralement de trois éléments : le transducteur ou convertisseur (décrit ci-dessus), qui contient les cristaux de céramique piézoélectrique qui oscillent à la fréquence du signal d’alimentation appliqué. Lorsque ces cristaux oscillent, ils se dilatent et se contractent physiquement, créant un mouvement mécanique mesurable (appelé amplitude crête à crête) du côté sortie du transducteur.
La deuxième section, le booster, avec un anneau attaché dans sa section médiane, a deux fonctions : Il sert de point de montage de la pile dans l’actionneur, et sert également à amplifier ou à réduire le mouvement de sortie créé dans le transducteur.
Le troisième et dernier composant de la pile est la corne (sonotrode) qui entrera en contact avec les pièces à assembler. La corne sera conçue pour correspondre au profil des pièces rigides à assembler ou peut avoir un profil d’étanchéité ajouté à sa face de contact dans une application film/textile. Pour chaque application, la corne est conçue pour se combiner avec les autres composants de la pile afin d’atteindre le niveau optimal de sortie d’amplitude pour permettre au soudage par ultrasons de se produire aussi efficacement que possible.
Contretemps typiques
Les problèmes surviennent généralement dans l’un des quatre domaines suivants :
1. Equipement : L’équipement de soudage par ultrasons ou divers composants de soudage ne sont pas adaptés à l’application.
2. Paramètres du procédé : Les paramètres utilisés ne sont pas adaptés aux pièces à assembler.
3. Matériaux : Des modifications sont apportées au type, à la composition ou aux caractéristiques physiques/mécaniques des matériaux utilisés dans les pièces.
4. Conception de la pièce : Certains détails de la géométrie de la pièce ne sont pas adaptés à un soudage répétable ou réussi.
Il faut également noter que parfois un problème identifié dans un domaine peut exposer une faiblesse ou une déficience dans un autre domaine.
Commençons par l’équipement. Il est facile et généralement logique de penser que l’équipement et les approches qui produisent des soudures réussies dans une application le feront dans une autre. Mais ce n’est pas universellement vrai. Dans le monde entier, les soudeuses par ultrasons à 20 kHz sont de loin les plus utilisées ; en raison de leur polyvalence, ces soudeuses peuvent fournir des sorties de grande puissance (jusqu’à 6000 W) et de grande amplitude, et elles peuvent s’adapter à un large éventail de tailles d’outils disponibles. Pour un fabricant à façon qui produit des pièces soudées par ultrasons, l’équipement à 20 kHz peut être un excellent investissement car il offre la promesse d’une utilisation future dans de nombreuses applications.
Cependant, il existe certains cas – notamment avec des pièces petites et délicates – où les capacités de haute puissance et de haute amplitude de l’équipement à 20 kHz peuvent s’avérer trop « agressives » pour certains assemblages, ce qui peut entraîner des dommages. Une solution possible est de réduire l’amplitude d’entrée, mais cela ne fonctionnera pas si l’amplitude appliquée est inférieure au niveau recommandé pour le polymère à souder.
Un autre remède consiste à se tourner vers un équipement qui fonctionne à une fréquence plus élevée, peut-être 30 ou 40 kHz, à condition que l’outillage requis par l’application soit disponible pour une utilisation à cette fréquence. Les équipements à haute fréquence produisent une sortie de moindre amplitude, mais compensent en résonnant à une fréquence plus élevée. Ainsi, les soudeuses à haute fréquence sont considérées comme « plus douces » dans l’application de l’énergie ultrasonore aux pièces. Les assemblages électroniques, notamment ceux qui comportent des minuteurs/oscillateurs délicats et d’autres composants situés sur des cartes de circuits imprimés, ont bénéficié de cette approche. De la même manière, les pièces qui souffrent de « diaphragme » ou de « bidon d’huile » en raison du mouvement excessif de l’une des pièces d’accouplement, bénéficieront souvent du passage à un équipement à fréquence plus élevée.
Un autre facteur potentiel est le dysfonctionnement de l’équipement. Ceux-ci se produisent rarement sans avertissement. Un exemple évident est un changement ou une augmentation du bruit généré lorsqu’une soudeuse fonctionne. Les opérateurs et le personnel de maintenance expérimentés sont souvent à l’écoute de ces fluctuations harmoniques subtiles et devraient toujours communiquer ces changements à leurs superviseurs. Le fait d’écouter « une roue qui grince » plus tôt que tard peut très bien permettre d’identifier et de résoudre un problème avant que la production ne soit affectée négativement.
De même, les nouveaux équipements à ultrasons permettent aux utilisateurs d’effectuer des contrôles interactifs des fonctions de diagnostic, qui, s’ils sont interprétés correctement et utilisés en combinaison avec d’autres signes d’avertissement tels que le bruit, peuvent alerter l’utilisateur de tendances inquiétantes avant qu’elles ne deviennent des problèmes majeurs. Les alimentations, par le biais de protocoles de communication avancés, peuvent obtenir des données telles que les « résultats des graphiques de soudure » et les « balayages de corne » qui peuvent être comparés aux données de base obtenues lorsque l’équipement était neuf, récemment entretenu, ou connu pour fonctionner selon les normes.
Avec ces informations, les utilisateurs expérimentés peuvent alors concentrer leur dépannage et déterminer si une action supplémentaire ou une surveillance plus poussée est nécessaire. Une fois qu’une zone de préoccupation a été identifiée, la substitution des composants connus bons aux composants suspects est une façon d’identifier positivement les équipements de soudure qui nécessitent une réparation ou une action corrective. Voici des exemples de données de diagnostic utiles :
– Les données du graphique de soudure. Cela peut aider à localiser les différences entre les bonnes pièces et les pièces suspectes. Les données affichées sur un graphique de soudure, comme on le voit sur la figure 3, comprennent l’amplitude, l’appel de courant, la puissance, la fréquence et la phase. Les variations d’amplitude, de phase, de fréquence et de courant peuvent indiquer un problème avec une alimentation ou une pile. Un écart dans l’appel de puissance pourrait indiquer un changement de procédé (tel que la pression de soudage), un changement de géométrie de la pièce (les tolérances, en particulier dans la zone d’assemblage, peuvent avoir changé) ou un problème de composant de la pile (un cornet ou un convertisseur commence à tomber en panne).
– Scan de diagnostic de la corne. Cela permet d’identifier si l’avertisseur sonore consomme plus de puissance (affichée comme une augmentation de la puissance nécessaire pour fonctionner dans l’air). Une augmentation de la puissance absorbée pourrait indiquer qu’une fissure se forme dans le pavillon. Ces fissures sont parfois internes et donc pas toujours visibles à l’œil nu.
– Données aléatoires. Des données qui semblent chaotiques lorsqu’elles sont comparées à des données connues et bonnes peuvent indiquer un défaut dans le convertisseur, le cornet ou dans le câble radiofréquence, comme on le voit sur la figure 4.
PARAMÈTRES DU PROCÉDÉ &MATÉRIAUX
Le contrôle et la documentation minutieux des paramètres du processus est un autre domaine qui ne peut être négligé. Les producteurs de composants médicaux et automobiles le savent et suivent des procédures strictes, souvent mandatées par des organismes de réglementation tels que la FDA, qui se traduisent par un haut degré de réussite lors de l’utilisation du soudage par ultrasons.
Malheureusement, les transformateurs d’autres produits, tels que les jouets ou les produits jetables, fonctionnent souvent selon des exigences beaucoup moins strictes et exercent des contrôles de processus beaucoup plus faibles. Dans de telles situations, il peut être courant pour les opérateurs d’ajuster continuellement les réglages en réponse à l’évolution de la pièce ou des conditions de production. Si cette approche peut aboutir à une production satisfaisante, les problèmes qui surviennent peuvent être plus difficiles à diagnostiquer, notamment à distance, lorsque les paramètres du processus varient fréquemment. Par exemple, la dernière modification des paramètres a-t-elle été provoquée par un problème d’équipement ou par un changement de composition ou de qualité de la pièce ?
Typiquement, lorsqu’une application comme celle-ci nécessite une assistance, un ingénieur d’application en soudage par ultrasons, après avoir posé quelques questions de base entourant les pièces (matériau, conception du joint, exigences de test et configuration actuelle de la machine) peut orienter le client vers la solution appropriée. Cette approche est particulièrement utile si le dépannage peut être effectué directement sur la machine, en utilisant des pièces de production. Une vue d’ensemble du processus de dépannage/réglage des paramètres est présentée à la Fig 5.
Les questions liées aux matériaux sont une source fréquente d’incohérences ou de problèmes en production. Comme indiqué dans les exemples suivants, même de légères variations dans les matériaux peuvent avoir des effets dramatiques sur la qualité de la soudure ou de la production :
– Changements de polymères. Comme les prix fluctuent, il est courant que les transformateurs veuillent changer de polymère similaire pour des raisons économiques. Cependant, il est sage de consulter un expert en applications de soudage par ultrasons avant de procéder à tout changement.
Un exemple de changement courant mais potentiellement gênant consiste à passer d’un matériau amorphe facile à souder comme l’ABS, à un polymère semi-cristallin beaucoup plus difficile à souder, comme le PP. Pour réussir le soudage, l’ABS nécessite une puissance ultrasonique plus faible (30-70 microns à 20 kHz) que le PP (90-120 microns). Si ce changement se traduit par des pièces qui n’ont pas la résistance qu’elles avaient auparavant, ou qui prennent plus de temps à souder, ou si les soudures endommagent des surfaces/composants d’assemblage sensibles, le problème pourrait être un manque de puissance ultrasonique de la pile. Un examen des composants de l’empilement, en particulier la corne et le booster, est justifié pour déterminer si des améliorations apportées à l’un ou l’autre de ces composants permettront
à l’application de souder efficacement le nouveau polymère et de revenir à une plage de réussite « normale ».
– Teneur élevée en rebroyé. Les thermoplastiques rebroyés, bien que pouvant être fondus et reformés de nombreuses fois, subissent une certaine dégradation de leurs propriétés physiques à chaque fusion ultérieure. L’effet cumulatif d’une trop grande quantité de matière rebroyée peut conduire à une non-conformité des pièces aux spécifications. Pour cette raison, Branson recommande de ne pas utiliser plus de 10% de matière rebroyée dans les pièces qui doivent être soudées par ultrasons. Dans les applications spécifiques qui exigent la conformité à des critères d’essai et d’acceptation rigoureux, les producteurs devraient fortement envisager une analyse périodique des matériaux de production pour valider continuellement la qualité des matériaux entrant dans les pièces finies.
– Teneur en charges. Souvent, les charges sont essentielles pour assurer la résistance et la durabilité des pièces. Cependant, les différents types et pourcentages de charges dans les pièces peuvent affecter le succès des processus d’assemblage des plastiques. Branson recommande que la teneur en charges soit inférieure à 30%. L’assemblage de pièces contenant un pourcentage plus élevé de charges, en particulier des fibres longues, entraînera parfois une accumulation de charges au niveau du joint de soudure, ce qui peut réduire la résistance de la soudure.
Un autre problème concerne les charges abrasives. Certaines charges qui confèrent une résistance ou une ténacité accrue, notamment le carbonate de calcium, la silice et le talc, peuvent également être abrasives pour les surfaces de contact de l’outillage. L’exposition prolongée de pièces abrasives aux surfaces de l’outillage peut provoquer une usure susceptible d’entraîner des dommages cosmétiques aux pièces et un transfert d’énergie inadéquat aux surfaces d’assemblage des pièces.
Le passage à des cornes en titane avec des surfaces résistantes à l’usure (carbure ou nitrure de titane, par exemple) est recommandé. Pour la fixation, il est recommandé d’utiliser de l’acier ou de l’acier inoxydable trempé.
CONFIGURATION DES PIÈCES & DÉPANNAGE
Avoir tout le reste correct – équipement, matériaux et processus – ne signifie pas grand chose si les pièces que vous tentez de souder ne sont pas correctement conçues. Mais plutôt que d’essayer de passer en revue tous les détails d’une bonne conception de pièce ici, concentrons-nous plutôt sur certaines des causes fondamentales d’une mauvaise conception de pièce :
– Absence d’objectifs de projet ou d’application clairement définis. De nombreux projets d’application rencontrent des difficultés lorsqu’il y a une « cible mobile » pour les tests et l’acceptation. Par exemple, l’application nécessitera-t-elle un test de chute ? Un test de pression ? Et si oui, à quelles valeurs ? Ces valeurs sont essentielles pour procéder efficacement à la conception d’un joint d’étanchéité. En général, les critères d’acceptation doivent être pris en compte et faire l’objet d’une décision dès le début si l’on veut que la conception se déroule sans heurts.
– Manque de compréhension des meilleurs types de joints pour des applications particulières. Les conceptions de joints sous-optimales se produisent souvent lorsqu’un concepteur principal, qui peut n’avoir qu’une compréhension marginale des processus d’assemblage des plastiques, fait avancer un projet pour se rendre compte qu’une décision incorrecte a été prise et que les caractéristiques des joints et des soudures des pièces n’ont pas été correctement prises en compte.
Souvent, ces constatations ne sont faites qu’après que des investissements importants (achèvement du moule, production des pièces et premiers essais de soudure) ont déjà été réalisés. Une fois de plus, les considérations clés liées à la pièce et à la soudure (contrôle du bavure de soudure et type de joint – hermétique, structurel ou les deux) doivent être déterminées dès le début du projet. La collaboration avec un ingénieur en soudure par ultrasons dans les étapes initiales d’un projet peut aider à identifier les critères clés de la pièce, à mieux éduquer les concepteurs et à aider à minimiser ou au moins à éclairer les risques possibles.
– L’usure du moule, généralement causée par l’utilisation de polymères ou de charges abrasives, peut donner lieu, avec le temps, à des pièces sensiblement et dimensionnellement différentes des pièces validées antérieurement. En conséquence, les principales caractéristiques d’assemblage, telles que les directeurs d’énergie ou les joints d’interférence de cisaillement, ne sont plus conformes aux spécifications. Les profils des pièces peuvent ne plus s’adapter correctement à l’ensemble de l’outillage. Les résultats des soudures peuvent devenir de plus en plus incohérents. Les remèdes à ce problème consistent à retravailler le moule existant ou à produire un nouveau moule.
En fin de compte, les problèmes avec les pièces soudées par ultrasons peuvent surgir de nombreuses sources. Le fait d’appeler votre représentant local d’équipement de soudage par ultrasons dès qu’un problème est suspecté pourrait permettre un diagnostic et des conseils de remédiation, souvent réalisés par des appels téléphoniques ou des courriels qui peuvent vous aider à identifier, minimiser ou résoudre les problèmes de production potentiels. Pour réduire le besoin de dépannage, suivez ces meilleures pratiques :
– Collaborez dès le début de la conception de votre projet (ou de la reconception si des changements importants de matériau, de forme ou de fonction sont envisagés) avec les experts en ingénierie d’application de votre fournisseur d’équipement de soudage par ultrasons.
– Gardez toujours à disposition une réserve de composants de rechange de qualité production, en particulier pour les applications critiques où des interruptions de production entraîneraient des problèmes opérationnels ou financiers importants. Les pièces de production de rechange sont une aide vitale pour résoudre les problèmes d’assemblage et, en cas de pincement de l’approvisionnement, elles peuvent permettre de maintenir la production avec un minimum de temps d’arrêt.
– Profitez des possibilités de formation qui vous permettent de maîtriser la technologie d’assemblage des plastiques que vous utilisez. Branson, par exemple, propose des séminaires sur divers sites d’entreprise et sites clients, fournissant la formation pratique et l’assistance technique nécessaires pour que votre « champion » du processus ultrasonique soit bien informé des dernières technologies et prêt à former et à maintenir la technologie selon les besoins dans votre établissement. Les ingénieurs de conception, les ingénieurs qualité, le personnel de maintenance des équipements et le personnel d’exploitation/de production peuvent tous tirer profit du temps investi dans les sessions de formation.
À PROPOS DE L’AUTEUR : David Dahlstrand est le coordinateur technique régional sr d’Emerson/ingénieur de développement textile pour Branson Ultrasonics Corp, Danbury, Conn. Il possède des connaissances en matière d’applications et de conception d’outils pour les technologies d’assemblage par ultrasons, vibrations, orbitales, thermiques et laser utilisées dans l’assemblage de thermoplastiques rigides, de textiles synthétiques et de films. Contact : (770) 962-2111, poste 17 ; [email protected] ; emerson.com.
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