Brevet FR2706353A1 — publié le 19941223

La présente invention est relative à un procédé de soudage par rayonnement électromagnétique, en vue de permettre l'assemblage entre des pièces en matières plastiques notamment issues des équipementiers de l'industrie automobile. Elle vise plus particulièrement un organe chauffant, qui par l'intermédiaire de ses modes d'actions sans contact avec la ou les pièces plastiques, provoque la fusion d'une couche superficielle de matière avant leur rapprochement. Les procédés de soudage connus mettent en oeuvre des technologies à base de miroir chauffant, la fusion d'une épaisseur de matière est provoquée par une mise en contact d'un élément métallique porté à température élevée, avec la surface de joint des diverses pièces; cette solution présente l'inconvénient majeur de requérir de la part de l'utilisateur à un nettoyage fréquent des surfaces de chauffe; en effet, des résidus de matière s'agglutinent sur les bords, créant d'une part, un bourrelet isolant néfaste au transfert de chaleur et d'autre part, une pellicule de matière ramollie qui génère un cordon de soudure non homogène. On connaît également des procédés de chauffe sans contact mis en oeuvre au sein d'installations telles que notamment des systèmes par soufflage d'air chaud au travers d'une buse; néanmoins, ce mode de chauffage nécessite une conduite de l'organe chauffant au plus près de la surface de joint, ce qui implique des mouvements lents très difficiles à reproduire par l'appareil manipulateur d'o une mauvaise maîtrise de l'épaisseur de cordon ramolli. On domine également pour des applications de laboratoire, des modes de soudage sans contact par rayonnement infrarouge, mais le guidage de ce rayon chauffant a lieu selon un balayage rectiligne par rapport aux surfaces, et lorsque la pièce présente des profils complexes, on utilise une pluralité de sources qui ont tendance à rayonner sur l'ensemble de la pièce plutôt que simplement de focaliser le rayon chauffant sur la ligne ou sur le plan de joint. Toutes les solutions précédentes ne sont pas transférables pour des pièces à profils tourmentés tels que notamment, en creux, en dévers, bosselés, et confectionnées en grande série et 2 2706353 donc sous des temps machines très courts et avec une maintenance de l'appareil de production la plus réduite possible. De plus, les pièces à assembler présentant en général des lignes de jonction de faible épaisseur, les procédés de chauffage par lampe infrarouge existants entraînent de nombreuses déformations à proximité des joints ainsi que des accumulations de chaleur au sein des pièces creuses du fait d'un traitement surfacique. La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients en recherchant un procédé de chauffe sans contact, rapide par son mode d'action, ne requérant aucun balayage du rayonnement électromagnétique par rapport au plan de joint des pièces, ne requérant aucun miroir opposé à la source de manière à orienter le rayonnement vers une surface cachée de la source, adaptable et conformable à des géométries de pièces les plus complexes. Elle vise en outre à réaliser un élément de chauffe sans contact pour des lignes de très faible épaisseur et cela pour toute évolution dans l'espace trois dimensions. A cet effet, la présente invention vise un procédé de chauffage par émission d'un rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce que l'on dispose au moins une source émettrice s'étendant sous la forme d'un élément résistif s'adaptant au plus près de la géométrie constituée par les lignes de joint des pièces thermoplastiques à assembler avec une zone réfléchissante se conformant de même au profil de l'élément résistif, puis l'on provoque le passage d'une source d'énergie telle que notamment un courant électrique à l'intérieur de ladite source émettrice afin de provoquer par effet Joule et par focalisation du rayonnement dégagé sur les surfaces réfléchissantes éventuellement revêtues d'un film métallique, la fusion d'une couche superficielle de matière à l'interface desdites pièces, et l'on procède au retrait de la source rayonnante dans une position qui n'interfère pas à la réunion des pièces. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures: 3 2706353 - la figure 1 est un mode de réalisation du procédé comportant une source émettrice unitaire; - la figure 2 est un mode de réalisation du procédé comportant une source émettrice dite double; - la figure 3 est une vue en perspective d'une source émettrice double; - la figure 4 est une vue en coupe en élévation frontale d'un réflecteur muni d'une source émettrice solidarisée par patte; - la figure 5 est une vue en coupe en élévation frontale d'un réflecteur muni d'une source émettrice solidarisée par encastrement partiel; - la figure 6 est une vue en coupe en élévation frontale d'un d'une source émettrice conformée en ruban, pouvant de même être encastré partiellement; - la figure 7 est une vue en perspective d'une source émettrice enrobée d'un conducteur thermique; - la figure 8 est une vue en perspective d'un tube pourvu d'ouvertures représentant directement la source ou l'enrobant en tant que diffuseur thermique; Selon un mode préféré d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage par émission électromagnétique, elle comprend au moins une source rayonnante 1 ou émettrice constituée dans un matériau à fort pouvoir résistif et se présentant sous la forme d'un fil 2, d'un ruban 3 ou d'un tube 4 mais possédant quel que soit son mode de réalisation, des propriétés de malléabilité de manière à se conformer, par déformation plastique telle que notamment par pliage, par enroulement en spires, à la géométrie complexe des plans de joint 5, 6 des pièces 7, 8 thermoplastiques à assembler. La source émettrice, suivant différents modes d'obtention, peut éventuellement être laissée à l'air libre ou être insérée au sein d'un tube 4. Ce tube épouse de la même façon toutes les circonvolutions et les accidents de surface des lignes de joint en outre, il peut être étanche vis-à-vis du milieu extérieur et dans ce cas, la source émettrice baigne dans une atmosphère dépourvue ou remplie de gaz (halogéné, rare, inerte...), ou il autorise par l'intermédiaire d'une pluralité de mini buses réalisées par des ouvertures 9 pratiquées sur des lignes 4 2706353 opposées de son volume en cas de source unique ou d'une seule ligne en cas de source dite double, une circulation et un soufflage directionnel de gaz chaud, provoquant ainsi des mouvements convectifs qui se combineront si besoin au transfert radiatif. Afin de permettre une focalisation du rayonnement sur les surfaces utiles et une non détérioration par ramollissement des zones extérieures dépourvues de cordon de joint, on pourvoit la source émettrice d'une surface réfléchissante 12 telle que notamment un réflecteur elliptique ou un miroir convexe du même type que les réflecteurs standards des lampes infrarouges mais de manière adaptée aux lignes tourmentées. L'efficacité de ce procédé est essentiellement liée à la conformation et la position relative du dispositif chauffant en regard des lignes de joint des pièces thermoplastiques. Afin de reproduire le plus fidèlement possible sa géométrie tridimensionnelle, on dispose sur l'ensemble des surfaces devant être chauffées, un cordon ou jonc 11 ( représenté en tirets sur la figure 3) en matériau souple, notamment du type élastomère à base de silicone, qui se conforme exactement au tracé des lignes de joint. Ce jonc 11 qui sera enlevé par la suite préfigure, en négatif, la partie réfléchissante 12 de la source rayonnante. Les pièces thermoplastiques pourvues au niveau de leur plan de joint respectif dudit cordon sont disposées sur la machine de production ou sur un gabarit d'usinage; on rapproche les deux pièces d'une manière similaire à une opération de soudage fictive; lorsque les pièces sont pratiquement en contact, on interpose entre elles et en regard d'un plan parallèle au cordon 11, une âme 13 rigide, notamment réalisée dans un matériau métallique servant d'armature et de squelette à une pluralité de couches 14, 15 en fibre et liant réfractaires qui emprisonnent, après solidification au niveau de leurs faces non liées à l'âme, les cordons en élastomère 11. Le sandwich ainsi formé résiste à la fois aux chocs mécaniques et thermiques importants, la partie centrale permet la fixation de la pluralité de sources émettrices 1 dans les zones creuses qui subsistent lors de l'enlèvement desdits cordons 11. Préalablement aux opérations de solidarisation des sources rayonnantes 1, on peut augmenter le 2706353 pouvoir réfléchissant de ces zones creuses, en déposant par vaporisation un mince film 16 métallique à fort indice de réflexion tel que notamment un alliage métallique à base de nickel, d'argent, de cuivre. Cependant cet alliage jouira de propriétés de très faible conductivité thermique mais d'un excellent indice de réflexion et d'un point de fusion le plus élevé possible. A titre d'exemple, on cite un alliage de nickel et de cuivre, appelé communément "ARCAP" dont les caractéristiques sont les suivantes: couleur argent - température de fusion: 1250 C - indice de réflexion optique 70 % - conductivité thermique: 23 W / m C - anticorrosion à toute émanation gazeuse. On positionne au plus près du foyer des zones réfléchissantes 12, 16 ainsi élaborées une pluralité de sources rayonnantes 1 qui sont fixées de chaque côté du sandwich par des pattes 17, ou cheminent d'une manière semi-encastrée dans la couche réfractaire. Ladite source se présente sous la forme d'un filament 2 ou d'un ruban 3, de section droite circulaire ou rectangulaire constitués d'un métal offrant une très grande résistance au passage du courant qui induit donc un fort échauffement par effet Joule. On peut également, selon un autre mode de réalisation de la source émettrice 1, pratiquer une série d'usinages dans une matière notamment à base de résine polymère possédant des caractéristiques importantes de dureté et de résistance à l'échauffement. Les différentes phases de l'usinage sont mises en oeuvre à partir d'une machine éventuellement à commande numérique qui permet donc une conduite de l'outil de coupe tel que notamment une fraise dont les arêtes de coupe génèrent le profil de la zone réfléchissante 12 désiré de ladite source émettrice 1, en fonction des données CAO des pièces 7, 8 à assembler. L'empreinte ainsi obtenue élabore un moule, destiné à être rempli d'un alliage dont le point de fusion est compris dans la fourchette 50-200 C; on citera pour exemple l'alliage de Bismuth (Température de fusion 137 C). Après solidification, on 6 2706353 projette sur la surface libre de l'empreinte, un film 16 de faible épaisseur (0.5 mm) à base de Nickel. Ce film 16 présente des aspérités ou des rugosités pour un meilleur accrochage du matériau réfractaire qui sera rapporté ultérieurement. On pratique au sein de l'alliage solidifié une fente au niveau seulement des zones d'émission, pour la mise en place d'un ruban 3 ou d'un fil 2 résistifs. Compte tenu d'une continuité de la source émettrice et d'une discontinuité partielle de la zone émettrice définie par les pièces à assembler, les longueurs hors zone de travail seront noyées complètement au sein du matériau réfractaire rapporté ultérieurement, ce qui implique un changement de section important afin de garantir une baisse de la température du fil ou du ruban dans les zones hors réflecteur 12. Ces variations de section seront réalisées soit par diminution en usinant l'élément résistif, soit par augmentation en ajoutant de la matière par soudure classique sous gaz rare. Il convient dès à présent, d'une part, de solidariser la source émettrice à l'empreinte et, d'autre part, de permettre son intégration au sein de la machine de production, par un recouvrement ou une intégration dans une couche 14, 15 de matériau réfractaire dont la limite d'utilisation est au moins de 1400 C. La dernière opération consiste à placer le sandwich solidifié dans une ambiance dont la température est légèrement supérieure à la température de fusion de l'alliage (dans notre cas 150 C). La fonte de métal laisse apparaître une surface réfléchissante 12 lisse, conforme au profil désiré de la source émettrice 1. Suivant les applications requises, c'est-à-dire en fonction de la quantité d'énergie devant être rayonnée par unité de longueur, ledit filament est enroulé en spirale, boudiné ou plié en accordéon dans le cas de ruban. Le conducteur électrique est notamment choisi parmi des filaments à base de tungstène, nickel, chrome, fer, aluminium tels que par exemple un fil résistif, connu sous le terme de "KANTHAL AF" (Fe Ni Cr) de diamètre 1 mm et boudiné sur un diamètre de 5 mm avec un pas de 2,5 mm. La puissance électrique appliquée sur ce conducteur et transformée par effet Joule en ondes électromagnétiques dans le 7 2706353 spectre notamment de l'infrarouge, est de manière connue délivrée par des systèmes de puissance à base de relais statiques ou à thyristors. Selon un autre mode de réalisation de cette source rayonnante, elle est incluse dans un tube 4 à base de quartz et de silice ou elle est enrobée d'un matériau 19 à forte conductivité thermique, tel que notamment de la magnésie. Quel que soit le mode de réalisation, conducteur électrique à l'air libre, conducteur placé au sein d'un tube éventuellement percé, conducteur enrobé, ces derniers épousent parfaitement la géométrie tridimensionnelle des lignes de joint et ils sont positionnés au plus proche des foyers des zones réfléchissantes elliptiques de manière à focaliser les rayons incidents exclusivement vers les zones de joint. Lesdits conducteurs constituent une source unitaire rayonnant sur un angle solide de 360 sur une pluralité de lignes de joint appartenant à deux pièces distinctes, ou une source double séparée par une paroi absorbante diffusant chacune selon un angle solide d'environ 180 sur les lignes de joint respectives de chaque pièce thermoplastique. Le procédé de chauffage par émission infrarouge tel qu'il vient d'être décrit au sein de plusieurs modes de mise en oeuvre, autorise des mouvements et des cadences rapides de l'appareil de production, étant donné les faibles masses des sources émettrices et leur faible inertie tant mécanique que thermique; par ailleurs, la focalisation très précise du rayonnement assure une fusion quasi instantanée des lignes de joint, et ce sans apport de matière extérieure. En outre, ce mode de fusion sans contact ne nécessite aucun arrêt de production pour le nettoyage des éléments chauffants. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci- dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes et notamment pour des applications de soudage de matières plastiques dans les domaines du jouet, de l'électroménager et de l'aéronautique. 8 2706353 REVENDICATIONS 1 - Procédé de chauffage par émission d'un rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce que l'on dispose au moins une source émettrice (1) s'étendant sous la forme d'un élément résistif (2) s'adaptant au plus près de la géométrie constituée par les lignes de joint (5, 6) des pièces thermoplastiques (7, 8) à assembler avec une zone réfléchissante (12) se conformant de même au profil de l'élément résistif, puis l'on provoque le passage d'une source d'énergie telle que notamment un courant électrique à l'intérieur de ladite source émettrice (1) afin de provoquer par effet Joule et par focalisation du rayonnement dégagé sur les surfaces réfléchissantes (12), éventuellement revêtues d'un film métallique (16), la fusion d'une couche superficielle de matière à l'interface desdites pièces, l'on procède au retrait de la source rayonnante dans une position qui n'interfère pas à la réunion des pièces. 2 - Procédé de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise une discontinuité de la section de la source émettrice (1), de manière à diminuer la température de l'élément résistif (2) dans les zones de liaison, pour une continuité électrique ne correspondant pas aux zones de travail définies par la ligne de joints (5, 6). 3 - Procédé de chauffage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on obtient copie du profil exact des lignes de joint (5, 6) des pièces thermoplastiques (7, 8) à solidariser, par une série d'usinages dans une matière notamment à base de résine polymère afin d'obtenir une empreinte dont le profil est identique à celui de la zone réfléchissante (12) de ladite source émettrice (1), puis ladite empreinte est remplie d'un alliage dont le point de fusion est compris dans la fourchette 50-200 C, et après solidification dudit alliage, on projette sur la surface libre de l'empreinte un film (16) de faible épaisseur notamment à base de Nickel, on pratique ensuite au sein dudit alliage, une pluralité de fentes au niveau seulement des zones d'émission, pour le passage d'un ruban (3) ou un fil (2) résistifs, l'ensemble étant rigidifié, par un recouvrement ou une intégration dans une couche (14, 15) de matériau réfractaire, la dernière opération consistant à placer 9 2706353 le sandwich solidifié dans une ambiance dont la température est légèrement supérieure à la température de fusion de l'alliage. 4 - Procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on obtient copie du profil exact des lignes de joint (5, 6) des pièces thermoplastiques (7, 8) à solidariser, par le dépôt préalable sur ces derniers d'un cordon (11) souple en élastomère, ledit cordon étant par la suite emprisonné sur les surfaces libres d'une pluralité de couches (14, 15) de matériau et liant réfractaires, comportant en leur centre, une âme métallique (13), après solidification du sandwich, et que l'on procède à l'enlèvement dudit cordon (11) et son remplacement en lieu et place par une pluralité de sources émettrices (1). - Installation pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une source émettrice (1) s'étendant sous la forme d'un élément résistif (2) et s'adaptant au plus près d'une part, d'une pluralité de zones réfléchissantes (12) et d'autre part, de la géométrie constituée par les lignes de joint (5, 6) des pièces thermoplastiques (7, 8) à assembler, une source d'énergie telle que notamment un courant électrique alimentant ladite source émettrice (1) afin de provoquer la fusion d'une couche superficielle de matière à l'interface desdites pièces. 6 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte, en regard des lignes de joint (5, 6) des pièces (7, 8) thermoplastiques, une source émettrice (1) unitaire. 7 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en qu'elle comporte, en regard des lignes de joint (5, 6) des pièces thermoplastiques (7, 8), une source émettrice (1) double. 8 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source émettrice (1) est enfermée au sein d'un tube (4) comportant du gaz, éventuellement en 2706353 circulation au sein d'une pluralité d'ouvertures (9), afin de provoquer la fusion d'une couche superficielle de matière par une combinaison de transferts radiatifs et convectifs. 9 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source émettrice (1) est enrobée d'un matériau (19) à forte conductivité thermique - Installation pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source émettrice (1) est constituée par un filament (2) résistif, enroulé en spirale, boudiné ou plié en accordéon dans le cas de ruban (3), notamment choisi parmi des filaments à base de tungstène, nickel, chrome, fer, aluminium. 11 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source émettrice (1) est solidarisée au réflecteur (12), par l'intermédiaire d'une pluralité de pattes (17) ou par un encastrement partiel au sein de la couche réfractaire (14, 15). 12 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on augmente le pouvoir réfléchissant des zones internes, externes, ou encastrées, en déposant par vaporisation un mince film (16) métallique à fort indice de réflexion tel que notamment un alliage métallique à base de nickel, d'argent, de cuivre, ledit alliage jouit en outre de propriétés de très faible conductivité thermique mais d'un excellent indice de réflexion et d'un point de fusion le plus élevé possible.