La conception des sonotrodes est la clé du succès du soudage par ultrasons des assemblages automobiles

Herrmann a été chargé de souder des panneaux isolants recouverts d'aluminium pour un compartiment moteur. Photo gracieuseté de Herrmann Ultrasons Inc.

Un robot à six axes utilise un outil de soudage par points par ultrasons pour assembler des panneaux isolants en plastique pour un compartiment moteur. Photo gracieuseté de Herrmann Ultrasons Inc.

Le soudage par ultrasons est utilisé pour fixer une lentille en plastique transparent sur un corps en plastique avec un joint hermétique. La forme 3D complexe de la pièce et sa surface de classe A constituent un défi à souder. Photo gracieuseté de Herrmann Ultrasons Inc.

Pour assembler des variantes de modèles de feux de jour, toutes les pièces de cette soudeuse à ultrasons forment un « cadre d'outillage à changement rapide » qui peut être détaché de la machine principale et échangé avec un cadre différent. Photo gracieuseté de Herrmann Ultrasons Inc.

Herrmann a introduit une nouvelle soudeuse à ultrasons qui découpe simultanément une membrane en polyester à partir d'une bobine de matériau et la soude à un boîtier en plastique. Photo gracieuseté de Herrmann Ultrasons Inc.

Cette soudeuse à ultrasons offre cinq modes de fonctionnement : temps, énergie, puissance, distance absolue (point final de la distance de soudure) et distance RPN (référençant la profondeur de soudure à un point de départ). Photo gracieuseté de Herrmann Ultrasons Inc.

Le soudage par ultrasons est largement utilisé dans l’industrie automobile. Les applications vont des composants intérieurs (garnitures de portes latérales, console centrale) aux composants du compartiment moteur (couvre-culasse, capots moteur), en passant par l'éclairage, les filtres et les mousses acoustiques. Les postes à souder peuvent être utilisés immédiatement sans temps de préchauffage. Les temps de cycle sont courts et la consommation d'énergie est faible.

Pour que le processus soit efficace, l’outil de soudage, appelé cornet ou sonotrode, doit être conçu pour épouser la forme de la pièce tout en vibrant efficacement. Cela est particulièrement vrai dans l’industrie automobile, où les mélanges de matériaux et les formes asymétriques peuvent rendre difficile le soudage de pièces en plastique.

Avec plus de cinq décennies d'expérience dans l'assemblage des plastiques, Herrmann Ultrasons a appris une ou deux choses sur la conception des sonotrodes.

Toutes les technologies d’assemblage atteignent leurs limites lorsqu’il faut coller des matériaux différents ou difficiles, notamment si les pièces ont des formes asymétriques. Avec le soudage à plaque chauffante, par exemple, ce défi pourrait entraîner une répartition inégale de la température. Certaines zones peuvent devenir trop chaudes et produire des fils ; d'autres zones peuvent rester froides et ne pas adhérer de manière homogène. Avec le soudage par vibration, du plastique supplémentaire est nécessaire dans la zone de joint. En conséquence, une grande quantité de matériau en fusion est produite lors du soudage. Ce matériau pourrait être poussé hors du joint, créant ainsi une ligne de liaison disgracieuse.

Le soudage par ultrasons est également soumis à de telles limitations physiques lors de l’assemblage de pièces complexes en forme 3D. Cependant, si la sonotrode est correctement dimensionnée grâce à l’analyse par éléments finis (FEA), le soudage par ultrasons offre de nombreux avantages :

Dans une application, Herrmann a été chargé de souder des panneaux isolants recouverts d'aluminium pour le compartiment moteur. La combinaison de matériaux était une tuerie : des tapis acoustiques en polyuréthane (PU) recouverts d'aluminium devaient être collés à des panneaux en polypropylène (PP) renforcés de fibres de verre. Comme si cela ne suffisait pas, six pièces différentes ont dû être soudées.

Cette application représentait un véritable défi pour un assemblage permanent et sûr des composants. Les adhésifs ne fonctionneraient pas en raison de considérations de coût et de la combinaison de matériaux. Les éléments de serrage ou les vis étaient trop risqués car ils pouvaient se desserrer pendant le fonctionnement du moteur. Aucune des autres méthodes d'assemblage thermique, telles que le soudage au laser, le soudage infrarouge ou le soudage par vibration, n'était adaptée.

Les premiers tests effectués à l'aide d'une soudeuse à ultrasons portative se sont révélés positifs. Un joint étanche pourrait être créé entre le tapis en PU et la pièce en PP moulée par injection, malgré la couche d'aluminium intermédiaire. Il était possible que les vibrations ultrasoniques pénètrent dans le revêtement en aluminium et dynamisent les molécules de la pièce en PP.

La tâche consistait alors à obtenir des résultats de soudage reproductibles et à garantir l'exigence de résistance à la traction du client d'au moins 50 newtons par point de soudure. L'acier trempé résistant à l'usure s'est avéré être le matériau idéal pour les sonotrodes. Les ingénieurs Herrmann ont déterminé l'emplacement des points de soudure et conçu les montages complexes, y compris le système de serrage et les capteurs de numérisation des pièces.