Brevet FR3066426A1 — publié le 20181123

La présente invention concerne un dispositif de soudure de films souples, ainsi qu'un procédé de soudure mettant en oeuvre un tel dispositif. Les films complexes souples et laminés, comportant une superposition de plusieurs matériaux présentant chacun des fonctions spécifiques, sont couramment utilisés pour former des emballages étanches, notamment pour le conditionnement de produits alimentaires. L'assemblage de ces films souples par soudure et coupe permet de produire en particulier des boîtes ou des sachets étanches. Suivant l'usage les films complexes présentent différentes qualités, comme une résistance mécanique, ou un effet de barrière pour éviter la diffusion de différentes molécules. Ces films complexes comportent en particulier des couches de polypropylène « OPP » ou de polytéréphtalate d'éthylène « PET », présentant une rigidité et une résistance à la pliure, d'aluminium présentant une conductivité électrique permettant un échauffement par induction, ou de polyéthylène « PE » présentant une bonne soudabilité. Un type de dispositif de soudure et coupe connu, présenté notamment par les documents US-A1-20050241277 et WO-A1-2016045967, comporte deux mâchoires serrant entre elles plusieurs films superposés. Une mâchoire d'induction comporte un inducteur à deux branches parallèles formant chacune un conducteur électrique, disposés de chaque côté d'une lame de coupe. L'inducteur peut comporter un circuit de refroidissement par eau pour maîtriser la température. Une contre-mâchoire disposée en face de la mâchoire d'induction, présente deux faces d'appui parallèles recevant chacune l'appui d'un inducteur. La mâchoire possède une rainure entre ces faces d'appui laissant libre l'avance de la lame de coupe, qui coupe alors les films pendant la soudure par un effet de cisaillement. La rainure peut comporter un matériau élastique, venant en surface de cette rainure ou avec un petit retrait, principalement pour améliorer la coupe et éviter une accumulation de matière dans cette rainure. On applique sur l'inducteur un courant électrique de fréquence élevée, comprise notamment entre 250kHz et 1,5MHz, générant un courant électrique induit variable au 30 sein des matériaux conducteurs traversés par ce flux magnétique, ce qui les échauffe par effet Joule. Cet échauffement est conduit thermiquement aux matériaux à souder. Pour les films complexes comprenant une couche de conduction électrique, par exemple une couche d'aluminium, les courants électriques générés dans ces couches échauffent localement les matériaux soudants de ces films, ce qui provoque un collage 3066426 2 ou une fusion des films entre eux grâce à la pression de serrage appliquée par les mâchoires. On obtient sur les films complexes deux lignes de soudures parallèles réalisées chacune en face d'une branche d'inducteur, et une coupe intermédiaire entre ces lignes 5 de soudure. Ces dispositifs réalisant des soudures principalement par induction directe, soudent difficilement des films ne comportant pas de couche conductrice électriquement. Les machines équipées d'un tel dispositif de soudure ne peuvent traiter une large gamme de films, complexes ou non, ce qui pose des problèmes de flexibilité 10 d'utilisation, et de coût car il faut utiliser d'autres dispositifs. De plus l'absence de butée rigide en face de la lame de coupe rend difficile la coupe de films souples. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. 15 L'invention propose à cet effet un dispositif de soudure de matériaux souples superposés, comportant une mâchoire d'induction équipée d'un inducteur à plusieurs branches parallèles, et une contre-mâchoire prévue pour serrer les films sur la mâchoire d'induction, ce dispositif étant remarquable en ce que la mâchoire d'induction comporte entre les branches d'inducteur un concentrateur intérieur réalisé dans un 20 matériau dur présentant une perméabilité magnétique et une résistivité électrique. Un avantage de ce dispositif de soudure est que le concentrateur intérieur disposé entre les branches d'inducteur, recevant le flux magnétique généré par cet inducteur, s'échauffe lui-même par ses courant induits grâce à sa résistivité électrique ce qui permet d'ajouter à la soudure par induction délivrée directement aux films, s'ils 25 comportent une couche conductrice, une chauffe par conduction thermique venant du concentrateur intérieur entre les branches d'inducteur participant à la soudure. On obtient une soudure des films qui peut être continue sur toute la distance transversale entre les branches d'inducteur, sans discontinuité entre elles. On peut de plus souder en particulier des films ne contenant pas de couche de conduction électrique, ce qui donne un dispositif de soudure et de coupe beaucoup plus polyvalent permettant de réduire des coûts de production. Par ailleurs la coupe de films souples peut être facilitée avec le matériau dur du concentrateur intérieur sur lequel une lame de coupe fixée sur la contre-mâchoire vient prendre appui. 3066426 3 Le dispositif de soudure selon l'invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, dans la direction transversale le concentrateur intérieur remplit tout l'espace entre les branches d'inducteur. 5 En particulier, dans la direction longitudinale le concentrateur intérieur peut comporter des inserts présentant une perméabilité magnétique ou une résistivité électrique différente. Avantageusement, le concentrateur intérieur comporte un canal prévu pour une circulation d'eau. On peut ainsi réguler sa température maximum, et le chauffer plus 10 rapidement avant une production. Avantageusement, la contre-mâchoire comporte au moins une lame de coupe alignée entre deux branches d'inducteur. De cette manière on réalise dans les mêmes positions la soudure et la coupe des matériaux superposés. Dans ce cas, dans une position de soudure les lames de coupe de la contre-15 mâchoire viennent avantageusement en appui directement sur des surfaces du concentrateur intérieur. Dans ce cas, avantageusement les surfaces du concentrateur intérieur recevant l'appui des lames de coupe comportent un matériau présentant une dureté « Vickers » supérieure à 170HV. Le concentrateur intérieur forme de cette manière une butée 20 permettant par l'appui de la lame dessus, des coupes franches des films souples. L'invention a aussi pour objet un procédé de soudure de films superposés utilisant un dispositif de soudure comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes, remarquable en ce qu'il applique en même temps une pression sur ces films et un chauffage par induction. 25 En particulier, le procédé peut effectuer un préchauffage du concentrateur intérieur avant des soudures par induction, par une circulation d'eau chaude dans ce concentrateur. 3066426 4 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, en référence aux figures annexées suivantes : - les figures 1 et 2 sont des vues en coupe transversale des deux mâchoires 5 d'un dispositif de soudure selon l'invention, présentées successivement serrées et desserrées, suivant un plan de coupe 1-1 pour la mâchoire d'induction et un plan de coupe 11-11 pour la contre-mâchoire ; la figure 3 est une vue en perspective de la mâchoire d'induction présentant un inducteur à deux branches ; 10 - les figures 4 et 5 présentent respectivement une vue en coupe transversale suivant le plan de coupe IV-IV et une vue de face de la mâchoire d'induction ; la figure 6 est une vue de face de la contre-mâchoire ; - les figures 7 et 8 sont des graphiques présentant en fonction de la 15 distance transversale la température des différentes couches d'un film complexe soudé, pour respectivement un dispositif de soudure sans concentrateur résistif électrique intérieur, et un dispositif selon l'invention ; - la figure 9 présente en vue de face de l'inducteur suivant une variante ; et 20 - la figure 10 est une vue de face d'une mâchoire présentant un inducteur à quatre branches. Les figures 1 et 2 présentent une mâchoire d'induction 2 comportant une face avant de serrage 8 disposée en vis-à-vis de la face avant de serrage 8 d'une contre-mâchoire de coupe 4. Pour chaque mâchoire 2, 4 le côté avant est celui de sa face avant 25 de serrage 8. Les faces avant 8 reçoivent entre elles deux films 6 superposés défilant dans une direction indiquée par la flèche T, destinés à être serrés puis soudés suivant une certaine largeur, et en même temps coupés au milieu de cette largeur par une lame de coupe 30 disposée dans un plan médian de symétrie P. Par la suite les côtés extérieurs sont définis 30 par rapport au plan médian P. Les figures 1, 2, 3, 4 et 5 présentent la mâchoire d'induction 2 comprenant un corps 16 allongé dans une direction longitudinale, supportant de chaque côté du plan médian P une branche d'inducteur 10 de section carrée, formant un conducteur 3066426 5 électrique comportant une face de contact alignée sur la face avant de serrage 8 de cette mâchoire. Chaque branche d'inducteur 10 de l'inducteur à deux branches, reçoit vers l'extérieur un concentrateur extérieur de champ magnétique 12 comprenant un retour 5 venant en arrière de cet inducteur. Un concentrateur intérieur de champ magnétique 14 présentant dans cet exemple une perméabilité magnétique élevée, disposé dans le plan médian P comporte une languette ajustée entre les deux branches d'inducteur 10 et entre les deux concentrateurs extérieurs 12, puis en arrière de ces concentrateurs extérieurs une 10 section rectangulaire plus large présentant un perçage longitudinal de circulation d'eau. Le concentrateur intérieur 14 est formé par un acier présentant une dureté « Vickers » élevée, en particulier supérieure à 170HV. La languette du concentrateur intérieur 14 est interrompue dans la direction longitudinale au milieu de la mâchoire d'induction 2 (cf. figure 4), et de chaque côté de 15 cette mâchoire, par des inserts 22 permettant de modifier localement la densité de courant induit sur le film 6 au droit de ces inserts. Les différents concentrateurs 12, 14 sont formés d'un matériau à résistivité électrique ou à forte perméabilité magnétique. Le matériau du concentrateur intérieur 14 peut comporter en particulier une perméabilité magnétique plus élevée que celle 20 des concentrateurs extérieurs 12. De préférence pour le concentrateur intérieur 14, la perméabilité magnétique ou la résistivité électrique est plus forte en face des zones où les énergies de fusion nécessaires sont plus importantes, notamment dans les zones de recouvrement d'un plus grand nombre de films 6, afin de favoriser son échauffement. 25 Les figures 1, 2, et 6 présentent la contre-mâchoire 4 comportant un corps allongé 32 comprenant du côté avant une lame de coupe 30 disposée dans le plan médian P, qui est serrée par un support 34 disposé en dessous de ce plan, maintenu par des vis 36 sur le corps allongé. Le bord avant de la lame de coupe 30 dépasse légèrement de la face avant 8 de la contre-mâchoire 4. 30 La contre-mâchoire 4 comporte sur sa face avant 8 de chaque côté de la lame de coupe 30 une barrette 38 maintenue par des vis de serrage 40, qui vient serrer les films 6 sur la mâchoire d'induction 2. 3066426 6 Chaque branche d'inducteur 10, le concentrateur intérieur 14 et la contre-mâchoire 4 comportent chacun un perçage longitudinal formant un conduit recevant une circulation d'eau pour limiter leur échauffement venant des pertes fer des matériaux magnétiques, des pertes par courants induits non transmis aux matériaux à 5 souder, liées à l'efficacité du couplage magnétique, et les pertes par conduction thermique. Le fonctionnement du dispositif de soudure selon l'invention est le suivant. Après avoir serré au moins deux films 6 entre les deux mâchoires 2, 4, on délivre un courant à haute fréquence dans l'inducteur 10. On obtient un champ magnétique 10 variable générant des courants électriques provoquant un échauffement interne par son courant inducteur dans l'inducteur 10, par des courants induits dans le concentrateur intérieur 14 s'il est conducteur, et dans la couche conductrice des films complexes 6 s'ils en comportent une. Le concentrateur intérieur 14 transmet par contact sur les films 6 entre les 15 branches d'inducteur 10, une température élevée sur la surface de ces films permettant avec la pression de serrage exercée à cet endroit, un collage ou une soudure dans cette zone. Cette soudure est dite par impulsion thermique car elle est occasionnée par l'application externe de chaleur aux matériaux des films 6, venant du contact avec le concentrateur intérieur 14 donnant une conduction thermique. 20 Les concentrateurs extérieurs 12 comportent une perméabilité magnétique moyenne afin de limiter leurs pertes fers, qui permet aussi de délimiter la soudure de manière précise au-delà de chaque branche d'inducteur 10. Les figures 7 et 8 présentent en fonction de la distance par rapport au plan médian P, exprimée en mètres, la température atteinte par les couches d'un film 25 complexe 6 exprimée en degrés Celsius, présentée par une première courbe pour la couche d'aluminium 50, par une deuxième courbe pour la couche de polyéthylène 52 et par une troisième courbe pour la couche de polypropylène 54. La température ambiante présente loin du plan médian P est de 22°. La figure 7 présente de chaque côté du plan médian P un pic de température 56 30 pour les trois couches, formé juste au niveau de chaque branche d'inducteur 10. En l'absence de concentrateur intérieur, entre les deux branches d'inducteur 10 la température des trois couches augmente faiblement pour atteindre 30°. La figure 8 présente aussi un pic principal 56 de température pour la couche d'aluminium 50 et la couche de polyéthylène 52, formé au niveau de chaque branche 35 d'inducteur 10, avec entre ces branches une température restant élevée. Pour la couche 3066426 7 de polypropylène 54 on a sur toute la largeur des pics principaux 56 et entre ces pics, une température minimum de 80° comportant deux pics secondaires 58 proches du plan médian P. On obtient bien pour les films complexes 6 des températures permettant de 5 manière homogène sur toute la largeur entre les branches d'inducteur 10, un collage ou une soudure des matières plastiques. On notera que l'on peut aussi avec un dispositif de soudure selon l'invention réaliser des opérations présentées figure 7 ne comportant pas de soudure ou de collage entre les branches d'inducteur 10, avec un simple échange du concentrateur intérieur 10 14 pour le remplacer par un autre concentrateur présentant une résistivité électrique plus faible, permettant de réduire ses courants induits et donc sa température. De plus juste après la chauffe et la fusion des matériaux soudants des films 6, la lame de coupe 30 vient presser sur le concentrateur intérieur 14 présentant une dureté mécanique élevée pour éviter une usure, qui constitue une butée permettant une coupe 15 plus nette que le cisaillement formé par les dispositifs selon l'art antérieur, et délivrant moins de déchets. La régulation thermique des différents composants grâce aux circuits d'eau permet d'améliorer l'efficacité de la soudure réalisée par impulsion thermique au niveau du concentrateur intérieur 14. En effet on peut réaliser avec ces circulations 20 d'eau un préchauffage du concentrateur intérieur 14, permettant de gagner du temps de soudure pour cette partie, en particulier au début des cycles de soudure. La figure 9 présente une vue de face d'une mâchoire d'induction 2, comportant deux branches d'inducteur 10 ainsi qu'un concentrateur intérieur 14 formant dans la direction longitudinale une courbure. La contre-mâchoire 4 disposée en face comporte 25 une lame de coupe 30 présentant la même courbure, de manière à venir dans l'axe du plan médian P. On obtient une soudure similaire, continue entre les deux branches d'inducteur 10, permettant de suivre sur des films 6 un contour de soudure et de coupe qui est courbe. 30 La figure 10 présente une vue de face d'une mâchoire d'induction 2, comprenant un inducteur 10 à quatre branches parallèles, et un concentrateur intérieur 14 disposé entre toutes les branches d'inducteur comprenant trois zones dans la direction transversale. 3066426 8 Le concentrateur intérieur 14 est un matériau dur résistif électrique et à perméabilité magnétique. La partie du concentrateur intérieur 14 dans le plan médian P recevant l'appui de la lame de coupe 30, est dans un matériau à dureté élevée. On obtient ainsi une soudure plus large, avec la nécessité d'un matériau du concentrateur 5 intérieur 14 à dureté élevée uniquement au droit de la lame de coupe 30. REVENDICATIONS1. Dispositif de soudure de matériaux souples (6) superposés, comportant 5 une mâchoire d'induction (2) équipée d'un inducteur à plusieurs branches parallèles (10), et une contre-mâchoire (4) prévue pour serrer les films (6) sur la mâchoire d'induction (2), caractérisé en ce que la mâchoire d'induction (2) comporte entre les branches d'inducteur (10) un concentrateur intérieur (14) réalisé dans un matériau dur présentant une perméabilité magnétique et une résistivité électrique, et en ce que le 10 concentrateur intérieur (14) comporte un canal prévu pour une circulation d'eau. 2. Dispositif de soudure selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la direction transversale, le concentrateur intérieur (14) remplit tout l'espace entre les branches d'inducteur (10). 3. Dispositif de soudure selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce que dans la direction longitudinale le concentrateur intérieur (14) comporte des inserts (22) présentant une perméabilité magnétique ou une résistivité électrique différente. 4. Dispositif de soudure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la contre-mâchoire (4) comporte au moins une lame 20 de coupe (30) alignée entre deux branches d'inducteur (10). 5. Dispositif de soudure selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans une position de soudure les lames de coupe (30) de la contre-mâchoire (4) viennent en appui directement sur des surfaces du concentrateur intérieur (14). 6. Dispositif de soudure selon la revendication 5, caractérisé en ce que les 25 surfaces du concentrateur intérieur (14) recevant l'appui des lames de coupe (30), comportent un matériau présentant une dureté « Vickers » supérieure à 170HV. 7. Procédé de soudure de films (6) superposés utilisant un dispositif de soudure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il applique en même temps une pression sur ces films (6) et un chauffage par induction, 30 et en ce qu'il effectue un préchauffage du concentrateur intérieur (14) avant des soudures par induction, par une circulation d'eau chaude dans ce concentrateur.