Brevet FR2459106A1 — publié le 19810109

L'invention concerne les dispositifs pour souder par ultrasons des pièces métalliques juxtaposées l'une contre l'autre. Elle vise plus particulièrement, parmi ces dispositifs, ceux comprenant un générateur d'ultrasons et une canne rectiligne rigide dont une extrémité est terminée par une patte latérale de plan moyen P, et dont l'autre extrémité est raccordée au générateur de façon à transmettre à la patte l'énergie ultrasonore produite par celui-ci, cette patte étant elle-même terminée par une portée, de préférence striée et légèrement bombée, propre à être appliquée sur les pièces à souder et s'étendant sensiblement selon un plan R perpendiculaire au plan P. Pour souder à l'aide d'un dispositif de ce genre une première pièce métallique mince (plaque, feuille ...) contre une seconde pièce métallique juxtaposée à la première, il suffit d'appliquer avec une légère pression (par exemple quelques bars) pendant un temps relativement bref (par exemple 0,5 à 1 seconde) la portée de la patte de ce dispositif contre ladite première pièce. Les vibrations à fréquence ultrasonore (généralement comprise entre 10 et 30 kHz) auxquelles est alors soumise ladite patte parallèlement à sa surface de contact avec cette première pièce, c'est-à-dire ici parallèlement au plan R, ont pour effet d'entrainer la plage comprimée de ladite pièce et donc de chauffer par fric tion l'interface comprise entre les deux pièces au droit de cette plage jusqu'au ramollissement local et/ou à la fusion locale de ces pièces au niveau de cette interface, ce qui réalise un point de soudure entre elles. Dans les dispositifs du genre en question connus jusqu'à ce jour, le plan P était perpendiculaire à l'axe X de la canne, le plan R étant donc parallèle à cet axe. En d'autres termes, si l'on désirait souder une portion horizontale de feuille sur un support métallique, il fallait donner à l'axe X une orientation horizontale. Comme l'encombrement radial du générateur selon la direction de la patte - encombrement compté à partir de l'axe X - n'est généralement qu'un peu inférieur à l'encombrement radial de ladite patte, l'orientation horizontale de l'axe X, dans l'hypothèse envisagée d'une soudure de portion horizontale de feuille, limite les applications du dispositif soit à la soudure d'éléments présentant de petites dimensions horizontales, soit à celle des zones horizontale marginales d'éléments horizontalement encombrants, soit encore à celle des pièces, telles que des tôles, dont la surface supérieure est dépourvue de saillies incompatibles avec l'encombrement en question du générateur. Ce n'est pas le cas lorsque la pièce à souder est une tôle de grandes dimensions, formée d'une suite horizontale de rigoles et nervures parallèles, que l'on désire souder sur un support inférieur au niveau des fonds de ses rigoles. Les nervures font en effet trop fortement saillie vers le haut à partir desdits fonds pour permettre à la fois une pénétration de la patte jusqu'à certains de ces fonds et une orientation de la canne parallèle à ceux-ci, le générateur d'ultrasons venant alors heurter verticalement les sommets de certaines nervures. Pour pallier cet inconvénient, conformément à l'invention, la demanderesse a eu l'idée d'incliner la canne sur l'horizontale d'un petit angle a, tout en conservant ltorientation verticale de fa patte, Si l'on considère l'hypothèse ci-dessus d'une soudure d'une portion horizontale de pièce métallique. Elle a constaté avec surprise que, loin de dénaturer la création et la transmission des ultrasons et l'efficacité de leur action, comme on le craignait auparavant, une telle modification d'inclinaison de la canne conduit à l'obtention de points de soudure présentant d'excellentes qualités, tant en ce qui concerne la solidité mécanique que la conductibilité thermique. Plus généralement, c'est-à-dire si l'on fait abstraction de l'hypothèse d'orientation ci-dessus, l'angle a considéré est celui compris entre l'axe X de la canne et le plan R. Cet angle a est avantageusement compris entre 3 et 200, étart par exemple de l'ordre de 70. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ce dessin, montre schématiquement un dispositif de soudure par ultrasons conforme à l'invention. Les figures 2 et 3 montrent à plus grande échelle, respectivement selon une vue latérale et selon une vue en bout, la patte terminant la canne de ce dispositif. Et la figure 4 montre, en vue perspective, une application préférée. Le dispositif de soudure en question comprend, d'une façon connue en soi - un générateur d'ultrasons 1, - et une canne rectiligne rigide 2 d'axe X, dont une extrémité est terminée par une patte latérale plate 3 de plan moyen P, et dont l'autre extrémité est raccordée au générateur de façon à transmettre à la patte l'énergie ultrasonore produite par celui-ci. Ladite patte présente la forme générale d'une plaque épaisse, d'épaisseur constante selon la direction longitudinale, c'est-àdire celle de l'axe X, la largeur de cette patte diminuant vers son extrémité, ou encore la forme générale d'une tige prismatique, notamment de section rectangulaire. Elle est elle-même terminée par une portée 4, de préférence moletée ou striée, par exemple selon des traits de fraise croisés, et de préférence encore légèrement borne selon une portion de cylindre ou de sphère, le plan mcyen R de cette portée étant perpendiculaire au plan P. Mais au lieu de donner à l'axe X une orientation parallèle au plan R, comme dans les modes de réalisation connus, pour lesquels le plan P s'étendait donc transversalement, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe X, on incline ici ledit axe X d'un angle aigu a sur ledit plan R. En d'autres termes si les pièces à souder mutuellement 5 et 6 s'étendent horizontalement, ainsi donc que le plan R, c'est-àdire si la patte 3 s'étend verticalement ainsi que son plan moyen P, l'axe X n'est plus ici horizontal, mais légèrement incliné sur l'horizontale de l'angle a. L'angle formé entre la canne 2 et la patte 3 qui la prolonge latéralement n'est donc plus droit mais obtus. Or la canne 2 est relativement longue : sa longueur est de l'ordre de la longueur d'onde des ondes ultrasonores transmises par elle du générateur 1 à la patte 3, c'est-à-dire de l'ordre de 30cm si la canne est en acier et si la fréquence d'émission est de 17 kHz. L'inclinaison signalée de l'axe X de cette canne sur l'horizontale permet donc de disposer le générateur 1 nettement à l'écart de l'ouvrage à souder, c'est-à-dire nettement au-dessus de celuici si cet ouvrage s'étend horizontalement. Cette disposition permet de constituer la pièce à souder supérieure 5 par une feuille métallique ondulée formée d'une suite régulière de rigoles 51 et de nervures 52 parallèles de section rectangulaire, et de souder localement les fonds des rigoles 51 sur la pièce inférieure 6, sur laquelle on reviendra plus loin. En effet, comme bien visible sur la figure 1, pour laquelle le plan vertical contenant l'axe X est perpendiculaire aux rigoles et nervures, la patte 3 peut être totalement introduite dans les rigoles 51 sans que le générateur 1 vienne heurter des nervures Cette remarque serait également applicable, bien entendu, au cas - considéré comme moins avantageux - où le plan vertical contenant l'axe X serait parallèle aux rigoles et nervures. On constate en outre que les vibrations ultrasonores, qui ont été schématisées par la flèche F sur la figure 2 et qui s'étendent selon l'axe X de la canne, peuvent être considérées comme formées de deux composantes, savoir - une composante horizontale H, qui engendre la friction à laquelle est dû l'échauffement local des pièces 5 et 6 comprimées par la portée P, - et une composante verticale V qui exerce une pression perpendiculairement aux pièces juxtaposées, pression qui ajoute un effet favorable à celui dû à la pression d'application de l'outil sur lesdites pièces. La grande qualité des soudures ponctuelles S obtenues peut être attribuée à la combinaison de ces effets. Une application intéressante de l'invention,-citée ici à titre purement illustratif et bien entendu non limitatif, est la fa brication d'échangeurs de température composés d'une suite alternée de feuilles ondulées minces (par exemple d'épaisseur 0,2 mm) en aluminium du genre de la feuille 5 ci-dessus et de serpentins en zig-zag également en aluminium, serpentins eux-mêmes composés de tronçons de canalisations rectilignes à section rectangulaire constituant les pièces 6 ci-dessus, tronçons raccordés entre eux par des boucles semi-circulaires 7 (figure 4). On voit encore sur le dessin - une enclume 8 propre à supporter les pièces 5 et 6 juxtaposées de façon à encaisser l'effort de pression exercé par l'outil sur ces pièces lors de la soudure, et éventuellement à serrer l'une au moins de ces pièces en vue d'empêcher sa déformation lors de l'application superficielle des frictions à fréquence ultrasonore sur elle, - un harnais 9 ou analogue permettant de supporter l'ensemble de l'outil, c'est-à-dire de l'équipage constitué par le moteur 1 et la canne 2, et éventuellement d'appliquer la pression de soudage sur la patte 3 aux instants désirés, et éventuellement encore de déplacer lddit équipage afin de le mettre en place pour les soudures ponctuelles successives désirées: : - un congé de raccordement 10 prévu entre la canne 2 et la patte 3 au creux de l'angle obtus formé entre ces deux éléments de façon à renforcer la zone de liaison correspondante. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on obtient un dispositif de soudage par ultrasons dont la constitution, le fonctionnement et les avantages résultent suffisamment de ce qui précède. 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 et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour souder par ultrasons des pièces métalliques juxtaposées l'une contre l'autre, comprenant un générateur d'ultrasons et une canne rectiligne rigide dont une extrémité est terminée par une patte latérale de plan moyen P, et dont l'autre extrémité est raccordée au générateur de façon à transmettre à la patte l'énergie ultrasonore produite par celui-ci, cette patte état elle-même terminée par une portée, de préférence striée et légèrement bombée, propre à être appliquée sur les pièces à souder et s étendant sensiblement selon un plan R perpendiculaire au plan P, caractérisé en ce que l'axe (X) de la canne (2) est incliné d'un petit angle a sur le plan R. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle a est compris entre 3 et 200. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle a est de l'ordre de 70. 4. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes à la soudure de feuilles en aluminium (5) déformées selon une suite d'ondulations parallèles de profil rectangulaire, sur des tubes en aluminium (6) de section rectangulaire de façon à constituer un échangeur de température.