Brevet FR2955796A1 — publié le 20110805

Dispositif de soudage par ultrasons, notamment pour le soudage d'un empilement de feuilles alvéolées La présente invention concerne un dispositif de soudage par ultrasons d'au moins deux éléments en matière thermoplastique. On rappelle que le soudage par ultrasons consiste à envoyer des vibrations de haute fréquence à deux éléments empilés à souder, par l'intermédiaire d'un outil vibrant, appelé sonotrode. La soudure se fait alors grâce à la chaleur générée par les vibrations à l'interface entre les deux éléments. On connaît déjà dans l'état de la technique, notamment d'après US 6 190 296, un dispositif de soudage par ultrasons d'au moins deux éléments en matière thermoplastique, du type comportant : - au moins une sonotrode, - au moins un support pour les éléments à souder, le support et la sonotrode étant mobiles l'un par rapport à l'autre, - un capteur de mesure d'effort, propre à mesurer l'effort appliqué par les éléments à souder sur la sonotrode, et - des moyens pour déplacer le support et la sonotrode l'un vers l'autre. Dans un tel dispositif, le support a une fonction d'enclume, c'est-à-dire que le support forme un outil destiné à reprendre l'effort appliqué par la sonotrode sur les éléments à souder, de sorte que ces éléments à souder sont fermement appliqués l'un contre l'autre lors du soudage. En d'autres termes, les éléments à souder sont pincés entre la sonotrode et l'enclume dans chaque zone de soudure. Dans US 6 190 296, le capteur de mesure d'effort est destiné à vérifier que l'effort de compression des éléments à souder l'un contre l'autre, appliqué entre la sonotrode et l'enclume, est constant lors du soudage, afin d'assurer une soudure homogène. On notera qu'un tel dispositif est peu adapté pour le soudage d'un empilement de feuilles alvéolées, c'est-à-dire d'un empilement dans lequel chaque feuille délimite au moins une alvéole avec au moins une feuille immédiatement adjacente. Un tel empilement est par exemple utilisé dans un échangeur de chaleur, notamment pour centrale thermique ou nucléaire, dans lequel de l'eau est mise en contact direct avec de l'air traversant l'empilement de feuilles alvéolées, afin d'effectuer un transfert de chaleur. Du fait des alvéoles, deux feuilles alvéolées adjacentes ne sont en contact que dans des zones généralement planes ménagées entre ces alvéoles. Ainsi, la liaison entre ces feuilles ne peut être réalisée que dans ces zones de contact. On notera que les zones de contact de deux feuilles adjacentes sont généralement en regard d'alvéoles d'une troisième feuille. Ainsi, pour un empilement d'au moins trois feuilles alvéolées, il n'est pas possible de maintenir fermement les zones de contact de deux feuilles adjacentes entre une enclume et une sonotrode. En particulier, il n'est pas possible d'introduire l'enclume dans l'empilement de façon que ces zones de contact reposent sur cette enclume. Habituellement, le soudage de tels empilements est réalisé sur des rebords périphériques des feuilles, qui peuvent présenter des accès pour une enclume. Toutefois, il n'est pas possible de réaliser des soudures réparties sur toute la surface des feuilles alvéolées. L'invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient en fournissant un dispositif de soudage par ultrasons capable de réaliser des soudures entre chaque feuille d'un empilement de feuilles alvéolées, ces soudures pouvant être réalisées sur toute la surface de chaque feuille. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un dispositif de soudage par ultrasons d'au moins deux éléments en matière thermoplastique, notamment d'un empilement d'au moins deux feuilles alvéolées, du type comportant : - au moins une sonotrode, - au moins un support pour les éléments à souder, le support et la sonotrode étant mobiles l'un par rapport à l'autre, - un capteur de mesure d'effort, propre à mesurer l'effort appliqué par les éléments à souder sur la sonotrode, - des moyens pour déplacer le support et la sonotrode l'un vers l'autre, dans lequel les moyens de déplacement sont propres à déplacer le support et la sonotrode l'un vers l'autre jusqu'à ce que l'effort mesuré par le capteur atteigne une valeur réglable prédéterminée non nulle, le dispositif de soudage comportant en outre des moyens d'activation de la sonotrode, propres à maintenir la sonotrode inactive tant que l'effort mesuré par le capteur est inférieur à la valeur prédéterminée, et à activer la sonotrode lorsque l'effort mesuré par le capteur est au moins égal à la valeur prédéterminée. Ainsi, afin de remédier à l'inconvénient précité, l'invention propose de fournir un dispositif de soudage permettant de s'affranchir de l'utilisation d'une enclume. A cet effet, l'invention propose d'utiliser un capteur d'effort, non pas pour vérifier que l'effort est constant en cours de soudure, mais pour conditionner la réalisation de la soudure. Ainsi, la sonotrode n'est activée que lorsque l'effort mesuré par le capteur est au moins égal à la valeur prédéterminée. En d'autres termes, l'invention permet d'utiliser la rigidité inhérente de l'empilement de feuilles alvéolées en lieu et place d'une enclume. Pour ce faire, le support et la sonotrode se déplacent l'un vers l'autre en compressant l'empilement jusqu'à ce que l'effort mesuré atteigne la valeur prédéterminée. On considère alors que l'effort, appliqué par la sonotrode sur les deux feuilles adjacentes supérieures de l'empilement, est suffisant pour réaliser la soudure, bien que ces deux feuilles adjacentes supérieures ne soient pas pincées entre une enclume et la sonotrode dans la zone de soudure. Ainsi, l'invention permet de réaliser des soudures dans toutes les zones de contact entre les deux feuilles d'extrémité supérieure de l'empilement, et non pas uniquement à leur périphérie, et cela sans qu'il ne soit nécessaire d'introduire une enclume sous ces zones de contact. Un dispositif de soudage selon l'invention comporte avantageusement l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. - La sonotrode est agencée verticalement au dessus du support, le support comportant un plateau mobile verticalement relativement à la sonotrode, destiné à recevoir les éléments à souder. - La sonotrode est susceptible d'être entraînée en mouvement le long d'une course limitée par les éléments à souder, lorsque ces éléments à souder sont déplacés par le support vers la sonotrode. - Le capteur de mesure d'effort comporte une cellule photoélectrique, destinée à mesurer le déplacement de la sonotrode lorsqu'elle est entraînée en mouvement, la valeur de l'effort étant déduite du déplacement mesuré. - La cellule photoélectrique définit un seuil du déplacement de la sonotrode, à partir duquel les moyens de déplacement cessent de déplacer le support, et les moyens d'activation activent la sonotrode. - Le dispositif de soudage comporte des éléments périphériques de rigidification de l'empilement d'éléments à souder, destinés à être insérés sous un rebord périphérique d'un élément supérieur de l'empilement, de façon à soutenir ce rebord périphérique. - Le dispositif de soudage comporte une pluralité de sonotrodes, dont au moins une sonotrode est reliée au capteur de mesure, les moyens d'activation étant communs à au moins deux sonotrodes, de préférence à toutes les sonotrodes. L'invention concerne également un procédé de soudage par ultrasons d'au moins deux éléments en matière thermoplastique, notamment d'un empilement d'au moins deux feuilles alvéolées, à l'aide d'un dispositif de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant : - une étape au cours de laquelle un empilement d'au moins deux éléments à souder est disposé sur le support, - une étape au cours de laquelle le support et la sonotrode sont déplacés relativement l'un vers l'autre jusqu'à ce que l'effort mesuré par le capteur de mesure d'effort atteigne une valeur prédéterminée - une étape, postérieure au déplacement relatif du support et de la sonotrode, au cours de laquelle la sonotrode est activée lorsque l'effort mesuré par le capteur est au moins égal à la valeur prédéterminée. L'invention concerne également l'utilisation d'un dispositif de soudage tel que défini précédemment pour le soudage par ultrasons d'un empilement d'au moins trois feuilles alvéolées. L'invention concerne enfin un empilement d'au moins trois feuilles alvéolées, chaque feuille alvéolée délimitant des alvéoles avec une feuille alvéolée adjacente, dans lequel au moins une feuille alvéolée comporte au moins une première zone de soudure avec une feuille alvéolée adjacente supérieure, et au moins une deuxième zone de soudure avec une feuille alvéolée adjacente inférieure, telles que chacune des première et deuxième zones de soudure est séparée de chaque rebord périphérique de la feuille alvéolée par au moins une alvéole. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif de soudage selon un exemple de mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe d'un outil de soudage du dispositif de la figure 1 ;et - la figure 3 est une vue en coupe de face empilement de feuilles alvéolées. On a représenté sur la figure 1 un dispositif 10 de soudage par ultrasons selon un exemple de mode de réalisation de l'invention. Le dispositif de soudage 10 comporte un bâti 12 portant notamment un ensemble d'outils de soudage 14 et un support 16. Les outils de soudage 14 sont agencés verticalement au dessus du support 16, en vis-à-vis de ce support 16. Le support 16 comporte un plateau mobile 18 destiné à recevoir un empilement 20 d'éléments 21 en matière thermoplastique, tel que celui représenté sur la figure 2. Par exemple, les éléments 21 sont réalisés en polychlorure de vinyle (PVC), en polypropylène (PP), ou en acrylonitrile butadiène styrène (ABS). Les éléments en matière thermoplastique sont des feuilles alvéolées 21, c'est-à-dire présentant une forme telle que deux feuilles alvéolées adjacentes délimitent entre elles au moins une alvéole 22. Deux feuilles alvéolées adjacentes 21 présentent également des zones de contact minces 23, ménagées entre deux alvéoles 22, destinées à former des zones de soudure. En effet, deux feuilles alvéolées adjacentes 21 ne sont en contact que dans ces zones de contact 23. Ces zones de contact 23 sont relativement minces, de façon à permettre la réalisation de soudures par ultrasons dans ces zones de contact 23. De préférence, ces zones de contact 23 sont planes. Le plateau mobile 18 est monté sur des moyens de déplacement 24, propres à déplacer ce plateau 18 horizontalement dans des première et deuxième directions perpendiculaires entre elles, et verticalement dans une troisième direction perpendiculaire aux première et deuxième directions. Le déplacement horizontal du plateau 18 permet d'aligner ce plateau 18 de manière désirée par rapport aux outils de soudage 14, de sorte que chaque outil de soudage 14 soit disposé en regard d'une zone de contact 23 des deux feuilles alvéolées 21 du haut de l'empilement 20, dites feuilles alvéolées d'extrémité supérieure. Ainsi, il est possible d'adapter le positionnement des outils soudage 14 à toute forme de feuille alvéolée 21. Le déplacement vertical quant à lui permet d'amener l'empilement 20 au contact des outils de soudage 14, afin de réaliser les soudures dans les zones de contact 23 des feuilles alvéolées d'extrémité supérieure. Par ailleurs, le bâti 12 comporte un dispositif 25 d'amenée des feuilles alvéolées 21 sur le plateau 18. Ce dispositif d'amenée 25 peut être chargé manuellement ou automatiquement à l'aide de pinces de chargement 26. Chaque outil de soudage 14, l'un d'entre eux étant représenté sur la figure 2, comporte un convertisseur 28, destiné à convertir de l'énergie électrique en vibrations, et une sonotrode 30, reliée au convertisseur 28 de façon à transmettre les ultrasons générés aux éléments à souder. Avantageusement, ces sonotrodes 30 sont adaptées pour vibrer à une fréquence supérieure à 25 kHz. On notera que chaque sonotrode 30 est susceptible d'être entraînée verticalement, par l'empilement 20, lorsque cet empilement 20 est déplacé par le support 16 vers cette sonotrode 30. Afin de déterminer si l'effort, appliqué par l'empilement 20 sur la sonotrode 30, est suffisant pour réaliser une soudure par ultrasons, le dispositif de soudage 10 comporte au moins un capteur de mesure d'effort 32, relié à l'une des sonotrodes 30, de façon à mesurer l'effort appliqué par l'empilement 20 sur la sonotrode 30. On appelle valeur prédéterminée la valeur de l'effort pour laquelle on considère que cet effort est suffisant pour réaliser la soudure par ultrasons. Cette valeur prédéterminée est non nulle, et de préférence réglable, de sorte qu'elle puisse être adaptée au matériau dans lequel sont réalisées les feuilles 21. De préférence, le capteur de mesure d'effort 32 est relié à une sonotrode centrale 30A, comme cela est représenté sur la figure 2, de sorte que l'effort mesuré est celui qui est appliqué dans une zone centrale de l'empilement 20. On appelle « sonotrode centrale 30A » une sonotrode qui est interposée entre au moins deux sonotrodes adjacentes dans chacune des première et seconde directions de déplacement du plateau 18. De préférence, le capteur de mesure d'effort 32 comporte une cellule photoélectrique 33, propre à mesurer le déplacement de la sonotrode 30 lorsqu'elle est entraînée en mouvement. La valeur de l'effort appliqué sur la sonotrode 30 est déduite de ce déplacement mesuré. Par exemple, la cellule photoélectrique définit un seuil du déplacement de la sonotrode 30, à partir duquel on considère que l'effort appliqué atteint la valeur prédéterminée. Les moyens de déplacement 24 du support 16 sont reliés au capteur d'effort 32, de sorte que le déplacement du plateau mobile 18 vers la sonotrode 30 est interrompu lorsque l'effort mesuré par le capteur 32 atteint la valeur prédéterminée. Pour une bonne réalisation de la soudure, les sonotrodes 30 ne sont activées que lorsque l'effort appliqué par ces sonotrodes 30 sur l'empilement 20 est au moins égal à la valeur prédéterminée. Ainsi, le dispositif de soudage 10 comporte des moyens 34 d'activation des sonotrodes 30, propres à maintenir les sonotrodes 30 inactives tant que l'effort mesuré par le capteur 32 est inférieur à la valeur prédéterminée, et à activer les sonotrodes 30 lorsque l'effort mesuré par le capteur 32 est au moins égal à la valeur prédéterminée non nulle. On notera que les moyens d'activation 34 sont avantageusement communs à toutes les sonotrodes 30, de sorte qu'elles sont activées simultanément. De manière optionnelle, on peut prévoir un deuxième capteur d'effort (non représenté), relié à une sonotrode périphérique. On appelle sonotrode périphérique, en opposition avec une sonotrode centrale, une sonotrode qui n'est pas interposée entre deux sonotrodes adjacentes dans au moins une des première et seconde directions de déplacement du plateau 18. En effet, du fait de la structure de l'empilement 20, cet empilement 20 présente généralement une rigidité supérieure dans sa zone centrale par rapport à sa zone périphérique. Il peut donc être avantageux de vérifier également que l'effort des sonotrodes périphériques sur la zone périphérique de l'empilement est également suffisant pour réaliser une soudure par ultrasons. Avantageusement, on peut également prévoir des éléments périphériques 36 de rigidification, liés au bâti 12, destinés à être insérés sous un rebord périphérique de la feuille d'extrémité supérieure 21A de l'empilement 20, de façon à soutenir ce rebord périphérique lors de la soudure. De tels éléments périphériques de rigidification 36 permettent de rigidifier la zone périphérique de l'empilement 20, de façon à homogénéiser la rigidité de l'empilement 20. L'invention permet de réaliser des empilements 20 de feuilles thermoplastiques alvéolées 21 au cours d'un procédé de soudage par ultrasons qui sera décrit ci-dessous. Au cours d'une première étape, un empilement 20 de deux feuilles alvéolées 21 est disposé sur le plateau 18. Par exemple, les deux feuilles 21 sont amenées consécutivement sur le plateau 18 par le dispositif d'amenée 25. Le procédé comporte ensuite une étape de positionnement du plateau 18 en regard des sonotrodes 30, au cours de laquelle le plateau est déplacé horizontalement, de manière automatisée ou commandée, de façon à agencer chaque zone de soudure 23 des feuilles 21 en regard d'une sonotrode 30. Puis, au cours d'une étape de montée du plateau 18, ce plateau 18 est déplacé verticalement vers les sonotrodes 30, jusqu'à ce que l'effort mesuré par le capteur de mesure 32 atteigne la valeur prédéterminée. Cet effort mesuré correspond à l'effort appliqué par la sonotrode 30A sur la zone de contact 23 correspondante. Ainsi, une fois la valeur prédéterminée atteinte, on estime que l'effort appliqué par les sonotrodes 30 sur l'empilement 20 est suffisant pour réaliser une soudure. On notera que, du fait des alvéoles 22 de chaque feuille 21, les zones de contact 23 en contact des feuilles 21 à souder sont situées à l'écart du plateau 18, étant espacées de ce plateau 18 par une hauteur H non nulle. Cette hauteur H dépend du nombre de feuilles 21 empilées, de la hauteur des alvéoles 22 et de l'écrasement de l'empilement 20 entre les sonotrodes 30 et le plateau 18. Ainsi, le plateau 18 n'agit pas comme une enclume, puisque les zones de contact 23 à souder ne sont pas pincées entre les sonotrodes 30 et ce plateau 18. En effet, le procédé selon l'invention prévoit d'utiliser la rigidité inhérente de l'empilement 20 en lieu et place d'une enclume. On passe ensuite à une étape de soudure, au cours de laquelle les sonotrodes 30 sont activées par les moyens d'activation 34, puisque l'effort mesuré par le capteur 32 est au moins égal à la valeur prédéterminée. Une fois la soudure réalisée, le plateau est rabaissé. L'effort mesuré par le capteur 32 redevient alors inférieur à la valeur prédéterminée, et les moyens d'activation 34 désactivent donc les sonotrodes 30. De manière optionnelle, on peut de nouveau réaliser une étape de positionnement horizontal du plateau 18, de façon à définir d'autres zones de soudure si cela est nécessaire. Dans ce cas, on passe ensuite à nouveau à une étape de montée du plateau 18 jusqu'à ce que l'effort mesuré atteigne la valeur prédéterminée, et à une étape de soudure similaire à celle qui a été définie ci-dessus. Une fois la soudure réalisée, le plateau est ramené en position de réception d'une nouvelle feuille alvéolée qui est apportée sur l'empilement 20 par le dispositif d'amenée 25. Cette nouvelle feuille alvéolée 21 est soudée aux précédentes de la même manière que définie ci-dessus. Ce procédé de soudage peut être répété autant de fois que nécessaire, par ajout successif de feuilles alvéolées 21, jusqu'à obtenir un empilement 20 de hauteur désirée. La hauteur de cet empilement 20 n'est limitée que par les dimensions du dispositif de soudage 10, notamment par la distance verticale maximale entre le plateau 18 et les sonotrodes 30. Généralement, on prévoit un dispositif de soudage pouvant recevoir un empilement 20 comportant jusqu'à cinquante feuilles alvéolées 21 empilées, c'est-à-dire ayant une hauteur d'environ 1 mètre. Il apparaît clairement que l'invention permet de réaliser des empilements 20 dans lesquels chaque feuille alvéolée 21 est soudée à la fois avec une feuille supérieure adjacente et avec une feuille inférieure adjacente, les zones de soudure n'étant pas localisées uniquement dans une zone périphérique de ces feuilles 21. En d'autres termes, chaque feuille alvéolée 21, à l'exception des feuilles d'extrémité supérieure et inférieure de l'empilement, comporte au moins une première zone de soudure avec une feuille alvéolée adjacente supérieure, et au moins une deuxième zone de soudure avec une feuille alvéolée adjacente inférieure, telles que chacune des première et deuxième zones de contact est séparée de chaque rebord périphérique de la feuille alvéolée 21 par au moins une alvéole 22. Les zones de soudure sont donc réparties sur toute la surface de chaque feuille alvéolée 21, ce qui assure une liaison robuste des feuilles alvéolées 21 entre elles. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit, et pourrait présenter diverses variantes sans sortir du cadre des revendications. En particulier, le dispositif 10 peut en variante comporter un support fixe et des sonotrodes mobiles par rapport à ce support. REVENDICATIONS1. Dispositif (10) de soudage par ultrasons d'au moins deux éléments (21) en matière thermoplastique, notamment d'un empilement (20) d'au moins deux feuilles alvéolées (21), du type comportant : - au moins une sonotrode (30), - au moins un support (16) pour les éléments (21) à souder, le support (16) et la sonotrode (30) étant mobiles l'un par rapport à l'autre, - un capteur de mesure d'effort (32), propre à mesurer l'effort appliqué par les éléments à souder (21) sur la sonotrode (30), - des moyens (24) pour déplacer le support (16) et la sonotrode (30) l'un vers l'autre, caractérisé en ce que les moyens de déplacement (24) sont propres à déplacer le support (16) et la sonotrode (30) l'un vers l'autre jusqu'à ce que l'effort mesuré par le capteur (32) atteigne une valeur réglable prédéterminée non nulle, le dispositif de soudage (10) comportant en outre des moyens (34) d'activation de la sonotrode (30), propres à maintenir la sonotrode (30) inactive tant que l'effort mesuré par le capteur (32) est inférieur à la valeur prédéterminée, et à activer la sonotrode (30) lorsque l'effort mesuré par le capteur (32) est au moins égal à la valeur prédéterminée. 2. Dispositif de soudage (10) selon la revendication 1, dans lequel la sonotrode (30) est agencée verticalement au dessus du support (16), le support (16) comportant un plateau (18) mobile verticalement relativement à la sonotrode (30), destiné à recevoir les éléments à souder (21). 3. Dispositif de soudage (10) selon la revendication 2, dans lequel, la sonotrode (30) est susceptible d'être entraînée en mouvement le long d'une course limitée par les éléments à souder (21), lorsque ces éléments à souder (21) sont déplacés par le support (16) vers la sonotrode (30). 4. Dispositif de soudage (10) selon la revendication 3, dans lequel le capteur de mesure d'effort (32) comporte une cellule photoélectrique, destinée à mesurer le déplacement de la sonotrode (30) lorsqu'elle est entraînée en mouvement, la valeur de l'effort étant déduite du déplacement mesuré. 5. Dispositif de soudage (10) selon la revendication 4, dans lequel la cellule photoélectrique définit un seuil du déplacement de la sonotrode (30), à partir duquel les moyens de déplacement (24) cessent de déplacer le support (16), et les moyens d'activation activent la sonotrode (30). 6. Dispositif de soudage (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des éléments périphériques (36) de rigidification de l'empilement (20) d'éléments à souder (21), destinés à être insérés sous un rebord périphérique d'un élément supérieur (21A) de l'empilement (20), de façon à soutenir ce rebord périphérique. 7. Dispositif de soudage (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une pluralité de sonotrodes (30), dont au moins une sonotrode (30A) est reliée au capteur de mesure (32), les moyens d'activation (34) étant communs à au moins deux sonotrodes (30), de préférence à toutes les sonotrodes (30). 8. Procédé de soudage par ultrasons d'au moins deux éléments (21) en matière thermoplastique, notamment d'un empilement (20) d'au moins deux feuilles alvéolées (21), à l'aide d'un dispositif de soudage (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape au cours de laquelle un empilement (20) d'au moins deux éléments à souder (21) est disposé sur le support (16), - une étape au cours de laquelle le support (16) et la sonotrode (30) sont déplacés relativement l'un vers l'autre jusqu'à ce que l'effort mesuré par le capteur de mesure d'effort (32) atteigne une valeur prédéterminée - une étape, postérieure au déplacement relatif du support (16) et de la sonotrode (30), au cours de laquelle la sonotrode (30) est activée lorsque l'effort mesuré par le capteur (32) est au moins égal à la valeur prédéterminée. 9. Utilisation d'un dispositif de soudage (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, pour le soudage par ultrasons d'un empilement (20) d'au moins trois feuilles alvéolées (21). 10. Empilement (20) d'au moins trois feuilles alvéolées (21), chaque feuille alvéolée (21) délimitant des alvéoles (22) avec une feuille alvéolée (21) adjacente, caractérisé en ce qu'au moins une feuille alvéolée (21) comporte au moins une première zone de soudure avec une feuille alvéolée adjacente supérieure, et au moins une deuxième zone de soudure avec une feuille alvéolée adjacente inférieure, telles que chacune des première et deuxième zones de soudure est séparée de chaque rebord périphérique de la feuille alvéolée (21) par au moins une alvéole (22).