Principes et techniques du soudage par ultrasons PPS

I. Aperçu

Le PPS (sulfure de polyphénylène) est un thermoplastique semi-cristallin avec une courbe de fusion abrupte et une température de fusion élevée (285 ° C, 545 ° F), et son PPS pur ne convient pas au soudage par ultrasons. Cependant, après l'ajout de fibre de verre et d'autres charges, la rigidité du mélange PPS est considérablement augmentée, ce qui contribue à la transmission des vibrations ultrasoniques, de sorte que le soudage par ultrasons peut être utilisé. À condition que les nervures de soudage soient conçues de manière raisonnable, la teneur en fibre de verre de 40 % PPS peut être facilement soudée. Cependant, lorsque la teneur en fibre de verre et en poudre minérale augmente continuellement, le composant ultrasonique est difficile à former car la teneur en composant résine dans le mélange devient faible.

2. Conception des nervures de soudage

La conception des nervures de soudage du produit PPS est essentielle à la résistance de la soudure. La conception des pièces et des nervures de soudure doit être prise en compte dès l'assemblage des composants, ainsi que l'impact de ces conceptions sur le processus de soudage par ultrasons.

Pour le soudage des matériaux PPS, la conception à joints de cisaillement est généralement adoptée. Pour la conception de nervures triangulaires ou économes en énergie, différents types de PPS avec des compositions différentes ont des résultats de soudage différents. Pour les mélanges PPS à haute teneur en charges, la fluidité lors de la fusion est insuffisante et il est impossible de couler des deux côtés pour former davantage de zones de liaison. Par conséquent, de tels mélanges de PPS ne conviennent pas à la conception de nervures triangulaires ou économes en énergie.

Pour les joints de cisaillement, une action similaire de « frottis » est produite à l'interface du joint pendant le processus de soudage, ce qui entraîne une plus grande fluidité du plastique fondu et un soudage plus facile. Des tests ont montré que pour les PPS à haute teneur en charges, le produit utilisant le joint de cisaillement présente une force d'arrachement six fois supérieure à celle de la soudure étagée. Dans le même temps, le joint de cisaillement fond et adhère à une zone plus grande, ce qui contribue à l’étanchéité.

Des soudures typiques en cisaillement et en escalier sont illustrées dans les figures 1 et 2 ci-dessous.

Pour les produits d'une taille maximale supérieure à 89 mm ou d'une forme irrégulière, il est difficile de contrôler l'erreur de moulage par injection, ce qui entraîne des résultats de soudage instables. Par conséquent, la conception à joint de cisaillement n’est pas recommandée pour les produits aux formes larges ou irrégulières, mais la conception à conducteur/marche/rainure triangulaire est recommandée. En général, la profondeur de soudure du joint de cisaillement est d'environ 1,25 fois l'épaisseur de la paroi.

Pour le soudage par ultrasons en champ proche de pièces à parois minces en PPS, les procédés de soudage à haute fréquence (par exemple 20 Khz ou 30 Khz) et à faible amplitude ont plus de chances de réussir. En même temps, il présente l'avantage d'une faible puissance instantanée et d'une protection contre les dommages aux composants. Lors de l'utilisation de la conception des nervures de guidage d'énergie, pour un matériau semi-cristallin typique, l'angle des nervures triangulaires est de 60°, la largeur du fond est généralement de 20 % à 25 % et la hauteur est de 0,866 fois la largeur du fond.

Il est important de garder à l’esprit lors de la conception de produits le choix d’un procédé de soudage par ultrasons qui doit minimiser les pertes d’énergie ultrasonique inutiles. Les ondes ultrasonores se propagent dans le sens du mouvement du cornet de soudage  et l'énergie est proportionnelle à la taille de la section du mur. La partie à vibrer doit être la partie la plus haute et la plus légère de l'assemblage, et une plus grande surface plane en contact avec le cornet de soudage  doit être conçue au-dessus du cordon de soudure. Il est parfois nécessaire de concevoir une structure spéciale pour transférer l’énergie vibratoire directement à la soudure, par exemple en ajoutant une structure à lèvres surélevées au bord du couvercle. Un dégagement approprié pour l'assemblage des pièces est également nécessaire pour éviter les interférences et conduire à des joints de soudure. Les pièces sur le chemin de vibration doivent être arrondies et la taille du filet est égale à 0,6 fois l'épaisseur de la paroi pour éviter la fissuration des pièces lors du soudage par ultrasons. Les pièces conçues symétriquement sont plus faciles à souder en raison de leur pression uniforme et de leur répartition d’énergie.

En résumé, voici les mauvaises conceptions de soudure à éviter :

1. La conception de l'espace du composant d'assemblage est trop petite et il existe un ajustement serré ou serré, ce qui empêche la transmission efficace des vibrations ultrasoniques à la nervure de soudage ;

2. La section transversale de la pièce transmettant la vibration ultrasonique est trop petite/mince, ce qui entraîne des fissures de grande amplitude ;

3. Si la taille du cordon de soudure est trop grande, la puissance de sortie instantanée sera trop importante, ce qui pourrait endommager les pièces ;

4. La partie qui est en contact direct avec le cornet de soudage n'est  pas la partie la plus avancée et la plus légère de l'assemblage ;

5. Les coins pointus internes peuvent provoquer des fissures dans les pièces ;

6. L'insert métallique interne absorbe les vibrations ultrasoniques et réduit l'efficacité du soudage. Les pièces métalliques doivent donc être assemblées après le soudage par ultrasons.

3. recommandations sur le processus de soudage

Le processus optimal de soudage par ultrasons dépend fortement de la qualité des pièces et de la précision de l’assemblage, ainsi que de l’équipement et des accessoires de soudage utilisés. Il est important de demander conseil au fabricant dès la phase de conception du produit. L'ajustement des paramètres de soudage doit prendre en compte la composition du matériau, l'erreur dimensionnelle et la rigidité de la pièce, ainsi que la distance entre la position du cornet de soudage et  le produit et la soudure. La soudabilité du produit fait référence à la capacité du matériau à transmettre des vibrations ultrasonores sans dommage.

Le PPS étant un thermoplastique semi-cristallin à point de fusion élevé, des vibrations ultrasonores de grande amplitude sont généralement nécessaires pour faire fondre le plastique afin de former une soudure. Compte tenu des propriétés de module élevé (rigidité élevée) du PPS, l’amplitude de la sortie peut être transmise sur une distance considérable dans la pièce en plastique. Plus la distance entre le cornet et la soudure est grande, plus l'amplitude requise est grande. Dans le soudage en champ proche (la distance entre la surface de contact du cornet de soudage  et la soudure est inférieure à 6 mm), une efficacité de soudage plus élevée peut être obtenue en utilisant un processus de soudage à haute fréquence et à faible amplitude. En soudage en champ lointain (la distance entre la surface de contact du cornet de soudage  et la soudure est supérieure à 6 mm), la distance de transmission d'amplitude est limitée par la structure du produit. Lorsque le mur est plus fin, la distance de transmission des vibrations ultrasoniques est plus courte.

La puissance nécessaire au soudage dépend de la taille de la zone de soudure, de la géométrie de la pièce et des caractéristiques d'absorption du matériau. Le soudage PPS nécessite généralement une puissance de sortie élevée pour garantir que la majeure partie de l'énergie est transférée très rapidement à la soudure tout en évitant les dommages causés par les vibrations à la pièce. La vitesse du cornet de soudure est  adaptée à la fusion du plastique PPS et à la vitesse de formage de la soudure.

Lorsque le produit est conçu avec un joint de cisaillement, les paramètres initiaux peuvent être définis sur une puissance de sortie élevée, un modulateur de rapport élevé, une faible pression de soudage et une vitesse de soudage plus lente. Ensuite, en fonction des résultats réels du soudage, le réglage suivant est effectué. Lors du soudage, sachez qu'une grande amplitude et des vibrations prolongées peuvent endommager la surface de la pièce. La résistance maximale de la soudure est obtenue pendant la phase de maintien. Si l'étanchéité à l'air n'est pas bonne, la distance de maintien de la pression dynamique ou le temps de maintien peut être augmenté pour s'améliorer.

Lors de l'utilisation de la conception à joints de cisaillement, il est nécessaire de faire attention au support latéral de la paroi du produit pour éviter le problème d'une mauvaise résistance au soudage due à l'ouverture de la paroi latérale de la pièce pendant le soudage. Le luminaire peut être en aluminium, en acier, en résine ou en d'autres matériaux. L'ajustement entre le luminaire et le produit doit être approprié pour fournir un support approprié et faciliter la manipulation des pièces.

4. force de soudage

La résistance de la soudure est généralement bien inférieure à celle du matériau en vrac. Comme il n’y a presque pas de fibre de verre sur la soudure, la résistance de la soudure est principalement déterminée par la résistance de la résine elle-même. Autrement dit, lors du soudage de matériaux en résine pure (à l'exclusion des matériaux renforcés de fibres de verre), la résistance de la soudure n'est généralement pas aussi grande que celle du matériau en vrac. Pour certains matériaux PPS, la résistance de la soudure peut atteindre 50Mpa ; pour la plupart des matériaux PPS, la résistance de la soudure est inférieure à 35 Mpa. De plus, la résistance de la soudure diminue avec l'augmentation de la température, comme le montre la figure suivante (résistance à la traction pure du PPS pur en fonction de la température).

De plus, de nombreux autres facteurs affectent la résistance de la soudure :

Zone de la zone de soudage. Plus le fil est long, plus le plastique est fondu, plus la résistance de la soudure est grande. Mais en fait, affectée par des facteurs tels que la précision du moulage par injection et les fixations, la surface de la zone soudée sera beaucoup plus petite que ce que prévoit la conception.

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Précision dimensionnelle et qualité des pièces moulées par injection. Les défauts d'injection tels que les vides absorbent les vibrations ultrasonores et affectent le transfert d'énergie. Peut provoquer des brûlures et des fissures internes à la surface de la pièce, ainsi qu'une moindre résistance des soudures.

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Une telle contamination de surface du lubrifiant ou de l'agent de démoulage réduit la génération de chaleur de friction et gêne le processus de soudage. Dans le même temps, la résistance de la soudure est altérée en raison de la pénétration d'impuretés dans la soudure.

Pendant le processus de soudage, le plastique PPS au niveau de la soudure fond et refroidit rapidement, et il est facile de produire un état plus amorphe (amorphe). Lorsque le produit est utilisé à des températures supérieures à 85°C, le PPS va progressivement se transformer en un état semi-cristallin, créant une contrainte supplémentaire à l'intérieur du produit.