Brevet FR2083528A1 — publié le 19711217

La présente invention se rapporte à une méthode de soudure par ultra sons de matières plastiques. Elle se rapporte plus particulièrement.à l'utilisation de particules d'un polymère thermoplastique compatible, ayant un. point de fusion égal ou inférieur à celui de la substance plastique des surfaces à unir 5 par soudure, ces particules étant distribuées entre les surfaces mates qui doivent être soudées par application de vibrations ultra-soniques en un point proche des surfaces mates à unir, séparées par ces particules, le son étant distribué par une section métallique à résonnance transmettant le son. ■ Antérieurement, il était nécessaire que les surfaces plastiques à 10 unir par soudure présentent une surface à configuration géométrique spéciale, le plus souvent avec une pointe conique disposée dans une des surfaces mates à unir, cette pointe reposant contre la surface opposée à souder à la précédente, de sorte qu'au cours de la soudure la pointe conique, par laquelle doit s'écouler l'énergie concentrée du son, soit le premier point à fondre et à fluer entre 15 les surfaces adjacentes, constituant ainsi la matière plastique de soudure reliant les surfaces en un joint soudé» Grâce à la présente invention, il n'est plus nécessaire, pour avoir une liaison ferme, d'effectuer un découpage coûteux en une configuration avec pointe conique dans au moins une des parties se faisant face. 20 D'après la présente invention, on peut unir des surfaces plates en une soudure ferme en introduisant simplement des matières-thermoplastiques compatibles, finement divisées, disposées sous forme de particules libres entre les surfaces à souder. Quand les particules- sont.distribuées entre les surfaces à unir, on applique ensuite ion outil générateur de sons sur une des surfaces de 25 la matière plastique près du joint pour transférer l'énergie au joint; les particules fusent dans le joint sous l'effet de l'énergie des sons, en formant un film fondu, fortement adhérant entre les surfaces en matière plastique qui sont ainsi fermement soudées ensemble. La matière de soudure est en particules dont les diménsions sont de l'orôre de 0,045 mm à 0,840 mm. Les particules sont cons-30 tituées de la même matière plastique que les surfaces à unir ou elles sont compatibles avec cette matière de sorte que, par fusion, elles fusent dans les matières des surfaces adjacentes en formant une soudure ferme. Ces particules sont thermoplastiques aux températures produites par l'énergie des sons dirigée dans le joint. 35 La méthode de la présente invention constitue une technique de sou dure fortement simplifiée, permettant de réaliser me économie très sensible en pratique de soudure tout en produisant de bonnes soudures. On sait que l'on peut appliquer la soudure par sons à divers corps en matières plastiques, tels que polystyrène, copolymères de styrène et d'acry-40 lonitrile, y compris ceux à résistance aux chocs élevée et modifiés par du 71 09690 2083528 caoutchouc, dans lesquels est répartie une petite quantité de caoutchouc, allant d'environ 2 % à 20 %, polycarbonate, polyvinylacétals, polymères d'esters d'acides acrylique et méthacrylique et d'alcools aliphatiques inférieurs contenant de 1 à 4 atomes de carbone, généralement l'alcool méthylique, polyamides, po-5 lyéthylène et polypropylène» Ces polymères se soudent bien, même lorsqu'ils sont renforcés par des charges, telles que des fibres de verre, augmentant leur résistance à la traction. La matière plastique de liaison en particules est constituée, comme défini ci-dessus, par toute substance thermoplastique compatible avec la matiè-10 re plastique des corps à lier et, de préférence, elle est constituée de la même matière que celle de ces corps» Ces caractéristiques et autres particularités de l'invention ressor tiront de la description plus détaillée ci-après, donnée avec référence aux dessins annexés, où : 15 La figure 1 illustre graphiquement une courbe durée-température pour fondre deux corps thermoplastique au cours de leur soudure par sons en une liaison ferme; La figure 2 est une courbe similaire durée-température, illustrant la grande rapidité de soudure par sons atteinte quand une des surfaces, qui doit être 20 unie à l'autre par une soudure par rapprochement, a une partie cunéiforme; Les figures 3a, 3b et 3c illustrent les étapes successives conduisant à la formation d'une soudure d'après l'exemple 1; Les figures 4a, 4b et 4c illustrent les étapes successives conduisant à la formation d'une soudure d'après l'exemple 2; 25 Les figures 5a et 5b illustrent les étapes successives conduisant à la formation d'une soudure d'après l'exemple 4; et Les figures 6a et 6b illustrent les sections de joint supérieure et inférieure à souder par rapprochement suivant l'état antérieur de la technique» La figure 1 illustre une courbe typique durée-température représen-30 tative d'une soudure par ultra-sons de deux surfaces plates de polymère réalisée en appliquant l'extrémité plate de l'outil de soudure 10, comme indiqué à la figure 3a, sur une des surfaces à souder. Quand ces surfaces en matière plastique sont simplement plates, il faut une durée de temps relativement longue entre le moment où l'on produit la température dans la surface de joint 35 ne conduisant qu'au ramollissement de la surface (point 14 de la figure 1) et le moment où, par élévation de la température, les matières des surfaces plates fondent (point 12 de la figure 1) et peuvent fluer ensemble pour compléter la soudure. D'après l'état antérieur de la technique, illustré aux figures 6a 40 et 6b, il est de pratique courante de former une pointe ou une arête conique 71 09690 3 2083528 18 sur la surface en dessous du corps 16, quand ce corps 16 en matière plastique a une surface plate 17 qui doit être soudée par rapprochement à la surface plate 19 du corps en matière plastique 22, comme illustré à la figure 6b. La surface 17 du corps 16 en matière plastique est ensuite amenée en contact de 5 soudure avec la surface 19 du corps 22 en matière plastique, de sorte qu'en appliquant l'énergie des sons, cette énergie se dirige à travers la pointe conique 18 qui fuse rapidement dans la surface adjacente du corps 22 pour former une soudure. Ce type de soudure est réalisé en une durée beaucoup plus cour te, d'après la courbe de la figure 2. Il est parfois utile en pratique de décou 10 per un creux conique correspondant 20 dans la surface du corps 22, la pointe conique 18 restant libre dans le creux mais étant supportée par le fond de ce creux 20. Lors de la soudure avec une telle structure, l'extrémité pointue 18 fond et flue dans le creux 20 et déborde même entre les surfaces adjacentes des corps 16 et 22 en formant une liaison ferme, d'après la pratique antérieure. 15 Cependant, la formation d'une pointe conique dirigeant l'énergie et d'un creux constitue une opération mécanique longue et coûteuse, que l'on peut éviter grâce au procédé de la présente invention. De plus, ce procédé permet d'effectuer la soudure aussi rapidêment qu'indiqué à la figure 2 tout en offrant une grande économie, puisqu'on peut éviter de devoir former une pointe 20 conique dans le joint à souder. Pour la mise en oeuvre de l'invention telle qu'illustrée à la figure 3a, on saupoudre de fines particules 28 d'une matière thermoplastique une surface en matière plastique 26 que l'on doit souder à une surface en matière plastique 24. On assemble les surfaces comme indiqué à la figure 3b, les par-25 ticules' 28 restant libres entre lès surfaces à souder. Dans cette position, l'outil de soudure 10, qui est l'extrémité d'un générateur de sons du type connu dans la technique, est fermement pressé contre la surface 24. On produit les ondes ultra-sonores et ces ondes sont dirigées de surface en surface à travers les particules libres, de sorte que l'énergie concentrée fait d'abord fon-30 dre les particules, qui fluent à travers le joint, soudant fermement les surfaces adjacentes des corps 24 et 26 en polymères, comme illustré à la figure 3c. Il n'est pas nécessaire que les matières à souder ensemble soient en la même matière plastique ou même que les particules de matière plastique correspondent à l'une ou l'autre des surfaces en matière plastique à unir par 35 soudure. Il suffit que les particules de polymère soient compatibles avec ces surfaces, c'est-à-dire qu'elles forment un lien ferme en surface avec les deux matériaux à souder. De préférence, les matières de soudure sont choisies de sorte que les particules fusent de façon homogène dans les surfaces à souder et que, par fusion, elles s'écoulent ou se dissolvent dans les surfaces des poly-40 mères à souder. 71 09690 4 2083528 C'est ainsi que, comme illustré à la figure 4a, on peut souder un polymère thermoplastique 30, tel que du polystyrène à résistance aux chocs élevée (et qui est du polystyrène dans lequel sont dispersées environ 6 % de particules de caoutchouc), à une surface 34 d'un matériau en feuille, tel que du. 3 butyrate de cellulose, en utilisant des particules 32 de polystyrène crystal, c'est-à-dire de polystyrène pur, en tant que particules de soudure» Ces particules peuvent être sous forme de fragments ou de perles de polystyrène ayant les dimensions de particules définies ci-dessus» Quand les matières des surfaces et les particules sont différentes, 10 il se produit une soudure quelque peu irrégulière et la feuille 34 est soudée au polystyrène 30 à résistance élevée aux chocs par une matière se trouvant entre eux et ayant flué de façon hétérogène. Mais le polystyrène en lui-même est suffisamment compatible et peut se lier à chaque matériau de surface pour former une soudure suffisamment bonne, quoiqu'inférieure à celle illustrée à la figure 15 3c. Comme illustré à la figure 5a, une femille épaisse 38 de copolymère acrylonitrile-butadiène-styrène est soudée à une feuille similaire 36 en plaçant entre elles des particules du même copolymère, et il en résulte une soudure ferme, comme montré à la figure 5b» Bien qu'il soit particulièrement pra-20 tique d'utiliser des particules dont les dimensions varient de 0,420 à 0,149 mm, on peut employer des particules dont les dimensions sont comprises dans une gamme plus étendue allant de 0,840 à 0,045 mm» On peut utiliser tout dispositif producteur d'énergie par ondes utra-sonores connu dans la technique de soudure des polymères» Une fréquence typique de 20„000 cycles est la plus souvent dis-25 ponible commercialement. La fusion des particules a lieu en une durée d'environ 0,8 à 1 seconde. Les soudures peuvent être incomplètes quand le son est appliqué pendant une durée plus courte» Quand l'application du son est plus prolongée, il se produit une fusion plus étendue du polymère, ce qui peut conduire à une distorsion du corps thermoplastique» 30 En général, les particules doivent avoir des valeurs quelque peu importantes dans les trois dimensions et elles peuvent consister en particules grossièrement broyées. Des billes de substances plastiques préparées par polymérisation en suspension de monomères constituent une forme utile que l'on emploie de préférence. La durée de soudure augmente si les particules ont des 35 valeurs suffisantes dans les trois dimensions pour fournir Une série de points de concentration de vibration disposés entre les surfaces à souder. Les exemples suivants de mise en oeuvre illustrent la présente invention sans la limiter. Exemple 1.— 40 On moule des particules de polystyrène à résistance élevée aux chocs, 71 09690 2083528 de façon à obtenir m disque 24 ayant un diamètre de 50,8 mm, comme illustré aux figures 3a et 3b. On moule aussi à partir de particules de ce même polymère un objet eri forme de barre 26 de 19 x 203,2 mm» Entre la barre et le disque, on place des particules 28 de polystyrène ayant la répartition de dimensions 5 suivantes : traces sur le tamis à ouverture de 0,841 mm, » 0,4 % sur le tamis à ouverture de 0,595 mm, 17,2 % sur le tamis à ouverture de 0,420 mm, 39,5 % sur le tamis à ouverture de 0,250 mm, 10 17,1 % sur le tamis à ouverture de 0,177 mm, 6,7 % sur le tamis à ouverture de 0,149 mm, et 19,1 % à travers le tamis à ouverture de 0,149 mm» On dépose horizontalement ces différentes parties sur un support (non représenté), puis on monte sur ces parties un dispositif 10, du type cor- 15 net, d'un appareil commercial de soudure par sons et on l'amène à appuyer sur le disque 24, pressant ce dernier sur les particules 28 en contact avec la 2 barre 26, en utilisant de l'air à une pression de 2,45 Kg/cm . Le générateur de sons émet des vibrations ultra-soniques à une fréquence de 20.000 cycles par seconde pendant 1 seconde. Quand on enlève le générateur de sons, on consta-20 te que la barre est fermement attachée au disque et les particules de polystyrène 28 ont fondu et sont essentiellement une partie intégrante de la barre et du disque, comme illustré à la figure 3c. Exemple 2.- Des particules de polystyrène à résistance élevée aux chocs consis-25 tant en polystyrène greffé obtenu par polymérisation de styrène en présence de 6 % en poids de polybutadiène du type 1,4 ayant une forte teneur à la fois en isomère cis et en isomères trans sont moulés en un disque 30, ayant un diamètre de 50,8 mm, comme illustré aux figures 4a et 4b. Entre ce disque 30 et une feuille 34 en butyrate de cellulose, on insère des particules 32 de polystyrène 30 comme décrites dans l'exemple 1, pour former un "sandwich" comme illustré à la figure 4b. On soude le "sandwich" par ultra-sons comme décrit dans l'exemple i et illustré à la figure 3a. Quand on enlève le générateur 10, on constate que la feuille 34 et le disque 30 sont fermemeat attachés comme illustré à la figure 4c, bien qu'ils ne soient pas aussi intégralement attachés que dans le cas de 35 l'exemple 1, illustré à la figure 3c. Exemple 3.- Entre deux surfaces plates en polyéthylène d'une épaisseur d'environ 3,2 mm, on introduit des particules de polyéthylène d'environ 0,595 mm comme décrit dans l'exemple 1 et illustré aux figures 3a et 3b» On applique, comme 40 décrit dans l'exemple 1, l'appareil de soudure par ultra-sons et, après enlève 71 09690 2083528 ment de ce dernier, on constate que les parties sont attachées et que les deux feuilles de polyéthylène constituent un ensemble intégral, comme illustré à la figure 3c. Exemple 4.- 5 On recouvre une feuille 36 en copolymère acrylonitrile-butadiène— styrène, ayant une épaisseur d'environ 45,7 mm, par des particules 40 en copolymère acrylcnitrile-butadiène-styrène, ayant des dimensions d'environ C,42Q rrj:i, puis on place sur ces particules une feuille 38 en ce même copolymère, ayant une épaisseur de 2,2 mm. On applique 1'appareil de soudure par ultra-sons pen-10 dant 0,5 secondes, comme décrit à l'exemple 1. Après enlèvement du générateur 10, on constate que las feuilles sont fermement soudées, comme illustré à la figure 5b. Des essais de rupture de la soudure par arrachage des parties constituant l'ensemble soudé ont eu pour résultat que les feuilles soudées ne s'arrachaient pas, la rupture se produisant dans ces parties. 71 09690 7 2083528 REVENDICATIONS 1.- Méthode de soudure par ultra-sons, caractérisée en ce qu'on assemble des corps à surfaces plates à souder ensemble en position superposée avec des particules d'un polymère thermoplastique, compatible avec chacune des surfaces mates à souder, disposées entre ces surfaces, on applique aux corps à souder \ 5 des ondes sonores de la gamme des ultra—sons en un point proche du joint à former entre ces corps pendant une durée de temps suffisante pour fondre et provoquer l'écoulement des particules fondues entre les surfaces et pour effectuer leur soudure en un corps cohérent après refroidissement. 2„- Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins une 10 des surfaces à souder est un corps thermoplastique dans lequel les particules fondues se dissolvent. 3.- Méthode suivant les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les deux surfaces à souder sont thermoplastiques et les particules fondues se mélangent à la matière thermoplastique de la surface de ces corps pour former 15 entre eux un joint fermement soudé. 4.- Méthode suivant les revendications 1 à 3, considérées dans leur ensemble^ caractérisée en ce que chacune des surfaces de ces corps est thermoplastique et en une substance polymère différente et les particules fondues sont solu-bles dans les deux surfaces. 20 5.- Méthode suivant les revendications 1 à 3, considérées dans leur ensem ble, caractérisée en ce que les deux surfaces à souder sont en la même substance thermoplastique et les particules sont thermopiastiques en une substance polymère différente dont la température de fusion est la même ou légèrement inférieure à celle de la substance des surfaces à souder. 25 5.- Méthode suivant les revendications 1 à 3, considérées dans leur ensem ble, caractérisée en ce que les matières des surfaces à souder ensemble et la matière des particules sont en la même substance thermoplastique. 7„- Méthode suivant les revendications 1 à 6, considérées dans leur ensemble, caractérisée en ce que les particules ont des dimensions comprises entre 30 0,045 mm. et 0,840 mm. 8.- Méthode suivant les revendications 1 à 7, considérées dans leur ensemble, caractérisée en ce que les particules sont des billes ayant des dimensions de l'ordre de 0,420 mm à 0,149 mm.