Brevet FR2678859A1 — publié le 19930115

PROCEDE DE SOUDURE D'UN OPERCULE D'ETANCHEITE SUR UNE PIECE RECEPTRICE ET SONOTRODE DE SOUDAGE UTILISEE DANS LEDIT PROCEDE La présente invention concerne le domaine technique généraL du soudage de matériaux thermoscellables et se rapporte, plus particulièrement, à un procédé de soudure d'un opercule d'étanchéité sur une pièce réceptrice comportant une surface à opercule. L'invention vise, également, l'outil nécessaire à L'opération de soudage de l'opercule sur La pièce réceptrice, à savoir un organe de soudage, tel qu'une sonotrode générant, par l'intermédiaire d'un générateur, des ultrasons. L'invention stapplique, plus particulièrement mais non exclusivement, au soudage d'un opercule d'étanchéité sur la partie supérieure d'un bouchon destiné à fermer une bouteille, mais il est bien évident que d'autres types de pièces réceptrices, nécessitant le recours à l'implantation d'un opercule d'étanchéité, peuvent être concernées. De manière généra Le, le procédé s'applique donc au soudage d'un opercule d'étanchéité sur toute pièce réceptrice du type bouchon, récipient ou autre, compozart une surface à opercule. Dans l'exemple préférentiel visé par L'invention, à savoir celui relatif aux opercules d'étanchéité appliqués sur des bouchons, l'application d'un opercule sur la face supérieure d'un bouchon a pour objectif d'améliorer L'étanchéité globale du bouchon. Pour la fabrication de bouchons, il a en effet été constaté que, malgré le recours à des matériaux plastiques présentant une perméabilité aux fluides supposée parfaite, des échanges gazeux pouvaient avoir lieu entre le mi lieu extérieur et le mi lieu liquide interne à la bouteille. Ces échanges gazeux, même minimes, survenant par passage à travers le matériau même du bouchon, peuvent être réduits, voire complètement annulés par l'application et le soudage d'un opercule d'étanchéité sur La face supérieure du bouchon. Il existe, à L'heure actuelle, plusieurs techniques de soudage, utilisables dans le cadre d'une telle opération d'application d'un opercule d'étanchéité sur la face supérieure d'un bouchon. Il est ainsi possible, en premier lieu, d'avoir recours à un procédé de soudage par conduction, dans lequel l'opercule, préalablement découpé aux dimensions de la surface à opercule, est appliqué sur le bouchon par l'intermédiaire d'un élément chauffé, par exemple une tête de soudage pourvué d'une résistance chauffante. L'élément chauffant applique L'opercuLe sur la face supérieure du bouchon et amène les deux matériaux à souder à la température de fusion requise pour assurer la soudure. Une telle technique présente un inconvénient majeur résidant dans La difficulté du centrage de l'opercule sur la surface à opercule. Cette technique nécessite, également, la dissociation complète, d'une part, de L'opération de découpe de l'opercule aux dimensions requises et, d'autre part, de L'opération proprement dite de soudage. Ces deux inconvénients s'avèrent peu compatibles avec la nécessité d'une industrialisation de L'opération de soudage de L'opercule, cette opération devant, en outre, s'intégrer dans le cadre plus général de procédés d'embouteillage dans lesquels des cadences élevées sont nécessaires. Une seconde technique utilisable est celle du soudage par induction, technique dans laquelle l'ensemble, constitué par le bouchon et l'opercule, est maintenu en position de compression et passe sous un inducteur parcouru par un courant haute fréquence, l'opercule ayant été, au préalable, découpé aux dimensions requises. Dans une telle technique, le matériau constitutif de l'opercule est à base d'un matériau métallique, en général de l'aluminium, dans lequel des courants de FoucauLt, induits par l'inducteur, élèvent la température de l'opercule et permettent ainsi son soudage sur le bouchon. La technique de soudage par induction souffre des mêmes désavantages que ceux liés au soudage par conduction, à savoir une dissociation des opérations de découpe de L'opercuLe, puis de positionnement et, enfin, de soudage. Le centrage de l'opercule est, en conséquence, une opération délicate, relativement complexe et finalement imprécise. Il doit, également, être noté que le recours à des opercules d'étanchéité, outre leur fonction primaire d'amélioration de L'étanchéité proprement dite, possèdent une fonction secondaire à caractère publicitaire, dans la mesure où une série de caractères ou dessins sont imprimés, par tout moyen, sur l'opercule qui remplit alors une fonction de support publicitaire. Il s'ensuit que les problèmes de centrage de L'opercuLe sont particulièrement importants à résoudre, puisque tout décentrage de L'opercuLe conduit à un décent rage du dessin ou du motif, lequel influence alors négativement la présentation générale de L'objet et, en l'occurence, de la bouteille. Il importe, en conséquence, pour cette seconde raison également, de pouvoir assurer un centrage parfait de l'opercule sur la surface à opercule. L'objet de L'invention vise, en conséquence, à pallier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et à fournir un procédé de soudure, ainsi qu'un organe de soudage, permettant de résoudre, de manière particulièrement simple, Le centrage de l'opercule d'étanchéité sur une pièce réceptrice, permettant d'assurer rapidement le soudage de ces deux éléments. Un autre objet de L'invention vise à fournir un procédé de soudure et un organe de soudage, tel qu'une sonotrode, permettant d'assurer des cadences élevées de soudage de l'opercule sur la surface à opercule. Un objet supplémentaire de L'invention vise, enfin, à fournir un procédé de soudure et un organe de soudage permettant d'assurer le soudage de l'opercule sans détériorer L'intégrité de La surface de L'opercule. Les objets assignés à L'invention sont atteints à L'aide d'un procédé de soudure d'un opercule d'étanchéité sur une pièce réceptrice, du type bouchon ou récipient par exemple, comportant une surface à opercule, dans lequel la pièce réceptrice et l'opercule sont amenés à un poste de soudure où ils sont soudés par un moyen de soudure, caractérisé en ce qu'il consiste - à mettre en place, entre la surface et le moyen de soudure, un film opercule de surface au moins égale et, de préférence, supérieure à Ladite surface, - et à assurer, simultanément, à L'aide du moyen de soudure, d'une part, la découpe du film opercule aux dimensions correspondant à la surface et, d'autre part, La soudure de L'opercuLe découpé sur la pièce réceptrice. Les objectifs assignés à L'invention sont également atteints à L'aide d'un organe de soudage définissant une face inférieure de soudage, ladite tête étant mobile axialement, caractérisée en ce que la face de soudage comprend une arête de découpe en saillie par rapport à ladite face, ladite arête étant pourvue, sur sa longueur, d'un talon de soudage joignant la base de L'arête et la face de soudage. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de L'objet de L'invention. La fig. 1 montre, selon une vue en perspective, un premier exemple de réalisation d'une sonotrode de soudage conforme à L'invention, utilisée dans un procédé de soudure simplifié. La fig. la montre, selon une vue en perspective, un bouchon à operculer définissant une surface à opercule. La fig. 2 montre, selon une vue en perspective, les éléments essentiels d'une installation mettant en oeuvre un procédé de soudure conforme à L'invention dans une exploitation industrielle. La fig. 3 montre, selon une coupe transversale longitudinale, le profil d'une sonotrode de soudage conforme à L'invention. La fig. 4 montre, selon une coupe transversale longitudinale, L'étape terminale d'application et de soudage d'un opercule sur un bouchon à L'aide d'une sonotrode conforme à L'invention. La fig. 1 montre un exemple d'un dispositif de soudage 1 pouvant être mis en oeuvre dans Le cadre du procédé de soudure selon L'invention. Dans l'exemple représenté à La fig. 1, Le dispositif de soudage 1 comprend un corps principal 2 reLié, par un bras 3, à une embase d'appui 4 destinée à reposer sur un support non représenté sur la figure. L'embase d'appui 4 définit, dans sa partie supérieure, un plateau 5 de réception des pièzes à opercule. Le corps principal 2 est pourvu d'une tête de scudage 6 s'étendant sensiblement verticalement au-dessus du plateau de réception 5 et, de préférence, orthogonalement à ce dernier, la tête 6 étant reliée au corps principal 2 par l'intermédiaire d'une colonne de soutien 7. La tête de soudage 6 comporte, de préférence, en tant que moyen de soudure, de manière classique, un organe de soudage incluant un système de production et de transmission des ultrasons, tel qu'un générateur 8, de préférence à présélection d'amplitude, ledit générateur étant couplé à une sonotrode 9. Le tête de soudage 6 est montée mobile axialement sur la colonne de soutien 7 par tout moyen approprié, bien connu de L'homme du métier, de manière à pouvoir effectuer, sous contrôle d'un système de commande, un mouvement alternatif de montée-descente selon les flèches f -f et selon la direction axiale x-x' correspondant à l'axe de symétrie longitudinal de la sonotrode 9. Le réglage et le contrôle de l'amplitude de la course de la tête de soudage 6, ainsi que le réglage et le contrôle de l'énergie ultrasonore, peuvent être effectués par L'intermédiaire d'un ensemble de capteurs reliés à une unité de programmation dont les principaux paramètres de réglage peuvent être affichés et contrôlés par le biais de moyens de contrôle 11 disposés, par exemple, sur la colonne de soutien 7. Les diverses unités de montage et de contrôle de la tête de soudage font appel à des éléments bien connus en soi et ne seront, en conséquence, pas décrits plus en détail. Le plateau de réception 5 est destiné à recevoir une série de pièces réceptrices 12 qui, dans l'exemple représenté aux figures, sont constituées par des bouchons réalisés en un matériau du type polypropylène, basse ou haute densité, ou polyéthylène. Avantageusement, les bouchons 12 sont immobilisés, par exemple par l'intermédiaire de moyens de blocage, tels que des plots, montrés à la fig. 2, solidaires d'un support intercalaire 13 reposant sur le plateau de réception 5. Le bouchon 12, tel que montré à La fig. la, porte, à son extrémité supérieure 14, une face supérieure 15 définissant une surface à operculer S incluant l'épaisseur de la tranche annulaire 14a formant siège, de préférence circulaire, et de diamètre extérieur d. Entre la surface à operculer S et la tête de soudage 6, il est prévu de mettre en place un film opercule 21 de dimensions supérieures à La surface S, de manière à la couvrir au moins en totalité par excès, ledit film opercule 21 comportant, au moins dans sa face inférieure destinée à venir en contact avec la face supérieure 15 du bouchon, une couche d'un matériau susceptible d'être soudé thermiquement avec le matériau constitutif du bouchon. De manière préférentielle, le film opercule 21 est multicouches et comporte une première couche de soudage en un matériau thermoscellable de même nature que ce lui du bouchon et une seconde couche supérieure réalisée en un matériau aluminisé, en plastique ou en papier. La sonotrode de soudage 9, telle que montrée aux fig. 1, 2, 3 et 4, définit, à son extrémité terminale, une face inférieure 25, de forme géométrique identique à celle de la surface S à souder et, dans le cas présent, circulaire. La face inférieure 25 est, de préférence, plane et comprend, avantageusement, à sa périphérie, une arête de découpe 26 en saillie par rapport au plan P d'extension de la face inférieure 25. Le profil de L'arête de découpe 26, tel que montré, en particulier à la fig. 3, présente, avantageusement, une forme géométrique en triangle ou en "V" dont la partie sommitale inférieure 27 forme la portion coupante de L'arête 26. La partie sommitale 27 définit une ligne de coupe circulaire, concentrique à l'axe x-x', la face externe 26b de L'arête 26 formant une enveloppe cylindrique coaxiale à l'axe x-x', tandis que la face interne 26a est inclinée, par rapport à la face externe 26b en direction de l'axe x-x', d'un angle a de découpe compris entre 5 et 250 et, de péférence, voisin de 150. La va leur de l'angle a sert à créer Arête de découpe 27 en lui donnant suffisamment de fil pour assurer sa fonction de découpe. Sa variation est fonction du matériau du film opercule 21. La face inférieure 25 est reliée, à partir de sa périphérie, à la base 28 de L'arête de découpe 26, par l'intermédiaire d'un talon de soudage 29 s'étendant le long de L'arête 26 et joignant la face interne 26a et la face inférieure 25 en formant une face de talonnage annulaire 30 s'étendant à partir de ladite face interne 26a dans un plan P' situé sous le plan P et sensiblement parallèle à ce dernier. L'association de L'arête de découpe 27 et du talon de soudage 29 permet à la sonotrode 9, lors de son mouvement de descente verticale selon son axe de révolution x-x', de découper le film opercule 21 par l'intermédiaire de L'extrémité de L'arête 27 et, de manière simultanée, d'assurer, en combinaison avec L'énergie ultrasonore, le soudage de l'opercule découpé par l'intermédiaire de la face de talonnage 30 qui, d'une part, applique au moins une partie de La surface de l'opercule contre le siège 14a de La surface à operculer et, d'autre part, transmet à cette zone d'appui l'énergie ultrasonore induisant le soudage thermique des matériaux entre eux. Dans l'exemple particulier de réalisation de L'invention montré à la fig. 1, le procédé de soudure d'un opercuLe d'étanchéité sur la pièce réceptrice 12, en l'occurence un bouchon, consiste à amener, de préférence séparément, le film opercule 21 et le bouchon 12 au poste de soudure défini par la zone située au droit et en-dessous de la sonotrode 9. Le procédé consiste, ensuite, à mettre en place, entre la surface S du bouchon 12 et le moyen de soudure constitué par la sonotrode 9, un film opercule 21 d'une surface au moins égale et, de préférence, supérieure à la surface S, de manière que l'opercule, une fois découpé possède des dimensions correspondant à la surface S et puisse recouvrir totalement la surface S et coïncider exactement à son contour. Le positionnement correct relatif du film opercule 21, du bouchon 12 et de la sonotrode 9 étant réalisé, le procédé consiste, ensuite, à assurer, simultanément, à L'aide de la sonotrode 9, d'une part la découpe du film opercule aux dimensions correspondant à la surface S et, d'autre part, la soudure de l'opercule découpé sur la pièce réceptrice, à savoir le bouchon 12 et son siège annulaire 14a. Cette opération de découpe et de soudage simultanés est effectuée par L'action de descente de la sonotrode 9 selon la flèche f2 de la fig. 1 correspondant à la direction axiale x-x' de ladite sonotrode 9, ce mouvement entraînant l'application du film opercule 21 sur le siège 14a de la face supérieure 15 du bouchon 12, dans un premier temps. La pénétration de L'arête 27 à travers Le film opercule 21 provoque la découpe du film opercule 21 pour fournir, à l'opercule découpé, des dimensions au moins égales à la surface S. Simultanément à L'opération de découpe et en fin de course de La sonotrode 9, le talon de soudage 29 (fig. 4) transmet l'énergie ultrasonore produite par le générateur 8 et assure, par pression, le soudage annulaire périphérique de l'opercule 21 sur le siège 14a de la face supérieure 15 du bouchon 12. Le bouchon operculé est ensuite évacué et un autre bouchon 12 nu, ainsi qu'un nouveau film opercule 21, peuvent atours être mis en place au poste de soudure, en vue de recommencer L'opération simultanée de découpe et de soudage. La fig. 2 montre, de manière simplifiée, le schéma de principe d'une installation de soudure en continu mettant en oeuvre le procédé de soudure selon L'invention, le procédé et l'installation étant particulièrement adaptés pour fournir une cadence élevée de travail. Cette installation ne diffère de celle montrée à la fig. 1 que par le recours à un film opercule 21 se présentant sous la forme d'une bande 21b de film opercule défilant en continu, au droit et sous la sonotrode 9, à partir d'un dévidoir 40. La bande 21b de film opercule possède, bien évidemment, des dimensions et notamment une largeur L, adaptées à la surface S des pièces réceptrices à opercule. Dans le cas présent, la largeur L de la bande 21b de film opercule est au moins égale et, de préférence, supérieure au diamètre d de la surface à operculer S des bouchons 12. Le dévidoir 40 est relié à tout moyen d'entraînement classique connu et fournit régulièrement, selon un cycle préétabli comportant un pas d'avance supérieur à la dimension maximale de la surface S, une portion de film opercule 21 nécessaire et suffisante pour la découpe aux dimensions requises d'un opercule. Dans le cas présent, le pas d'avance est au moins égal au diamètre d de la surface S. En pratique et de manière avantageuse, le pas d'avance sera sensiblement équivalent à d + 0,5 mm. Les bouchons 12 à operculer défi Lent également en continu selon un cycle de défilement synchronisé avec le cycle de défilement de la bande 21b de l'opercule, ledit cycle de défilement joignant celui de la bande de film opercule 21, sous cette dernière et au droit de la sonotrode 9. Le procédé de soudure selon L'invention consiste, en conséquence, à mettre en place relativement le film opercule 21 et la pièce réceptrice, en L'occurence les bouchons 12, au droit et sous la sonotrode 9, en les faisant défiler au poste de soudure selon des cycles respectifs synchrones, les dimensions du film opercuLe 21 étant adaptées pour couvrir au moins la surface S à opercule. Le dépLacement et la course de la sonotrode 9 sont, bien évidemment, réglés et contrôlés, par exemple par une unité de programme, de manière à fournir un cycle préétabli de déplacement oscillant vertical, qui est synchronisé avec les cycles de défilement respectifs du film opercule 21 et des bouchons 12. De manière avantageuse, les bouchons 12 sont disposés sur une série de plots 41 solidaires d'un moyen de convoyage, non représenté, assurant le défilement et l'alimentation en continu des bouchons 12 au poste de soudure. Il doit, également, être noté que L'unité de programme est programmée de manière à assurer L'arrêt simultané de la bande de film opercule 21 et de l'ensemble de convoyage des bouchons 12, lorsqu'un bouchon est au droit de la sonotrode 9 et que la portion nécessaire de film opercule 21 a été fournie par Le dévidoir 40. Une fois cet arrêt réalisé, la sonotrode 9, ou L'ensembLe de la tête de soudure 6, peut alors se déplacer verticalement selon la flèche f2 pour permettre, à la sonotrode 9, de découper simultanément la bande de film opercule 21, par l'intermédiaire de la partie inférieure circulaire 27, et d'appliquer et souder l'opercule ainsi découpé sur le siège du bouchon 12 définissant la surface S, par l'intermédiaire de la face de talonnage 30. La sonotrode 9 revient ensuite à sa position initiale de départ haute, tandis qu'un nouveau bouchon est amené au poste de soudure et que le dévidoir 40 fourni, selon le pas d'avance préétabli, et par exemple d + 0,5 mm, une portion de bande de film opercule 21 vierge, de manière qu'un nouveau cycle de soudure recommence. Les bouchons operculés 12' sont évacués par le moyen de convoyage. Un tel procédé permet d'assurer des cadences élevées de travail, tout en résolvant le problème spécifique du centrage de L'opercuLe, puisque ce dernier est découpé en place et, simultanément, soudé. Il n'est pas inutile de remarquer que l'inclinaison de la face 26a permet, après la phase de perforation du film 21, de repousser vers l'extérieur la matrice du bouchon à la périphérie de la soudure pour constituer une réserve annulaire de matériau conduisant à la formation d'un léger bourrelet de soudage lors de la fusion et assurant ainsi une tenue et une étanchéité parfaite de l'opercule qui se trouve serti. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. En particulier, différents moyens de soudure peuvent être employés pour la mise en oeuvre du procédé, tels que des résistances chauffantes incluses dans un organe de découpe circulaire. REVENDICATIONS 1 - Procédé de soudure d'un opercule d'étanchéité sur une pièce réceptrice, du type bouchon ou récipient par exemple, comportant une surface (S) à opercule, dans lequel la pièce réceptrice et l'opercule sont amenés à un poste de soudure où ils sont soudés par un moyen de soudure, caractérisé en ce qu'il consiste - à mettre en place, entre la surface (S) et le moyen de soudure, un film opercule de surface au moins égale et, de préférence, supérieure à Ladite surface (S), - et à assurer, simultanément, à L'aide du moyen de soudure, d'une part, la découpe du film opercule aux dimensions correspondant à la surface (S) et, d'autre part, la soudure de l'opercule découpé sur la pièce réceptrice. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en place relativement le film opercule et la pièce réceptrice en faisant défiler, au poste de soudure, selon des cycles respectifs synchrones - un film opercule de dimension adaptée pour couvrir au moins la surface (S) et dans laquelle L'opercuLe est découpé, - et les pièces réceptrices. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer la découpe et la soudure, de maniere simultanée, à L'aide d'une sonotrode. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer la sonotrode selon un cycle préétabli synchronisé avec les cycles de défilement du film opercule et des pièces réceptrices, pour appliquer, par pression, le film contre la surface (S). 5 - Procédé selon L'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à faire défiler le film selon un cycle préétabli comportant un pas d'avance supérieur à la dimension maxima le de la surface (S), considérée dans Le sens axial de défilement. 6 - Procédé selon L'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à souder un opercule sur la face supérieure d'un bouchon présentant une surface (S) de préférence circulaire. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste - à mettre en place les bouchons sur des plots supportés par des moyens d'entraînement en défilement, - à faire défiler en continu le film opercule et les bouchons, - à joindre le trajet du film opercule et des bouchons au droit et sous la sonotrode, te film opercule défilant entre le bouchon et la sonot rode, - à arrêter le défilement du film et des bouchons lorsqu'un bouchon est au droit de la sonotrode, - à déplacer, sensiblement verticaLement, la sonotrode vers le film opercs e jusqu'à le mettre en contact avec le siège du bouchon définissant La surface (S) pour effectuer, simultanément, la découpe et la soudure de L'opercuLe découpé sur le bouchon, - recommencer un nouveau cycle de soudure. 8 - Tête de soudage (6) susceptible d'être utilisée dans un procédé de soudage selon L'une des revendications 1 à 7, comportant un organe (8, 9) définissant une face inférieure (25), ladite tête étant mobile axialement, caractérisée en ce que la face inférieure (25) comprend une arête de découpe (26) en saillie par rapport à ladite face (25), ladite arête (26) étant pourvue d'un talon de soudage (29) joignant la base (28) de L'arête (26) et la face inférieure (25) et s'étendant le long de L'arête (26). 9 - Tête de soudage selon la revendication 8, caractérisée en ce que L'arête de découpe (26) est circulaire et le talon (29) délimite, intérieurement au volume défini par L'arête (26), une bande de soudage circulaire et concentrique à L'arête (26). 10 - Tête de soudage selon La revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que L'arête de découpe (26) présente un angle de découpe (a) voisin de 150. 11 - Tête de soudage selon L'une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que L'organe de soudage comporte un générateur d'ultrasons (8) et une sonotrode de soudage (9).