FR2485431A1

FR2485431A1 - Procede de soudage par fusion de pieces en matiere plastique

Info

Publication number: FR2485431A1
Application number: FR8014376A
Authority: FR
Inventors: Alfred Fuller Leatherman
Original assignee: HELLER WILLIAM JUN
Current assignee: HELLER WILLIAM JUN
Priority date: 1978-10-26
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1981-12-31
Also published as: GB2078606B; GB2078606A; DE3025255A1; FR2485431B1; US4239575A

Abstract

LE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION EST CELUI DU SOUDAGE PAR FUSION DES PIECES EN MATIERE PLASTIQUE ET ELLE CONCERNE LES PROCEDES DE SOUDAGE DE TELLES PIECES SUR DES SURFACES D'INTERFACE ETENDUES. LE PROBLEME TECHNIQUE POSE CONSISTE A FOURNIR UN TEL PROCEDE FOURNISSANT UN ASSEMBLAGE QUI NE PUISSE ETRE FACILEMENT SEPARE, ET CECI SANS ENTRAINER DE CARBONISATION. SUIVANT L'INVENTION, ON CHAUFFE LA MATIERE D'INTERFACE A UNE TEMPERATURE DE SOUDAGE PAR FUSION DE FACON A RAMOLLIR LA MATIERE DES PIECES 4, 5 AU NIVEAU DE L'INTERFACE 8, ON IMPRIME A LA MATIERE D'INTERFACE RAMOLLIE UN MOUVEMENT GENERATEUR DE FORCES DE CISAILLEMENT A VITESSE ELEVEE POUR ABAISSER LA VISCOSITE DE LA MATIERE SITUEE EN INTERFACE ET CONTRAINDRE CETTE MATIERE D'INTERFACE A S'ECOULER POUR ETABLIR LE SOUDAGE, ET ON MAINTIENT LES SURFACES D'INTERFACE FERMEMENT AU CONTACT L'UNE DE L'AUTRE PENDANT QU'ELLES SE TROUVENT DANS UN ETAT FLUIDE POUR CREER UNE SOUDURE PAR FUSION. L'UTILISATION PRINCIPALE DE L'INVENTION RESIDE DANS LA REALISATION DE POIRES MEDICALES.

Description

Procédé de soudage par fusion de pièces en matière plastique.

L'invention se rapporte au soudage par fusion

des pièces en matière plastique.

En dehors de l'assemblage des pièces en matière plastique par collage, il est également connu d'assembler des surfaces

en matière plastique, notamment à joint étanche, par un procédé de sou-

dage par fusion. Par exemple, on connaît par le brevet des Etats-Unis

d'Amérique 3 574 312 un procédé de chauffage interne des matières plas-

tiques en vue du soudage dans lequel on soumet des particules discrètes possédant une susceptibilité magnétique qui sont incorporées dans la

matière plastique, à un champ d'induction magnétique à haute fréquence.

Pour le soudage par fusion des surfaces de matière plastique, on doit prendre en considération de nombreux facteurs et processus, y compris la nature des matières plastiques particulières considérées. Dans le

brevet des E.U.A. 3 941 641, on ajoute au chauffage l'action de phéno-

mènes d'agitation ou de vibration de la matière fondue pour améliorer le soudage. On trouve également dans le brevet des E.U.A. 3 925 126 la

description d'une application à la reliure des livres qui comporte l'ac-

tion d'une vibration. Le développement de matières plastiques particu-

lières a posé divers problèmes spéciaux. Par exemple, un élastomère

thermoplastique qui comprend, d'une façon générale, une structure molé-

culaire comportant un double bloc central oléfinique et des blocs termi-

naux styréniques (tel que l'élastomère vendu par Shell Chemical Company sous la marque Kraton G) peut constituer un agent de liaison pour souder

d'autres pièces en matières plastiques dissemblables et non élastomères.

On éprouve de la difficulté à obtenir un soudage par fusion satisfaisant entre deux pièces de cette matière, difficulté qui est apparemment due à la caractéristique moléculaire de la matière. Pour le moulage de cette matière, on applique des procédés démoulage à fort cisaillement parce que la viscosité de la masse fondue est telle, même à la température de fusion, que la matière conserve pratiquement un état solide et ne

s'écoule pas par gravité. Le mouvement engendrant des contraintes de ci-

saillement dans la masse de la matière fait prendre à cette matière un état fluide qui convient pour l'application de procédés de moulage par

injection ainsi que de procédés de moulage par transfert et par extru-

sion. La Shell Chemical Company a publié des documents indiquant que le Kraton G possède une viscosité de l'ordre de 100 000 à 500 000 poises, - 2 - même lorsque cette matière est portée à sa température de fusion normale

ou à une température supérieure. Normalement pour le moulage par injec-

tion, on utilise une machine à vis à mouvement alternatif pour mettre la matière en mouvement et lui imprimer des contraintes de cisaillements qui lui donnent un état suffisamment fluide pour le moulage. L'assemblage d'une telle matière par soudage par fusion dans lequel on porte cette matière à sa température de fusion et on exerce une pression sur l'interface, avec écoulement consécutif de la

matière n'a malheureusement pas engendré un soudage par fusion satisfai-

sant. On peut appeler soudage par fusion satisfaisant ou complet un sou-

dage dans lequel la matière ou les pièces ne se séparent pas par rupture dans le plan initial mais seulement par déchirure le long d'une surface

imprévisible. En fait, le chauffage de la matière à une température suf-

fisante et pendant un temps suffisant pour provoquer par ailleurs le

soudage par fusion peut se traduire par une carbonisation de la matière.

L'absence d'obtention d'un soudage par fusion entre deux pièces d'une même matière élastomère possédant une haute viscosité au point de fusion est aparemment due au fait que la matière ramollie, qui s'écoule ou flue

certes latéralement, ne s'écoule pas avec la caractéristique de cisail-

lement nécessaire, même si elle se trouve soumise à une pression de ser-

rage et même si elle est ramollie à un degré suffisant pour former par ailleurs une réelle soudure par fusion, et l'assemblage peut facilement

être séparé à la main au niveau de l'interface.

L'invention a pour objet un procédé et un appa-

reil pour le soudage par fusion de pièces en matière thermoplastique qui

mettent en oeuvre un mouvement positif de cisaillement imprimé à la ma-

tière ramollie d'interface pour produire un soudage par fusion complet

et réel entre les pièces et, en particulier, entre des pièces qui possé-

dent une structure moléculaire à bloc qui créent une haute viscosité dans la masse fondue à la température de fusion, haute viscosité qui, autrement, s'opposerait à l'écoulement effectif assurant le soudage à la température de fusion. On porte l'interface du joint à la température de fusion et ceci crée un état ramolli et fluide lorsque cette interface est soumise à la pression. Lorsque les pièces se trouvent dans un état ramolli et sont en contact entre elles, on les met en mouvement l'une par rapport à l'autre pour créer positivement un mouvement engendrant

une contrainte de cisaillement dans la matière ramollie d'interface.

Le mouvement des pièces se produit à une vitesse suffisante et sur une distance suffisante pour créer un cisaillement qui provoque l'écoulement 3- de la matière et assurerde cette façon l'obtention d'un soudage par cisaillement-fusion. Lorsqu'on soude entre elles de telles matières plastiques élastomères telles que le Kraton G qui est un polymère bloc, le mouvement spécial engendrant des contraintes de cisaillement et qui est imprimé à l'interface ramollie s'est révélé essentiel et en fait critique pour la création d'un réel soudage par fusion. Toutefois,êtant donné que les matières thermoplastiques présentent généralement une certaine caractéristique de réponse à la contrainte de cisaillement, l'invention peut se révéler utile dans d'autres procédés de soudage des éléments thermoplastiques par fusion. Les polymères blocs tels que le Kraton G de Shell Chemical Company, qui possèdent un bloc central ou médian du type caoutchouc et des blocs terminaux styréniques et le Solprene, matière de la Phillips Petroleum Co, Bartlesville, Oklahoma, E. U.A. qui comporte un bloc médian isoprénique et des blocs terminaux styrèniques ne pouvaient pas étre soudés à eux-mêmes par fusion d'une façon efficace et reproductible avant l'application de l'invention. Le

nécessaire mouvement de cisaillement à l'interface est créé par la rota-

tion relative des deux pièces autour d'un axe sensiblement normal au plan de l'interface. On a constaté qu'un mouvement angulaire d'amplitude notable et de vitesse notable était important pour la création de joints

optima sur une interface possédant une aire étendue. Des éléments de re-

tenue appropriés ou même des unités venues de moulage peuvent confiner

la matière de l'interface de façon à s'opposer à l'écoulement latéral.

Le chauffage peut s'effectuer de la même façon que celui décrit dans les brevets mentionnés plus haut, ou encore, les surfaces opposées de l'interface peuvent être chauffées séparément et

aussitôt superposées et mises en mouvement relatif alors que les surfa-

ces sont suffisamment ramollies pour permettre le mouvement de cisaille-

ment. Les caractéristiques de rétention de la chaleur sont telles qu'on dispose d'un temps suffisant pour permettre de transporter les pièces

d'une source de chaleur à un dispositif approprié de.pression et d'en-

trainement en rotation.

La demanderesse a constaté que le déplacement relatif physique réel des éléments, lorsqu'il est exécuté conformément

à l'invention, crée dans la matière le mouvement générateur des contrain-

tes de cisaillement qui sont nécessaires pour a*ssurer un soudage par fu-

sion très efficace entre deux pièces faites d'une matière possédant une

haute viscosité à son point de fusion telle que l'élastomère thermoplas-

tique particulier constitué par le Kraton G et les matières équivalentes.

- 4 -

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux des-

sins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple - la Fig. 1 est une vue en élévation d'une poire médicale en matière plastique moulée en deux pièces; - la Fig. 2 est une vue éclatée représentant les pièces de la Fig. 1; - la Fig. 3 illustre une phase de chauffage; - la Fig. 4 est une vue de l'appareil destiné à recevoir les pièces de la poire préalablement chauffées, cet appareil étant représenté en position ouverte; - les Fig. 5 et 6 sont des vues de cet appareil;

- la Fig. 7 représente une variante de l'appa-

reil qui comporte des moyens de chauffage à plateau chaud et des moyens de rotation; - la Fig. 8 représente un appareil comportant

des moyens de chauffage par champ d'induction et des moyens de rotation.

Sur les dessins, on a représenté une poire mé-

dicale classique 1 qui comprend un bulbe 2 et une canule 3 d'une seule pièce avec le bulbe. La poire 1 peut être faite d'une matière plastique élastique appropriée, sous la forme d'un ensemble moulé en deux pièces comprenant un dôme extérieur 4 et une base 5 opposée à ce dôme, en forme de cuvette et des deux pièces présentant des collerettes marginales 6 et 7 définissant une interface de joint 8 sur laquelle les pièces doivent être réunies. Les pièces 4 et 5 peuvent être facilement moulées par un procédé classique quelconque. Par exemple, la poire est avantageusement faite d'un élastomère thermoplastique tel que celui produit par Shell Chemical Company sous la marque Kraton G et on trouve dans le bulletin

technique SC: 40-77 de cette Société, une matière particulièrement sa-

tisfaisante qui est le Kraton G 2705. L'assemblage obtenu à l'interface doit conserver son intégrité avec l'utilisation, laquelle comporte la stérilisation à la chaleur et le pressage périodique du bulbe 2. On s'est heurté à des difficultés pour obtenir un assemblage très efficace entre le dôme 4 et la base 5, en particulier lorsque ces éléments sont faits de la matière décrite plus haut. L'invention a constaté que l'on

obtient un soudage par fusion très satisfaisant entre ces surfaces élas-

tomères en chauffant les surfaces 8 à la température de fusion de façon à ramollir la matière d'interface et en imprimant ensuite aux éléments 4 et 5 des mouvements de déplacement physique l'un par rapport à l'autre - 5 -

pour engendrer dans la matière ramollie un mouvement de cisaillement.

Les forces et le mouvement de cisaillement ont pour résultat de donner à la matière d'interface un état fluide et soudable approprié, sous

l'effet duquel, lorsque les éléments sont soumis à la pression de sou-

dage, on peut obtenir un soudage par fusion très efficace. Le mouvement

physique relatif qui est nécessaire pour creer le mouvement de cisail-

lement dans la matière fondue peut être réalisé de n'importe quelle façon désirée. Un procédé particulièrement pratique et unique consiste dans un mouvement physique réel des éléments 4 et 5 l'un par rapport à l'autre, mouvement qui se produit en particulier dans le plan général

de l'interface 8. Diverses formes de réalisation de l'appareil qui en-

gendre ce mouvement seront décrites ci-après à titre indicatif de la

large diversité d'appareils qui peuvent être utilisés.

Sur la Fig. 3, on a représenté un dispositif à plaque chaude classique 10 qui comprend un élément chauffant électrique intérieur 11. La surface supérieure chaude est réalisée sous la forme

d'une surface plane munie d'un revêtement 12 distinct, en Téflon ou au-

tre matière appropriée sur laquelle le Kraton G 2705 constituant la matière plastique de la poire n'adhère pas facilement. Dans la mise en oeuvre pratique de l'invention, ainsi qu'on le décrira plus bas, on a

utilisé un revêtement de 0,127 mm.

On place le dôme 4 et la base 5 de manière que leurs collerettes 6 et 7 soient au contact de la surface 12 et on

chauffe à la température de fusion, à laquelle les éléments se déplace-

raient ou flueraient en réponse à.une pression exercée de haut en bas, et ensuite on place les deux pièces dans l'appareil à souder 13. Bien

que ramollies, les collerettes conservent sensiblement leur forme ini-

tiale en raison de leur structure moléculaire qui surmonte les effets

de la gravité.

L'appareil 13 comprend un bâti porteur 14 muni

d'un support inférieur de dôme 15 et un support supérieur mobile 16 des-

tinés à porter la base. Le support 15 est représenté sous la forme d'un élément cylindrique à l'intérieur duquel est fixé un élément 17 en forme

de cuvette qui présente une surface interne concave sensiblement complé-

mentaire de la configuration du dôme 4. On dispose le dôme 4 dans l'élé-

ment 17 de façon que sa collerette 6 se pose sur la surface supérieure de l'élément 17. La périphérie extérieure du support 15 est creusée de

manière à recevoir une bague de retenue 18 destinée à retenir la colle-

rette 6.

-6- Le support 16 comprend un élément intérieur 19 profilé et percé d'une ouverture centrale 20. La base 5-épouse la forme

de l'élément 19, la canule 3 faisant saillie à travers l'ouverture 20.

Le support 16 est mobile et peut être assemblé à la base 16 avant, pen-

dant ou après le chauffage de cette base. Le support 16 est représenté

couplé à la base pendant le chauffage, l'ensemble de la base et du sup-

port étant ensuite amené à la position représentée sur les Fig. 4 et 5.

La nature élastique de l'élément 5 est telle que cet élément soit retenu

sans jeu dans le support 16 quelle que soit la position de ce dernier.

L'appareil représenté comprend une barre ou un élément de serrage 21 monté pour coulisser verticalement. Un vérin pneumatique 22 applique une force de serrage à la face supérieure du support 16 pour appliquer les collerettes 6 et 7 à force l'une contre l'autre, avec une contrainte prédéterminée qui permet d'imprimer une rotation relative aux éléments

4 et 5.

Le support 16 possède un diamètre inférieur cor-

respondant à celui de la collerette 7 et il s'emmanche téléscopiquement

dans la bague de retenue 18.

L'appareil est équipé d'un mécanisme de rotation

approprié. Dans l'exemple représenté sur -la Fig. 4, ce mécanisme com-

prend un vérin pneumatique 23 à piston et cylindre agissant dans la di-

rection horizontale et dont la tige de piston 23a peut se mettre en ex-

tension vers l'extérieur. La tige de piston 23a porte une bague termi-

nale 24a placée dans son alignement et qui s'accouple à une tige 24 solidaire du support 16. La mise en action du vérin 23 fait tourner l'élément supérieur de l'appareil autour de l'axe vertical des pièces 4

et 5. La rotation simple unidirectionnelle peut éventuellement être rem-

placée par un mouvement oscillatoire rapide réalisé à l'interface par

une mise en action appropriée du vérin.

Le fonctionnement est le suivant On chauffe les pièces 4 et 5 et on les met en place manuellement, le dôme 4 dans le support 15 et la base 5 dans le support 16. On repousse le support 16 à force vers le bas pour serrer

solidement les collerettes 6 et 7 l'une sur l'autre au niveau de l'inter-

face 8. On fait tourner l'élément 16 en rotation rapide sur un mouvement angulaire choisi, ce qui fait tourner la base 5 par rapport au dôme 4 et crée un important cisaillement dans la matière ramollie d'interface. La

matière ramollie semble, du moins au début, se comporter comme un lubri-

fiant qui facilite la rotation de l'une des pièces par rapport à l'autre.

- 7 - Dans la pratique réelle, la demanderesse a utilisé un appareil 14 à supports supérieur et inférieur, analogue à celui représenté et dans lequel la pression était appliquée manuellement et on faisait tourner

l'élément supérieur manuellement avec des amplitudes angulaires diver-

ses. Les tableaux donnés ci-après indiquent des exemples de résultats obtenus. La demanderesse a constaté qu'un petit angle,de seulement-200,

a amélioré considérablement le soudage et, ainsi qu'on le décrira ci-

après permet d'obtenir un.soudage par fusion entièrement réalisé sur toute la surface d'interface. Quelle que soit son amplitude angulaire, toute rotation, pourvu qu'elle soit exécutée à une vitesse appropriée et avec les paramètres appropriés, introduit un mouvement de cisaille-'

ment dans la matière d'interface, mais il semble que l'obtention de ré-

sultats pratiques exige une amplitude de mouvement d'au moins 100. On a constaté qu'une amplitude de mouvement comprise entre 200 et 1200

donne des résultats extrêmement satisfaisants bien que l'on puisse ac-

cepter une rotation d'une amplitude notablement supérieure. De même, la vitesse de rotation n'est pas critique. En général, on a contrôlé la rotation manuelle en exécutant la rotation sur certaines parties du cycle de chauffage. Une vitesse de rotation de l'ordre de 30 en une demiseconde, ou de dix tours par minute, s'est révélée être efficace

et devrait en général satisfaire aux spécifications pratiques de la fa-

brication industrielle.

Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, le mouvement engendré à l'interface se traduit par une caractéristique d'écoulement déterminant le soudage et, si l'on applique une pression appropriée dans l'appareil, ce mouvement peut entraîner un déplacement latéral de la matière ramollie. La bague 18, étant emmanchée téléscopiquement sur les extrémités opposées du support inférieur 15 et du support supérieur 16, confine la matière des collerettes 6 et 7 et conserve à ces collerettes

une surface externe lisse d'un aspect fini.

Si l'extrusion de la matière vers l'intérieur est inadmissible, pour une raison quelconque, on peut munir la surface interne de l'une ou chacune des pièces 4 et/ou 5 d'un écran intérieur ou autre élément de retenue intérieur. Cette structure peut exiger l'utilisation d'une plaque chauffante spéciale qui évite l'échauffement d'un tel écran, cette plaque chauffante spéciale pouvant naturellement

être facilement réalisée.

- 8 - La forme de réalisation de l'invention qui a été choisie et décrite ci-dessus illustre divers aspects de l'invention qui se sont révélés mériter considération et, en particulier, elle illustre le

mouvement de rotation unique appliqué dans la matière ramollie d'inter-

face et cette forme de réalisation illustre au moins un mode d'applica-

tion pratique de l'invention. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, l'in-

vention est largement applicable au soudage de toutes les matières plastiques. La Fig. 7 représente une variante de réalisation dans laquelle les éléments correspondant à ceux de la première forme de réalisation sont désignés par des références correspondantes. Les pièces 4 et 5 non chauffées sont représentées placées dans leurs supports 15 et 16

tandis qu'une unité de chauffage séparée 25 est montée mobile pour ve-

nir se placer dans le dispositif.

L'unité de chauffage 25 est constituée par une plaque ou un plateau chauffant à deux faces. On rapproche les supports 15 et 16 pour serrer les éléments 4.et 5 sur les faces opposées de l'unité de chauffage 25. Ensuite, on ouvre le dispositif, on écarte l'unité 25 et on referme le dispositif pour établir une pression de serrage de l'interface 8, puis on fait tourner le support 16. Toutefois, on peut imprimer un mouvement vertical aux éléments au niveau de l'interface pour provoquer des mouvements continuels de-compression et de détente

des matières ramollies afin de développer d'autres mouvements de cisail-

lement, ou utiliser> un mouvement combiné.

La source de la force de déplacement vertical peut généralement

être analogue à celle qui est décrite dans le brevet 3 925 126 précité.

En variante, la plaque de serrage 21 peut être fixée au support 16 et mise en action pour déplacer physiquement le support 16 et la pièce 5 à souder qui est connectée à ce support. La matière fondue ou ramollie 8 d'interface est ainsi soumise à des effets alternés de compression et d'extension,de sorte que l'on crée, dans cette matière d'interface, des mouvements de cisaillement. Le mouvement suivant l'invention ne crée pas de quantité notable de chaleur et il est nettement différent des mouvements engendrés dans diverses formes de soudage par vibration et autres procédés dans lesquels on engendre un mouvement pour créer de la chaleur.

On peut également utiliser le chauffage par induction magnéti-

que à haute fréquence, comme dans les brevets précités. Sur la Fig. 8, on utilise une bobine d'induction magnétique à haute fréquence 27lfixée - 9 -

au support 15 et qui encercle l'interface des éléments lorsque l'appa-

reil 13 est fermé. La bobine 27 est connectée à une source de courant

à haute fréquence appropriée 28.

Sur la Fig. 8, un agent ou élément de soudage par fusion séparé 29,fait du même type de matière que les pièces 4 et 5, est représenté placé entre les collerettes 6 et 7. L'agent de soudage 29 est chargé de particules 30, uniformément dispersées,qui sont choisies spécialement pour répondre au champ d'énergie établi par la bobine 27 et engendrer de la chaleur (c'està-dire des particules possédant une susceptibilité magnétique). Naturellement, ces particules peuvent être dispersées dans toute la masse de l'une ou de chacune des collerettes 6 et 7. Un

dispositif de chauffage par induction magnétique particulièrement sa-

tisfaisant est décrit et représenté dans le brevet 3 574 312 précité.

Les particules 30 sont donc de préférence choisies dans la classe des

oxydes de fer composée du Fe304 et du Fe203 gamma. Ainsi qu'on l'a dé-

crit dans la documentation antérieure, la source 28 travaille de pré-

férence dans la gamme allant de 2 à 7 MHz.

Dans la forme de réalisation utilisant des particules à sus-

ceptibilité magnétique, qui est indiquée dans le tableau I ci-après, l'élément de soudage 29, qui est représenté sur les dessins avec une épaisseur sensiblement supérieure à celle qu'on utilise en général,

pour la clarté du dessin, était chargé de 20 % de Fe203 gamma. On uti-

lisait une pression pneumatique de 0,7 à 0,84 kg/cm2 pbur fermer l'ap-

pareil, cette pression engendrant une force d'environ 16 à 18 kg sur la zone de soudage. La surface de la zone de soudage est d'environ 6,5 cm2. La source de haute fréquence 28 a été excitée pendant des

périodes de différentes durées, généralement de l'ordre de 3 à 5 se-

condes, dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, pour chauffer l'élément de soudage 29 et, par conduction thermique, les collerettes

6 et 7 adjacentes, et les porter à la température désirée, en ramolis-

sant ainsi l'élément de soudage 29 et les surface adjacentes. On a fait tourner le support supérieur 16 par rapport au support inférieur 15

avec une amplitude angulaire variant dans la plage allant de 20 à 90 .

Les éléments 4 et 5 ont été moulés et soudés sans soumettre leur sur-

face à aucun traitement-spécial tel que, par exemple le lavage, le

sablage ou équivalent. Ainsi qu'on le montre dans le tableau I ci-

dessous, on a obtenu de très excellentes soudures en appliquant l'in-

vention, alors qu'en l'absence de l'application de l'invention, on n'a

jamais obtenu de soudure.

TABLEAU I

Soudage par cisaillement-fusion à haute fréquence de pièces en matières plastiques à haute viscosité à l'état fondues.

Agent de soudage comprenant 20 % de particules d'oxyde de fer Fe203 gamma Dimensions des particules: inférieures à 20 microns Substrat: Kraton G 2705 dans tous les cas Dimension du substrat: diamètre 57,15 mm collerettes: largeur 175 mm, épaisseur 1,75 mm Fréquence: 3,3 MHz

Nu- Bobine Chauffe Rotation Compres-

mé- Agent de (inten- (secon- approxim. sion Commentaires Soudure ro soudage sité) des) (degrés) (..(kq) Kraton G 2705 500

" " " 500

" " " 450

I" " " 500

" " " 500

Kraton G 1652 450 Kraton G,2705 500 Kraton G 1650 500 l" " "Il 500 Kraton G 2705 450 i" " " 450 Kraton G 1652 450 l" " " 500 Kraton G 2705 400

"" " 400

" " " 400

"" " 400

I" " " 400

"" " 400

1/2 1/2 1/2 1/2 1/2

0 15,9

-30 15,9

-30 20,4

-50 15,9

0 15,9

-50 15,9

-30 1/2 15,9

0 15,9

-30 1/2 15,9

-30 15,9

-50 15,9

environ.60 15,9

0 15,9

-30 15,9

-50 15,9

0 15,9

-50 15,9

Très bonne soudure Sur presque toute la surface de la soudure Rotation pendant tout le cycle de chauffe Rotation limitée à la dernière demiseconde Rotation limitée à la dernière demi-seconde Sur presque toute la surface de la soudure Agent de soudage carbonisé Pas assez chaude Rotation plus rapide que dans 14 Rotation limitée aux deux dernières secondes Rotation limitée aux deux dernières secondes Rotation limitée à la dernière seconde Nulle Bonne à excellente Excellente Excellente Nulle Bonne Excellente Nulle Excellente Excellente Excellente Excellente Nulle Médiocre Bonne à médiocre Excellente Nulle Excellente (tous essais) 19-21 j-. e c ro no en w

- 11 -

On a obtenu des résultats analogues en mettant l'invention en oeuvre à l'aide d'un dispositif de chauffage à plateau chaud tel que

celui représenté schématiquement sur la Fig. 3. Le tableau II, ci-

dessous, indique des exemples types de résultats.

TABLEAU II

Soudage d'éléments en matière plastique Kraton G 2705

avec fusion-cisaillement et chauffage par plateaux chauds.

Numé- Réglage Temps de Rotation Force de

ro de de tem- séjour relative compres-

l'é- pérature sur la 'des sion sur Soudure

chan- du pla- surface supports les sur-

til- teau chaude (degrés) faces à Ion chaud (secondes) souder (OC) (kg) 22 288 20-25 20-30 11,3-13,6 Excellente 23 288 20-25 0 11,3-13,6 Nulle 24 288 20-25 20-30. 11,3-13,6 Excellente Sur les tableaux, on a qualifié la soudure d'excellente, bonne,

médiocre ou nulle. Les soudures ont été séparées manuellement par dé-

clenchement d'une déchirure ou d'un point de séparation situé en gé-

néral au milieu de la soudure finale et on a inspecté visuellement en donnant les appréciations suivantes: une excellente soudure est celle dans laquelle les pièces ont fondu pour former une seule masse d'un

seul tenant sur toute la surface d'interface et dans laquelle la sépa-

ration n'a pas suivi l'interface initiale ni aucune autre interface

déterminée. Dans une soudure excellente, la rupture présente une aI-.

lure aléatoire dans la région du soudage par fusion. Une bonne sou-

dure est entièrement analogue à une excellente soudure sauf que, dans certaines régions, la rupture et la séparation se sont produites le long de l'interface initiale entre les deux pièces. Une soudure mé-

diocre est celle dans laquelle la rupture et la séparation sont à peu

près totalement situées à l'interface et dans laquelle les colleret-

tes sont sensiblement séparées et entières. La qualification de nulle s'applique aux soudures dans lesquelles il n'existait pratiquement

pas de liaison entre les collerettes.

*- 12 -

On voit donc que, même avec une rotation de 200, on a obtenu

un soudage des collerettes par fusion à l'interface entièrement réa-

lisé. Les exemples de mise en oeuvre de l'invention indiqués par les tableaux ont été réalisés en utilisant une inspection visuelle de la région de la soudure pour déterminer si on a créé une interface ramol-

lie et en utilisant des sources d'énergie thermique facilement dispo-

nibles. Une installation de fabrication utiliserait divers dispositifs et moyens permettant d'augmenter la vitesse de ramollissement. Par exemple, l'énergie est de préférence transmise à l'élément en matière

plastique à l'aide de moyens de concentration et dé renforcement ap-

propriés tels que ceux décrits dans le brevet des E.U.A. 3 462 436. Un

tel appareil, en combinaison avec une source de haute intensité,per-

mettrait de chauffer les pièces en matière plastique en un cycle de chauffe plus pratique et normal pour une installation de fabrication industrielle, de l'ordre de 3/4 de seconde, avec la rotation réalisée pendant la dernière demi-seconde. Des poires fabriquées avec un tel cycle ont résisté à des essais comportant des chauffes et pressions cycliques de la poire, ce qui est indicatif d'un soudage efficace

et d'une durée de vie répondant au cahier des charges de l'industrie.

Les résultats énumérés aux tableaux montrent que les valeurs des divers paramètres ne--sontzpas critiques. C'est ainsi que, bien

que la pièce en matière thermoplastique doive être notablement ramol-

lie, l'opération n'exige pas une température de fusion particulière.

De même, il est nécessaire d'imprimer aux pièces une rotation impor-

tante pendant que ces pièces sont à l'état ramolli mais l'amplitude

angulaire de la rotation et la vitesse de cette rotation peuvent va-

rier dans un large intervalle. Ces paramètres, qui peuvent également varier avec la nature de la matière plastique particulière utilisée

peuvent être facilement déterminés pour une séquence préférée ou opti-

male pour la pièce de matière thermoplastique particulière à souder

et l'appareillage nécessaire pour l'exécution de l'invention ne répré-

sente que de simples appareils basés sur les indications données plus haut. Pendant la mise en oeuvre de l'invention, la matière 8 de l'interface, sauf si elle est retenue, s'extrude sous l'effet de la

force de serrage. Par exemple, dans les formes de réalisation repré-

sentées, la matière ramollie se déplace latéralement de la région de la soudure vers l'intérieur du bulbe 2. L'élimination de la matière excédentaire qui est indiquée plus haut peut modifier les dimensions

- 13 -

du produit et exercer d'autres effets défavorables. La demanderesse a

constaté que l'on peut obtenir un procédé de soudage entièrement sa-

tisfaisant sans aucun écoulement latéral en appliquant le mouvement de cisaillement uniquement pendant la partie terminale du cycle de 5. chauffe ou même immédiatement après-le cycle de chauffe. Par exemple, le chauffage peut être interrompu dans la demi-seconde qui suit le début du mouvement de force de cisaillement imprimé aux pièces de matière plastique. Naturellement, ceci est également important dans les

procédés de fabrication réels dans lesquels il est souhaitable de ré-

duire autant que possible la durée du cycle de chauffe afin de conser-

ver une cadence de production élevée. Par ailleurs, la rotation créant le mouvement de force de cisaillement de la matière est responsable de

l'état d'écoulement. Par conséquent, si l'on réduit à un minimum la pé-

riode du mouvement de force de cisaillement, l'état fluide est réduit à un minimum et l'écoulement latéral ou d'extrusion est également réduit en conséquence. C'est ainsi que, par exemple, si le temps de rotation est limité à une période d'environ une demi-seconde, située à la fin du cycle de chauffe, l'extrusion est réduite à un minimum. Par ailleurs, en limitant la force de serrage au minimum nécessaire pour obtenir une soudure appropriée, on réduit également à un minimum l'amplitude du mouvement latéral de la matière ramollie d'interface. Ainsi qu'on l'a décrit plus haut, l'invention a été mise en oeuvre dans le processus de soudage de deux pièces faites d'une matière thermoplastique polymère

bloc et en particulier de pièces faites de Kraton G, qui est un poly-

mère bloc comprenant un bloc médian oléfinique saturé du type caout-

chouc et des blocs terminaux polystyréniques. Toutefois, d'autres élastomères thermoplastiques possèdent une structure moléculaire à

blocs comprenant un bloc central du type caoutchouc et des blocs termi-

naux styréniques et l'invention peut être considérée comme essentielle pour le soudage de telles matières par fusion, matières qui forment de

cette façon une classe unique à laquelle l'invention est applicable.

Toutefois, étant donné que les matières thermoplastiques présentent généralement une certaine caractéristique d'écoulement avec contrainte de cisaillement, l'invention peut avantageusement être appliquée à la technique de soudage des pièces thermoplastiques par fusion. Bien qu'il

ne soit pas possible de donner une conclusion définitive en ce qui con-

cerne le mécanisme responsable du perfectionnement suivant l'invention, il semble que l'explication a posteriori consiste en ce que les blocs terminaux styréniques, qui doivent assurer vraisemblablement la liaison

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ne sont pas considérablement alignés lorsqu'on les met simplement en

contact et qu'on les soumet à un écoulement sous compression. Au con-

traire, lorsqu'on crée une prise notable et un mouvement de cisaille-

ment soudant, les blocs terminaux styréniques entrent en prise et créent le soudage voulu par fusion directe de l'une des pièces avec l'autre.

L'explication donnée ci-dessus paraît compatible avec la structure molé-

culaire des matières mais elle n'est donnée que pour permettre de pren-

dre en considération les divers paramètres qu'il peut être important d'adopter pour l'application du procédé et l'utilisation de l'appareil

suivant l'invention.

La demanderesse a donc constaté qu'un soudage sans cisaillement se traduit par la production d'un article qui présente une liaison ou un

assemblage par fusion pratiquement nul entre les deux surfaces. Au con-

traite, un soudage réalisé avec.mouvement de cisaillement dans la ma-

tière d'interface se traduit par la formation d'un soudage par fusion solide et formant une interface sensiblement dépourvue de solution de continuité, les pièces soudées ne pouvant alors être séparées l'une de

l'autre que par la destruction des substrats assemblés.

L'invention apporte donc une amélioration très importante du

procédé de soudage par fusion de deux pièces faites de matières plasti-

ques analogues et en particulier de pièces faites d'une matière plasti-

que dont la structure moléculaire lui confère une haute viscosité à l'état fondu, telle que les matières dont la structure comporte deux blocs centraux oléfiniques et des blocs terminaux styréniques, comme le

Kraton G 2705 et équivalents.

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Claims

REVENDICATIONS

1 ) - Procédé pour souder par fusion des piè-

ces de matière plastique sur des surfaces d'interface étendues, carac-

térisé en ce qu'on chauffe la matière d'interface à une température de soudage par fusion de façon à ramollir la matière des pièces (4, 5) au niveau de l'interface (8), on imprime à la matière d'interface ramollie un mouvement générateur de forces de cisaillement à vitesse élevée pour abaisser la viscosité de la matière située à l'interface et contraindre cette matière d'interface à s'écouler pour établir le soudage, et on maintient les surfaces d'interface fermement au contact l'une de l'autre pendant qu'elles se trouvent dans un état fluide pour créer une soudure

par fusion.

2 ) - Procédé suivant la revendication 1, carac-

térisé en ce que, pour imprimer à la matière d'interface un mouvement générateur de forces de cisaillement, on fait tourner les pièces l'une

par rapport à l'autre.

) - Procédé suivant la revendication 2, carac-

térisé en ce qu'on fait tourner les pièces d'un angle d'au moins 100.

4 ) - Procédé suivant la revendication 2, carac-

térisé en ce qu'on fait tourner les pièces d'un angle compris entre 10

et 1200.

) - Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que, pour soumettre la matière d'interface à une force de cisaillement, on rapproche et on éloigne matériellement les pièces l'une

de l'autre.

6 ) - Procédé suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 5, caractérisé en ce que, pour chauffer les surfaces d'interface, on chauffe séparément chacune de ces surfaces et, ensuite,

on met ces surfaces au contact l'une de l'autre et on imprime un mouve-

ment aux pièces pour imprimer le mouvement générateur de forces de ci-

saillement à la matière d'interface ramollie.

7 ) - Procédé suivant l'une quelconque des re-

vendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on met les surfaces d'interface

en contact pendant la phase de chauffage.

) - Procédé suivant la revendication 7, carac-

térisé en ce que, pour la phase de chauffage, on disperse des particules

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génératrices de chaleur dans toute la masse de l'une des pièces et on

applique à cette pièce un champ d'énergie à haute fréquence.

) - Procédé suivant la revendication 8, carac-

térisé en ce que lesdites particules sont choisies parmi le Fe304 et le Fe203 gamma. ) - Procédé pour souder par fusion des pièces de matières plastiques le long d'une interface, dans lequel on porte l'interface à une température appropriée pour-ramollir les surfaces de l'interface, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on met les pièces en mouvement relatif rapide l'une par rapport à l'autre alors que les surfaces ramollies sont en contact entre elles, pour créer un mouvement

engendrant des contraintes de cisaillement dans la matière ramollie.

) - Procédé pour souder par fusion, sur des surfaces d'interface étendues, des pièces en matières plastiques de même nature possédant une haute viscosité à l'état fondu, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on porte la matière d'interface à une température appropriée pour le soudage par fusion et, de cette façon, on ramollit la matière de l'interface, on maintient les surfaces d'interface fermement

au contact l'une de l'autre lorsqu'elles sont à l'état ramolli, on sou-

met la matière ramollie d'interface à un mouvement engendrant des forces de cisaillement à vitesse élevée pendant que lesdites surfaces sont au contact l'une de l'autre, afin d'abaisser la viscosité de la matière d'interface et de contraindre cette matière d'interface à s'écouler pour

se souder, et on refroidit l'interface pour créer une soudure par fusion.

120) - Procédé suivant la revendication 11, ca-

ractérisé en ce que, lorsque la mati.ère d'interface s'écoule latérale-

ment à cette interface, on interrompt le chauffage de la matière d'inter-

face en temps voulu par rapport à l'écoulement latéral de cette matière

pour réduire cet écoulement.

130) - Procédé suivant l'une quelconque des re-

vendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'on intercale un élément de soudage fait de là même matière que lesdites pièces en matière plastique, cet élément comprenant des particules qui sont sensibles à un champ

d'énergie en dégageant de la chaleur, ladite opération de chauffage com-

portant la création dudit champ d'énergie.

) - Procédé suivant la revendication 13, ca-

ractérisé en ce que lesdites particules sont dispersées sensiblement uni-

formément.

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) - Procédé suivant l'une quelconque des

revendications 13 et 14, caractérisé en ce qu'on supprime le champ

d'énergie à un moment voulu par rapport à l'opération d'impression à la

matière d'interface, d'un mouvement engendrant des forces de cisaille-

ment.

) - Procédé suivant la revendication 11, ca-

ractérisé en ce que lesdites pièces sont faites d'un polymère élastomère possédant une structure moléculaire qui crée une haute viscosité à toutes les températures inférieures à une température de carbonisation,

ce qui évite l'écoulement par gravité résultant du seul chauffage.

17 ) - Procédé pour souder par fusion des pièces faites d'une matière élastomère thermoplastique composée de polymères

blocs qui comprennent des blocs centraux et des blocs terminaux, les-

dites pièces présentant des surfaces d'interface opposées, le procédé

étant caractérisé en ce qu'on applique de la chaleur à chacune des sur-

face d'interface pour porter leur température au niveau du point de fu-

sion et on ramollit de cette façon les surfaces d'interface, on monte

les pièces de manière que lesdites surfaces soient en contact l'une.

avec l'autre; on exerce une pression de serrage entre les surfaces d'in-

terface et on fait tourner les pièces l'une par rapport à l'autre autour

d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'interface, à une vitesse suf-

fisamment grande, en combinaison avec la force de serrage appliquée, pour créer un mouvement engendrant des-forces de cisaillement dans les surfaces d'interface ramollies et pour créer de cette façon dans les surfaces ramollies un écoulement de soudage qui crée une fusion complète

des surfaces d'interface.

18 ) - Procédé suivant la revendication 17, ca-

ractérisé en ce qu'on chauffe simultanément les surfaces d'interface pen-

dant une période de l'ordre de la seconde, pendant que les surfaces sont en contact de butée et on provoque la rotation des pièces après le début

de la dernière période d'une demi-seconde du cycle de chauffage.

) - Procédé suivant la revendication 18, ca-

ractérisé en ce que la phase de rotation des pièces est exécutée pendant

la dernière demi-seconde de la période de chauffage.

200) - Procédé suivant l'une quelconque des re-

vendications 18 et 19, caractérisé en ce qu'on fait tourner la pièce

d'un angle d'au moins 100.

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21 ) - Procédé suivant la revendication 20, ca-

ractérisé en ce qu'on fait tourner la pièce d'un angle compris entre 10.

et 120 .

220) - Procédé suivant la revendication 17, ca-

ractérisé en ce que le chauffage des surfaces d'interface est exécuté séparément et individuellement et en ce que le montage des pièces est

exécuté immédiatement après l'exécution de ce chauffage.

23 ) - Procédé suivant la revendication 22, ca-

ractérisé en ce que, pour la phase de chauffage, on place les pièces sur un plateau chauffant, les surfaces d'interface étant en contact

avec ce plateau.

24 ) - Procédé de soudage de pièces faites d'une matière plastique dont la structure moléculaire comprend des blocs centraux oléfiniques et des blocs terminaux styréniques, suivant des surfaces d'assemblage d'interface planes et étendues, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on chauffe séparément les surfaces de jonction pour

ramollir ces surfaces, on met les surfaces de jonction ramollies en con-

tact l'une avec l'autre sous pression et on fait tourner les pièces

l'une par rapport à l'autre autour d'un axe sensiblement normal aux sur-

faces de jonction pour engendrer dans ces surfaces de jonction ramollies des forces de cisaillement et, de cette façon, provoquer un écoulement

de la matière ramollie.

250) - Procédé suivant la revendication 24, ca-

ractérisé en ce qu'on fait tourner les pièces d'un angle d'environ 10 .

26 ) - Procédé suivant la revendication 24, ca-

ractérisé en ce qu'on fait tourner les pièces d'un angle compris entre

et 1200.

270) - Procédé suivant la revendication 24, ca-

ractérisé en ce qu'on confine les bords libres des surfaces destinées à

être soudées pour limiter le déplacement latéral des surfaces de jonc-

tion ramollies.

28 ) - Procédé de soudage par fusion de pièces en matière plastique, caractérisé en ce qu'on introduit des particules

sensibles à l'interface d'au moins l'une des pièces en matière plasti-

que, on soumet ces particules à un champ magnétique à haute fréquence

pour dégager de la chaleur dans ces particules et, de cette façon, ra-

mollir les surfaces d'interface desdites pièces, et on engendre un mou-

vement relatif entre lesdites pièces en matière plastique pendant que

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les surfaces d'interface sont ramollies, pour réduire la viscosité de la matière d'interface et,de cette façon, créer une soudure par fusion

entre les surfaces d'interface.

290) - Procédé suivant la revendication 28, ca-

ractérisé en-ce que la dernière phase n'est déclenchée que pendant la partie terminale de la phase consistant à soumettre les particules à

l'action du champ magnétique.

300) - Procédé suivant la revendication 28, ca-

ractérisé en ce que ladite dernière phase n'est réalisée qu'après la fin de la phase consistant à soumettre les particules à l'action du

champ magnétique.

310) - Procédé suivant l'une quelconque des re-

vendications 28 à 30, caractérisé en ce que lesdites particules sont

choisies parmi le Fe304 et le Fé203 gamma.

320) - Procédé de soudage par fusion de deux

pièces en matière plastique autoporteuses alignées de manière à présen-

ter des parois périphériques communes, lesdites pièces se soudant sui-

vant une surface d'interface étendue, qui s'étend vers l'intérieur à partir desdites parois périphériques, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on porte la matière d'interface à une témpérature de soudage par

fusion, au moyen d'une source d'énergie thermique séparée, indépendam-

ment du mouvement des pièces et, de cette façon, on ramollit la matière

d'interface desdites pièces en matière plastique, on maintient les sur-

faces d'interface en contact ferme, l'une avec l'autre, pendant qu'elles sont à l'état ramolli, on déplace les pièces pour accroître le contact de compression sur l'interface de soudure et, de cette façon, on soumet la matière ramollie d'interface à une compression et on lui imprime

par ce moyen un mouvement engendrant des forces de cisaillement à vi-

tesse élevée,cependant que les surfaces ramollies séparément restent

constamment en contact pour abaisser la viscosité de la matière d'inter-

face et provoquer un écoulement de la matière d'interface permettant le soudage et, ensuite, on refroidit l'interface pour obtenir une soudure

par fusion.