Brevet FR2359304A1 — publié le 19780217

La présente invention, due à la collaboration de Messieurs louis vR1NDEL et Robert FAIX, se rapporte à un procédé d'assemblage de pièces par recouvrement et collas par points ainsi qu'au dispositif de chauffage par induction pour la mise en oeuvre du Procédé. A la connaissance du demandeur, le collage ponctuel d'un assemblage par recouvrement de surfaces n'a pas reçu, à l'heure actuelle, d'application industrielle. Les techniques de collage sont largement utilisées et dépendent essen tellement de la nature des pièces à assembler et des earactéristiques recherchues des joints colles, notamment de la résistance mécanique. C'est pourquoi il existe une grande variéte de colles indvstrielles nui sont généralement des mélanges complexes comprenant des polymères, des additifs, des charges, des solvants etc... destinés à des utilisations spécifiques, que l'on peut classer par exemple d'après leurs propriotlis physicochimiques. Les colles actuelles polymérisables à chaud ont permis recemment des assemblages de pièces metalliques par collage global de leur périphérie, sous une température voisine de 2300 C pendant une courte durée de l'ordre de 5 secondes.Le chauffage requis est réalisé par un inducteur isotherme épousant la périphérie des pièces. Il faut prendre soin de ne pas soumettre l'assemblage à ungradiant de températures trop éleve > pour éviter les déformations des pièces et certaines transformations métallurgigues irréversibles qui affecteraient leurs propriétés mécaniques, C'est ainsi que l'on a déjà réalisé certains assemblages tels que les portes latérales pour véhicules automobiles. Sais la polymérisation globale de la colle à la périphérie d'une pièce ntest possible à ces températures (250 C) qu'à la condition de réaliser un as semblage serti ou fermé, c'est-à-dire que les surfaces à coller soient mises en contact sous une certaine pression. Par contre,s'il s'agit d'un assemblage ouvert, comme c'est le cas par exemple d'une porte de coffre de véhicule, renforcée par une poutre intérieure, il n'est pas souhaitable de dépasser une température voisine de 1200 C pour bs raisons évoquais plus haut. voulait Si l'on pouvoir continuer à bénéficier des colles actuelles, à base de résines époxydes, à cause de leur bonne résistance mécanique, il devenait indispensable de trouver une solution satisfaisante permettant de travailler plus rapidement et à température plus élevée. Le but de l'invention est donc d'éviter ces inconvénients et de permettre le collage à haute température de pièces par recouvrement, sans déformamation des parties visibles, notamment dans le cas d'un assemblage ouvert. Le collage par points, dérivé des techniques connues de soudage par points, apporte une solution efficace. Au cours de la polymérisation i la colle les temps de réticulation peuvent être très courts, de l'ordre des deux secondes ce qui permet d'augmenter la productivité du procédé.Ce dernier consiste à déposer des points de colle polym-risable entre les fac;3 en regard de deux pièces puis à chauffer localement les différentes couches de l'asserblage ainsi constitub, en un temps très court jusqu's la polymérisation de la colle, nu ricysa d'un inducteur rlectromagnétiquc induisant dans au noins une couche m-'tallique de l'assemblage, des courants de. Foucault intenses dont la chaleur dégagée par effet Joule et par hystérésis mafflnétique se transmet par conduction entre les différentes couches de l'assemblage. le collage ponctuel permet en outre d'obtenir des allongements appré ciables -entre les points de collage et de s'affranchir ainsi des problèmes de dilatation qui rendent l'assemblage cassant, comme dans le cas du collage global à la périphérie des pièces0 Le dispositif de chauffage par induction pour la mise en oeuvre du pro- cédé, comporte un générateur de courantmozEne fréouence de forte puissance spécifique qui alimente une bobine inductrice entourant une branche d'un circuit magnétique pré- sentant un entrefer, l'assemblage à coller étant disposé dans l'entrefer de sorte qutau moins l'une des faces extérieures de l'assemblage soit placée à proximité immédiate de l'un des pôles magnétiques créés par la circulation des lignes de champ à travers le circuit magnétique. Le chauffage des points de colle peut être réalisé par tout dispositif susceptible d'apporter des calories. Mais le chauffage par induction moyenne fré- quence permet de limiter les dépenses d'énergie puisque la puissance est fournie directement par le réseau ou par un onduleur jusqu'à une fréquence de quelques dizaines de kilo Hertz. tn outre, le chauffage par induction apporte les avantages remarquables suivants -- absence de contact électrique entre la source d'énergie et la pièce à chauffer, - possibilité de très fortes concentrations de puissance , - localisation de l'énergie dans des zones bien définies, la fréquence étant d'autant plus élevée que le chauffage désiré est plus local et plus su perficiel. - le régime de fonctionnement peut être intermittent, avec des impul sions brèves, ou quasi permanent dans un fonctionnement au défilé. - réglage aisé de la puissance et donc de la température de chauffe. D'autres avantages et particularités de l'invention ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, en réfé rence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schèmatiquement, selon l'inyention, le collage ponctuel d'un assemblage ouvert au moyen d'un dispositif de chauffage par induction, - la figure 2 montre deux variantes de la disposition des points de colle dans la zone du recouvrement des pièces, - la figure 3 représente une réalisation de l'inducteur, le circuit ma magnétique étant d'un seul côté de l'assemblage, - la figure 4 représente le circuit de la figure 3 complété par un shunt magnétique disposé de l'autre côté de l'assemblage, et - la figure 5 représente une variante dans laquelle un inducteur supplémentaire, disposé de l'autre côté de l'assemblage, apporte un chauffage d'appcdrt, la figure 1 montre un assemblage 1 constitué d'une tôle extérieure 2 et d'une tôle intérieure 3 entre lesquelles on a déposé par un procédé quelconque manuel ou automatique un point de colle 4 polymérisable à base de résine époxyde ou autres constituants. Dans l'assemblage par recouvrement ouvert, à réalisera il suffit d'appliquer sans pression et de maintenir les pièces en contact jusqu'à la prise du mélange collant, cette prise étant assurée dans le cas qui nous intéresse, par un apport thermique0 Pour l'application particulière envisagée, il s'agit de réaliser une porte de coffre, un capot ou tout autre pièce de véhicule automobile. Ainsi, la pièce 2 pourrait par exemple constituer la tôle extérieure visible d'une porte de coffre tandis que la pièce 3 serait le profilé servant à renforcer intérieurement ladite porte. C'est pourquoi cette pièce à la forme représentée sur la figure 1, la bordure 5 étant spécialement ménagée pour le collage par points. L'encollage peut astre effectué sur l'une ou l'autre des faces en regard du recouvrement des pièces à assembler ou endore-sous forme de points déposés dans la zonE7 5- comme représenté sur la figure 2. Le bord de la tSle intérieure 3 est légèrement relevé å cet effet pour présenter une lèvre 6. Après affichage des pièces l'une contre l'autre, le joint 7 volontairement grossi sur la figure 2 disparait presque entièrement. Conforment au procédé selon l'invention, l'assemblage ouvert ainsi constitué est soumis de point en point, à l'action d'un dispositif de chauffage électromagnétique intense pendant un temps très court. Les colles susceptibles d'entre utilises possèdent une température de polymérisation comprise entre 80 et 230 C avec un temps de réticulation pouvant descendre jusqu'à 2 secondes. D'une façon plus générale, , le procédé peut être appliqué avec succès sur une gamme de températures variant de 100 à 3000 C pendant une durée de l'ordre de 2 à 6 secondes, selon le mélange collant adopté.Les temps très courts pertnettent non seulement d'augmenter la productivité du procédé mais encore d'éviter la déformation des tôles, notamment de la tôle extérieure 2 visible, l'inducteur étant appliqué sur la tôle intérieure 3. Dans sa réalisation la plus simple-(figure 1), l'inducteur est constitué d'un noyau magnétique 8 entouré d'une bobine inductrice O alimentée å partir d'un puissant gén-rateur de courant 10 à fréquence moyenne. On utilisera de préférence un onduleur fourniss?nt une puissance de 4 à 10 kiloTratt sous une fréquence de 25 000 Hertz. Le courant délivré, de plusieurs centaines d'ampères pendant quelques secondes, circule dans les quelques spires 9 de fort diamètre, entourant le noyau 8 de ferrite moulée, à grande perméabilité magnétique et bonne tenue en température. La source de courant 10 peut se trouver à une distance de 6 à 10 mètres des inducteurs avec une liaison par cables.La circulation du champ magnétique créée par la bobine 9 fait apparaitre aux extrémités du noyau 8 des polar tés instantanées opposées Nord-Sud, les lignes de champ 11 se refermant à travers le circuit extérieur en traversant les diff/-rer+es couches de l'assemblage 1, disposé à proximité immédiate de l'un des pôles du circuit magnétique, dans le prolongement du noyau 8 de l'inducteur. le circuit magnétique peut autre en contact avec l'assemblage, contribuant ainsi à le maintenir en position tout en minimisent i'entrefer et les fuites magnétiques.Selon un principe bien connu, la t81e intérieure 3 traversée par la quasi totalité des lignes de champs 11, se compor-te comne le secolldaixe en court circuit d'un transformateur, c'est -1 dire que la tôle est le siège de courants induits circulaires ou de Foucault circulant dans un sens tel nue leurs propres champs tendent N annuler le champ inducteur qui leur a donn naissance.La circulation de ces courants induits dans le octal ont pour effet de l'-chauffer sous forme de pertes par effet Joule La puissance dissipée sous forme Joule dépend essentiellement de la nature de la pièce à chauffer, c'est à dire de sa r-sistivité et de sa perméabilité par rapport à celle du noyau magnétique. Elle est pratiquement ind-pendante de la fréquence si celle-ci n'est pas trop leve. Par contre, les portes par hystérésis magnetiques, qui s'ajoutent aux précédentes, dépendent essentiellement de la fréquence et de l'induction magnétique.Les pertes totales, dissipées sous forme de chaleur dans la tale intérieure 3, se transmettent par conduction à travers les diverses couches de l'assemblage 1, jusqu'8 la tôle extérieure 2, en polymérisant le point de colle 4 au passage. Si la température n'est pas suffisante, non seulement la polymérisation de la colle n'a pas lieu, mais de plus on assiste à un phénomène de pelage sur les faces en contact. I1 est bien évident que l'on doit nécessairement disposer d1au moins une couche métallique dans l'assemblage pour donner naissance aux courants de Foucault, la chaleur se transmettant ensuite par conduction dans le reste de l'assemblage C'est pourquoi le procédé et le dispositif selon l'invention permettent le collage de pièces homogènes ou hétéorègnes, c'est à dire de nature ou de matériaux différents pourvu qu'il y ait un élément métallique. L'élément métallique peut d'ailleurs se trouver sous forme de poudre en suspension dans la colle. En pratique, on adoptera un circuit magnétique 12 ayant une forme générale en U conforme h la figure 3, pour canaliser les lignes de champ 11. L'utilisation de ferrite moulée permet d'ajuster rapidement la forme du circuit aux formes des pièces à coller, avec un prix de revient minimum. C'est ainsi que le circuit de la figure 3 possède deux branches 13, t4 de longueurs inégales dont l'une t3 reçoit le bobinage inducteur 9 l'épaisseur de l'assemblage 1 correspondant au décalage d existant entre les sections droites des extrémités des deux branches du circuit. Le trajet des lignes de champ dans l'air et donc les pertes magnétiques sont aussi très diminués. D'autre part, l'autre branche 14 du circuit est entourée d'un anneau 16 en court circuit, dit spire de Frayer, dans le but de déphaser le champ inducteur et de faire varier la réluctance du circuit magnétique pour régler la puissance magnétique transmise. On peut ainsi ajuster la température de chauffe sans difficulté entre 100 et 3000 C. il suffit-de modifier les dimensions et/ou la position de ladite spire 16.Avec cette structure, le circuit magnétique induit des courants de Foucault, simultanément dans les régions voisines des polos instantanés Nord et Sud, si bien que la chaleur dissipée dans la tôle extérieure 2 b proximité du pôle Sud se transmet par conduction jusqu'à l'assemblage, au droit du pôle Nord, constituant ainsi un apport supplémentaire de calories. Parce que les courants induits dans la tôle intérieure, s'opposent par leurs effets au champ qui leur a donné naissance, ils constituent un véritable écran b la propagation du champ magnétique dans l'interface, ce qui gène la formation d'autres courants induits générateurs de chaleur dans la tôle extérieure 2. De plus, l'épaisseur de l'assemblage peut subir des variations d'un point de collage à l'autre. De môme, le niveau de polymérisation, fonction de l'épaisseur et de la conductibilité thermique de la colle, peut connaître de grandes dispersions. Le circuit de la figure 4 contribue à améliorer la monte en température de la tôle extérieure 2, au niveau du point de collage 4. Pour cela, un shunt magnétique 17 complémentaire, de méme matriau que le circuit principal 12 en U ferme ce dernier par l'extérieur dans la mesure où l'accessibilité le permet en prenant appui sur la pièce extérieure 2 avec interposition conseillée d'une garniture élastique d'appui 18, par exemple en caoutchouc, pour faciliter le positionnement du shunt 17 et améliorer le maintien de l'assemblage. Cette disposition canalise les lignes de champ il jusqu'à la tôle extérieure 2 au niveau de l'assemblage, qui peut ainsi bénéficier des courants induits et de l'échauffement correspondant. Les nécessités du collage, notamment les problèmes de déformation des pièces, peuvent imposer de régler des températures différentes aux différents points de contact avec le circuit magnétique 12. C'est pourquoi on a pris soin de disposer une deuxième spire de Fraser 19 autour du shunt magnétique 17. On peut encore régler la température en jouant sur les entrefers au niveau de chaque interruption du circuit magnétique. Selon la structure à réaliser et l'emplacement des points de colle 4, on pourra dans certains cas fermer plus complètement le circuit magnétique 12 qui aura alors la forme d'un C, en ne laissant subsister que l'entrefer pour l'introduction de l'assemblage 1. En pratique, les portions de circuit en ferrite (circuit principal 12 et shunt 17) ainsi que la bobine inductrice 9 seront de préférence noyés de façon rigide dans des contreformes non représentées en matière plastique. Selon une variante, le shunt magnétique peut être monté souple sur un support en caoutchouc, disposé dans ladite contreforme en plastique. Dans les cas où les solutions des figures 3 et 4 s'avèrent insuffisantes pour assurer convenablement l'échauffement de la t81e extérieure 2, soit à cause des déformations dans les différentes couches de l'assemblage soit à cause de la faible masse spécifique des pièces à assembler, soit encore à cause de l'impossibilité de placer un shunt magnétique, il est possible de combiner le chauffage ponctuel précédent avec un chauffage d'appoint continu à température moyenne de l'ordre de 1200 C. La figure 5 illustre cette solution dans laquelle un inducteur 20 supplémentaire est placd à l'extérieur du circuit magnétique 12 principal, sensiblement dans le prolongement du pôle magnétique actif et de l'assemblage, de manière à préchauffer par induction la tôle extérieure 2 dans une zône s'étendant largement autour du point de collage. Un deuxième générateur non représenté de fréquence plus basse (environ 5000 Hertz) alimente par exemple deux conducteurs tubulaires rectilignes 21,22 de forte seotion, de préférence en cuivre, convenablement couplés sur le deuxième générateur par un montage série ou parallèle. Le procédé de collage ponctuel selon l'invention et son dispositif de mise en oeuvre doivent permettre de faire évoluer la forme et la nature des assemblages en général. Ils peuvent avantageusement être appliqués aussi bien dans les secteurs de la construction automobile que dans l'électroménager ou le mobilier où les assemblages prennent une importance croissante. - REVENDICATIONS t -Procédé d'assemblage de pièces métalliques par recouvrement et collage par points, dans lequel l'on dépose ponctuellement une colle polymérisable entre les faces en regard desdites pièces, et en ce que l'on chauffe localement à température élevée les différentes couches de l'assemblage ainsi constitué, en un temps très court jusqu'à la polymérisation de la colle, caractérisé en ce que l'on induit des courants de Foucault dans au moins l'une des pièces de l'assemblage ouvert (1) pour le porter ponctuellement à une température comprise entre 100 et 3000 C pendant une durée de 2 à 6 secondes. 2 -Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur (tO) de courant moyenne fréquence de forte puissance qui alimente une bobine inductrice (9) entourant une branche d'un circuit magnétique (8, 12) présentsOunentrefer d, l'assemblage à coller étant disposé dans l'entrefer de sorte qu'au moins l'une des faces extérieures (3) de l'assemblage soit placée à proximité immédiate de l'un des pôles magnétiques créés par la circulation des lignes de champ (11) à travers le circuit magnétique. 3 -Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit magnétique est réduit à un simple noyau magnétique (8), de préférence en ferrite moulée, dont une extrémité est superposée à l'assemblage (1 ) à coller. 4 -Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit magnétique (12) de forme générale en U, est pourvu de deux branches (13, 14) de longueurs inégales dont l'une (13) reçoit le bobinage (9) inducteur, et en ce que l'épaisseur de l'assemblage installé corresponde au décalage (d) existant entre les sections droites des extrémités des deux branches du circuit. 50-Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un shunt magnétique (17) complémentaire au circuit en U de la revendication 4, ferme ce dernier par l'extérieur en laissant sub sister le décalage précédent pour l'introduction de l'assemblage (1) 60-1)ispositif selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un inducteur supplémentaire (20), alimenté par un deuxième géné- rateur de fréquence inférieure à celle du premier, est placé à l'extérieur du circuit magnétique principal (I 2), dans le prolonge ment du pôle magnétique actif et de l'assemblage (1), de manière à préchauffer l'assemblage par induction sur son autre face extérieure (2), face précisée par référence à la revendication 2. 80-Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'inducteur supplémentaire est réalisé sous la forme de deux conducteurs tubulaires rectilignes (21,22), de préférence en cuivre convenablement couplés sur le deuxième générateur de fréquence0