Comment fonctionne le soudage par ultrasons

Dans la comédie musicale "Victor Victoria" de 1982, Julie Andrews chante une note positive à la fin du numéro de cabaret parisien de son personnage. Elle soutient la note et les coupes de champagne se brisent dans la pièce. Cela a brillamment démontré comment les sons aigus ou à haute fréquence peuvent briser les matériaux. Mais saviez-vous que les sons à haute fréquence peuvent être utilisés pour lier des matériaux entre eux ? Une technologie appelée soudage par ultrasons est utilisée pour assembler des produits provenant de nombreuses industries, allant des dispositifs médicaux aux chaussures de sport en passant par les automobiles.

En règle générale, vous pouvez coller des matériaux à l'aide d'éléments de fixation tels que des clous, des vis ou des fils. Ceci convient aux métaux, au bois, aux tissus et aux plastiques. Pour de nombreux plastiques, des colles sont utilisées ; les colles forment des liaisons chimiques entre la colle elle-même et les surfaces des matières plastiques liées. Les métaux peuvent être maintenus ensemble en chauffant d’autres métaux comme agent de liaison, comme la soudure au plomb dans les connexions électriques. Alternativement, les métaux peuvent être directement fondus ensemble (soudage) ; une fois les surfaces métalliques fondues refroidies, les métaux se lient entre eux. Le soudage nécessite généralement une flamme nue ou une torche pour atteindre les températures élevées nécessaires pour faire fondre les surfaces métalliques ensemble. Cela peut donc être un processus coûteux pour certains emplois manufacturiers.

Une nouvelle méthode de soudage, plus rentable, a été introduite dans les années 1940. La technique de soudage par ultrasons utilisait des ondes sonores à haute fréquence et une pression pour lier les métaux entre eux et nécessitait moins d'énergie que le soudage conventionnel. Le soudage des métaux par ultrasons s'est développé dans les années 1950 et 1990, à mesure que l'électronique utilisée dans l'équipement devenait plus sophistiquée et que les ordinateurs pouvaient contrôler le processus. Depuis cette époque, la technique a été appliquée aux plastiques, où elle est devenue très populaire.

Dans cet article, nous examinerons l'équipement et le processus physique de soudage par ultrasons, comment New Balance l'a utilisé pour fabriquer des chaussures de sport, ainsi que les avantages et les inconvénients de cette technique. Tout d’abord, examinons de plus près comment les ondes sonores lient les matériaux, à la fois métalliques et plastiques.

Nous tenons à remercier Kenneth Straka, développeur de produits senior pour New Balance, pour son aide dans la rédaction de cet article.

Frottez-vous rapidement les mains. Vous remarquez quelque chose ? Ils se sont réchauffés, non ? Si vous prenez un marteau et frappez une surface métallique rapidement et à plusieurs reprises, vous constaterez que l'endroit où le marteau frappe le métal se réchauffe également. Dans ces deux exemples, la chaleur est due au frottement. Imaginez maintenant vous frotter les mains ou frapper ce marteau des milliers de fois par seconde. La chaleur de friction générée peut augmenter considérablement la température en très peu de temps. Fondamentalement, les sons à haute fréquence (ultrasons) provoquent des vibrations rapides au sein des matériaux à souder. Les vibrations provoquent le frottement des matériaux les uns contre les autres et le frottement augmente la température des surfaces en contact. Cette chaleur de friction rapide est ce qui crée les conditions dans lesquelles les matériaux se lient entre eux.

L'équipement de soudage par ultrasons comprend quatre parties principales. Une alimentation convertit l'électricité basse fréquence (50-60 Hz) en électricité haute fréquence (20 - 40 kHz ; 1 kHz = 1 000 Hz). Ensuite, un transducteur ou un convertisseur transforme l’électricité haute fréquence en son haute fréquence (ultrasons). Un booster augmente les vibrations ultrasonores. Enfin, un cornet ou sonotrode concentre les vibrations ultrasonores et les transmet aux matériaux à souder. Outre ces pièces, il existe une enclume sur laquelle les matériaux soudés sont empilés et maintenus. Il existe également une méthode permettant d'appliquer une force (généralement une pression d'air fournie par un piston pneumatique) pour maintenir les matériaux ensemble pendant le soudage.

Alors, quels matériaux et quelles industries profitent de ce procédé intelligent ? Le soudage par ultrasons des plastiques est largement utilisé dans la fabrication de produits électroniques, de dispositifs médicaux et de pièces automobiles. Par exemple, le soudage par ultrasons est utilisé pour réaliser des connexions électriques sur des circuits imprimés informatiques et pour assembler des composants électroniques tels que des transformateurs, des moteurs électriques et des condensateurs. Les dispositifs médicaux, tels que les cathéters, les valves, les filtres et les masques faciaux, sont également assemblés par soudage par ultrasons. L'industrie de l'emballage utilise cette technique pour fabriquer des films, assembler des tubes et des blisters. Même Ford Motor Company a exploré l’utilisation du soudage par ultrasons pour fabriquer des châssis en aluminium dans les voitures.

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