Application du principe de découpe et de soudage de sangles par ultrasons

Principe de la découpe et du soudage par ultrasons

La découpe et le soudage par ultrasons constituent un sous-domaine des applications ultrasoniques dans l'industrie, et leur utilisation s'est considérablement accrue en raison de leurs caractéristiques écologiques, efficaces et esthétiques.

Principe de découpe et de soudage par ultrasons

La découpe et le soudage par ultrasons de sangles utilisent des vibrations mécaniques à haute fréquence (20-40 kHz), transférant l'énergie à la surface de contact de la sangle via la tête de soudage. 1. Conversion d'énergie : Le générateur ultrasonique convertit l'énergie électrique en vibrations mécaniques à haute fréquence, lesquelles sont amplifiées par le transformateur d'amplitude puis transmises à la tête de soudage. 2. Génération de chaleur par friction : La tête de soudage exerce une pression sur la sangle, provoquant une friction à haute fréquence entre les fibres et générant instantanément des températures localisées élevées (500-1000 °C). 3. Soudage et découpe synchrones : La haute température fait fondre les fibres de la sangle (nylon, polyester, etc.), tandis que la pression de la tête de soudage compacte la partie fondue, formant une couche de soudure résistante. Utilisée avec une tête de soudage à lame de coupe spécifique, la haute température permet de découper simultanément la sangle, réalisant ainsi une opération intégrée de « découpe et soudage ». 4. Refroidissement et mise en forme : Une fois les vibrations arrêtées, la pression est maintenue pendant 0,1 à 0,5 seconde, permettant ainsi à la zone soudée de refroidir et de se solidifier rapidement, achevant le processus de découpe et de soudage. (Les systèmes pneumatiques assurent l’amortissement, garantissant également le refroidissement et la mise en forme pendant le processus de découpe et de soudage.)

Composition du système de découpe et de soudage par ultrasons

Le système de soudage plastique par ultrasons couramment utilisé se compose de trois éléments principaux : un générateur d’ultrasons (boîtier électrique), un transducteur ultrasonique (vibrateur) et un moule ultrasonique (tête de moule, tête de soudage, cornet).

Générateur ultrasonique (boîtier électrique), transducteurs ultrasoniques (vibrateurs), moules ultrasoniques (têtes de moule, têtes de soudage, cornes)

1. Générateur ultrasonique (boîtier électrique) : Convertit le courant secteur en une sortie stable à haute fréquence et haute tension.

2. Transducteur ultrasonique (oscillateur) : Un dispositif acoustique qui convertit l'énergie, transformant l'énergie électrique en énergie mécanique.

3. Amplificateur : L'amplitude des vibrations mécaniques du transducteur est modifiée par un rapport de gain prédéfini.

4. Moules (têtes de soudage, cornes) : Conçues sur mesure selon des dimensions spécifiques adaptées aux besoins des applications de soudage et de découpe, et dotées de caractéristiques acoustiques répondant aux exigences de résonance du système ultrasonique, ces sondes sont adaptées aux applications nécessitant un réglage précis de leurs paramètres. L'utilisation de plusieurs formules pour expliquer ce phénomène de réglage se fera ensuite dans différentes applications.

Énergie = Amplitude * Pression * Temps * Constante K = Puissance * Temps

Les formules ci-dessus montrent qu'en soudage et en découpe, l'amplitude de l'onde ultrasonore (réglable sur le générateur), la pression (pression d'air ou couple du vérin électrique, ainsi que la rigidité et la dureté de la structure) et la durée d'émission de l'onde sont directement corrélées à la qualité du soudage et de la découpe. Autrement dit, si la découpe d'une pièce présente des défauts, il est possible d'améliorer ces paramètres. Cela signifie-t-il que plus ces paramètres sont élevés, mieux c'est ? Bien sûr que non !

P = K∗A∗f∗δ, où P représente la puissance de soudage, en W ;

K est une constante dont la valeur est liée à la conduction acoustique et à la dissipation d'énergie du matériau. Autrement dit, on dit généralement que différents matériaux nécessitent des ajustements précis de leurs paramètres pour répondre aux exigences.

UN représente la surface de la zone de soudure coupée, mesurée en mètres carrés (m²). Il s'agit de la surface de contact de la soudure ; la longueur et l'angle du tranchant déterminent généralement cette surface.

f La fréquence ultrasonore est exprimée en hertz (Hz). En théorie, plus la fréquence est élevée, plus le soudage est facile. Cependant, en pratique, plus la fréquence est élevée, plus il est difficile d'obtenir une grande amplitude.

d L'amplitude, mesurée en mètres (m), est représentée par l'indice α. Théoriquement, une amplitude plus importante améliore le soudage et la découpe. Cependant, la durée de vie en fatigue des matériaux métalliques dépend de la fréquence, des propriétés du matériau, des contraintes, du temps, de la pression et de la dureté, et est donc influencée par d'autres paramètres.

Six facteurs influençant les résultats de la découpe et du soudage par ultrasons :

Pression + Temps + Structure mécanique + Matériaux du produit + Débogage

1. Pression de soudage par ultrasons

L'application d'une pression appropriée sur la surface de soudure provoque la transition du matériau de soudure d'un état élastique à un état plastique, favorise l'interdiffusion moléculaire et chasse l'air résiduel de la soudure, améliorant ainsi l'étanchéité de cette dernière. La pression ne dépasse généralement pas 0,5 MPa.

2. Durée de soudage/découpe par ultrasons (durée d'émission des ondes)

Un temps de fusion approprié et un temps de refroidissement suffisant sont essentiels. À puissance calorifique constante, un temps insuffisant entraînera une soudure incomplète, tandis qu'un temps excessif provoquera une déformation de la zone soudée, des débordements de laitier et parfois des points chauds (décoloration) dans les zones non soudées. Il est crucial de veiller à ce que la surface de la soudure absorbe suffisamment de chaleur pour atteindre un état de fusion complet, garantissant ainsi une diffusion moléculaire et une fusion optimales. Parallèlement, un temps de refroidissement suffisant est nécessaire pour que la soudure atteigne une résistance adéquate.

3. Amplitude ultrasonique

4. Structure mécanique

La précision et la stabilité de la fabrication du cadre influent directement sur la qualité du soudage, notamment pour certains produits de précision, où la structure mécanique doit correspondre à la précision du produit.

5. Matériaux du produit

Des facteurs tels que le matériau des pièces soudées, leur structure, leur épaisseur et leur résistance à la pression affectent également directement la qualité du soudage.

6. Dépannage des équipements

En conclusion, pour qu'un produit atteigne des résultats optimaux en découpe et soudage par ultrasons, la mise au point de l'équipement est également une garantie essentielle. Le réglage précis des différents paramètres et la mise au point sur site par des ingénieurs jouent un rôle primordial.