Adresses ressources sur les techniques de soudure des
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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 Précis de matière plastiques P:183 à 186 Nathan Afnor JP Trotignon J. Verdu M. Piperaud Techniques de l’ingénieur Volume AM4 page A3755 Techniques de l’ingénieur assemblage par ultrason de pièce moulée en matière thermoplastique Techniques d'assemblage des pièces thermoplastiques ZVEI Documentation et CD Peugeot HDI Fédération des industries électriques et électroniques allemandes Stresemannallee 19 6000FranKfurt M70/RFA Branson 1/3 rue des Pyrénées silic 404 94573 Rungis Peugeot documentation Michelle Cuculière Lieu de lecture possible C.D.I du lycée J.P Remarques sur la qualité Toutes les techniques sont présentées de façon synthétique C.D.I du lycée J.P Bibliothèque St Charles C.D.I du Lycée Description très succincte des techniques de soudure, il manque la vibration Cours complet sur la soudure ultrason des thermoplastiques C.D.I du Lycée Présentation et mise en situation de toutes les techniques de soudage des pièces plastiques Service relation clientèle 0134335050 Dossier ressource 2)Fabriquant de machines à souder les thermoplastiques Nom du fabriquant FTI NECASONIC BRANSON DUKANE Ultrasonic RINCO ultrasonics SONIMAT ultrason OTALU Adresse Téléphone Fax Siège: Rue de deux Tel: 04 50 87 73 00 Montagnes BP 218 74105 Fax: 04 50 37 31 47 Annemasse Direction commerciale Tel:014180 25 50 1/3 rue des Pyrénées silic Fax: 0146878729 404 94573 Rungis Intersonic 2 Avenue Gorge Clémenceau 01100 Oyonnax Parc des Bellevues avenue du gros chêne 95610Eragny sur oise 27 rue Saint Exupéry 86140 LENCLOITRE ZI de l'Albane Route d'Apremont BP 68 73493 La Rivoire Tel: 0474730101 Fax: 0474730284 Nom d'un interlocuteur Spécialité Mr Di Manno Ultrason, vibration, Lame chauffante documentation Michelle Ultrason, vibration, Cuculière Lame chauffante Vibration Mr Robert charles Soudure ultra son Tel : 0134219449 Fax : 0130377322 Didier Baudoin Soudure ultra son tel : 0549194222 Sébastien Charron Soudure ultra son 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 Plastiques ERVAF route de richerenches BP24 84603 Valreas Technique de soudure utilisée et Nbr de machine Ultrason: 12, vibration:3, lame chaude: 1, machines spéciales Mecaplast 4 et 6, av. prince Héréditaire Albert BP689 98014 Monaco Ultrason: , vibration:, lame chaude: , machines spéciales Indiplast Soudure haute fréquence et lame chaude Type de pièces soudées Automobile: Cartérisation moteur, admission d'air, vases d’expansion Automobile: cartérisation moteur, admission d'air, vases Soudage de tissus plastiques Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques MISE EN SITUATION DU COURS 1) Présentation des techniques d’assemblage des pièces thermoplastiques : Assemblages indémontables Assemblages démontables Soudage Vis Rivetage Vis + insert métallique Rabattage Clipsage indémontable Collage Emmanchement à force * Les techniques soulignées seront traitées dans le cours de technologie sur le soudage des thermoplastiques. Les autres techniques seront uniquement traitées dans le cours de construction. Clipsage indémontable 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 : APPORT DE CHALEUR PAR ELEMENT CHAUFFANT PAR FROTTEMENT ROTATION ULTRASON PROPAGATION PAR CONTACT VIBRATION PROPAGATION PAR RAYONNEMENT LINEAIRE ORBITALE ELECTRIQUE HAUTE FREQUENCE INDUCTION Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques 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 mécanique verticale. Fréquence de 20 à 50 Khz , amplitude (1/2 oscillation) de 4 µ à 10 µ, puissance de 400W à 4KW. D L l Le booster ou amplificateur : l’amplificateur mécanique transmet l’énergie vibratoire mécanique à la sonotrode et amplifie l’amplitude d’oscillation fournie par le transducteur en une valeur nécessaire 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. d La sonotrode transmet l’énergie vibratoire et la force de pression à la pièce. Elle peut aussi transformer l’amplitude d’oscillation par sa forme. Dans le cas du rivetage, elle façonne le rivet. Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques 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 Fin de temporisation étape 3 + position relative atteinte + position absolue atteinte + énergie de soudure consommée 4 Maintien en pression Générateur et commande Sonotrode Arrêt ultrasons Fin de temporisation de maintien étape 4 5 Impulsion d’ultrasons de décollage Montée de la sonotrode Pièce moulée Fin de temporisation de décollage étape 5 6 Montée en vitesse rapide de la sonotrode Sonotrode en position haute 7 Ouverture de la porte de sécurité Porte de sécurité ouverte Enclume Bâti Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques 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. Conditions requises : 6 * 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-àdire 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 ABS PS PC PMMA PA PP PE POM PP chargé PA chargé PP chargé Amplitude en µ pour une Amplitude en µ pour une Temps de maintien fréquence de 20 Khz fréquence de 30 Khz 30 à 50 20 à 40 0.4 à 0.8 30 à 50 20 à 40 0.4 à 0.8 30 à 50 20 à 40 0.4 à 0.8 30 à 50 20 à 40 0.4 à 0.8 70 à 100 40 à 60 0.4 à 1.2 70 à 100 40 à 60 0.5 à 2.5 70 à 100 40 à 60 0.5 à 2.5 70 à 100 40 à 60 0.4 à 0.8 50 à 70 80 à 100 0.5 à 1.2 50 à 70 80 à 100 0.4 à 1.2 50 à 70 80 à 100 0.5 à 2.5 Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques LE SOUDAGE PAR ULTRASONS(suite) Technique RIVETAGE 7) AUTRES APPLICATIONS DE LA SOUDURE ULTRASONS INSERTION SOUDAGE EN CONTINU enclume BORDAGE Schéma sonotrode 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. - Possibilité de souder plusieurs tiges Avantages en une seule opération. - Possibilité de souder des matières incompatibles. Inconvénients - Usure rapide de la face de travail de la sonotrode (surtout pour des matières chargées). Principe 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 pièces moulées et de produits semi-finis (feuilles, tissus, plaques, profilés) peut se pratiquer en continu. Comme toujours, la matière est échauffée par les ultrasons, plastifiée et soudée. L’outillage peut prendre diverses formes : Sonotrodes : - en forme de traits - circulaire tournante à vibrations radiales Enclumes : - classiques, fixes - de forme circulaire tournante L’entraînement du matériau peut se faire manuellement ou à 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. - Possibilité de souder plusieurs inserts Possibilités de souder des tissus avec un en une seule opération. pourcentage de fibres naturelles pouvant - Obtention d’importantes résistances atteindre 35 %. aux torsions et à l’arrachement. - Création de particules métalliques lors de l’insertion. - Possibilité de souder des pièces incompatibles (métal, verre…). - Procédé économique. - Aide de fixation à prévoir pour un bon assemblage. Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques 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. Enfoncement de soudure Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Temps 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 thermoplastiques LA SOUDURE VIBRATION (suite) 4) Schéma d'une machine à souder par vibration et cycle de fonctionnement (d'après la machine à souder Branson 2800) : Lame de ressort Plateau supérieur vibrant Electroaimant 0 Départ cycle et conditions initiales présentes Outillage supérieur Colonne de guidage 1 Porte fermée 2 Amortisseur de vibration Outillage inférieur Réglette de mesure de déplacement 3 Montée en basse pression et vitesse lente du plateau mobile Fin de temporisation étape 3 (les deux pièces sont en contact) 4 Mise en vibration du plateau supérieur Pression d'appui du plateau inférieur Enfoncement de soudure atteint ou temps de soudure écoulé Capteur d'approche lente Vérin de déplacement vertical Montée du plateau mobile inférieur en vitesse rapide Capteur de position approche lente actionné 5 Plateau mobile inférieur Fermeture porte de sécurité Arrêt de la vibration Maintien en pression du plateau mobile Fin de temporisation de maintien étape 5 6 Descente en vitesse rapide du plateau mobile Plateau mobile en position basse 7 Ouverture de la porte de sécurité Porte de sécurité ouverte 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. B B Jointure bout à bout, sans impératif d'aspect. B Jointure avec gorge ouverte, sans impératif d'aspect et bonne tenue mécanique. Jointure avec gorge fermée, avec impératif d'aspect et de tenue mécanique. B F B D D V1 1 V0 D V1 V1 C G V1 V0 F C Amplitude Largeur de dent de soudure Pénétration de soudure Epaisseur du trottoir de soudure Epaisseur de paroi 2 maxi 1.35 x E (1.9 x E FV) de 0.5 à 1.6 E + 0.2 V0 V1 C A A A B C D E V1 F G F V0 V1 Profondeur de gorge Jeux de gorge Epaisseur de gorge Quantité de matière à déplacer ½ quantité de matière déplacée ≅ 2 mm C + 0.2 > 0.5 BxC VO/0.6 Cours sur la soudure en grande série des thermoplastiques LA SOUDURE VIBRATION (suite) 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 : ce qu'il faut éviter A proposition d'amélioration J1 A rebord d'entraînement et de positionnement f Détail d'un plan de joint j2 (A – a - j1 - j2) x F = soudure j1 + j2 + 0.1 = tolérance de position A x F = soudure 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 phase 2 phase 1 phase 2 diamètre de l'orbite 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: *possibilité de commuter la fin de * amplitude (demie-oscillation) ; soudure par la position relative ou * pression d'assemblage ; position absolue ou par le temps * durée de soudage ; *la fréquence de vibration * 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. 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.