Brevet FR2728502A1 — publié le 19960628

PROCEDE POUR LA SOUDURE SANS APPORT THERMIQUE DE DEUX PIECES EN MATIERE THERMOPLASTIQUE La présente invention concerne des perfectionnements aux procédés pour la jonction de deux pièces en matière thermoplastique par un processus de soudure faisant intervenir un phénomène de fusion de la matière sans apport thermique extérieur. Ces procédés sont utilisés généralement pour des couples de pièces créant, une fois réunies, un volume creux délimité latéralement par la soudure d'un cordon relativement étroit de la première pièce sur une surface sensiblement plane de la seconde pièce. A titre d'exemples, on peut citer les becquets pour automobiles, les trappes ou clapets de fermeture, comme les trappes obturant et dissimulant les orifices d'alimentation de carburant ou les prises de charge, les combinés téléphoniques ou i 5 des boîtiers de calculatrices, ainsi que les façades ou portes doublées et aménagées pour des ustensiles ou appareils ménagers, tels que par exemple les machines à laver, les armoires de salles de bain, et plus généralement les pièces esthétiques ou techniques, habituellement massives, mais qui peuvent ainsi être réalisées creuses par l'association d'un "dessus" et d'un "dessous", ou "peau" et "doublure". Les procédés de soudure de telles pièces faisant appel à la fusion de la matière sous l'effet d'un apport thermique extérieur ne donnent pas de bons résultats en raison des déformations pratiquement inévitables que provoquent de tels procédés. C'est pourquoi ont été développées diverses techniques faisant appel à un 2 5 phénomène de fusion locale sans apport thermique extérieur. Une première technique consiste à conférer à la première pièce une vibration perpendiculaire à la surface de la seconde pièce maintenue immobile, à une fréquence ultrasonique, de l'ordre de 20.000 périodes. La première pièce comporte un cordon à section triangulaire, le sommet du triangle subissant, par son contact à 3 0 ladite fréquence avec la surface de la seconde pièce, un échauffement local déterminant sa fusion et par suite la jonction entre les deux pièces. Compte-tenu de ce processus, ledit cordon est généralement désigné par "directeur d'énergie". Une seconde technique consiste à conférer à la première pièce une vibration parallèle à la surface de la seconde pièce, soit linéaire, soit rotative. Dans ce cas, le 3 5 frottement continu d'un cordon de la première pièce sur la surface de la seconde pièce maintenue immobile fait naître un échauffement à la fois de durée limitée et d'amplitude localisée à la faible surface de contact entre le cordon de la première pièce et la surface de la seconde pièce. Cet échauffement provoque une fusion également limitée dans le temps et l'espace, sans distorsions ou irrégularités, ni 2 2728502 autre limitation comme dans les techniques antérieures avec apport thermique rappelées ci-dessus. Pour la commodité de la description, on va se référer ci-après à la réalisation d'un produit creux, tel qu'une trappe à essence, rectangulaire ou circulaire, par jonction par soudure d'une pièce extérieure visible et servant d'habillage au produit, désignée par "peau", et d'une pièce intérieure, située à l'arrière du produit, et désignée par "doublure", cette jonction s'effectuant par la technique de vibration longitudinale ou rotative provoquant la fusion locale d'un cordon désigné par "muret", et ayant pour but d'assurer une bonne tenue à l'arrachement c'est-à-dire à la désolidarisation des pièces, ainsi qu'une esthétique satisfaisante par absence de bavures visibles et de retassures. En effet, dans cette technique, le muret pouvant être porté indifféremment par la peau ou la doublure, le champ du muret, lors de la soudure, fondant à un certain degré, ainsi que la surface en regard de la pièce contre laquelle il est appliqué avec une certaine pression, il en résulte que le muret pénètre à un certain degré dans l'épaisseur de ladite surface en regard, ce qui implique un certain rapprochement entre les deux pièces à réunir. Or, dans la pratique, on a constaté que cette pénétration a pour effet d'affecter l'état de la surface extérieure de la peau, en créant des retassures optiquement 2 0 inesthétiques; par ailleurs, la matière fondue tend à fluer sur les côtés du muret, ce qui crée des bavures également inesthétiques. Par ailleurs, dans le cas o le muret est porté par la peau, il doit avoir une certaine épaisseur, de manière à permettre la vibration de la doublure tout en assurant son support et son contact. L'augmentation de cette épaisseur implique 2 5 naturellement une augmentation correspondante du poids de la pièce. En effet, un muret plus épais entraîne une augmentation de l'épaisseur de toute la pièce. Les recherches expérimentales de la déposante l'ont conduit à découvrir que, pour écarter les inconvénients de cette technique, c'est-à-dire pour obtenir l'effet de jonction optimal, à la fois du point de vue technique et du point de vue esthétique, il était avantageux de repousser le muret jusqu'à une distance aussi faible que possible du bord extérieur de la pièce qui le porte, et qui soit compatible avec l'amplitude de vibration, à savoir à une distance de l'autre pièce au moins égale à la demi-amplitude de la vibration. Dans la pratique, selon l'invention, chacune des deux pièces en jeu, à savoir la 3 5 peau et la doublure, comportant un retour, le muret sera de préférence constitué ou porté par ce retour lui-même. Selon une première réalisation préférée, I'assemblage étant du type à champ couvrant et le muret étant porté par la doublure, ledit muret est constitué par le retour de la doublure, sa périphérie extérieure demeurant éloignée de la périphérie 3 2728502 intérieure du retour de la peau d'une distance sensiblement égale à la demi- amplitude de la vibration appliquée à la doublure par rapport à la peau. Dans cette réalisation, une variante également préférée consiste à donner aux retours de la peau et de la doublure une légère inclinaison sur la verticale, de l'ordre de 10 - 30 degrés, de telle sorte que la bavure qui se forme entre les deux retours soit dissimulée, même pour un observateur situé à l'arrière du produit fini. Selon un perfectionnement de cette réalisation, la doublure comporte un décrochement, décalé latéralement par rapport au retour, et d'une hauteur inférieure, destiné à constituer une butée limitant l'interpénétration du retour de la doublure dans l'épaisseur de la peau. Selon une seconde réalisation, l'assemblage est du type à joint latéral, et dans ce cas, selon l'invention, le muret est formé dans l'épaisseur du retour, en étant éloigné du plan de joint par une portion en creux d'une largeur approximativement égale à l'amplitude de la vibration, de manière à permettre le débattement de la 1 5 pièce mobile par rapport au muret sans cesser d'être supporté par lui avec plein contact, pour assurer la fusion et donc la jonction. Dans ce second cas, la peau et la doublure jouent des rôles interchangeables. On comprendra mieux l'invention en se reportant à la description détaillée ci- après, illustrant ses caractéristiques par rapport à l'état de la technique. A l'appui de cette description, le dessin annexé représente: Sur la figure 1, le principe général connu du procédé, le "muret" étant porté par la "peau". Sur la figure 2, le même principe, le muret étant porté par la "doublure". Sur la figure 3, le principe général de l'invention, dans la variante d'assemblage 2 5 à champ couvrant. Sur les figures 4a et 4b, I'application du principe de l'invention à un couple de pièces à retours inclinés, avant et après soudure, respectivement. Et sur la figure 5, I'application de l'invention à un assemblage à joint latéral. Sur toutes les figures, les dimensions ont été volontairement fortement grossies, 3 0 pour la commodité de la compréhension: dans ce grossissement, les proportions n'ont pas été partout respectées, dans le même but. Ainsi, dans l'exemple d'une trappe à essence, l'épaisseur des pièces est d'environ 3 mm, tandis que la vibration appliquée à la pièce portant le muret a une amplitude de 0,2 à 2,0 mm. On va tout d'abord se référer rapidement aux figures 1 et 2 pour exposer le 3 5 principe général du procédé et le problème posé, dans le cas de l'application d'une trappe à essence. Une trappe à essence se compose d'une pièce extérieure, ou "peau" 1, présentant un retour périphérique 2, et d'une pièce intérieure ou "doublure" 3, qui 4 2728502 doit être réunie à la peau pour créer un volume dont la face avant 4 est visible au ras de la carrosserie C. La jonction de la peau 1 et de la doublure 2 ne peut pas se faire sur toute la superficie de leurs surfaces en regard, sauf à admettre certains défauts optiques dans la surface 4. Le principe du procédé utilisé pour cette jonction repose sur la soudure du champ d'un cordon ou muret 5, 5' porté soit par la peau 1, soit par la doublure 3, respectivement contre la face en regard de la doublure 3 ou de la peau 1, cette soudure résultant de la fusion de la matière de ce champ, sans apport thermique 1 0 extérieur, sous l'action d'une vibration de la doublure 3 dans la direction V parallèle à la surface intérieure de la peau 1. Cette vibration, d'une amplitude d'environ 1 mm et à une fréquence de l'ordre de quelques centaines de Hertz, provoque localement la fusion de la matière des portions en contact des deux pièces, et elle est accompagnée d'une pression exercée dans la direction perpendiculaire P. Cette pression sur les surfaces en fusion en contact provoque la jonction des deux pièces 1 et 3, avec une légère interpénétration du muret 5 et de la doublure 3, ou du muret ' et de la peau 1, et un léger fluage de la matière fondue vers les zones 6, 6' entourant la jonction. En l'absence de précautions, ces bavures 6, 6', qui contribuent à la cohésion 2 O après soudage, sont visibles depuis l'arrière de la trappe, et sont inesthétiques. Au surplus, on court le risque de provoquer sur la surface 4 de la peau des retassures dans la région 7, qui sont optiquement inesthétiques. L'invention consiste à placer le muret 5, 5' par rapport à la doublure 3 le plus à l'extérieur qu'il est possible, tout en conservant l'amplitude de vibration nécessaire. Selon le premier mode de réalisation, illustré aux figures 3, 4a, 4b, le muret constitue un retour 10 sur la périphérie de la doublure 3, et est situé à une distance d de la face interne du retour 2 permettant la vibration de la doublure 3 par rapport à la peau fixe 1. Cette distance d doit être de l'ordre de la moitié de l'amplitude de la vibration, soit, dans cet exemple, d'environ 0,1 à 1 mm. 3 0 Sous l'effet de la pression P, au moment de la vibration, la base en fusion du muret 10 va pénétrer dans la surface en fusion de la peau 1. Pour limiter cette interpénétration, il est prévu, selon l'invention, une butée 1 1, dont la base, avant la soudure, est à une distance d' de la peau, cette distance d' représentant la profondeur d'interpénétration maximale autorisée dans la peau, de telle sorte que 3 5 tout risque de retassure dans la surface 4 est éliminé. A l'inverse, quand la butée 1 1 arrive au contact de la peau 3, la pression P augmente, ce qui constitue le repérage et la détection de cette arrivée au contact et donc la fin de l'opération. 2728502 Par ailleurs, la matière fondue qui reflue est piégée dans l'espace 12 entre le muret 10 et le retour 2. Toutefois, alors que par ce mode d'assemblage à champ couvert, la jonction entre les pièces n'est pas visible, dans la configuration représentée, la bavure située à la base de l'espace 12 demeure visible depuis l'arrière. Pour éliminer ce dernier inconvénient, I'invention vise une variante améliorée illustrée aux figures 4a et 4b. Dans cette variante, les retours 20 et 21 de la peau 1 et de la doublure 3 sont inclinés d'environ 20 , l'un évasé vers l'extérieur et l'autre refermé vers l'intérieur, 1 0 tandis que la pression P conserve la même direction. Il en résulte que, entre la position avant soudage (figure 4a) et la position après soudage (figure 4h), l'espace 22 entre les retours 20 et 21 se restreint, et la bavure 23 n'est pas visible depuis l'arrière de la trappe. Bien entendu, la distance dl entre les retours 20 et 21 avant interpénétration 1 5 verticale au moment de la fusion doit être telle que, après interpénétration, il subsiste toujours l'espace d égal à la demi-amplitude de vibration, comme dans le cas de la figure 3. La butée 24, limitant cette interpénétration, peut être soit directement contre le rebord 21, comme représenté, sous forme d'un épaulement, soit décalée vers 2 0 l'arrière, comme la butée 11. La réalisation des figures 3, 4a, 4b vise la variante à assemblage à champ couvrant. Pour certains produits, I'invention vise un second mode de réalisation, visant l'assemblage à joint latéral, qui est illustré par la figure 5. Dans le cas représenté, la peau 40 et la doublure 41 comportent chacune un retour, respectivement 42 et 43 dont les champs viennent en contact à l'extérieur de la surface latérale du produit considéré. Selon l'invention, I'épaisseur. du retour 43 de la peau 40, qui est au plus égale à l'épaisseur. de sa portion centrale, se subdivise en un champ de contact 44 avec 3 0 le champ de contact 45 du retour 42 de la doublure 41, et un muret 46, destiné à assurer la jonction par soudage, selon le procédé précité, avec la face interne 47 de la doublure 41, le champ de contact 44 et le muret 46 étant séparés par une rainure 48, destinée à permettre le débattement de la pièce 41 au cours de la vibration; en d'autres termes, la largeur de la rainure 48 doit être également de l'ordre de d. 3 5 Dans cette réalisation, le contact des champs 44 - 45 joue le rôle de la butée 11, 24, étant entendu que ce contact interdit au surplus le reflux vers l'extérieur de matière fondue au moment du soudage. Plus précisément, selon l'invention, la profondeur de la rainure 48 est telle qu'elle constitue en principe un volume suffisant pour recevoir la bavure de matière 6 2728502 fondue provenant du muret 46 et de la face 47 en contact au moment de leur interpénétration. Si la quantité de matière fondue est supérieure à ce volume, et tend à s'échapper entre les champs 44 - 45, le contact de ces champs à l'achèvement de la soudure viendra sectionner cette bavure, ou tout au moins l'isoler à l'extérieur de la pièce, en en facilitant l'élimination. L'intérêt de ce second mode de réalisation est qu'il ne privilégie pas l'une des deux pièces 40, 41, dont les rôles sont complètement interchangeables. On notera que, dans le cas de pièces rectangulaires, I'intervalle l mesuré dans la direction perpendiculaire au sens V des vibrations peut encore être réduit au- dessous de la limite inférieure indiquée ci-dessus, puisqu'il demeure constant dans cette direction, les deux bords considérés demeurant parallèles à cette distance constante. 7 2728502 REVENDICATIONS 1. Procédé pour la jonction de deux pièces en matière thermoplastique par soudure de zones en contact de ces pièces amenées en fusion sans apport thermique extérieur, sous l'action d'une vibration appliquée à l'une de ces pièces, du type dans lequel l'une de ces pièces comporte un cordon ou "muret" dont le champ est au contact sous pression avec la surface de l'autre pièce, caractérisé en ce que ledit muret est prévu à une distance aussi faible que possible du bord extérieur de la pièce qui le porte, et à une distance du bord intérieur de l'autre pièce approximativement égale à la demi-amplitude de ladite vibration. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit muret constitue, ou fait partie intégrante, du rebord de la pièce qui le porte. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, 1 5 I'assemblage des deux pièces étant du type à champ couvrant, ledit muret constitue le rebord ou retour de la pièce intérieure et est situé à une distance du rebord ou retour de la pièce extérieure approximativement égale à la demi-amplitude de ladite vibration. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au-delà dudit muret est prévue une butée ayant une hauteur inférieure à celle dudit muret de la distance d'interpénétration dudit muret dans la surface de la pièce extérieure. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les retours des deux pièces sont perpendiculaires aux faces en regard desdites pièces. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les 2 5 retours sont inclinées, le retour de la pièce extérieure étant évasé vers l'extérieur, l'écart entre les retours avant soudure étant tel qu'après enfoncement au moment de la soudure, I'écart subsistant est approximativement égal à la demi-amplitude de ladite vibration. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que 3 0 I'assemblage des deux pièces étant du type à joint latéral, les champs des retours des deux pièces venant en contact sur la face latérale du produit final, I'épaisseur du retour de la pièce portant le muret est subdivisé en un champ de contact avec l'autre pièce, et un muret au contact de la surface interne de ladite autre pièce, ledit champ de contact et ledit muret étant séparés par une rainure dont la largeur est 3 5 approximativement égale à la demi-amplitude de la vibration, et dont la profondeur est suffisante pour recevoir au moins une partie de la bavure de matière fondue à l'emplacement de la jonction. 8 2728502 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le muret est créé indifféremment dans le retour de l'une ou de l'autre des deux pièces dont les rôles peuvent être inversés à volonté. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, dans le cas d'un couple de pièces rectangulaires à réunir, la distance, dans la direction perpendiculaire au sens des vibrations, du bord extérieur du muret au bord intérieur de l'autre pièce peut être encore réduite au-dessous de ladite demi- amplitude. 10. Articles réalisés par la jonction de deux pièces constitutives, caractérisés en ce que ladite jonction est opérée par la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Article selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste en une trappe à carburant ou de prise de charge de véhicule automobile.