Brevet FR2746698A1 — publié le 19971003

La présente invention est relative à un procédé de soudage par lame chauffante, en vue de permettre l'assemblage de pièces thermoplastiques, notamment issues des industries du jouet, de l'électroménager (siphon, pompe...) de l'aéronautique, de l'automobile (vase d'expansion, réservoir, collecteur d'admission, tubulures...). Les pièces à assembler par ce procédé sont constituées principalement d'un matériau thermoplastique disposant d'une structure cristalline, tel que notamment à base de polyamide fortement chargé. On connait des procédés de soudage mettant en oeuvre une lame chauffante entre deux pièces à assembler, généralement constituées de matière thermoplastique structure amorphe. Dans ce type d'applications, les procédés connus donnent d'excellents résultats sur des pièces en polyoléfine, mais lorsqu'il s'agit d'utiliser ces procédés pour le soudage de pièces en matière thermoplastique cristalline, il se produit un certain nombre de phénomènes parasites qui se traduisent par l'impossibilité de réaliser un cordon uniforme en fusion sur les plans de joint des différentes pièces, ainsi qu'un phénomène de collage de matière sur la lame chauffante. La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients en proposant un procédé qui garantisse l'obtention de cordons de joint dont la température et l'aspect sont homogènes, ainsi qu'une absence de collage de matière sur la lame chauffante. A cet effet, le procédé de soudage de pièces en matière thermoplastique, notamment du type polyamide chargé, se caractérise en ce qu'il comporte tout d'abord une phase de fusion élaborée par contact pendant un temps T1 d'une lame chauffante, chauffée à haute température, notamment de l'ordre de 3500C, sur les plans de joint des pièces à assembler afin d'obtenir une quantité de matière suffisante à la soudure, suivie d'une phase de transfert pendant un temps T2 durant laquelle la lame chauffante est écartée des plans de joint et les deux pièces sont rapprochées l'une de l'autre, puis suivie d'une phase d'assemblage pendant un temps T3 pendant lequel les plans de joint des deux pièces à assembler sont mises en contact. 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. La figure unique illustre un chronogramme des mouvements des différentes pièces à assembler durant les trois étapes principales du procédé, objet de l'invention. Selon un mode préféré de réalisation du procédé, objet de l'invention, celui-ci comporte une première phase, dite de fusion, pendant un temps Tl destinée à ramollir une épaisseur de matière constituant le plan de joint des deux pièces à assembler, afin d'obtenir une quantité nécessaire de matière, dans un état de fusion, pour permettre le soudage entre les deux pièces. Cette phase principale de fusion proprement dite se dissocie en une série de sous-étapes, notamment au nombre de cinq (contact - usinage - préchauffage - réalisation du cordon chauffage), la mise en oeuvre des première, troisième et quatrième sous-étapes étant indispensables pour supprimer le collage de matière sur la lame chauffante, indépendamment du type de revêtement. Les deux pièces à assembler sont préalablement placées dans des posages où elles sont maintenues notamment par un procédé de succion ou par un procédé mécanique (par exemple bridage). Avant de réaliser la fusion du cordon de joint, il est nécessaire de détecter à l'aide d'un capteur de position du type connu, les coordonnées relatives de la lame chauffante par rapport à l'une des pièces à assembler, ces coordonnées étant traitées par un système informatisé en temps réel qui est chargé également d'asservir les positions relatives des différents organes (lame chauffante, montage d'usinage etc...). On profite de la phase d'acquisition des coordonnées spatiales, pendant un temps tll par contact de la lame sur l'une des pièces à "usiner" pour effectuer une destruction de la peau presente sur l'extrémité du plan de joint. Dans une application préférée du procédé, objet de l'invention, à l'assemblage de pièces en polyamide, la lame chauffante est amenée à haute température, particulièrement à une température supérieure à 350"C. Cette destruction est provoquée par la fusion d'une pellicule de matière plastique, cette fusion provenant de la chaleur dégagée par la lame chauffante. Cette opération de destruction de la peau est maintenue pendant le temps nécessaire tll qui a été préalablement programmé dans le système de commande informatisé de la machine. Suit alors une deuxième étape d'usinage. Elle consiste essentiellement en une avance par régulation de l'accélération, de décélération, de vitesse ou de force pressante, de la lame chauffante (toujours maintenue à température constante) à produire un enfoncement relatif de cette dernière par rapport au plan de joint pendant une durée t12 ou jusqu'à une position déterminée. Ces paramètres sont programmables et ajustables par l'utilisateur et grâce au système de commande, en fonction des défauts de déformation des pièces après injection, que l'on veut supprimer. On procède alors à une phase de pré-chauffage d'une certaine épaisseur du joint pendant un temps déterminé t13 pour une position relative de la lame par rapport à des coordonnées de la pièce constantes et fixes. Cette troisième sous-étape est suivie d'une opération, constituant la quatrième sous-étape de la phase de fusion. Celle-ci permet d'obtenir un cordon de matière en fusion et elle est obtenue par une avance rapide par régulation d'accélération, de décélération, de vitesse ou de force pressante, de la lame chauffante par rapport au plan de joint. Cette phase "d'usinage" est maintenue pendant une durée t14 ou jusqu'à une position correspondant à un enfoncement relatif de la lame chauffante. Cet enfoncement à vitesse rapide permet d'obtenir des bavures en forme de cordon homogène et continu. La dernière sous-étape, la cinquième, consiste essentiellement en une phase de chauffage par conduction d'une certaine épaisseur de matière en maintenant une position déterminée durant un temps programmé t15 par l'utilisateur en fonction des besoins. L'énergie nécessaire au chauffage par conduction est fournie par la lame chauffante de manière à tout instant à conserver la température adéquate de fusion des cordons de joint obtenus lors de la quatrième sous-étape. Le procédé, objet de l'invention, met en oeuvre à la suite de la phase de fusion, une phase de transfert se déroulant pendant un temps T2. Celle-ci se décompose comme la phase précédente en une série de sous-étapes, préférentiellement au nombre de quatre : ouverture, retour de la lame, prise de référence, approche. La première sous-étape, dite d'ouverture, consiste essentiellement en une ouverture à une vitesse la plus élevée possible des matrices supportant les pièces à solidariser, cette ouverture s'effectue aussi sur une distance juste suffisante pour permettre le retrait de la lame chauffante. Cette distance est suffisante dans le sens où elle est la plus petite possible. Comme il vient d'être précisé dans cette première sousétape, on prévoit de retirer la lame chauffante. Cette opération qui constitue la deuxième sous-étape, est effectuée à la vitesse la plus grande possible, tout en étant compatible avec les contraintes technologiques des machines. La lame est alors amenée dans une position de repos. La troisième sous-étape réside dans le fait d'amener l'un des montages d'usinage supportant la pièce thermoplastique dans une position fixe et verrouillée sur le bâti de la machine, ce mouvement est provoqué par des moyens connus, du type vérins, pignons crémaillères, glissières etc... On procède alors par un mouvement relatif' d'approche du deuxième outillage de préhension de pièces plus communément appelé "posage" par rapport à celui qui est fixe et verrouillé, jusqu'à obtenir le contact intime des deux pièces thermoplastiques. Cette phase constitue la quatrième sous-étape de la phase dite de transfert. Le mouvement d'approche est géré par le système automatisé de contrôle de manière à assurer une régulation d'accélération, de décélération, de vitesse ou d'intensité de force pressante de l'un des posages par rapport à celui qui est maintenu fixe et jusqu'à obtenir un contact des deux pièces à assembler. Le procédé, objet de l'invention, consiste alors à mettre en oeuvre la troisième phase, dite d'assemblage, durant un temps T3 qui se décompose en deux sous-étapes : une sous-étape de soudure, suivie d'une sous-étape de refroidissement. Nous avons vu lors de la quatrième sous-étape, dite d'approche, de la phase de transfert, que les plans de joint des deux pièces à assembler dans leur posage respectif, étaient amenés au contact de leur surface. Lors de cette phase, un capteur approprié, à l'aide d'une mesure de position ou du traitement d'un signal provenant du système de commande, détecte cette position particulière des deux pièces. Le système agit alors sur le mouvement d'approche de l'un des posages qui est mobile, par une avance vers celui qui est fixe ; ce mouvement est provoqué par régulation d'accélération, de décélération, de vitesse ou de l'intensité de la force pressante du posage mobile, jusqu'à obtenir un enfoncement relatif de celui-ci et donc de la pièce qui est supportée par ce dernier, dans le posage qui est fixe et qui porte l'autre pièce thermoplastique. Ce rapprochement s'effectue pendant une durée t31 programmable et ajustable par l'utilisateur de manière à provoquer la soudure des deux pièces en matière plastique selon leur plan de joint. Cette sous-étape de soudure est suivie d'une sous-étape de refroidissement pendant laquelle les pièces sont maintenues dans une position similaire à celle qu'elles occupaient lors de la première étape, durant un temps t32 nécessaire et programmable pour obtenir un refroidissement compatible avec la tenue mécaniques des pièces et leur manipulation. Le système de contrôle et de commande de l'ensemble des phases et de leurs sous-étapes respectives du procédé, objet de l'invention, garantit les relations suivantes entre les diverses durées des phases et sous-étapes. On a ainsi, comme il apparaît clairement sur la figure unique, le système de relations suivantes entre les différentes paramètres ajustables de temps (1) T2 Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, celle-ci vise une machine permettant la mise en oeuvre du procédé de soudage décrit précédemment. Globalement, elle comporte trois ensembles principaux - une lame chauffante dont la température peut-être maintenue constante et contrôlée par un dispositif approprié de régulation. Cette lame chauffante, lors de son contact avec les parois du plan de joint des pièces en matière thermoplastique, provoque la fusion d'un cordon de matière des matériaux à souder. Par ailleurs, cette lame chauffante coopère au niveau d'un bras mobile, solidaire du bâti de la machine, qui s'efface au moment du rapprochement des deux pièces plastiques à assembler. - un premier posage, mobile par rapport au bâti de la machine et qui permet d'assurer le positionnement et le maintien de l'une des pièces thermoplastiques à assembler. - un deuxième posage, mobile avec des références fixes par rapport au bâti et qui assure les fonctions de positionnement et de retenue de l'autre pièce thermoplastique, devant être assemblée sur la première. On dispose également sur l'ensemble de la machine un certain nombre de capteurs qui permettent par le flux d'informations de renseigner un système informatisé de contrôle et de commande qui assure l'ensemble des régulations d'accélération, de décélération, de vitesse de la lame chauffante ou de l'un des posages ainsi que le degré d'enfoncement relatif ou l'intensité de la force pressante des mouvements de rapprochement des posages ou de la lame chauffante. La machine, objet de l'invention, comporte également, éventuellement de manière optionnelle, un dispositif permettant le refroidissement par circulation ou par soufflage d'un fluide caloporteur (air, eau etc...). La présente invention décrite précédemment offre de multiples avantages : elle autorise l'assemblage de pièces en matière plastique, selon des plans de joint de profil complexe, tout en garantissant une excellente tenue mécanique des cordons de soudure. Grâce au respect du chronogramme du procédé, objet de l'invention, réaliser l'assemblage d'A.B.S. sur des polymétacrylates, des résines "Acétal" et plus particulièrement encore, la soudure de pièces en polyamide 6/6 possédant une charge de l'ordre de 35 % de fibres de verre. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés cidessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. Ainsi, la machine, mettant en oeuvre ce procédé, peut être conçue de manière à permettre la soudure de matériaux à pourcentages de charge. différents ou à types de charge différents ou de deux matériaux différents. La lame chauffante est alors constituée de deux parties à température régulée à une valeur différente et les outillages sont pilotés de manière totalement indépendante afin de respecter le procédé cité et approprié au matériau. REVENDICATIONS 1 - Procédé de soudage de pièces en matière thermoplastique, notamment du type polyamide chargé, caractérisé en ce qu'il comporte une phase de fusion élaborée par contact pendant un temps T1 d'une lame chauffante, chauffée à haute température, notamment de l'ordre de 350"C, sur les plans de joint des pièces à assembler afin d'obtenir une quantité de matière suffisante à la soudure, suivie d'une phase de transfert pendant un temps T2 durant laquelle la lame chauffante est écartée des plans de joint et les deux pièces sont rapprochées l'une de l'autre, puis suivie d'une phase d'assemblage pendant un temps T3 pendant lequel les plans de joint des deux pièces à assembler sont mises en contact. 2 - Procédé de soudage de pièces selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de fusion se décompose en une série d'étapes - une étape de contact entre l'une des pièces et la lame chauffante, durant un temps tll, - une étape d'usinage d'une épaisseur de matière durant un temps t12, - une étape de préchauffage par une conduction d'une épaisseur du joint durant un temps t13, - une étape de réalisation d'un cordon continu et homogène de matière en fusion pendant un temps t14, - une étape de chauffage par conduction d'une épaisseur du joint pendant un temps t15 afin de maintenir la température du cordon obtenue lors de l'étape de préchauffage, 3 - Procédé de soudage de pièces selon la revendication 2, caractérisé en ce que les durées des sous-étapes de la phase de fusion sont gérées par un système de gestion et de contrôle, en respectant : tll tris, t12 tll, t14 4 - Procédé de soudage de pièces selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase transfert se décompose en une série d'étapes - une étape d'ouverture pendant laquelle les deux posages s'écartent sur une distance suffisante et nécessaire au retrait de la lame chauffante, - une étape pendant laquelle la lame chauffante est amenée à sa position de repos, - une étape pendant laquelle l'un des posages est amené dans une position fixe et verrouillée, - une étape pendant laquelle le deuxième posage est amené dans une position où les deux pièces à assembler ont leur plan de joint en contact, 5 - Procédé de soudage de pièces selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase d'assemblage se décompose en une série d'étapes - une étape de soudure durant un temps t31, pendant laquelle le posage mobile portant l'une des pièces est approché vers le posage fixe portant l'autre pièce, en permettant la pénétration des cordons de soudure en fusion respectifs de chacune des pièces, - une étape de refroidissement des pièces assemblées pendant un temps t32, avec t31 6 - Procédé de soudage de pièces selon la revendication 1, caractérisé en ce que les durées des phases sont gérées par un système de gestion et de contrôle, en respectant T2 T1 = T3 + T2. 7 - Procédé de soudage de pièces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mouvement de la lame chauffante est géré par un système de contrôle et de commande qui agit par régulation d'accélération, de décélération, de vitesse ou d'intensité de la force pressante jusqu'à un enfoncement relatif de la lame dans la pièce. 8 - Procédé de soudage de pièces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les mouvements des posages portant les pièces sont géres par un système de contrôle et de commande qui agit par régulation d'accélération, de décélération, de vitesse ou d'intensité de la force pressante jusqu'à un enfoncement relatif de l'une des pièces dans l'autre. 9 - Machine pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractér;sée en ce qu'elle comporte - une lame chauffante dont la température est maintenue constante et contrôlée par un dispositif approprié de régulation, cette lame chauffante coopérant au niveau d'un bras mobile, solidaire du bâti de la machine, qui s'efface au moment du rapprochement des deux pièces plastiques à assembler, - un premier posage, mobile par rapport au bâti de la machine et qui permet d'assurer le positionnement et le maintien de l'une des pièces thermoplastiques à assembler, - un deuxième posage, mobile avec des références fixes par rapport au bâti et qui assure les fonctions de positionnement et de retenue de l'autre pièce thermoplastique, devant être assemblée sur la première, l'ensemble des mouvements et des opérations étant géré par un système de contrôle et de commande.