Brevet FR2718073A1 — publié le 19951006

PROCEDE D'ASSEMBLAGE PAR SOUDAGE DE PIECES EN COMPOSITIONS THERMOPLASTIQUES A BASE DE POLYAMIDES La présente invention concerne un procédé d'assemblage par soudage de pièces pour former un article. Elle concerne plus particulièrement un procédé d'assemblage par soudage de pièces comprenant des surfaces de soudage en compositions thermoplastiques à base de polyamides semicristallins. Des artides en compositions thermoplastiques sont de plus en plus utilisés dans tous les domaines, notamment les équipements électriques, les appareils électroménagers, les véhicules automobiles, par exemple. Les techniques de réalisation de ces articles sont généralement des procédés de moulage par injection, notamment quand les compositions thermoplastiques sont à base de polyamides. Toutefois, cette technique de mise en forme ne permet pas ou difficilement de réaliser des formes complexes, notamment quand l'aride est un corps creux. En effet, la conception des moules devient souvent très complexe et difficilement réalisable. Par exemple, dans le cas de corps creux, ces articles ne peuvent être réalisés en une seule pièce qu'avec la mise en oeuvre des techniques de moulage par noyaux fusibles. Toutefois, ces techniques ne sont pas économiques. Pour ces raisons, ces artides sont généralement réalisés par moulage par injection de plusieurs pièces qui sont ensuite assemblées entre elles. Cet assemblage peut être réalisé par différents procédés, tels qu'assemblage mécanique, par exemple, emboîtement, assemblage par collage ou assemblage par soudage Ce dernier procédé est notamment utilisé pour la réalisation d'articles dont les conditions d'utilisation sont sévères, tels que les dispositifs partis du moteur d'un véhicule automobile ou devant être disposés sous le capot d'un tel véhicule. Pour de tels artides, il est nécessaire que l'assemblage des pièces ne génère pas ou pratiquement pas de point faible d'un point de vue des propriétés de résistance mécanique notamment. Dans le cas d'artides réalisés en composition de matières plastiques, notamment avec une matnce en matière synthétique de type polyamide, les propriétés mécaniques du matériau au niveau des lignes ou surfaces de soudure et plus généralement de la soudure sont plus faibles que celles intnnsèques du matériau ou des autres parties de l'article. Un des objectifs de l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un procédé d'assemblage par soudure de pièces dont au moins les surfaces de soudure sont réalisées en une composition en matières plastiques particulières permettant d'obtenir une soudure présentant une perte des propriétés mécaniques par rapport aux propriétés du matériau intrinsèque ou des autres parties de la pièce, faible et moins élevée que celle observée avec les compositions en matière plastique utilisées actuellement; A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'assemblage de pièces pour la réalisation d'articles, par soudure de celles-ci entre elles, au moins une de ces pièces comprenant une surface de soudure réalisée en une composition de matières plastiques de type polyamide, consistant à porter les surfaces à souder de chaque pièce à une température supérieure au moins au point de ramollissement de la composition de matières plastiques et à mettre en contact les dites surfaces à souder avant, après ou de manière concomitante avec le chauffage des surfaces. Le procédé de l'invention se caractérise en ce que la composition de matières plastiques comprend une matrice en polyamide(s) semicristallin(s) et au moins un polyamide semi-aromatique amorphe, la concentration pondérale du polyamide semiaromatique amorphe est compnse entre 5 % en poids et 40 % en poids, avantageusement entre 5% et 25% en poids par rapport au poids total de matières thermoplastiques. Par surface de soudure ou surface à souder, il faut entendre les parties des pièces qui seront mises en contact et qui formeront le joint ou la ligne de soudure. Plus particulièrement, la surface de soudure désigne au moins la partie des surfaces mises en contact qui sera portée à une température supérieure à sa température de ramollissement. Ainsi, cette surface de soudure pourra être uniquement un cordon formé ou rapporté sur une des surfaces d'une pièce. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la composition a un Indice de viscosité supérieure à 150 mVg, avantageusement compris entre 160 et 230 mVg. L'indice de viscosité est mesuré selon la méthode de la norme ISO 307-1984 sur une solution comprenant 0,5g de polyamide soluble dans 100 ml de méta-crésol ou dans 100ml d'acide formique à 90%. Le degré de viscosité désiré de la composition peut être obtenu soit par ublisation comme matières premières d'un polyamide semicristallin de viscosité élevée, sot par augmentation de la viscosité de la composition par exemple par post condensation en phase solide ou liquide en présence de catalyseurs ou non des matières plastiques constituant la composition ou par addition de composés polyfonctionnels pour provoquer une réticulation, Cette élévation postérieure de la viscosité peut être conduite sur le polyamide semicristallin avant mélange avec le polyamide semi-aromatique amorphe, ou de manière plus avantageuse par traitement de la composition comprenant au moins le polyamide semicristallin et le polyamide semi-aromatique amorphe. Par polyamide semicristallin convenable pour l'invention on entend les polymères obtenus par action de polycondensation de diacides carboxyliques aliphatiques saturés ayant de 6 à 12 atomes de carbone tels que, par exemple l'acide adipique, acide azélaïque, acide sébacique, acide dodécanoïque ou un mélange de ceux-ci avec des diamines biprimaires de préférence aliphatiques saturées linéaires ou ramifiées ayant de 4 à 12 atomes de carbone telles que, par exemple l'hexaméthylène diamine, la tnméthylhexaméthylène diamine, la tétraméthylène diamine, la m-xylène diamine ou un mélange de celles-ci ; les polyamides obtenus soit par homopolycondensation directe d'acide o-aminoatcanoïque comportant une chaîne hydrocarbonée ayant de 4 à 12 atomes de carbone, soit par ouverture hydrolytique et polymérisation des lactames dérivés de ces acides ; les copolyamides obtenus à partir des monomères de départ des polyamides précités, le composant acide de ces copolyamides pouvant consister en outre en partie en acide téréphtalique et/ou en acide isophtalique ; et les mélanges de ces polyamides ou leurs copolymères. A titre d'illustration des polyamides obtenus par polycondensation de diacides et de diamines, on citera par exemple - le Nylon 4,6 (polymère de tétraméthylènediamine et d'acide adipique), - le Nylon 6,6 (polymère d'hexaméthylènediamine et d'acide adipique), - le Nylon 6,9 (polymère d'hexaméthylènediamine et d'acide azétaïque), - le Nylon 6,10 (polymère d'hexaméthylènediamine et d'acide sébacique), - le Nylon 6,12 (polymère d'hexaméthylènediamine et d'acide dodécanedioïque). A titre d'illustration des polyamides obtenus par homopolycondensation qui peuvent convenir, on citera : - le Nylon 4 (polymère d'acide amino-4 butanoïque ou de y-butyrolactame), - le Nylon 5 (polymère d'acide amino-5 pentanoïque ou de 6-amylolactame), - le Nylon 6 (polymère d's-caprolactame), - le Nylon 7 (polymère d'acide amino-7 heptanoïque), - le Nylon 8 (polymère de capryllactame), - le Nylon 9 (polymère d'aade amlno-9 nonanoïque), - le Nylon 10 (polymère d'acide amino-10 décanoïque), - le Nylon 11 (polymère d'aade amino-11 undécanoïque), - le Nylon 12 (polymère d'acide amino-12 dodécanoïque ou de laurylactame). A titre d'illustration des copolyamides, on citera par exemple : - le Nylon 6,6/6, 10 (copolymère d'hexaméthylènediamine, d'acide adipique et d'acide sébacique), - le Nylon 6,6/6 (copolymère d'hexaméthylènediamine, d'acide adipique et de caprolactame). Les polyamides préférés de l'invention sont les polyamides 6. 6, les polyamides 6 et les copolyamides 66/6. Les polyamides semi-aromatiques amorphes convenables pour l'invention sont notamment obtenus par polycondensation d'un ou d'un mélange de diacides aromatiques tels que les isomères d'acides phtaliques, avec une ou un mélange de diamines aliphatiques ou cycloaliphatques comprenant de 4 à 20 atomes de carbone telles que l'hexaméthylène diamine ou ses dérivés substitués par un à trois radicaux aliphatiques. Par diacides aromatiques, il faut comprendre les composés dont les groupements carboxyliques sont liés à un noyau aromatique, tel que phényle ou naphtalène. Comme exemple de diacides aromatiques on peut citer les acides isophtaliques ou téréphtaliques Sans sortir du cadre de l'invention, le mélange de diacides peut également comprendre des diacides aliphatiques tels que l'acide adipique. Le terme diamines aliphatiques englobe les composés qui comprennent deux fonctions amines liées directement à un radical aliphatique ou cydoatiphatique telles que l'hexaméthylène diamine, la tnméthylhexaméthylène diamine, par exemple. Les polyamides semi-aromatiques préférés de l'invention sont ceux obtenus à partir - d'acide isophtalique, - d'acide téréphtalique, - d'un mélange d'acide isophtalique et d'acide téréphtalique, ou - d'un mélange d'acides isophtalique, téréphtalique et adipique avec les diamines citées ci-dessus. Des polyamides semi-aromatiques amorphes également convenables pour l'invention sont ceux obtenus par polycondensation de diacides aromatiques et mélanges de diacides décrits ci-dessus et de methyl-2 pentaméthylène diamine ou un mélange de cette diamine avec de l'hexaméthylène diamine et/ou de la triméthylhexaméthylène diamine. De manière générale, les polyamides semi-aromatiques amorphes convenables pour l'invention sont ceux qui présentent une concentration pondérale en phase cristalline inférieure à 10% en poids par rapport à la totalité du polyamide semiaromatique. Les compositions thermoplastiques contiennent avantageusement des charges de renforcement minérales ou organiques telles que par exemple des fibres comme fibres de verre, fibres en matière synthétique thermodurcissable ou présentant un point de fusion supérieur à 325 C, fibres de carbone et/ou des poudres minérales telles que talc, mica, kaolin, par exemple, ou un mélange de celles-ci. Elle peut également comprendre différents additifs usuellement ajoutés dans les compositions thermoplastiques tels que stabilisants thermiques, plastifiants, ignifugeants, antioxydants, lubrifiants ou autres additifs conventionnels. Le mélange des matières thermoplastiques peut être réalisé soit par mélange des deux polyamides sous forme liquide ou sous forme de granulé, ou addition du polyamide semi-aromatique amorphe dans le polyamide semicristallin fondu. Les compositions sont généralement obtenues par mélange des différents additifs et matières thermoplastiques dans une extrudeuse mono ou double vis selon les techniques habituelles. La composition ainsi obtenue, également appelée compound, est produite avantageusement sous forme de granulés obtenus par coupure d'un ou plusieurs joncs formés en sortie d'extrudeuse. Les pièces ou parties d'articles sont obtenues par mise en forme du compound par des techniques habituelles telles que moulage par injection, injection soufflage, injection gaz, Injection compression, injection multimatières ou analogue. Les pièces ainsi formées comprennent, conformément au procédé de l'invention, une surface de soudure présentant une configuration déterminée en fonction du procédé de soudure qui sera utIlisé pour son assemblage avec une ou plusieurs autres pièces pour ainsi former un article. Les procédés de soudure de pièces en composition de matières thermoplastiques généralement utilisés sont des techniques qui amènent les surfaces à assembler à une température au moins supérieure à celle de ramollissement de la matière thermoplastique ou plus généralement à une température voisine de la température de fusion de la matière thermoplastique, à mettre en contact les deux surfaces à assembler, de préférence, sous une certaine pression avant, de manière concomitante ou après le chauffage des surfaces à assembler, et à refroidir ces surfaces. Comme techniques de soudure connues et convenables pour l'invention, on peut citer à titre d'exemple : - la soudure par ultrasons : les surfaces sont portées à la température voulue par les ultrasons, - la soudure par vibration. les surfaces sont mises en contact et en vibration l'une par rapport à l'autre, le frottement entre les surfaces provoquant l'échauffement et le ramollissement de la matière, - la soudure par miroir chauffant : un miroir chauffé est disposé entre les surfaces de soudure, puis retiré quand celles-ci ont atteint la température désirée. Les surfaces sont alors mises en contact sous une pression déterminée. - La soudure par Infrarouge-Technique semblable à celle du miroir chauffant, la source de chaleur étant un émetteur de rayons infrarouges. La géométrie des surfaces à souder est déterminée selon la forme de la pièce et la technique employée. A titre d'exemple, le brevet US 4 919 987 décrit des formes de surfaces de soudure convenables pour le procédé de soudure par vibration. Les surfaces décrites peuvent s'emboîter. Cet emboîtement qui doit présenter un jeu suffisant pour permettre une vibration d'une amplitude déterminée, consiste généralement en un canal prévu sur une surface, ce canal est destiné à recevoir une nervure faisant joint de soudure, prévue sur l'autre surface. Ainsi, lors du soudage les particules arrachées aux surfaces seront piégées dans le canal, et les bavures provoquées par la mise en contact des surfaces sous une certaine pression seront contenues dans ledit canal. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention les pièces sont moulées avec une composition thermoplastique conforme à la définition décrite ci-dessus. Toutefois, sans pour cela sortir du cadre de l'invention, il est possible de réaliser des pièces avec une autre matière telle qu'une autre composition thermoplastique ou un métal, et d'assembler sur ces pièces des surfaces de soudure réalisées en une composition conforme à la présente invention soit directement lors du moulage de la pièce ou par tout autre moyen tel que fixations mécaniques, collage, par exemple,. Les soudures réalisées avec des surfaces de soudure conformes à l'invention présentent des propriétés mécaniques, notamment de rupture à la traction plus élevées que celles obtenues avec des compositions thermoplastiques ne contenant pas de polyamide semi-aromatique amorphe En outre, le pourcentage de perte de propriétés mécaniques par rapport à celles des parties non soudées est inférieur à celui constaté avec des compositions sans polyamide semi-aromatique amorphe. D'autres détails et avantages de l'invention seront illustrés par les exemples de réalisation donnés ci-dessous uniquement à titre indicatif. Les compositions selon invention sont réalisées selon un procédé classique de mélange des composants Ainsi, la composition peut être obtenue par mélange à sec et à température ambiante des granulés de polyamide semlcristallin et des granulés de polyamide semiaromatique amorphe. D'autres constituants peuvent être ajoutés à ce pré-mélange tels que des stabilisants, plastifiants, antioxydants, ignifugeants, lubrifiants ou colorants. Le pré-mélange est ensuite malaxé à l'état fondu dans une extrudeusedégazeuse. Des charges, telles que fibres de verre sont ajoutées dans l'extrudeuse pour être mélangées aux polyamides. Cette extrudeuse est équipée d'une filière permettant de produire des joncs qui seront ensuite découpés sous forme de granulés. Les conditions d'extrusion ne sont pas critiques et sont celles classiquement utilisées dans le domaine de la fabrication de compositions ou compounds à base de polyamides. L'adaptation des conditions d'extrusion à la nature des polymères est habituelle pour un homme du métier. Les granulés de compound obtenus sont ensuite refondus et injectés dans un moule pour ainsi obtenir des pièces moulées destinées à être assemblées par soudage. Ces pièces ont une forme rectangulaire de dimensions 55mm x 55mm x 3,2mm. Les surfaces de soudure sont formées par un des côtés de la pièce. Les conditions de moulage par injection sont celles dassiquement utilisées. Leur adaptation à la composition thermoplastique de l'invention est évidente pour un homme du métier. Deux pièces rectangulaires sont soudées l'une à l'autre au niveau d'un de leurs côtés par la technique de soudure par vibration. Les paramètres du procédé de soudure sont : - Fréquence de vibration : 240 Hz - Amplitude : 1, 8 mm - Durée de vibration. 2s - Pression de soudure daN - Durée de maintien : > 5 s - Pression de maintien : 61 daN - Profondeur d'enfoncement : 0, 4mm-1, 2mm On détermine ensuite les caractéristiques mécaniques de la soudure par mesure de la contrainte rupture en traction, sous atmosphère sèche (EhO) avec une éprouvette comprenant une ligne de soudure. De manière analogue, on détermine la contrainte rupture en traction du maténau avec une éprouvette ne comprenant pas de ligne de soudure. La comparaison de ces deux résultats permet de déterminer le taux d'efficacité de la soudure. Ce taux est expnmé par la formule : Contrainte de rupture éprouvette avec ligne de soudure x 100 Contrainte de rupture éprouvette sans ligne de soudure Les mesures de contrainte à la rupture sont réalisées sur un appareil INSTROM (D avec une vitesse de traction de 50 mm/min, sur une éprouvette de dimensions 115 x 15 x 3,2 mm Les résultats obtenus avec plusieurs compositions conformes à l'invention (exemple 1 à 3) et des compositions de l'état de la technique (exemples A et B) sont indiqués dans le tableau 1. Les compositions 2 et 4 ont été obtenues avec une étape de post condensation de la composition à l'état solide par chauffage à une température de 1800C sous pression réduite pendant 22 heures pour l'exemple 2 et 8 heures pour l'exemple 4. Tableau 1 Exemples 1 2 3 4 52 A B Polymère semieristallin Nature PA 66 PA 66 PA 66 PA 66 PA 66 PA 66 PA 66 Iv4 129 ml/g 129 ml/g 129 ml/g 129 ml/g 171 ml/g 129 ml/g 129 ml/g concentration 53,4 % 53,4 % 53,4 % 58,4 % 53,3 % 63,4 % 53,4 % Polyamide semi- nature TROGAMID TROGAMID PASA-1 TROGAMID PASA-1 PASA-2 aromatique amorphe T5000 T5000 T5000 concentration 10 % 10 % 10 % 5 % 10 % 10 % charges nature Fibres de Fibres de Fibres de verre Fibres de Fibres de Fibre de Fibres de verre verre verre verre verre verre concentration 35 % 35 % 35 % 35 % 35 % 35 % 35 % additifs3 cocnentratioin 1,6 % 1,6 % 1,6 % 1,6 % 1,6 % 1,6 % 1,6 % Composiion Indice de 155 ml/g 201 ml/g 143 ml/g 201 ml/g 199 ml/g 161 ml/g 143 ml/g viscosité1 Contrainte à la rupture à Matériau 209,2 MPa 216,9 MPa 214,7 MPa 220,9 MPa 225,3 MPa 211,3 MPa 206,6 MPa 23 C et Eh0 soudures 66,2 MPa 75,7 MPa 65,4 MPa 68,5 MPa 79,6 MPa 60,5 MPa 54,1 MPa Efficacité soudure 31. 6 % 34.9 % 31.6 % 31 % 35.3 % 28.6 % 26.2 % 1 Indice de viscosité de la composition mesuré dans le méta-crésol 2 Addition de 0, 12 % de TNPP (trinonylphénylphosphate) comme catalyseur de polycondensation 3 Les additifs comprennent des lubrifiants, colorants, pigments, stabilisants. 4 Indice de viscosité du polyamide semicristallin mesuré dans l'acide formique Le Trogamid T5000(nom commercial) est un polyamide semi-aromatique amorphe commercialisé par la Société Dynamit Nobel. Ce polyamide est un polycondensat d'acide téréphtalique et de triméthylhexaméthylène diamine. Le polyamide amorphe 1 (PASA-1) est un polycondensat d'acides isophtalique et téréphtalique avec de l'hexaméthylène diamine. Le polyamide semi-aromatique (PASA-2) est un polyamide semicristallin obtenu par polycondensation d'acides isophtalique et téréphtalique avec de l'hexaméthylène diamine. REVENDICATIONS 1.-Procédé d'assemblage de pièces pour la réalisation d'articles par soudage desdites pièces, celles-ci comprenant au moins une surface de soudure réalisée en une composition à base de matières thermoplastiques appartenant à la famille des polyamides, consistant à porter les dites surfaces de soudure à une température au moins supérieure à la température de ramollissement de ladite composition thermoplastique, à mettre en contact les surfaces de soudure avant, après ou de manière concomitante au chauffage des surfaces à souder, caractérisé en ce que la composition thermoplastique pour former les surfaces de soudure comprend comme matières thermoplastiques au moins un polyamide semicristallin et au moins un polyamide semi-aromatique amorphe, la concentration en polyamide semi-aromatique amorphe est comprise entre 5 % et 40 % en poids par rapport au poids total de matières thermoplastiques. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration en polyamide semi-aromatique amorphe est comprise entre 5 % et 25 % par rapport au poids total de matières thermoplastiques. 3. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la composition thermoplastique a un indice de viscosité supérieur à 150 ml/g, l'indice étant mesuré par sur une solution contenant 0, 5g de polyamide soluble dans 100ml de méta-crésol selon la norme ISO 307-1984. 4. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la composition thermoplastique a un indice de viscosité compris entre 160 et 230 ml/g. 5.-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition comprend des charges de renforcement choisies dans le groupe comprenant des charges minérales fibreuses ou en poudre telles que fibres de verre, de carbone, talc, mica, kaolin ou un mélange de celles-ci. 6.-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition comprend des charges de renforcement ou de remplissage choisies dans le groupe comprenant des charges telles que fibres en matières synthétiques thermodurcissables ou présentant un point de fusion supérieur à 325 C. 7. - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition comprend des additifs choisis dans le groupe comprenant les stabilisants, plastifiants, antioxydants, ignifugeants, colorants, lubrifiants. 8.-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polyamide semicristallin est choisi dans le groupe comprenant les polyamides obtenus soit par polycondensation de diacides carboxyliques avec des diamines biprimaires, soit par homopolycondensation d'acide w-aminoalcanoiques ou par polycondensation de diacides carboxyliques, diamines primaires et d'acide w-aminoalcanoiques. 9. - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le polyamide semicristallin est choisi dans le groupe comprenant Nylon 4,6 ; Nylon 6,6 ; Nylon 6,9 ; Nylon 6,10 ; Nylon 6,12 ; Nylon 4 ; Nylon 6 ; Nylon 11 ; Nylon 12 ou leurs copolyamids. 10. - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polyamide semi-aromatique amorphe est un polycondensat d'au moins un diacide aromatique avec une diamine aliphatique. 11. - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le diacide aromatique est choisi parmi l'acide isophtalique, l'acide téréphtalique ou leurs mélanges. 12. - Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la diamine aliphatique est choisie dans le groupe comprenant l'hexaméthylène diamine, la triméthylhexaméthylène diamine, la méthyl-2 pentaméthylène diamine ou leurs mélanges. 13.-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la soudure est réalisée par une technique de soudure par vibration. 14. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la soudure est réalisée par la technique de soudure par ultrasons. 15.-Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la soudure est réalisée par la technique de soudure par miroirs chauffants. 16 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la soudure est réalisée par la technique de soudure de chauffage par Infrarouges.