Brevet FR2677049A1 — publié le 19921204

SONOTRODE DE SOUDAGE A ULTRASONS, ENSEMBLE DE SOUDAGE INCLUANT LA SONOTRODE ET PROCEDE DE SOUDAGE A L'AIDE DE LADITE SONOTRODE La présente invention se rapporte au domaine technique général des matériels et procédés de soudage à ultrasons et concerne une sonotrode de soudage à ultrasons pour le soudage et l'assemblage en continu de produits se présentant, généralement, sous La forme de matériaux en feuilles, de type tissés ou non tissés. L'invention est, plus particulièrement mais non exclusivement, destinée à être utilisée en tant que tête de soudure montée sur une machine à coudre, mais iL est bien évident que son champ d'utilisation ntest pas Limité à cette application préférentielle. Il doit, également, être considéré que L'invention trouve son application préférentielle dans le soudage de matériaux incluant une certaine proportion de matières thermoplastiques et, par exemple, au moins 40 %. La technique antérieure a déjà proposé de nombreux dispositifs et procédés ayant recours à L'usage d'une sonotrode vibrante et/ou rotative pour assurer le soudage de deux feuilles ou films. Il a ainsi déjà été proposé d'utiliser une sonotrode rotative de forme cylindrique, disposée en regard d'une enclume en forme de pointeau, généralement fixe. Les deux films à souder défilent entre L'espace libre ménagé entre l'enclume et la sonotrode rotative, espace dans lequel Les deux feuilles sont soudées par l'effet conjoint de la pression et de l'énergie vibratoire émise par la sonotrode. Un tel procédé peut être qualifié de continu et peut donner, sous certaines conditions, des résultats de soudage acceptables. Un tel dispositif ne donne cependant pas entièrement satisfaction, dans la mesure où on observe, au niveau des lignes de soudure, l'apparition de fronces entre Les deux feuilles donnant à l'assemblage un aspect inesthétique et conférant à la soudure une qualité insuffisante. L'apparition de fronces est due d'une part, à la grande difficuLté de régler Les pressions relatives exercées sur Les feuilles par l'enclume et la sonotrode et, d'autre part, aux rugosités différentes des surfaces externes de ces mêmes éléments conduisant à des vitesses de défilement différentes entre Les deux feuilles. Malgré sa simplicité, un tel dispositif s'avère, en conséquence, inadapté à la réalisation d'une Ligne de soudure homogène et sans fronces. On connaît, également, une technique de soudage utilisant une sonotrode rotative cylindrique montée verticalement selon son axe principal et définissant une zone de soudure annulaire constituée par la tranche supérieure annulaire de la sonotrode. Les feuilles à souder défilent sur un secteur de la tranche et sont entraînées par la rotation de la sonotrode. L'élément presseur est constitué par une enclume en forme de plaque, disposée au-dessus du secteur de soudage. On observe, également, l'apparition d'une fronce au niveau de la ligne de soudure, dont L'origine peut être reliée à la variation de vitesse de défilement des feuilles à souder entre le bord interne et le bord externe de la zone de soudure annulaire. Il doit, également, être noté que, lors de la rotation de la sonotrode, la jonction de L'éLément presseur, au-dessus de la zone de soudure, fait apparaître une force réactive radiale et centripète initiant l'apparition de fronces. La technique antérieure connaît également une sonotrode rotative cylindrique soumise à une émission d'ultrasons axiale et sur laquelle est fixée, au point nodal, une collerette faisant office d'élément de soudage. Cette-technique utilise la rétraction et l'allongement axial de la sonotrode conduisant à un mouvement alternatif oscillant de La collerette. Ce mouvement oscillant est utilisé en combinaison avec une enclume pour assurer Le soudage de deux feuilles. Un tel dispositif s'avère encombrant et de montage délicat à réaliser, puisque l'on ne doit pas modifier l'amplitude radiale au point nodal de la sonotrode. En pratique, il est nécessaire d'avoir recours à des éléments de montage supplémentaires qui modifient l'exploitation correcte de L'ampLitude radiale de la collerette et conduisent à une ligne de soudure ne présentant pas toutes Les qualités nécessaires. La technique antérieure connaît, enfin, une sonotrode vibrante en forme de fourche, assurant, aux extrémités des bras de la fourche, un soudage par points. Un tel dispositif peut être considéré comme donnant-des résultats acceptables mais ne permet pas le soudage en continu des feuilles à assembler. L'objet de L'invention vise, en conséquence, à fournir un nouveau dispositif et un nouveau procédé ne comportant pas Les inconvénients énumérés ci-dessus et capables d'assurer un soudage en continu sans l'apparition du phénomène de fronces, tout en augmentant le rendement de L'opération de soudage. Un autre objet de L'invention vise à fournir un dispositif et un procédé de soudage dans lequel la forme et le dimensionnement relatifs des zones de la sonotrode permettent une transmission idéale de L'émission ultrasonore originelle, ainsi qu'une vitesse homogène d'entraînement des feuilles à assembler. Un objet complémentaire de L'invention vise à fournir une sonotrode de soudage permettant, de manière particuLièrement simple, la production de lignes de soudure variées. L'invention vise, également, à fournir un ensemble de soudage incluant une sonotrode conforme à L'invention. Les objets assignés à L'invention sont atteints à L'aide d'une sonotrode de soudage à ultrasons pour matériaux en feuilles, tissés ou non tissés, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps de travail en forme de tulipe évasée à partir de son axe longitudinal de révolution, ledit corps étant, d'une part, creusé dans sa partie centrale évasée autour de L'axe longitudinal pour définir une bordure périphérique de travail générant un soudage radial et, d'autre part, d'une longueur axiale fonction de la longueur d'ondes des vibrations ultrasoniques. Les objectifs assignés à L'invention sont également atteints à l'aide d'un procédé de soudage par ultrasons à L'aide d'un ensemble de soudage caractérisé en ce qu'il consiste à générer une fréquence ultrasonore comprise entre 18 et 80 kHz. 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 coupe transversale longitudinale, une sonotrode de soudage conforme à L'invention. Les fig 2 et 3 montrent, selon des coupes transversales longitudinales, deux variantes de réalisation des profils respectifs de la sonotrode et de L'organe presseur utilisé en association avec la sonotrode. La fig. 4 montre Les différents éLéments constituant, en association, un ensemble de soudage vibrant conforme à L'invention. La fig. 5 montre une variante de réalisation d'un ensemble vibrant conforme à L'invention et comportant une association de deux sonotrodes. La fig. 1 montre, selon une coupe transversale longitudinale, une sonotrode de soudage 1 conforme à L'invention, comportant un corps de travail 2 en forme de tulipe évasée à partir de son axe longitudinal de révolution x-x'. Dans l'exemple particulier de réalisation montré à la fig. 1, le corps de travail 2 présente, selon des plans orthogonaux à L'axe x-x', des sections unitaires présentant un profil externe circulaire, ledit corps étant limité par une face antérieure circulaire 3 de réception de L'émission ultrasonore et par une face postérieure circulaire 4 adjacente à une bordure périphérique 5, de préférence plane et dont Les génératrices sont, avantageusement, parallèles et de même direction que L'axe x-x'. Dans l'exemple particulier montré à la fig. 1, la paroi externe 6 du corps de travail 2, joignant Les périphéries circulaires respectives de la face antérieure 3 et de la bordure périphérique 5, forme une jupe sensiblement conique présentant une courbure, de préférence constante, dont la concavité est tournée vers l'extérieur de la sonotrode 1. La face postérieure 4 est creusée, dans sa partie centrale, autour de L'axe x-x', de préférence sur la totalité de sa section et à partir sensiblement de la périphérie de la face 4, de manière à constituer un creuset 7 ou évidement de forme sensiblement conjugée à la concavité de la paroi 6, de manière à délimiter un corps de travail 2 dont l'épaisseur de la paroi 6 est équivalente à la largeur L de la bordure périphérique 5.Le creuset 7 définit un volume de révolution sensiblement conique autour de L'axe x-x' dont la profondeur M est, de préférence, déterminée en fonction de la longueur d'ondes X des vibrations ultrasoniques et, À avantageusement, au moins égale à La longueur axiale L, entre la face antérieure 3 et la face postérieure 4, est également déterminée en fonction de la longueur d'ondes X des vibrations ultrasoniques qui doivent être transmises de la face antérieure 3, par t'intermédiaire de la paroi 6, vers la bordure périphérique de travail 5, de manière que cette dernière génère un soudage radial. Avantageusement, cette Longueur axiale L est sensiblement À égale à 2. Le diamètre extérieur D1 de la bordure périphérique 5 est, également, déterminé en fonction de la longueur d'ondes X et À doit être inférieur à cette dernière et supérieur ou égal à La sonotrode de soudage a été également définie par la relation de longueur existant entre le diamètre D1 et Le diamètre D2 de la face antérieure 3 opposée à la face postérieure 4, le diamètre D1 étant supérieur ou égal à deux fois le diamètre D2. La sonotrode de travail 1 peut être réalisée en tout matériau approprié à la transmission d'une vibration et il est, avantageusement, réalisé en aluminium ou en titane. La fig. 4 montre un ensemble de soudage vibrant comprenant, en association, une sonotrode 1 conforme à L'invention montée à rotation autour de son axe x-x', par l'intermédiaire d'un amplificateur mécanique de vibration il et d'un ensemble de roulements 12, en relation d'entraînement avec un organe moteur 13. La sonotrode 1 est également montée en relation avec un système de production d'ultrasons incluant un transducteur 14 générant des vibrations et relié à un coffret 15 de modulation de L'amplitude de vibrations. Le coffret 15 est, avantageusement, pourvu dtun système d'asservissement réglant la valeur de l'amplitude de vibrations en fonction de la vitesse de rotation de la sonotrode. Il est ainsi possible d'adapter constamment l'amplitude de la vibration aux variations instantanées de la vitesse de rotation de la sonotrode. Le montage et L'association des différents éléments constituant l'ensemble de soudage vibrant font appel à des éléments individuels bien connus de L'homme du métier et ils ne seront, en conséquence, pas décrits plus en détail. L'ensemble vibrant, muni de la sonotrode 1, est destiné à être utilisé et mis en oeuvre en association avec un organe presseur constitué d'une molette 20, telle qu'un disque, disposée à l'aplomb de la piste formée par la bordure périphérique 5, au-dessus d'un plan de travail P, affleurant la bordure périphérique 5 selon L'une de ces génératrices. Dans L'exempLe montré à la fig. 1, la bordure périphérique 5 est constituée d'une surface plane, concentrique à L'axe x-x', constituant un cylindre coaxial audit axe et formant ainsi au moins une piste de soudure, mais il doit être entendu que d'autres conformations sont réalisables. Il est ainsi possible de conformer la surface de soudage de La bordure périphérique 5, de manière à lui donner une inclinaison par rapport à L'axe x-x', la bordure périphérique 5 demeurant plane sur toute sa surface. La fig 2 montre une autre variante de réalisation dans laquelle La bordure périphérique 5 présente un profil accidenté et, par exemple, en "V", le ventre du "V" étant disposé sous le plan P et tourné vers ce dernier. La molette 20 présente, dans ce cas Là, de préférence, un profil conjugué également en "V", de manière à définir, avec Le profil de la bordure périphérique 5, une zone de soudure élargie formant une bande.- La fig. 3 montre une autre variante de réalisation dans laquelle le profil de la bordure périphérique 5 est pourvu d'un relief accidenté constitué par une série d'entailles formant des rainures 51 circulaires continues, coaxiales à L'axe x-x' et ménagées dans l'épaisseur de la bordure périphérique 5.Ces rainures peuvent être discontinues et former alors une série de dentures. Dans une telle variante, la molette 20 est également pourvue, à son extrémité, d'un relief présentant un profil conjugué denté. Le recours à un profil denté discontinu est particulièrement utile pour-réaliser des lignes de soudure par points, donnant une impression visuelle de soudage discontinu. Le fonctionnement de l'ensemble vibrant conforme à L'invention est le suivant. Les feuilles A1 et A2, destinées à être assemblées sont déLivrées sur le plan de travail P, de manière à se superposer partiellement et sont entraînées en défilement par la rotation conjuguée de la molette 20 et de la sonotrode 1. La sonotrode 1 est entraînée en rotation autour de son axe de révolution x-x' par le moteur 13, via Les roulements 12 et L'émission ultrasonore est émise par le transducteur 14 sous le contrôle du coffret 15 et de ses moyens d'asservissement. La pression relative exercée sur Les feuilles A1 et A2, par la molette 20 et La bordure périphérique 5, assure, en combinaison avec L'émission vibratoire transmise à la face antérieure 3, puis transformée en émission radiale, à partir de la bordure périphérique 5, le soudage des deux feuilles. Il doit être constaté que le soudage peut être réalisé, de manière indifférente, en continu ou en discontinu, par simple changement de la molette 20 ou de la sonotrode 1 et remplacement par une pièce de profil approprié. Il est également possible de modifier la largeur l de la ligne de soudure en changeant, au choix, la molette 20 ou la sonotrode 1, de manière à augmenter ou diminuer la largeur de la piste de soudage. La fig. 5 montre une autre variante de réalisation dans laquelle l'ensemble vibrant est constitué de deux sonotrodes 1, 1', montées coaxiales L'une en regard de L'autre, selon leurs axes x-x' de révolution, leurs deux creusets 7 et faces postérieures 4, 4" étant disposés face à face. Les deux sonotrodes 1, 1' sont montées de part et d'autre d'un entrefer dont l'écartement e est réglable par tout moyen approprié, chaque sonotrode 1, 1' étant intégrée dans un ensemble vibrant analogue à celui de la fig. 4. On obtient, de cette façon une double piste de soudure constituée par Les deux bordures périphériques 5 et 5', distantes d'un écartement minimal e voisin de 0,5 mm. Le procédé de soudage par ultrasons, à L'aide d'un ensemble de soudage tel que montré à La fig. 4, consiste à générer une fréquence ultrasonore à L'aide du transducteur 14, comprise entre 18 et 80 kHz et, de préférence, sensiblement égale à 40 kHz. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS : 1 - Sonotrode de soudage à ultrasons pour matériaux en feuilles, tissés ou non tissés, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps de travail (2) en forme de tulipe évasée à partir de son axe longitudinal de révolution (x-x'), ledit corps étant, d'une part, creusé dans sa partie centrale évasée autour de L'axe longitudinal (x-x') pour définir un creuset (7) et une bordure périphérique (5) de travail générant un soudage radial et, d'autre part, d'une longueur axiale (L) fonction de la longueur d'ondes (X) des vibrations ultrasoniques. 2 - Sonotrode selon la revendication 1, caractérisée en À ce que la longueur axiale (L) est sensiblement égale à 2. 3 - Sonotrode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le diamètre (D1) de la bordure périphérique (5) est inférieur à X et supérieur ou égal à 4 - Sonotrode selon L'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diamètre (D1) de la bordure périphérique (5) est supérieur ou égal à deux fois le diamètre (D2) du corps de travail dans sa partie opposée à la face postérieure (4) de La bordure périphérique (5). 5 - Sonotrode selon L'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que La profondeur (M) du creuset (7) est au moins égale à 5. 6 - Sonotrode selon L'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bordure périphérique (5) de travail forme une surface de soudage plane constituant un cylindre coaxial à L'axe longitudinal (x-x'). 7 - Sonotrode selon la revendication 6, caractérisée en ce que la surface de soudage est inclinée par rapport à L'axe longitudinal (x-x'). 8 - Sonotrode selon L'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la bordure périphérique (5) présente un profil accidenté. 9 - Ensemble de soudage vibrant comportant, en association, au moins une sonotrode rotative selon L'une des revendications 1 à 8, un amplificateur mécanique de vibration (11), un transducteur générant des ultrasons (14) et un coffret de modulation (15) de l'amplitude de vibration. 10 - Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte deux sonotrodes (1, 1') montées coaxiales en regard L'une de L'autre, de manière que leurs faces postérieures (4, 4') s'apposent de part et d'autre d'un entrefer réglable. 11 - Ensemble selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte un système d'asservissement réglant la valeur de L'ampLitude de la vibration en fonction de la vitesse de rotation de la sonotrode. 12 - Procédé de soudage par ultrasons à L'aide d'un ensemble de soudage conforme à L'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il consiste à générer une fréquence ultrasonore comprise entre 18 et 80 kHz.