Brevet FR2501104A1 — publié le 19820910

L'invention concerne un procédé et un appareil pour souder des matériaux thermoplastiques, notamment, mais non exclusivement, des matériaux thermoplastiques en feuille. Bien que la description ait trait au soudage de matériaux en feuille, elle ne doit pas être considérée com- me limitant la portée de l'invention ou ses applications. Selon un procédé de soudage de feuilles en maté- riau thermoplastique, on dispose les feuilles de manière qu'elles se recouvrent et on dépose au niveau du joint du matériau extrudé thermoplastique fondu. Lorsque le maté- riau extrudé se solidifie, il se fixe sur chaque feuille et couvre de fait le joint de manière étanche. La feuille plastique est généralement préchauffée juste avant que soit déposé le matériau extrudé, ce qui permet d'utiliser ce dernier à plus faible température et donne de meilleures caractéristiques à la soudure. Le préchauffage se fait soit par air chaud, ou par rayonnement à partir d'une sour- ce constituée par exemple par une ou plusieurs lampes ha- logènes. L'air chaud ou la source de rayonnement ont le désavantage de ne pas pouvoir être aisément contrôlés, de sorte que le degré de préchauffage peut varier d'un empla- cement à l'autre, ce qui donne une soudure dont la résis- tance est variable. Un courant d'air peut, par exemple, dévier momentanément l'air chaud et se traduire par un préchauffage pratiquement nul en un emplacement donné. Le procédé évoqué est relativement satisfaisant pour des matériaux plastiques tels que le chlorure de polyvinyle, mais il conduit à des difficultés considéra- bles lorsqu'il s'agit de souder du polyéthylène par exem- ple. Des essais de "pelage" ou "peel tests" faits à tem- pérature élevée sur des feuilles de polyéthylène soudées démontrent que le matériau extrudé peut facilement être pelé du polyéthylène car, souvent, le soudage ne se fait pas correctement. Des essais de pelage faits à températu- re ambiante normale démontrent fréquemment que la fusion n'a pas été correcte. L'invention a pour objectif un procédé et un ap- pareil permettant de mieux souder des matériaux thermo- plastiques. Le procédé conforme à l'invention, permettant de souder les surfaces adjacentes d'éléments en matériau ther- moplastique, consiste: (a) à pré chauffer par conduction les zones ad- jacentes des surfaces, au dessus du point de fusion du ma- tériau thermoplastique, à l'aide d'un élément de contact chauffé approprié, (b) à déposer une couche continue de matériau thermoplastique fondu sur les zones préchauffées adjacen- tes des deux surfaces; (c) à laisser se solidifier le matériau déposé et celui des surfaces précitées. Conformément à l'invention, les surfaces consi- dérées sont celles de deux feuilles en matériau thermo- plastique se recouvrant, et les zones adjacentes de ces surfaces sont les zones adjacentes à un bord des surfaces, ainsi que les zones entre les deux feuilles et adjacentes aux bords. Conformément à l'invention, les zones adjacentes des surfaces sont mécaniquement endommagées par l'élément de contact lors de l'étape de préchauffage par conduction, l'endommagement se traduisant pratiquement par la forma- tion de nouvelles surfaces au niveau de ces zones, et les surfaces préchauffées n'étant en contact avec aucun maté- riau plastique solide avant d'être recouvertes par la cou- che de matériau plastique déposée. Conformément à l'invention, le préchauffage par conduction des zones adjacentes des surfaces est précédé d'un étage de préchauffage initial, ce préchauffage initial se faisant à l'aide d'une source de rayonnement ou de gaz chauds. L'invention concerne également un appareillage pour le soudage en continu des surfaces adjacentes d'élé- ments en matériau thermoplastique, cet appareillage com- portant - au moins un élément de contact pour chauffer les zones adjacentes des surfaces par conduction, au des- sus du point de fusion du matériau, cet élément étant mon- té de manière à suivre les contours des surfaces, - des moyens pour chauffer l'élément de contact, et - des moyens pour déposer une couche continue de matériau thermoplastique fondu sur les zones adjacentes pré- chauffées. Conformément à l'invention, l'élément de contact est conçu de manière à endommager les zones adjacentes des surfaces au cours du chauffage et comporte un dispositif de contrôle de température. Conformément à l'invention, l'appareil comporte deux éléments de contact adjacents venant en contact avec les zones adjacentes des surfaces, ces éléments étant mon- tés indépendamment l'un de l'autre. Conformément à l'invention, les moyens de dépôt de la couche continue de matériau thermoplastique se com- posent d'un tube métallique d'alimentation pour convoyer ce matériau à l'état fondu, ce tube se terminant par une buse au point de dépôt, ainsi que d'un pied en matériau approprié, supportant le tube d'alimentation et adapté pour venir en contact avec les surfaces adjacentes seule- ment sur les côtés opposés de la couche de matériau fondu. Conformément à l'invention, l'élément de con- tact de préchauffage peut former une seule pièce avec le tube d'alimentation. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif, et qui représentent - figure 1, une vue latérale en élévation d'une partie de l'appareil de soudage, - figure 2, une vue en élévation du tube d'alimentation et de la buse de l'appareil de soudage, figure 3, une vue en plan de l'appareil de la figure 1, - figure 4, une vue en coupe de deux feuilles thermoplas- tiques soudées, - figure 5, une vue en élévation d'une variante des élé- ments de contact de l'appareil de soudage, - figure 6, une vue en coupe de deux feuilles thermoplas- tiques soudées avec les éléments de contact de la figure 5. On a donc représenté figures 1 à 4 un appareil permettant de souder les surfaces adjacentes à un bord de deux feuilles de polyéthylène en recouvrement. Cet appa- reil comporte un dispositif d'extrusion 1 de type connu. A la base du dispositif d'extrusion 1, se trouve un tube d'alimentation allongé 2, fait de métal et notamment d'a- cier inoxydable, qui se termine par une buse 3 à son ex- trémité libre. Sur la plus grande partie de sa longueur, le tube d'alimentation est enfermé dans un manchon en plastique fluoro-carboné tel que le produit vendu sous la dénomina- tion Téflon (marque déposée) 4 qui sert d'isolant thermique et dont l'extrémité inférieure se termine par deux pieds de support dirigés vers l'arrière 5. Les pieds de support comportent chacun un organe de support 6 sur l'un des deux côtés opposés du tube d'alimentation 2. Comme on le voit figure 2, l'organe de support est coupé au niveau de sa partie avant 7, de sorte qu'il n'y a pas de Téflon dans la zone o se situe le bord avant 8 de la buse 3. Le manchon en Téflon 4 est lui-même enfermé dans un manchon en acier 9 qui supporte un cadre-support se prolongeant vers l'arrière. Ce cadre- support se compose de deux éléments arrière 10, placés de part et d'autre du tube d'alimentation 2 et parallèles aux pieds de support 5. 2501104 ' Une articulation avant 11 est fixée par pivot à la partie inférieure de l'extrémité libre 12 de chaque élé- ment 10 du cadre-support. Chaque articulation 11 se compo- se d'un organe arrière 13 et d'un organe avant 14 raccor- dés au moyen d'un pivot 15. On peut voir figure 1 que l'organe arrière 13 a environ deux fois la longueur de l'organe avant 14, de sorte que le pivot 15 se situe en marge à l'avant du tube d'alimentation et de la buse 3. Chaque organe avant d'articulation 14 présente un évidement peu profond 16 à sa surface supérieure. Cet évi- dement sert de logement à une tige 18 qui traverse une ou- verture 19 pratiquée dans un organe de prolongement avant 20. Un ressort bobiné de compression 21 est placé entre l'organe 20 et une collerette 22 montée sur la tige, de sorte que cette tige et, en conséquence, l'organe 14 sont soumis à une force de rappel dans un sens qui les éloignent du dispositif d'extrusion 1, soit vers le bas en cours d'utilisation. Un organe de contact allongé 23, de section sen- siblement rectangulaire comme on peut le voir figure 3, est fixé à chacun des organes d'articulation avant 14, par l'intermédiaire de blocs 24 en matériau isolant approprié. Les organes de contact 23 ont leurs axes sensi- blement parallèles à l'axe du tube d'alimentation et sont placés près l'un de l'autre. Dans chaque organe de contact 23, est pratiqué un alésage axial 25, depuis la partie supérieure 26 de cet organe jusqu'à proximité de sa partie inférieure 27. Dans ces alésages sont montés des éléments chauffants é- lectriques de forme allongée 28 qui chauffent les organes de contact à une température prédéterminée. Cette tempé- rature est contrôlée par un dispositif de contrÈle (non représenté) comportant un transducteur de chaleur 29, un thermocouple par exemple, qui est noté dans l'organe à pro- ximité de sa partie inférieure 27. A proximité des organes de contact 23 et à l'a- vant de ces organes, est suspendu un tube d'air chaud 40 qui se termine par une buse 30 à proximité de la partie inférieure ou semelle 27 des organes de contact. Comme on l'a dit précédemment, l'appareil est destiné au soudage des bonds en recouvrement de feuilles en matériau thermoplastique tel que du polyéthylène. On voit figure 4 que les parties de bord des feuilles 31 sont en recouvrement, l'appareil décrit étant déplacé le long du bord 32 de la feuille supérieure, de sorte que les zones X et Y des feuilles sont recouvertes par la machine. Au cours du déplacement de l'appareil, le maté- riau est préchauffé à température préd6terminée basse au moyen d'un jet d'air-chaud sortant de la buse 30 du tube d'air chaud 40. Les deux organes de contact 23 viennent ensuite en contact intime avec les zones adjacentes préa- lablement chauffées des feuilles, à raison d'un organe pour chacune des zones X et Y. La température des orga- nes de contact est telle que la surface supérieure 33 des feuilles est amenée au dessus du point de fusion du matériau thermoplastique et. se trouve donc pratiquement à l'état liquide. Simultanément, les organes de contact endommagent les surfaces 33, de sorte que ce sont des sur- faces endommagées, et donc pratiquement des nouvelles sur- faces, qui sont présentées devant la buse 3 du tube d'a- limentation 2 du dispositif d'extrusion 1. On remarquera qu'il n'y a ni Téflon, ni-autre matériau plastique en contact avec les surfaces endomma- gées entre les organes de contact et la buse métallique 3; on peut penser en effet, d'après expérience, que la pré- sence de tels matériaux se traduit par de mauvaises carac- téristiques de la soudure. Lorsque les nouvelles surfaces passent sous la buse 3, elles sont recouvertes d'une couche continue de matériau fondu 34 qui se solidifie en très peu de temps et soude les deux surfaces comme il est représenté figure 4. Des essais de pelage faits à température élevée démontrent que la soudure ainsi effectuée a de meilleures caractéristiques que les soudures effectuées sur des sur- faces préchauffées de manière classique. Ces essais dé- montrent que le procédé conforme à l'invention conduit à la formation d'une zone dans laquelle le matériau de soudure déposé est intimement mélangé avec le matériau des feuilles soudées. Pour renforcer encore les proprié- tés des nouvelles surfaces formées par les organes de contact, on envisage de donner à la partie inférieure de ces organes, ou semelle, une forme inclinée vers l'exté- rieur, ou toute autre forme, comme on l'a représenté par les lignes pointillées 35 de la figure 3. Cette forme in- clinée donne à l'organe de contact un effet de "charrue", et tend à refouler à l'extérieur de la soudure la couche supérieure du matériau à souder. Cette couche supérieure est généralement "grasse" et difficile à souder. Comme on l'a dit précédemment, la température des organes de contact est contrôlée pour assurer la fusion de la surface supérieure du matériau à souder. Mais on remar- quera que la température de la surface fondue doit être soigneusement contrôlée car une température excessive peut conduire à une dégradation du matériau plastique et à la formation de poix. Cette poix peut réduire sévèrement les propriétés de la soudure. On a représenté figure 5 une variante de réalisa- tion des organes de contact. Selon cette variante, l'un des organes de contact comporte un rebord intérieur 36 qui se prolonge en dessous de l'autre organe de contact. En cours d'utilisation, l'or- gane de contact à rebord vient en contact avec la surface de la feuille inférieure à souder, entre les deux feuilles, de sorte que la feuille supérieure est en "sandwich" entre la surface supérieure du rebord et la semelle de l'autre organe de contact. Les surfaces entre les deux feuilles sont donc chauffées et endommagées comme il a été décrit, et le matériau thermoplastique extrudé peut s'écouler entre ces deux feuilles, comme on l'a représenté en 37 figure 6. On améliore ainsi la résistance de la soudure. D'autres variantes sont envisagées dans le ca- dre de l'invention, avec d'autres configurations et no- tamment: (a) l'appareil peut n'avoir qu'un seul organe de contact solidaire du tube d'alimentation 2 et de la buse 3, (b) l'appareil est tel que décrit, mais il est monté sur un équipement d'entraînement de sorte que sa vitesse d'a- vancement peut être contrôlée et rendue variable, (c) l'appareil est tel que décrit, et manipulé à la main, mais il comporte un dispositif de mesure de vitesse monté sur la tête de soudage, pour que l'opérateur puisse main- tenir une vitesse de soudage correcte et sensiblement cons- tante. REVENDICATIONS 1) Procédé de soudage des surfaces adjacentes d'é- léments en matériau thermoplastique, caractérisé en ce qu'il consiste: (a) à préchauffer par conduction les zones adjacentes des surfaces (33) précitées, au dessus du point de fusion du matériau thermoplastique, à l'aide d'un organe (23) de contact chauffé approprié, (b) à déposer une couche continue de matériau thermoplas- tique fondu sur les zones préchauffées adjacentes des deux surfaces, et (c) à laisser se solidifier le matériau déposé et le ma- tériau-des surfaces. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces (33) sont celles des deux feuilles (31) en matériau thermoplastique placées en recouvrement, les zones adjacentes de ces surfaces étant les zones adjacentes à un bord de ces surfaces. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans les zones adjacentes précitées, se trouvent les zones qui se situent entre les deux feuilles et sont adjacentes à un bord de ces feuilles (figure 6). 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces des zones adjacentes précitées sont mé- caniquement endommagées par l'organe de contact (23) lors du préchauffage par conduction. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les zones adjacentes sont endommagées par formation de nouvelles surfaces sur ces zones. 6) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces préchauffées ne viennent en contact avec aucun matériau plastique solide avant d'être recouvertes par la couche de matériau thermoplastique fondu (34). 7) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le préchauffage par conduction est précédé d'une étape de préchauffage initial. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, au cours du préchauffage initial, on préchauf- fe les zones adjacentes précitées à l'aide d'une source de rayonnement. 9) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, au cours du préchauffage initial, on préchauffe les zones adjacentes précitées à l'aide de gas chauds. ) Appareil pour souder en continu les surfaces adjacentes d'éléments en matériau thermoplastique, carac- térisé en ce qu'il comporte: - au moins un organe de contact (23) pour chauf- fer par conduction les zones adjacentes (33) des surfaces précitées, au dessus du point-de fusion du matériau ther- moplastique, l'organe de contact étant monté de manière à suivre le contour des surfaces en cours d'utilisation, - des moyens (28) pour chauffer l'organe de contact, - et des moyens (1, 2, 3) pour déposer une cou- che continue (34) de matériau thermoplastique fondu sur les zones adjacentes chauffées. 11) Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'organe de contact (23) est conçu de manière à endommager les zones adjacentes précitées pendant qu'il les chauffe. 12) Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'organe de contact (23) comporte un dispositif de contrôle de température (29). 13) Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte deux organes de contact (23) montés indépendamment l'un de l'autre, et venant en contact avec les zones adjacentes précitées. 14) Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de dépôt du matériau thermoplastique fondu se composent d'un tube d'alimentation (2) pour con- voyer le matériau thermoplastique fondu, lequel se ter- mine par une buse (3) au point de dépôt. ) Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte un pied en matériau approprié (5,6) pour supporter le tube d'alimentation (2) , destiné à venir- en contact avec les surfaces adjacentes de chaque côté seulement de la couche de matériau thermoplastique dépo- sée. 16) Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'organe de contact (23) est solidaire du tube d'alimentation (2). 17) Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'organe de contact (23) est indépendant des moyens (1, 2, 3) permettant de déposer le matériau ther- moplastique fondu.