Adresses ressources sur les techniques de soudure des...

Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques

ADRESSES RESSOURCES SUR LES TECHNIQUES DE SOUDURE DES THERMOPLASTIQUES

Ce document donne des adresses aux élèves pour pouvoir approfondir certaines parties du cours ou résoudre des problèmes particuliers.

1)Livres techniques traitant le sujet Livre Maison d'édition Auteur Lieu de lecture

possible Remarques sur la qualité

Précis de matière plastiques P:183 à 186

Nathan Afnor JP Trotignon J. Verdu M. Piperaud

C.D.I du lycée J.P Toutes les techniques sont présentées de façon synthétique

Techniques de l’ingénieur Volume AM4 page A3755

Techniques de l’ingénieur

C.D.I du lycée J.P Bibliothèque St Charles

Description très succincte des techniques de soudure, il manque la vibration

assemblage par ultrason de pièce moulée en matière thermoplastique

ZVEI Stresemannallee 19 6000FranKfurt M70/RFA

Fédération des industries électriques et électroniques allemandes

C.D.I du Lycée Cours complet sur la soudure ultrason des thermoplastiques

Techniques d'assemblage des pièces thermoplastiques

Branson 1/3 rue des Pyrénées silic 404 94573 Rungis

documentation Michelle Cuculière

C.D.I du Lycée Présentation et mise en situation de toutes les techniques de soudage des pièces plastiques

Documentation et CD Peugeot HDI

Peugeot Dossier ressource Service relation clientèle 0134335050

2)Fabriquant de machines à souder les thermoplastiques Nom du fabriquant Adresse Téléphone

Fax Nom d'un interlocuteur Spécialité

FTI NECASONIC Siège: Rue de deux Montagnes BP 218 74105 Annemasse

Tel: 04 50 87 73 00 Fax: 04 50 37 31 47

Mr Di Manno Ultrason, vibration, Lame chauffante

BRANSON Direction commerciale 1/3 rue des Pyrénées silic 404 94573 Rungis

Tel:014180 25 50 Fax: 0146878729

documentation Michelle Cuculière Vibration Mr Robert charles

Ultrason, vibration, Lame chauffante

DUKANE Ultrasonic Intersonic 2 Avenue Gorge Clémenceau 01100 Oyonnax

Tel: 0474730101 Fax: 0474730284

Soudure ultra son

RINCO ultrasonics Parc des Bellevues avenue du gros chêne 95610Eragny sur oise

Tel : 0134219449 Fax : 0130377322

Didier Baudoin Soudure ultra son

SONIMAT ultrason 27 rue Saint Exupéry 86140 LENCLOITRE

tel : 0549194222 Sébastien Charron Soudure ultra son

OTALU ZI de l'Albane Route d'Apremont BP 68 73493 La Rivoire

Tel : 04 79 96 70 00 Fax: 04 79 96 70 00

Fabrication d'insert taraudés pour pose thermique ou ultrason

3)Liste d'entreprises de la région réalisant des soudures de thermoplastiques: Entreprise Adresse Technique de soudure utilisée et

Nbr de machine Type de pièces soudées

Plastiques ERVAF route de richerenches BP24 84603 Valreas

Ultrason: 12, vibration:3, lame chaude: 1, machines spéciales

Automobile: Cartérisation moteur, admission d'air, vases d’expansion

Mecaplast 4 et 6, av. prince Héréditaire Albert BP689 98014 Monaco

Ultrason: , vibration:, lame chaude: , machines spéciales

Automobile: cartérisation moteur, admission d'air, vases

Indiplast Soudure haute fréquence et lame chaude

Soudage de tissus plastiques


MISE EN SITUATION DU COURS

1) Présentation des techniques d’assemblage des pièces thermoplastiques :

APPORT DE CHALEUR

Clipsage indémontable

Emmanchement à force

Collage

Rabattage

Rivetage

Soudage

Assemblages indémontables

Clipsage indémontable

Vis + insert métallique

Vis

Assemblages démontables

* Les techniques soulignées seronttraitées dans le cours de technologiesur le soudage des thermoplastiques.Les autres techniques serontuniquement traitées dans le cours deconstruction.

2) Les techniques de soudure des thermoplastiques :

Définition d’après la norme DIN1910/3 : Le soudage est l’assemblage de pièces en thermoplastique par combinaison d’une pression et d’une source de chaleur avec ou sans matière d’apport. Classification :

ELECTRIQUE

FRO

PAR ELEMENT CHAUFFANT

ROTATION

V

LINEA

PAR TTEMENT

F ULTRASON

IBRATION

ORBITALE IRE

HAUTE REQUENCE

PROPAGATION PAR CONTACT

INDUCTION

PROPAGATION PAR RAYONNEMENT


LE SOUDAGE PAR ULTRASONS

La soudure ultrasons représente 75% des techniques de soudure utilisée en grande série pour souder des pièces techniques thermoplastiques 1) Principe :

Le principe du soudage par ultrasons repose sur la transformation d'une énergie vibratoire en une énergie thermique, qui est utilisée pour la fusion locale des pièces à assembler. Le convertisseur transforme le courant alternatif haute fréquence (20 à 50 Khz) en vibrations mécaniques, qui sont transmises par la sonotrode au directeur d'énergie de l'une des pièces à assembler. L'énergie vibratoire doit être concentrée en ce point et porter la matière plastique à sa température de fusion exactement à l'endroit du plan de joint. Remarque: les sonotrodes étant exposées à de fortes sollicitations, elles sont réalisées en titane ou en alliages d'aluminium très résistants. Les pièces à assembler sont positionnées l'une contre l'autre avec la pression de soudage nécessaire (course limitée par un dispositif mécanique). La pression d'assemblage est réglable en continu. 2) Paramètres pouvant être réglés sur les appareils pour améliorer la qualité des soudures : * amplitude (demi-oscillation) ; * pression d'assemblage ; * durée de soudage ; * durée de maintien (temps de refroidissement).

L'amplitude peut être modifiée de façon importante en jouant sur la forme du booster et de la sonotrode. Le booster et la sonotrode doivent être ainsi adaptés au matériau et à la forme de la pièce (transformation d'amplitude). La sonotrode et le booster sont en général fabriqués par les fabricants de machines à ultrasons. 3) Description de l’unité acoustique : L'unité acoustique comprend le convertisseur, le booster et la sonotrode. Le transducteur ou générateur de fréquences : le générateur transforme

la fréquence de l’alimentation électrique en une vibration mécaniqueverticale. Fréquence de 20 à 50 Khz , amplitude (1/2 oscillation) de 4 µ à 10 µ,puissance de 400W à 4KW.

l

L D

d

Le booster ou amplificateur : l’amplificateur mécanique transmet l’énergie vibratoire mécaniqueà la sonotrode et amplifie l’amplitude d’oscillation fournie par le transducteur en une valeurnécessaire à la sonotrode. Amplitude sonotrode = amplitude du générateur x (D2 x L / d2 x l) L’amplitude de la sonotrode est de 20 à 80 µ.

La sonotrode transmet l’énergie vibratoire et la force de pression à la pièce. Elle peut aussitransformer l’amplitude d’oscillation par sa forme. Dans le cas du rivetage, elle façonne le rivet.


LE SOUDAGE PAR ULTRASONS(suite) 4) Schéma d’un appareil à souder par ultrasons (d’après la soudeuse par ultrasons mecasonic MPX2) : Vérin

pneumatique Description du cycle de soudage par grafcet

0 Départ cycle et conditions initiales présentes

1 Fermeture porte de sécurité Transducteur Porte fermée 2 Descente de la sonotrode en vitesse rapide Booster Position vitesse lente atteinte + sonotrode au contact pièce 3 Descente en vitesse lente et pression de soudure Départ ultrasons Générateur et

commande Fin de temporisation étape 3 + position relative atteinte + position absolue atteinte + énergie de soudure consommée

Sonotrode

Maintien en pression Arrêt ultrasons 4 Fin de temporisation de maintien étape 4

Pièce moulée

5 Impulsion d’ultrasons de décollage Montée de la sonotrode Fin de temporisation de décollage étape 5

Enclume6 Montée en vitesse rapide de la sonotrode

Bâti Sonotrode en position haute

7 Ouverture de la porte de sécurité

Porte de sécurité ouverte


LE SOUDAGE PAR ULTRASONS(suite) 5) Conception des pièces : Un assemblage optimal suppose un dessin correct de la pièce. La configuration de la zone d'assemblage doit être bien étudiée.

6 Conditions requises : * la soudure doit se trouver, en principe, dans le champ proche, c'est-à-dire à

moins de 6 mm du point d'application de la sonotrode - pour le soudage par ultrasons de pièces en POM, cette distance peut être supérieure à 6 mm, c'est-à-dire que le soudage à champ éloigné est également possible ;

* l'énergie oscillatoire doit être concentrée localement et, si possible, elle ne doit agir que localement

(fonction du directeur d'énergie) ; * le plan de joint doit être dessiné de manière à faciliter le soudage sans nuire au bon fonctionnement de

la pièce ; * les pièces à souder doivent être stables, autrement dit, les parois transmettant l'énergie ultrasonore

doivent être suffisamment dimensionnées (éviter par exemple l'effet de membrane, c'est-à-dire la résonance de parties de la pièce moulée n'intervenant pas dans la soudure) ;

* les angles et les arêtes doivent être suffisamment arrondis pour éviter l'effet d'entaille ; * les joints soudés doivent se trouver dans un même plan, perpendiculaire à l'axe longitudinal de la

sonotrode ; * la surface de couplage avec la sonotrode doit être plane et suffisamment dimensionnée pour garantir

un transfert d'énergie optimal ; * le jeu d'assemblage doit être correct, c'est-à-dire ni trop faible ni trop grand (entre 0.05 et 0.1mm) ; * la pièce supérieure et la pièce inférieure doivent être bien centrées pour rester en position lors de la

pénétration de l'énergie oscillatoire. La profondeur d'emboîtement ne devrait pas être inférieure à 1 mm;

* les tenons, rainures, languettes, etc., en saillie ne doivent pas entrer en résonance et commencer à fondre, ce qui provoquerait leur fusion et, par conséquent, leur endommagement. On peut y remédier en prévoyant des rayons relativement grands, des appuis supplémentaires ou un support élastique ;

* pour éviter tout marquage sur la sonotrode, interposer une feuille en PE bd. 6) Optimisation des conditions de soudage : Tableau des réglages préconisés suivant doc. Mecasonic : Matière Amplitude en µ pour une

fréquence de 20 Khz Amplitude en µ pour une fréquence de 30 Khz

Temps de maintien

ABS 30 à 50 20 à 40 0.4 à 0.8 PS 30 à 50 20 à 40 0.4 à 0.8 PC 30 à 50 20 à 40 0.4 à 0.8 PMMA 30 à 50 20 à 40 0.4 à 0.8 PA 70 à 100 40 à 60 0.4 à 1.2 PP 70 à 100 40 à 60 0.5 à 2.5 PE 70 à 100 40 à 60 0.5 à 2.5 POM 70 à 100 40 à 60 0.4 à 0.8 PP chargé 50 à 70 80 à 100 0.5 à 1.2 PA chargé 50 à 70 80 à 100 0.4 à 1.2 PP chargé 50 à 70 80 à 100 0.5 à 2.5

Cours sur la soudure en grande série des th

7) AUTRES APPLICATIONS DE LA SOUDURE ULTRAS

Technique

RIVETAGE

INSERTION

SOUDAGE

Schéma

Principe Comme dans le cas du soudage par ultrasons, le rôle de la sonotrode est de transmettre l’énergie ultra sonore à la tige de rivet. Elle est l’outil de rivetage (bouterolle). Elle est conçue en fonction de la tête de rivet désirée, ainsi que de la quantité de rivet à former en une seule opération. - Le temps de rivetage dépend de la matière à souder et du diamètre de la tige du rivet et varie de 1 à 3 s. - Vitesse d’approche de la sonotrode faible. - Force de pression faible. - Amplitudes de la sonotrode importante. - Temps de maintien jusqu’à solidification de la tête.

Comme dans le cas du soudage par ultrasons, le rôle de la sonotrode est de transmettre l’énergie ultra sonore à l’insert. Les pièces métalliques à insérer doivent être suffisamment guidées, l’amplitude choisie doit être la plus faible possible afin d’éviter les tensions ou fissures, la vitesse d’enfoncement doit être faible, l’énergie ultra sonore ne doit être appliquée que pendant l’insertion de la pièce métallique.

Le soudage de pproduits semi-finplaques, profilés) continu. Comme toéchauffée par les soudée. L’outillage peut preSonotrodes : - en forme de traits - circulaire tournanEnclumes : - classiques, fixes - de forme circulairL’entraînement du manuellement ou à

Avantages Inconvénients

- Possibilité de souder plusieurs tiges en une seule opération. - Possibilité de souder des matières incompatibles. - Usure rapide de la face de travail de la sonotrode (surtout pour des matières chargées).

- Possibilité de souder plusieurs inserts en une seule opération. - Obtention d’importantes résistances aux torsions et à l’arrachement. - Création de particules métalliques lors de l’insertion.

Possibilités de soupourcentage de fibatteindre 35 %.

LE SOUDAGE PAR ULTRASONS(suite)

ermoplastiques

sonotrode

enclume

ONS

EN CONTINU

BORDAGE

ièces moulées et de is (feuilles, tissus, peut se pratiquer en ujours, la matière est

ultrasons, plastifiée et

ndre diverses formes :

te à vibrations radiales

e tournante matériau peut se faire l’aide de rouleaux.

Comme dans la transformation des métaux, on peut également border des pièces en matière plastique. La surface de travail de la sonotrode est profilée afin de permettre de plastifier et de former convenablement les bords, tétons et autres aides de fixation des pièces. Les cycles de travail peuvent être comparés à ceux du soudage par ultrasons de pièces moulées. Il est possible de border soit vers l’intérieur, soit vers l’extérieur.

der des tissus avec un res naturelles pouvant

- Possibilité de souder des pièces incompatibles (métal, verre…). - Procédé économique. - Aide de fixation à prévoir pour un bon assemblage.


LA SOUDURE VIBRATION La soudure vibration représente 18% des techniques de soudure utilisées en grande série pour souder des pièces techniques thermoplastiques 1) Principe : La soudure vibration est un mode de soudure assez récent, très employé de nos jours. Son principe de fonctionnement est assez simple. Il consiste à mettre en contact deux parties d'une pièce, à les faire se frotter dans le plan de joint (ce qui diffère de la soudure U.S.) en les maintenant sous pression. Dans la zone de contact, cette énergie produit un échauffement et une plastification de la matière en quelques secondes. A la fin du cycle de soudure, les deux parties sont maintenues en pression dans leur position initiale. Après refroidissement, la pièce est solidement assemblée.

Les vibrations se font dans le plan horizontal, selon plusieurs modes : - Linéaire : mouvement de va et vient dans une seule direction - c'est le cas de la vibration classique ; - Circulaire ou orbital : le mouvement relatif des deux parties décrit un cercle ; - Elliptique : le mouvement relatif des deux parties de la pièce décrit une ellipse.

La fréquence avec laquelle la vibration s'effectue peut atteindre 250 Hz. La fréquence reste constante durant le soudage. L'amplitude est de 2 mm maximum (certaines machines peuvent avoir une amplitude de 4 mm pour le PE à 120 Hz de fréquence ). 2) Les phases de soudage : Il existe quatre phases différentes durant l'opération de soudage par vibration : * La phase de friction : les deux parties de la pièce frottent l'une contre l'autre, la matière s'échauffe

peu à peu jusqu’à atteindre sa température de fusion. * La phase transitoire : La matière fond et commence à s'écouler latéralement. Au début, la fusion de

la matière est grande et l'écoulement latéral faible, puis il s'établit un équilibre entre vitesse de fusion et vitesse d'écoulement.

* La phase d'enfoncement continu : La vitesse de pénétration est constante, la matière fondue est égale à la quantité de matière qui s'écoule latéralement, la bavure se forme régulièrement. C'est la phase la plus importante de la soudure, elle détermine sa qualité. La tenue dépend beaucoup de la qualité de l'enchevêtrement et de celle de la bavure. Une bonne bavure est une bavure qui se forme régulièrement, qui est compacte, non détachable et qui participe à la soudure. Il faut qu’elle apparaisse lentement.

* La phase de maintien : les vibrations s'arrêtent, la pénétration continue un peu, puis s'arrête lors du refroidissement de l'interface de la soudure.

Temps

Phase 2

Phase 3

Phase 4

Enfoncement de

soudure

Phase 1

3) Description technique des machines : L'énergie des têtes vibrantes est procurée par un système électromagnétique disposé dans la tête de la machine.

Cours sur la soudure en grande série des thermop 4) Schéma d'une machine à souder par vibration et cycle de fonctionnement (d'après la machine à s Plateau

supérieur vibrantLame de ressort

1

Départ cycle et conditions i

Fermeture porte de sécu

Porte fermée

2 Montée du plateau mob

3

Capteur de position approch

Montée en basse pressio

Fin de temporisation étape 3

0

4 Mise en vibration du pla

Enfoncement de soudure att

5 Arrêt de la vibration

6

Fin de temporisation de mai

Descente en vitesse rapi

Plateau mobile en position

7 Ouverture de la porte de

Porte de sécurité ouverte Vérin de déplacement vertical

Outillage supérieur

Electroaimant

Colonne de guidage

Outillage inférieur

Plateau mobile inférieur

Capteur d'approche lente

Réglette de mesure de déplacement

Amortisseur de vibration

lastiques LA SOUDURE VIBRATION (suite)

ouder Branson 2800) :

nitiales présentes

rité

ile inférieur en vitesse rapide

e lente actionné

n et vitesse lente du plateau mobile

(les deux pièces sont en contact) teau supérieur Pression d'appui du plateau inférieur

eint ou temps de soudure écoulé

ntien étape 5

de du plateau mobile

basse

sécurité

Maintien en pression du plateau mobile

Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques LA SOUDURE VIBRATION (suite) 5) Capacité de soudage : La capacité de soudage est déterminée par : * La surface à souder : elle est limitée à un maximum qui est fonction de la puissance de la machine.

Chez Branson le maximum est de 600 cm² pour 100 Hz et 300 cm² pour 240 Hz ; * Le poids de l'outillage supérieur : il doit être d'une valeur fixée par le fabricant de la machine. Ce

poids maximum est fonction de la puissance et de la fréquence de la machine utilisée. Chez Branson, le maximum est de 90 Kg pour 100 Hz et de 50 Kg pour 240 Hz ;

* Les dimensions de l'outillage : il ne doit pas dépasser les plateaux et passer entre les colonnes (capacité maximum Branson 914 x 356). La répartition des masses de l'outillage doit être équilibrée.

6) Critères de soudabilité : * Compatibilité :

Toutes les matières thermoplastiques possèdent une bonne aptitude au soudage par vibration sauf le polyéthylène PE. La présence de charge est souvent favorable (frottement et rigidité accrus). Cependant, la quantité de charge diminue la quantité de matière thermoplastique soudée, donc la résistance mécanique de la soudure (les fibres ne fondent pas). De plus, il y a création de poussière. On peut augmenter la tenue en augmentant la surface du plan de joint ;

* Perte d'amplitude due aux déformations de la pièce : Durant le processus de soudage par vibration, la transmission de l'énergie vibratoire est assurée par la rigidité des formes de la pièce et les aménagements de forme d'accrochage ;

* Précision de positionnement : La précision du positionnement des deux parties en fin de soudure dépend : - du jeu de positionnement entre la pièce et l'outillage ; - de la dispersion des cotes des pièces.

7) Conception des pièces : Conception des plans de joint ou trottoir de soudure : Les pièces en contact sont mises en mouvement entre elles sous une certaine pression d'assemblage et avec une course d'oscillation définie. Ceci suppose que ces pièces permettent un déplacement linéaire égal à l'amplitude et disposent de surfaces de contact d'assemblage adéquates.

1

F

F

GV1 V1

V0

A

C

D

B

BJointure avec gorge fermée, avec impératif d'aspect et de tenue mécanique.B

CV1D

V1 V0

Jointure bout à bout,sans impératif d'aspect.

V1V1V0

A

C

D

B

BJointure avec gorge ouverte, sans impératif d'aspect et bonne tenue mécanique.

A Amplitude 2 maxi F Profondeur de gorge ≅ 2 mm B Largeur de dent de soudure 1.35 x E (1.9 x E FV) G Jeux de gorge C + 0.2 C Pénétration de soudure de 0.5 à 1.6 F Epaisseur de gorge > 0.5 D Epaisseur du trottoir de soudure E + 0.2 V0 Quantité de matière à déplacer B x C E Epaisseur de paroi V1 ½ quantité de matière déplacée VO/0.6


Nécessité de créer des formes d'accrochage et des renforts pour assurer la bonne transmission de l’énergie vibratoire et le bon positionnement des pièces soudées :

LA SOUDURE VIBRATION (suite)

Détail d'un plan de joint

rebord d'entraînement et de positionnement

ce qu'il faut éviter proposition d'amélioration AJ1A

f

j2

(A – a - j1 - j2) x F = soudure A x F = soudure j1 + j2 + 0.1 = tolérance de position 0.1 = tolérance de position Décalage de plan de joint :

Les décalages de plan de joint de soudure sont possibles mais uniquement dans un plan perpendiculaire à la direction de la vibration. Ce décalage ne peut pas dépasser 60° par rapport au plan des plateaux. La hauteur du bourrelet de soudure est déterminé perpendiculairement au plan de joint dans la zone de décalage.

60° max

direction de

la vibration Evolution du soudage par vibration : La vibration orbitale : Schéma du déplacement relatif entre les pièces à souder Travail sur une orbite diamètre de l'orbite

phase 2

phase 2

phase 1

Le soudage par vibration orbitale induit des vitesses de friction constantes. De ce fait, le plastique

fond partout simultanément. De plus, la vibration orbitale nécessite une amplitude moins importante pour réaliser un même déplacement qu'avec la vibration linéaire. Ceci permet donc de diminuer le temps de soudure ou le jeu nécessaire entre les pièces à souder.

Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques 4) Paramètres pouvant être réglés sur les appareils pour améliorer la qualité des soudures par

vibration: * amplitude (demie-oscillation) ; * pression d'assemblage ; * durée de soudage ; * durée et pression de maintien (temps de refroidissement).

LES RISQUES SPECIFIQUES EN TECHNIQUE DE SOUDAGE

DES MATIERES PLASTIQUES 1°) Technique de soudage avec apport direct de chaleur :

- Risque en travail : brûlures, toxicité par émanations, dégradation ; - Risques communs à l’utilisation d’appareils électriques.

2°) Technique de soudage avec apport indirect de chaleur :

- Risques communs à l’utilisation de machine à souder : Origines électriques, mécaniques, pneumatiques (pression, forces de serrage, …)

- Risques en travail : ce sont les mêmes que ci-dessus, des particularités apparaissent cependant dans le soudage par ultrasons.

Ce soudage peut être exécuté en toute sécurité. Toutefois, il est nécessaire de prendre certaines précautions :

• Les soudeuses par ultrasons doivent être munies de commutateurs de manœuvre doubles, afin que les mains de l’opérateur soient hors de portée de la sonotrode ; • Les boutons d’arrêt d’urgence sont obligatoires ; • La fréquence des ultrasons sur ces machines se situe au-delà du seuil audible pour la plupart des personnes. Cependant, certaines personnes peuvent être affectées par cette fréquence et par les harmoniques de fréquence inférieure, engendrées dans le support de la soudeuse ou par les pièces à souder. Il est donc nécessaire dans ce cas de prévoir sur la machine des systèmes de protections (enceintes protectrice avec doublage…). Si cette disposition n’est pas possible, tous les opérateurs et personnels environnants doivent porter des casques de protection phonique ou des protections auriculaires.

*possibilité de commuter la fin de soudure par la position relative ou position absolue ou par le temps

*la fréquence de vibration

SYNTHESE DU COURS SUR LA SOUDURE EN GRANDE SERIE DES TP

Questionnaire d'accompagnement de lecture du cours (vérification personnelle des connaissances)

Pour toutes les techniques de soudure en grande série des thermoplastiques :

Définir le principe général de la technique Donner les applications, type de pièce Choisir la technique la plus appropriée à un produit donné

Pour les deux techniques: soudure vibration et soudure ultrasons:

Donner le principe de la technique Schématiser la machine, écrire le cycle simplifier de fonctionnement sous forme de GRAFCET Enoncer les paramètres de réglage pouvant être réglés pour améliorer la qualité de la soudure En tenant compte des données technico économiques indiquer dans quel cas la soudure vibration est utilisée.

Adresses ressources sur les techniques de soudure des...

Documents

Transcript of Adresses ressources sur les techniques de soudure des...