Brevet FR2664517A1 — publié le 19920117

Machine à souder aux ultrasons, à compression contrôlée d'un joint Cette invention appartient d'une manière générale au domaine du soudage des matières plastiques aux ultrasons et particulièrement à un procédé pour contrôler la compression d'un joint ou ressort durant le processus de soudage. Le brevet US 4 631 685 au nom de Peter illustre l'état de la technique dont la demanderesse a connaissance Les procédés connus de soudage aux ultrasons travaillent à partir d'un empilement dimensionnel. Chaque composant est mesuré dimensionnellement au point d'application de l'énergie de soudage et ajouté à d'autres mesures pour calculer une dimen- sion d'empilement totale des composants à l'emplacement de soudage prévu. Une fois que la distance d'empilement totale a été calculée, une distance particulière de soudage qui a été déterminée par approximations successives est ajoutée à la distance d'empilement Cela donne un point calculé d'achè- vement de soudage. En fonctionnement, les composants sont empilés ensemble et ali- gnés avec la corne de soudage aux ultrasons La corne est astreinte à se déplacer vers les composants, une énergie d'ultrasons étant fournie à la corne La position de la corne est surveillée par un codeur de position linéaire La position est comparée au point d'achèvement du soudage précé- demment calculé Une fois que la corne a atteint le point d'achèvement, l'énergie dlultrasons cesse d'être appliquée à la corne et la corne est maintenue brièvement en position On laisse durcir le joint de soudage et la corne est alors retirée en prévision du cycle de soudage suivant. D'autres détails du fonctionnement peuvent être glanés dans l'exposé de Peter. Bien que ce procédé de soudage remplisse son rôle d'une manière satisfaisante pour certains types de fonctionnements, la demanderesse a eu la tâche de souder ensemble de manière très fiable deux pièces de matière plastique qui appliquent à leur tour à un joint élastomère une force de compression en un emplacement éloigné de la soudure Bien que les calculs d'empilement assurent une certaine reproductibilité, il est malheureusement introduit plusieurs variables qui ne peuvent pas être déterminées sur la base des seules mesures d'empilement. De lot à lot et même à l'intérieur de lots, la distance de compression nécessaire pour produire une force de compression donnée varie selon les garnitures élastomères La fiabilité d'un joint dépend de la force de compression appliquée sur le joint mais pas de la distance de compression Par exemple, si une trop grande force de compression est appliquée au joint, un déplacement relatif entre les parties à étancher entraîne une usure fortement accélérée de la garniture Là o une force trop faible est appliquée, certains changements tels que des variations de température qui affectent différemment chacun des composants peuvent entraîner une réduction de la force d'étanchéité au-dessous de celle qui serait exigée pour empêcher un liquide ou une vapeur de traverser le joint. De plus et d'une façon analogue aux garnitures élastomères, les parties qui sont à souder ensemble ont des formes et dimensions qui varient de lot à lot et à l'intérieur de lots Les variations de forme sont une conséquence directe de l'opération de moulage de la matière plastique utilisée pour former ces parties Certaines parties peuvent présenter du bord au centre une courbure beaucoup plus grande que d'autres et il pourra exister des variations d'épaisseur en des points particuliers le long des matières plastiques en fonction de variations du retrait à l'intérieur de la matière plastique durant le refroidissement après moulage. Une mesure de l'empilement au point de soudage ne détermine pas les variations dimensionnelles qui doivent être compensées en vue d'assurer une compression d'étanchéité pouvant être annoncée à l'avance En outre, des opérations de mesure strictement dimensionnelles ne préjugent pas de la variation d'épaisseur entre l'emplacement de soudage et l'empla- cement de compression de la garniture, ce qui aura pour résultat que des forces différentes sont transmises à l'emplacement de la garniture à partir de l'emplacement de soudage, pour un déplacement identique donné à la corne. Il est exposé un procédé pour effectuer une soudure aux ultra- sons qui comprend les opérations consistant à supporter dans un logement un composant devant être soudé, appliquer une force audit composant le long d'un premier axe par rapport audit composant, mesurer un premier déplace- ment d'une première partie dudit composant le long dudit premier axe à un premier instant, relâcher ladite force, chauffer une seconde partie dudit composant par application d'énergie d'ultrasons, mesurer un second déplace- ment de ladite première partie dudit composant le long dudit premier axe et interrompre ledit chauffage de façon à produire un déplacement pratiquement permanent de ladite première partie dudit composantsensiblement égal audit premier déplacement. De préférence, l'opération consistant à appliquer une force comprend les opérations consistant à appliquer une force ayant une première intensité à un second instant; interrompre l'application de ladite force une fois que ladite intensité a atteint un niveau prédéterminé Ledit premier instant précède de préférence immédiatement ladite opération consistant à interrompre l'application de ladite force. Il es-t aussi exposé un procédé pour effectuer une soudure aux ultrasons, qui comprend les opérations consistant à: supporter dans un logement un composant devant être soudé appliquer une force audit composant le long d'un premier axe par rapport audit composant, ladite force étant d'une intensité insuffisante pour déformer de manière significative une troisième partie; mesurer un premier déplacement d'une première partie, dudit composant le long dudit premier axe relâcher ladite force; chauffer une seconde partie dudit composant par application d'énergie d'ultrasons; mesurer un second déplacement de ladite première partie dudit composant le long dudit premier axe; interrompre ledit chauffage de façon à produire un déplacement pratiquement permanent de ladite première partie dudit composant sensible- ment égal audit premier déplacement ajouté à un déplacement supplémentaire obtenu empiriquement. La figure 1 illustre un poste qui peut être utilisé en liaison avec le premier étage du procédé de soudage. La figure 2 illustre un poste qui peut être utilisé en liaison avec le second étage du procédé de soudage. La figure 3 illustre un composant qui peut être soudé en utili- sant le procédé de soudage. En se reportant à la figure 1, un poste de mesure 1 du déplace- ment d'une cible est illustré d'une manière générale Le poste ccmprend un dispositif d'application d'une force réglable 2, un logement 3 pour mainte- nir une pièce 6 devant être mesurée, et un codeur linéaire 4 ayant une sortie 5 Pour les fins de cet exposé, le codeur est supposé contenir n'importe quels composants nécessaires requis pour produire un signal numé- rique se prêtant à une interprétation par un ordinateur 7 Cela peut être accompli soit directement par l'utilisation d'un codeur à échelle Gray ou autre dispositif numérique semblable ou en variante par un capteur ana- logique combiné à des dispositifs appropriés de conversion analogique en numérique Le dispositif d'application de force réglable 2 peut être la combinaison d'un capteur de charge fabriqué par Omega Engineering Incorpo- rated de Stamford, Connecticut, et d'un générateur de force constitué d'un servo-motew fabriqué par Aerorech ïncorporated de Pittsburgh, Pennsyl- vanie, et d'une vis-mère de précision fabriquée par Universal Thread Grin- ding Company de Fairfield, Connecticut, bien que d'autres agencements plus élémentaires tels qu'une simple balance à poids libre puissent être utilisés La seule exigence est que le dispositif d'application de force réglable Z soit capable d'appliquer une force prédéterminée à la pièce 6. En fonctionnement, le dispositif d'application de force réglable 2 est astreint à se déplacer vers la pièce 6 qui repose sur le logement 3 Dans le mode préféré de réalisation, le dispositif d'application de force régla- ble 2 parcourt une distance suffisante pour faire s'appliquer une force d'intensité prédéterminée sur la pièce 6 La force est mesurée intérieure- ment par le dispositif d'application de force réglable 2 Une fois que la force prédéterminée est obtenue, la sortie de position 5 provenant du codeur linéaire 4 est échantillonnée par un ordinateur de contrôle 7 qui pourrait être un ordinateur IBM du type AT Le dispositif d'application de force réglable 2 se relâche alors en prévision de la pièce suivante à tester La pièce 6 est alors transférée soit mécaniquement, soit à la main, au second poste illustré à la figure 2, bien que cela puisse être facile- ment accompli dans un poste unique par un homme de métier. En se reportant maintenant à la figure 2, la sortie de position est échantillonnée par l'ordinateur 7 Une fois que la pièce 6 est chargée, le système est activé soit manuellement, soit, dans le cas o la pièce 6 est chargée mécaniquement, par un signal d'activation provenant d'un capteur L'ordinateur génère un signal qui est traduit par une servo- carte 8, laquelle pourrait être une DMC-400-10 pouvant être obtenue auprès de Galil Motion Control Incorporated de Palo Alto, Californie, en un signal de commande 16 qui est utilisé pour commander un servo-moteur CC 9 Lorsque le servo-moteur CC 9 est activé, la vis-mère 12 est astreinte à tourner en déplaçant une corne 13 vers un logement 14 qui maintient la pièce 6 Simul- tanément, l'ordinateur envoie un signal de commande au circuit électronique 11 de la machine à souder et, par une ligne 17, met sous tension la corne 13 avec une énergie ultrasonique La corne 13 et le circuit électronique 11 de la machine à souder sont disponibles par exemple auprès de Branson Ultrasonics Corporation de Danbury, Connecticut A mesure que la corne 13 se déplace vers le logement 14, un codeur linéaire 15 sera finalement déplacé L'ordinateur 7 échantillonne la sortie du codeur linéaire 15 par une ligne 18 et, lorsque le codeur linéaire indique qu'a été obtenue une position qui coïncide avec la position précédemment déterminée à partir de la ligne de sortie 5, l'ordinateur envoie au circuit électronique 11 de la machine à souder un signal qui a pour résultat une mise hors tension de la corne 13 La machine à souder est maintenue brièvement dans cette position pour permettre à la soudure de durcir et ensuite la vis-mère est entraînée en rotation de façon à supprimer le contact de la corne 13 avec la pièce 6 La pièce, 6 peut maintenant ê,tre retirée du logement 14 et avancée encore pour n'importe quel traitement supplémentaire qui peut être requis pour l'application Le procédé de soudage aux ultrasons conforme au mode préféré de réalisation est maintenant achevé. Alors que ce qui précède illustre l'utilisation d'un servo- moteur CC pour la production d'un déplacement de la corne 13, il est envi- sagé d'autres méthodes bien connues dans la technique antérieure telles que des systèmes pneumatiques ou des systèmes hydrauliques Un exemple d'un système convenable est exposé par Peter dans le brevet US 4 631 685 discuté ci-dessus Le système Peter remplacerait les composants 9, 10, 11, 12, 13 et 17 Il y a des avantages à obtenir en utilisant un système pneumatique qui sera connu des hommes de métier De plus, tous les composants d'un système pneumatique sont disponibles par exemple auprès de Branson Ultra- sonics Corporation mentionnée précédemment. Dans une variante du mode de réalisation, le poste de mesure 1 du déplacement de la cible illustré à la figure 1 peut être activé de façon à appliquer une force qui astreint seulement toutes les pièces à venir en contact sans comprimer la garniture d'étanchéité Pour la pièce 6 qui sera discutée en détail ci-dessous en référence à la figure 3, la force requise pour la flexion du couvercle est inférieure d'une manière significative à la force requise pour assurer simultanément la flexion du couvercle et la compression de la garniture d'étanchéité Par conséquent, le dispositif d'application de force réglable peut être programmé pour une force d'inten- sité moindre que celle requise pour une compression de la garniture d'étan- chéité tout en étant encore d'une intensité supérieure à celle qui serait requise pour la flexion du couvercle Dans ce mode de réalisation, l'ordi- nateur 7 ajoute une distance incrémentielle à la position indiquée par la sortie 5 de façon à produire une certaine distance de compression de la garniture d'étanchéité durant le soudage. En se reportant maintenant à la figure 3, une vue en coupe transversale de la pièce 6 y est illustrée Bien que la pièce puisse prendre n'importe quelle configuration qui conviendrait à la mise en oeuvre de cette invention, cette figure est fournie pour illustrer une application industrielle de l'invention et sert aussi à illustrer la configuration de la pièce d'essai qui est utilisée pour arriver aux valeurs de comparaison détaillées dans l'exemple La pièce 6 possède un couvercle 19, une base , un rotor 21 et une garniture d'étanchéité 22 En fonctionnement, la pièce 6 est étanchée par une soudure aux ultrasons 24 entre le couvercle 19 et la base 20 De plus, le couvercle 19 et la base 20 sont déformés sous effort suffisamment pour appliquer une force de compression sur la garni- ture d'étanchéité 22 par l'intermédiaire du rotor 21 de façon à produire entre eux un joint étanche à l'eau En fonctionnement, la pièce 6 est fixée par l'intermédiaire du rotor 21 à un arbre rotatif (non représenté) qui fait tourner le rotor 21 par rapport au couvercle 19 et la base 20 L'arbre est monté sur un axe qui est parallèle à la flèche 23 Avantageusement, cela assure un accès au rotor 21 pendant la fabrication étant donné que les codeurs linéaires 4 et 15 peuvent être au contact du rotor 21 pour mesurer un déplacement linéaire Durant le soudage, le couvercle 19 est forcé vers la flèche 23 par un déplacement de matière à la soudure 24 Cela provoque une compression de la garniture 22, créant le joint hermétique nécessaire pour l'ensemble complet tout en autorisant encore une rotation du rotor 21. EXEMPLE En utilisant l'opération de soudage semblable à celle exposée par Peter dans le brevet US 4 631 685 discuté ci-dessus sur une pièce stan- dard fabriquée par la présente demanderesse, les hauteurs d'empilement fini qui concernent la compression d'un joint peuvent varier à l'intérieur d'un domaine de 0,762 mm En utilisant le système du mode préféré de réali- sation, les variations sont réduites à un domaine de 0,127 mm. Bien que ce qui précède détaille ce que l'on pense être le mode préféré de réalisation de l'invention, aucune limitation matérielle à la portée de l'invention n'est envisagée de ce fait Des exemples d'applica- tion de l'invention comprennent le mode préféré de réalisation et compren- nent en plus un contrôle des forces créées durant un procédé de soudage pour limiter le domaine de déplacement d'un arbre en direction axiale Dans un tel cas, les divers composants se déforment intrinsèquement pour produire l'effet désiré accompli par la garniture dans le mode préféré de réalisation En outre, des particularités et variantes de conception qui pourraient être évidentes pour un homme de métier sont considérées comme étant englobées ici L'utilisation de systèmes pneumatiques tels que ceux décrits par Peter et vendus par de nombreux vendeurs a été discutée précé- demment. REVENDICATIONS 1 Procédé de soudure aux ultrasons comprenant les opérations de supporter dans un logement un composant devant être soudé appliquer une force audit composant le long d'un premier axe par rapport audit composant; mesurer un premier déplacement d'une première partie dudit composant le long dudit premier axe à un premier instant relâcher ladite force; chauffer une seconde partie dudit composant par application d'énergie d'ultrasons; mesurer un second déplacement de ladite première partie dudit composant le long dudit premier axe; et interrompre ledit chauffage de façon à produire un déplacement pratiquement permanent de ladite première partie dudit composant, sensible- ment égal audit premier déplacement. 2 Procédé de soudure aux ultrasons selon la revendication 1 dans lequel l'opération consistant à appliquer une force comprend les opé- rations consistant à: appliquer une force ayant une première intensité à un second instant; interrompre l'application de ladite force une fois que ladite intensité a atteint un niveau prédéterminé. 3 Procédé de soudure aux ultrasons selon la revendication 2 dans lequel ledit premier instant précède immédiatement ladite opération d'interrompre l'application de ladite force. 4 Procédé pour effectuer une soudure aux ultrasons comprenant les opérations consistant à: supporter dans un logement un composant devant être soudé appliquer une force audit composant le long d'un premier axe par rapport audit composant, ladite force étant d'une intensité insuffisante pour déformer de manière significative une troisième partie; mesurer un premier déplacement d'une première partie dudit composant le long dudit premier axe relâcher ladite force; chauffer une seconde partie dudit composant par application d'énergie d'ultrasons; mesurer un second déplacement de ladite première partie dudit composant le long dudit premier axe; interrompre ledit chauffage de façon à produire un déplacement pratiquement permanent de ladite première partie dudit composant sensi- blement égal audit premier déplacement ajouté à un déplacement supplémen- taire obtenu empiriquement.