Brevet FR2012214A1 — publié le 19700313

La présente invention est relative à un procédé pour le soudage de pièces en matière plastique, notamment thermoplastique; et elle concerne, plus particulièrement, un procédé pour souder ensemble deux pièces en matière thermoplastique superposées, 5 relativement rigides, par application d'énergie sonore ou ultrasonore pour qu'une telle énergie soit appliquée aux pièces à partir d'un côté de l'assemblage à réaliser. L.'invention a également pour objet un appareil perfectionné pour la mise en oeuvre de ce procédé. lO L'assemblage par soudage de pièces minces, souples ou semi- rigides, en matière thermoplastique par application d'énergie sonore ou ultra—sonore est bien coçnu dans la technique. Mais l'assemblage par soudage de deux pièces superposées, relativement rigides et épaisses, en matière thermoplastique, qui se trouvent 15 appliquées l'une contre l'autre le long d'une surface ou d'un plan d'une notable étendue, présente des difficultés considérables. L'énergie ultra-sonore, appliquée à une pièce, diffuse et s'étale sur une superficie relativement étendue et ne parvient pas à ramollir la matière à l'interface, c'est-à-dire la surface 20 éventuellement plane le long de laquelle les deux pièces se trouvent mutuellement en contact. Pour apporter une solution à ce problème^ il a été recommandé d'utiliser ce que l'on a dénommé des "directeurs d'énergie" sur l'une des pièces. Les directeurs d'énergie sont des saillies qui s'étendent à partir de la surface 25 de contact d'une des pièces et constituent une superficie de section transversale réduite, au niveau de laquelle l'énergie sonore se trouve dissipée. Les saillies fournissent rapidement de la matière thermoplastique ramollie qui flue et produit une liaison par solidification» Ces directeurs d'énergie sont analogues aux 30 saillies utilisées en soudage électrique par résistance lorsqu' une des pièces est pourvue d'une ou de plusieurs saillies ayant pour effet d'interposer une zone de contact de haute résistance électrique dans laquelle intervient une rapide accumulation de chaleur. 35 Dans de nombreux cas, il est nécessaire de souder ensemble des éléments thermoplastiques d'épaisseur considérable, et des directeurs d'énergie ou bien sont absents, ou bien ne peuvent pas être incorporés au dessin des pièces. Dans d'autres cas, il est désirable de souder ensemble des pièces en matière thermoplasti-40 que qui se trouvent placées en contact mutuel sur une surface 69 22054 2 2012214 étendue, une telle configuration rendant difficile de diriger, commander et régler la dissipation d'énergie sonore ou ultrasonore. Le procédé faisant l'objet de la présente invention et qui 5 est décrit en détail ci-après prévoit un agencement permettant de joiridre par énergie sonore ou ultra-sonore des pièces ou éléments en matière thermoplastique relativement épais qui sont mutuellement superposés et se trouvent en contact sur une surface d'une étendue telle que, par mise en oeuvre des techniques antérieure-10 ment connues, il ne serait pas facile de rester maître de la direction du flux d'énergie sonore ou ultra-sonore. Dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, lorsque deux éléments en matière thermoplastique sont mutuellement superposés, on amène, jusqu'au contact d'un de ces éléments, un outil vibrant 15 en fréquence acoustique et on applique à force cet outil contre ledit premier élément afin que cet outil pénètre dans cet élément jusqu'à ce que 1'extrémité avant de l'outil-parvienne à proximité de l'interface au niveau de laquelle les deux éléments se touchent. En réponse à la dissipation d'énergie sonore ou ultra— 20 sonore, de la matière thermoplastique en fusion se trouve ensuite produite à l'interface et flue le long de cette interface à l'emplacement où l'outil y pénètre, et cette: matière fondue, lors de son durcissement, réalise la liaison et l'assemblage des éléments. L'invention concerne également un appareil pour souder en-25 semble des éléments en matière plastique, comprenant un convertisseur adapté à recevoir de l'énergie électrique et à traduire celle-ci en vibrations dans la gamme sonore ou ultra-sonore et une extrémité propre à vibrer lorsqu'elle est excitée-en tant que résonateur demi-onde en agissant comme un cornet couplé audit 30 convertisseur pour augmenter l'amplitude desdites vibrations, caractérisé par le fait que, d'une part, la face frontale du cornet est conformée pour pénétrer à travers un élément en matière plastique en réponse à la pression appliquée entre ledit cornet et ledit élément et 1'existence de vibrations sonores ou ultra--35 sonores, et que, d'autre part, derrière l'extrémité dudit cornet est prévue une rainure destinée à recevoir et conformer la matière plastique déplacée par la face frontale dudit cornet lorsqu' elle pénètre dans l'élément.en matière plastique. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à 40 l'aide du complément de description qui suit ainsi que du dessin 69 22054 3 2012214 ci—annexé, lesquels complément et dessin concernent un mode de ■réalisation de l'invention choisi à titre d'exemple non limitatif et sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figure 1, de ce dessin, illustre schématiquement l'en-5 semble de l'appareil à ultra-sons et des éléments en matière thermoplastique avant 1'assemblage. La figure 2 montre, partie en coupe, partie en élévation, portions arrachées, les positions relatives de l'outil et des é-léments à souder au cours d'une opération de soudage effectuée 10 selon un des modes de réalisation de l'invention. La figure 3 est une coupe en plan selon 3-3 figure 2. La figure 4, enfin, montre en plan vu de dessus la portion de la surface avec laquelle l'outil vibrant en fréquence acoustique a été mis en contact, cette portion étant représentée après ~15 la fin de l'opération de soudage. Sur la figure 1 on a schématiquement représenté en 10 un générateur électrique de haute fréquence à partir duquel un câble 12 applique de l'énergie électrique à un convertisseur 14 qui transforme cette énergie électrique en énergie acoustique et pro-20 duit des vibrations sonores. Le convertisseur 14 est équipé d'un transformateur mécanique d'amplitude 16, dénommé aussi cornet plein, en un matériau métallique tel que de l'aluminium ou du titane. Le générateur 10, le câble 12 et le convertisseur 14 constituent ensemble un appareil disponible dans le commerce où il est 25 vendu, par exemple, sous la dénomination "Modèle J-32" par la Branson Sonic Power Company à Danbury, Connecticut, E.U.A. Le convertisseur 14, selon un mode de réalisation typique, comporte un ou plusieurs disques piézoélectriques (non représentés) qui convertissent en énergie sonore l'énergie électrique fournie à partir 30 du générateur 10. L'amplitude des oscillations mécaniques est amplifiée par le cornet 16 qui est mécaniquement couplé à ce ou ces disques piézoélectriques. D'autres appareils, également disponibles sur le marché, utilisent des moyens transducteurs à magnétostriction pour convertir l'énergie électrique reçue en énergie 35 sonore, et les deux types de convertisseurs fonctionnent généralement à une fréquence de l'ordre de 18 à 25 kHz,- mais il va de soi, pour un spécialiste de ces techniques, que la fréquence précise n'est pas critique. Afin de maintenir le bruit" à un niveau tolérable, il est généralement désirable que ces appareils géné-40 rateurs et utilisateurs d'énergie sonore fonctionnent dans le 69 22054 4 2012214 domaine de fréquence -des ultra-sons, c'est-à-dire à une fréquence supérieure ou au moins égale à 16 kHz. La longueur du cornet '16 est dimensionnée de façon à le faire fonctionner à la. manière d'un résonateur en demi-longueur d'onde à la fréquence nominale 5 de fonctionnement, la face frontale 30 du cornet étant située à un ventre de vibration et oscillant le long de l'axe longitudinal du cornet, comme le montre la flèche à double tête. La. figure 1 montre, disposé au-dessous du cornet 16, un premier élément plat 20 en matière thermoplastique posé sur un 10 deuxième élément 22 en matière thermoplastique dont la face inférieure repose sur un support 24. Les éléments en matière thermoplastique, typiquement des pièces de construction réalisées en matière plastique du type A5S (acrylonitrile-butadiène-styrène) sont mutuellement en contact le long d'une surface 26 constituant 15 l'interface. La figure 2 illustre un mode de réalisation de l'opération d'assemblage des deux éléments 20 et 22 par soudage selon la présente invention. Cette opération consiste essentiellement à mettre la face frontale 30 du cornet vibrant 16 en contact avec la 20 surface supérieure 21 de l'élément 20 et à faire pénétrer la. portion extrême libre 31 dans la matière constitutive dudit élément 20 jusqu'à ce qu'au moins l'interface 26 soit atteinte. En effet, la portion extrême libre 31 du cornet comporte une face frontale 30 profilée en saillie comportant un rayon facilitant la pénétra-25 tion des éléments à assembler quand le cornet vibrant 16 est appliqué à force contre l'élément 20 de façon à pénétrer.'dans la masse de la matière thermoplastique constitutive de cet 'élément. D'autres profils de face frontale 30 essayés avec succès sont de formes conique ou tronconique. 30 Par suite de la poussée exercée par le cornet 16 vibrant à sa fréquence nominale, l'extrémité frontale de ce cornet pénètre dans la surface puis dans la masse de l'élément 20 en matière thermoplastique; en raison de la dissipation de l'énergie sonore, la matière thermoplastique en contact avec la portion extrême 31 35 du cornet se ramollit et une notable portion de cette matière flue de bas en haut et est mise en forme et retenue par un évide-ment annulaire 32 "radialement disposé, prévu sur l'extrémité du cornet. Pendant que la portion extrême 31 du cornet pénètre de plus en plus-proforidément dans la matière thermoplastique jusqu'à 40 atteindre.1'interface 26, il se trouve produit au. niveau.de.la 69 22054 5 2012214 surface de cette interface 26 un frottement additionnel qui y provoque un ramollissement de la matière thermoplastique. Lors de la cessation du transfert d'énergie sonore, la matière ramollie se trouvant dans les emplacements désignés en 40 et 42 durcit 5 rapidement et assemble ainsi par soudage les éléments 20 et-22 en matière thermoplastique, à la manière de ce qui se passe lors de l'assemblage d'éléments de construction par soudage par points ou par rivetage. La surface annulaire plane 34 du cornet facilite cette opération d'assemblage en assurant l'application d'une pres-10 sion de contact maintenant les éléments 20 et 22 en contact intime l'un avec l'autre le long de l'interface 26 immédiatement après la cessation d'application de l'énergie sonore» Cette brève période constitue le temps de "maintien" au cours duquel il est permis à la matière ramollie de durcir. 15 La figure 3 est une vue en plan prise au niveau de j. * inter face 26, et montre la matière thermoplastique fondue au niveau de cette interface. La figure 4 montre, en plan vu de dessus, la surface 21 et représente un bourrelet annulaire 33 de matière thermoplastique 20 produit par de la matière retenue et mise en forme à l'intérieur de l'évidement 32 ménagé dans l'extrémité de travail du cornet 16; elle montre aussi le trou borgne 46 produit par la portion frontale 31 du cornet 16. Quand il s'agit d'assembler des pièces de grandes dimen-2 5 sions, on répète l'opération décrite ci-dessus à intervalles réguliers, distants par exemple de trois centimètres, afin d'établir un nombre suffisant de "points de soudage". XI ne faut pas perdre de vue que la longueur de la face frontale 31 du cornet 16 à partir de la portion extrême 30 jusqu' 30 à la surface d'appui 34 est ajustée à une valeur égale à la profondeur dont on veut faire pénétrer le cornet; dans le mode de réalisation décrit ci-dessus et représenté, la susdite longueur est légèrement supérieure à l'épaisseur de l'élément 20 en matière thermoplastique. 35 Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, on admet qu'il est inutile de faire pénétrer la face frontale 30 du cornet jusqu'à l'interface. 26 ou au-delà de cette interface. On arrête l'enfoncement de la fa.ce frontale du cornet dans la masse de l'élément 20 peu.avant qu'elle attei-40 gne l'interface 26, et alors on provoque le dégagement d'une quart- 69 22054 6 2012214 tité de chaleur suffisante, par dissipation d'énergie sonore au niveau de la face frontale du cornet, pour provoquer la fusion de la matière thermoplastique au niveau de l'interface 26. Par conséquent, il apparaît bien qu'il n'est pas réellement nécessai— 5 re que le cornet pénètre au travers de l'interface jusque dans l'élément sous-jacent; quand on applique une quantité suffisante d'énergie sonore, il peut suffire d'enfoncer le cornet dans le premier élément jusqu'à ce que la face frontale 30 de ce cornet parvienne à proximité de l'interface le long de laquelle les deux 10 éléments en matière thermoplastique sont appliqués l'un contre 1'autre. Bien que, dans certains cas, on puisse désirer faire réellement pénétrer la face frontale 30 du cornet au-delà de l'interface 26, Il peut, dans d'autres cas, être avantageux de faire pé-15 nétrer l'extrémité 31 du cornet à travers l'élément 20 jusqu'à ce que la face frontale 30 parvienne exactement à l'interface 26 ou à une très faible distance de cette interface. Les dimensions du cornet 16 sont telles que la surface annulaire 34 constitue une butée adéquate limitant à la profondeur voulue la pénétration du 20 cornet dans l'élément 20 ou dans les éléments 20 et 22. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation, de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés; 25 elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 69 22054 7 2012214 REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'assemblage de deux éléments en matière plastique, notamment thermoplastique, mutuellement superposés le long d'une interface commune laissant chacun de ces éléments avec 5 une face exposée, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement: a mettre un outil vibrant à une fréquence acoustique en contact avec la face exposée du premier de ces éléments; à enfoncer à force ledit outil dans ledit premier élément et à l'y faire pénétrer jusqu'à ce que la face frontale de cet outil parvienne à 10 proximité de ladite interface, afin que, en raison de la dissipation d'énergie sonore, de la matière plastique fondue s'écoule au niveau de ladite interface en un emplacement situé à proximité de la zone de pénétration dudit outil, cette matière fondue provoquant, lors de son durcissement, une liaison par soudage des deux 15 susdits éléments au niveau du susdit emplacement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait pénétrer l'outil dans le premier élément au moins jusqu'à ce que la face frontale de cet outil parvienne jusqu'au niveau de ladite interface. 20 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait pénétrer l'outil dans le premier élément jusqu'à ce que la face frontale de cet outil parvienne à proximité de ladite interface tout en restant éloigné d'une faible distance de celle-ci. 25 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait pénétrer l'outil dans le premier élément jusqu'à ce que la face frontale de cet outil parvienne jusque dans l'autre élément. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' 30 il est prévu des moyens pour supporter le deuxième élément en matière plastique au niveau de sa face exposée. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un outil vibrant dont la portion de travail comprend essentiellement un cornet acoustique solide. 35 7. Procédé selon la revendication b, caractérisé en ce que ledit cornet, quand il est mis en contact avec le premier élément, vibre suivant son axe longitudinal. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait vibrer l'outil à une fréquence d'au moins 16 kHz. 40 9. Procédé pour l'assemblage de deux éléments en matière 69 22054 s 2012214 thermoplastique mutuellement superposés le long d'une interface commune, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement: à mettre un cornet acoustique, vibrant à une fréquence ultra-sonore et couplé à un transducteur d'énergie sonore, en contact avec la 5 face exposée du premier desdits éléments; à enfoncer à force ledit cornet dans ce premier élément en direction de l'autre élément afin que ce cornet pénètre dans le premier élément, et à arrêter la pénétration quand la face frontale de ce cornet est parvenue à l'intérieur du premier élément au moins à proximité de 10 l'interface .commune.aux deux susdits éléments; à retenir temporairement ledit cornet dans sa position enfoncée pendant qu'on cesse, de l.e faire vibrer; et à retirer le cornet pour le dégager -dudit premier élément, en suite de quoi, par suite des vibrations . du cornet et de sa pénétration dans ledit premier; élément, de la 15 matière thermoplastique se trouve ramollie et s'écoule au niveau de ladite interface à proximité de la face frontale du cornet, puis cette matière fondue se resolidifie et durcit lorsque ledit cornet cesse de vibrer, ce qui a pour effet de lier par soudage les deux éléments à l'emplacement de ces changements d'état de la 20 matière thermoplastique. 10. Appareil pour souder ensemble des éléments en matière plastique, comprenant un convertisseur adapté à recevoir de l'énergie électrique et à traduire celle-ci en vibrations dans la gamme sonore ou ultra-sonore et une extrémité propre à vibrer lorsqu'elle 25 est excitée en tant que résonateur demi-onde en agissant comme un cornet couplé audit convertisseur pour augmenter l'amplitude desdites vibrations, caractérisé en ce que, d'une part, la face frontale du .cornet est conformée pour pénétrer à travers un élément en matière plastique en réponse à la pression appliquée en-30 tre ledit cornet et ledit élément et l'existence de vibrations sonores ou ultra-sonores, et que, d'autre part, derrière l'extrémité dudit cornet est prévue une rainure..destinée à recevoir et conformer la matière plastique déplacée par la face frontale dudit cornet lorsqu'elle pénètre dans l'élément en matière plasti-3 5 que. 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite rainure est une rainure annulaire. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite rainure annulaire est disposée autour de l'axe longi- 40 tudinal du cornet,derrière la face frontale dudit cornet, à une distance qui est sensiblement égale à l'épaisseur de la matière plastique à travers laquelle ledit cornet doit pénétrer.