Procédé pour appliquer une force statique et de l'énergie vibratoire mécanique sur une aire de travail, notamment pour effectuer une soudure par vibrations La présente invention concerne un procédé pour appliquer une force statique et de l'énergie vibratoire mécanique à intensité élevée sur une aire de travail, notamment pour effectuer une soudure de pièces métalliques, et un dispositif pour la mise en ouvre de ce procédé.
Des appareillages et des procédés connus pour souder ensemble des pièces au moyen d'énergie vibra toire appliquent une force à ces pièces à souder ensemble, force qui est dirigée dans une direction telle et d'une grandeur telle qu'elle maintient les sur faces à souder des pièces en contact intime dans la zone de soudure désirée et qu'elle permet d'appliquer de l'énergie mécanique vibratoire dans ladite zone. Ladite force peut être appliquée en diverses régions du système transducteur coupleur établi suivant les notions de l'acoustique, ces régions étant générale ment situées entre le transducteur et l'aire de travail.
La construction d'un système transducteur-cou- pleur est complexe du fait que l'on n'a pas une grande liberté quant aux dimensions du système. Les exigences du point de vue acoustique dans l'aire de travail entraînent des considérations d'amplitude vibratoire pour n'importe quelle fréquence réson nante, et ces exigences ont pour effet de nécessiter des sections déterminées. En conséquence, si un sys tème est établi pour répondre aux exigences entrai- nées pour traiter le problème de force statique, la section en coupe du système est souvent non satis faisante acoustiquement, et vice versa.
Il a été découvert que ladite force statique dans certains cas peut être convenablement appliquée et avec de plus grands bénéfices en un lieu situé au- delà de la région de travail par rapport au transduc teur, tout en respectant les règles de l'acoustique du système transducteur coupleur.
Le procédé selon l'invention, dans lequel on utilise un coupleur de forme allongée, présentant une partie active située en regard de l'aire de travail, qui est supportée par un support fixe, est caractérisé par le fait qu'on applique ladite force statique dans une direction perpendicu laire à l'axe longitudinal dudit coupleur, en un empla cement correspondant à un noeud acoustique vrai situé entre l'extrémité libre dudit coupleur et ladite partie active, et par le fait qu'on applique une éner gie vibratoire mécanique à l'autre extrémité dudit coupleur au moyen d'un transducteur d'énergie élec trique en énergie mécanique vibratoire.
Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre au moyen d'un dispositif qui peut être établi acoustiquement sans compromis excessif pour rece voir les forces statiques essentielles pour son fonc tionnement. L'invention élimine ainsi virtuellement les problèmes de souplesse dus à des rebondisse ments et à un manque de contrôle, qui ont été ren contrés avec des dispositifs précédents lorsque, par exemple, des puissances élevées sont nécessaires pour souder de grosses épaisseurs.
D'autre part, les vibra tions engendrées par ce dispositif sont insensibles à la force statique (par exemple, qui ne produit pas de variation de la fréquence du dispositif ou de perte d'énergie acoustique dans les accessoires du disposi tif), ce qui permet de l'utiliser pour obtenir une sou dure de qualité et dans certaines autres applications.
Le procédé selon l'invention permet d'introduire des fatigues de cisaillement dans une aire de travail. Il peut être utilisé pour effectuer une soudure du type par points ou du- type continu. D'autre part, ce procédé peut aussi être utilisé pour obtenir une dis persion fine et uniforme de matières. . Des formes d'exécution du dispositif pour la mise en auvre du procédé selon l'invention sont repré sentées à titre d'exemple dans les dessins annexés.
Dans les dessins la fig. 1 est une vue en élévation d'un dispositif de soudure au moyen d'énergie vibratoire, permet tant d'effectuer des soudures par points ; la fig. 2 en est une vue en coupe transversale, la coupe étant faite le long de la ligne 2-2 de la fig. 1 ; la fi-. 3 est une vue en élévation d'un dispositif de soudure au moyen d'énergie vibratoire, permettant d'effectuer une soudure continue ; la fig. 4 est une coupe prise le long de la ligne 4-4 de la fig. 3 ; la fi-. 5 est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'un dispositif permettant d'effectuer une dispersion fine et uniforme de matière.
On se référera maintenant en détail aux dessins dans lesquels des références numériques analogues indiquent des éléments analogues. La fig. 1 repré sente un dispositif permettant d'effectuer une sou dure par points au moyen d'énergie vibratoire, ce dispositif étant désigné d'une façon générale en 10 et comprenant un transducteur 12 réuni axialement à l'extrémité 16 d'un coupleur 14, préférablement par un joint métallurgique. Le coupleur 14 est préféra- blement fait en métal tel que de l'acier, du monel 5> (alliage nickel-cuivre), de l'aluminium-bronze, du béryllium, cuivre, etc. Le coupleur 14 est pourvu d'une extrémité 18 éloignée du transducteur 12.
La longueur hors tout du coupleur 14 entre les extré mités 16 à 18 est un nombre pair de quarts de longueurs d'ondes (c'est-à-dire, un nombre entier de demi-longueurs d'ondes) dans le matériau de cons truction et sa géométrie à la fréquence de fonction nement. La longueur acoustique la plus courte possi ble du coupleur acoustique 14 est de quatre quarts de longueur d'ondes (deux demi-longueurs d'ondes). Le coupleur le plus petit 14 aura deux quarts de lon gueurs d'ondes entre l'extrémité 16 et l'aire de travail et deux quarts de longueurs d'ondes entre l'extrémité 18 et l'aire de travail. Comme illustré dans la fig. 1, l'organe 14 a une longueur de 14 quarts de longueurs d'ondes (7 demi-longueurs d'ondes).
Le coupleur 14 est préférablement supporté au moyen d'un organe de montage 20 insensible à la force. Ledit organe de montage 20 insensible à la force, bien connu de l'homme du métier, comprend un manchon ayant une longueur qui peut être une demi-longueur d'onde suivant le matériau et la géo métrie du manchon à la fréquence de fonctionnement. Une extrémité 22 du manchon est réunie de façon permanente au coupleur 14 tandis que l'autre extré mité 24 est libre de fixation.
Un rebord 26 s'étend radialement vers l'extérieur à partir du manchon en un point qui est à un quart de longueur d'onde de l'extrémité 22 du manchon. En conséquence, un vrai noud acoustique se développera au rebord 26 si bien que l'ensemble transducteur-coupleur peut être sup- porté par charnière de façon insensible à la force en fixant le rebord 26 à un pivot 28, ou peut être autrement supporté.
Le dispositif de soudure au moyen d'énergie vibratoire 10 comprend l'ensemble transducteur coupleur décrit ci-dessus et un organe en contact avec la zone de travail cet organe étant un cylindre 30. Le cylindre 30 est préférabldement fixé métal- lurgiquement au coupleur 14 en un point qui est espacé de l'extrémité libre 18 du coupleur 14 d'une distance correspondant à une demi-longueur d'onde dans le matériau et la géométrie de l'organe cou pleur à la fréquence de fonctionnement.
Une force statique est appliquée au coupleur 14 en un point qui est acoustiquement équidistant (c'est-à-dire à un quart de longueur d'onde) de l'extrémité libre 18 et du cylindre 30. Ainsi, une telle force sera appli quée au coupleur au vrai noud acoustique.
Comme montré dans la fig. 3, l'ensemble trans ducteur-coupleur peut être un corps tournant suscep tible d'être utilisé pour effectuer une soudure conti nue et désigné d'une façon générale en 10'. Le dis positif 10' est analogue à l'appareil 10 sauf en ce qui concerne les éléments conçus pour tourner autour de l'axe montré par la ligne de centre de la fig. 3.
Le dispositif 10' peut être installé dans une tête constituant un support et peut comprendre des orga nes d'entraînement rotatifs, des bagues collectrices pour l'introduction des énergies électriques de polari sation et à haute fréquence, etc.
Un organe 32 en contact avec la zone de travail, qui peut être résonnant ou non résonnant, est uni métallurgiquement au coupleur 14' en un point espacé de l'extrémité libre de 18' d'une distance cor respondant à une demi-longueur d'onde suivant le matériau et la géométrie du coupleur 14' à la fré quence de fonctionnement. Un support 34, préféra- blement un support antifriction, est prévu sur l'organe de couplage 14' entre l'extrémité 18' et l'organe 32 faisant contact avec la zone de travail.
Le support 34 est préférablement espacé du coupleur 14' par un collier acoustiquement isolant 41, préférablement fait en un matériau non métallique. Le support 34 est acoustiquement équidistant de l'extrémité libre 18' et de l'organe 32. En conséquence, une force statique peut être appliquée au coupleur 14'à un vrai n#ud acoustique à travers ce support.
Les dispositifs 10 et 10' sont adaptés pour sou der ultrasoniquement des pièces métalliques 36 et 38. Les pièces métalliques 36 et 38 sont disposées en contact de chevauchement dans la zone de soudure désirée. Les pièces métalliques 36 et 38 sont suppor tées par une enclume rigide 40 ou 40' dans la zone de soudure prévue. L'enclume 40' est une enclume à rouleau adaptée pour pouvoir tourner autour d'un axe qui est parallèle à l'axe de l'organe de cou plage 14'. L'enclume 40' est pourvue d'un trou axial central dans lequel s'étend un arbre de support 43. L'arbre 43 supporte l'enclume 40' pour un mouve ment rotatif.
La prévision d'une enclume 40' montée de façon à pouvoir tourner facilite le mouvement rela tif des pièces métalliques 36 et 38 par rapport à l'organe de couplage 14'.
Les organes 30 et 32 en contact avec la pièce à travailler (dans les fig. 1 et 3 respectivement) sont en contact avec la pièce métallique 36 dans la zone de soudure prévue si bien que l'énergie vibratoire peut être appliquée aux pièces métalliques 36 et 38 dans une direction qui est perpendiculaire à la direc tion de la force appliquée et parallèle à la surface de contact des pièces métalliques 36 et 38 comme illustré par la flèche à double sens 42.
Dans les fig. 1 et 3, les dispositifs décrits présen tent un seul prolongement d'une demi-longueur d'onde des organes de couplage 14 et 14' au-delà de l'aire de travail. Cependant, l'homme du métier appréciera que le prolongement comprend des demi- longueurs d'ondes supplémentaires. Dans ce cas, la force peut être appliquée à un noud quelconque le long d'un tel prolongement, tel qu'à un noud situé à un quart de longueur d'onde à partir de l'aire de travail ou à un quelconque multiple impair d'un quart de longueur d'onde à partir de l'aire de travail.
Bien que, avec un prolongement de coupleur suf fisamment long, la force puisse être appliquée à un endroit situé à un multiple impair entier d'un quart de longueur d'onde au-delà de l'organe exécutant le travail, la longueur du prolongement et l'application de la force sont préférablement telles qu'illustré dans les dessins et exposé ci-dessus. Lorsque le prolonge ment est trop long et que la force est appliquée en un point qui est trop éloigné de l'aire de travail, on rencontrera des problèmes de jeu des pièces de tra vail, de déformation de courbure, etc.
Un organe 32 en contact avec l'aire de travail peut être utilisé pour une soudure du type par points, du type continu par points à chevauchement ou du type continu à rouleau. L'homme du métier appré ciera que d'autres organes en contact avec la pièce à travailler peuvent être utilisés avec l'ensemble trans ducteur-coupleur pour produire une vibration du type à cisaillement (fatigues de cisaillement introduites par vibrations) sur une aire de travail.
On notera que le procédé décrit est susceptible d'être incorporé dans des domaines plus nombreux que ceux proposés jusqu'ici. Par exemple, il est diffi cile d'appliquer efficacement une force statique à un coupleur du type à entrainement latéral antérieur lors que le coupleur a une longueur physique substantielle. Le procédé décrit ne présente pas cette difficulté, et peut en conséquence être utilisé pour diverses appli cations nécessitant que le transducteur soit éloigné de l'aire de travail pour le protéger de la chaleur, des radiations, des vapeurs chimiques et autres milieux nuisibles.
Bien que les organes de montage insensibles à la force 20 et 20' soient utiles dans la plupart des cas, ils peuvent être omis dans les cas dans lesquels l'effi cacité et la stabilité ne sont pas d'une grande importance. Bien que l'application de vibrations du type cisaillement à une aire de travail soit d'une utilité particulière en ce qui concerne la soudure, on appré ciera que le procédé peut être utilisé dans d'autres applications mettant en jeu des vibrations du type cisaillement . Comme par exemple,
dans l'applica tion d'énergie vibratoire à des solides et des liquides.
Un autre dispositif pour la mise en aeuvre du procédé est représenté dans la fig. 5 et désigné d'une façon générale en 48. Le dispositif 48 comporte un coupleur 50 connecté au transducteur comme illustré dans la fig. 1. Le coupleur 50 est pourvu d'un bos sage 52 exécutant le travail, ledit bossage étant dis tant de l'extrémité 53 d'une longueur correspondant à une demi-longueur d'onde acoustique dans le maté riau et la géométrie du coupleur 50 à la fréquence de fonctionnement.
Une force statique est appliquée au coupleur 50 en un endroit qui est acoustiquement équidistant du bossage 52 exécutant le travail et de l'extrémité 53, c'est-à-dire en un point situé à un quart de longueur d'onde et qui se trouve à un empla cement de vrai noeud acoustique.
Le bossage 52 est pourvu d'une surface de réac tion plane juxtaposée à un orifice 56. L'espacement entre la surface de réaction du bossage 52 exécutant le travail et l'orifice 56 peut être aussi peu important que 0,0025 millimètre. Un matériau fluide ou flui difié 58 contenu dans un récipient 54 et poussé par un plongeur 60 (ou par un mécanisme d'alimentation du type à vis ou autres moyens convenables) à tra vers l'orifice 56 sous pression.
La pression dépend des propriétés du matériau et de l'importance du jeu entre la surface de travail 52 et l'orifice 56.
Le matériau 58 passe par l'orifice 56 et entre en contact avec l'aire vibrante du bossage 52 effectuant le travail, sortant ainsi circulairement sur la péri phérie de l'orifice 56 comme indiqué par les flèches adjacentes à l'espace entre la surface 52 exécutant le travail et l'orifice 56. L'éjection du matériau 58 cou vre un arc de 360 degrés. Le transducteur accouplé au coupleur 50 amène le bossage 52 à vibrer dans la direction de la double flèche 62.
Il est bien connu dans la technique des matières plastiques et des élastomètres que le mélange de pig ments pour obtenir une dispersion fine et uniforme est effectué dans des machines encombrantes et lour des qui nécessitent parfois des heures de fonctionne ment pour obtenir le degré convenable de dispersion.
Le dispositif illustré dans la fig. 5 amènera le maté riau 58 à apparaître sous la forme d'une dispersion finement divisée et mélangée de façon uniforme et parfois de plus pulvérisée. L'orifice 56 n'est pas nécessairement circulaire, mais peut avoir une quel conque section en coupe ; ainsi, l'orifice 56 peut avoir une section en coupe rectangulaire, ses côtés les plus longs s'étendant dans une direction perpen diculaire au plan du dessin.
Lorsque le procédé est utilisé pour effectuer un soudage, par exemple, comme montré dans les fig. 1 à 4, la force Fi doit être suffisante pour maintenir les pièces à souder en contact ferme à la surface intermédiaire de soudure prévue. La force d'assem blage peut ainsi varier suivant une gamme étendue. Dans un exemple de réalisation préféré, la force d'assemblage maximum ne doit pas nécessairement produire une déformation de la pièce soudée de plus d'environ 10 0/o et peut ne pas produire de défor mation appréciable.
Par déformation, on entend la perte en épaisseur de la pièce soudée au centre de la zone de soudure divisée par l'épaisseur totale des pièces à travailler avant la soudure, le résultat étant multiplié par 100 pour obtenir le pourcentage.
Comme illustré, le transducteur 12 est du type à magnétostriction et est constitué par un empilage de feuilles métalliques, telles que des feuilles de nickel, ou d'alliages bien connus tels que le nickel- cobalt, le fer-cobalt-vanadium, le fer-aluminium, etc., aux quelles on donne des dimensions convenables pour assurer une résonance axiale avec la fréquence du courant alternatif qui y est appliqué, de façon que sa longueur augmente ou diminue suivant son coef ficient de magnétostriction.
Au lieu des matériaux métalliques à magnéto striction ci-dessus mentionnés, le transducteur 12 peut comprendre presque tous les matériaux qui ont de bonnes propriétés physiques et qui changeront de dimensions physiques sous l'influence d'un potentiel électrique. Ainsi, le transducteur 12 peut être consti tué par un matériau à électrostriction tel que le tita- nate de baryum, le titanate de zirconate de plomb etc., ou des assemblages de tels matériaux superposés.
Les matériaux à magnétostriction ont une gamme de fonctionnement préférée à des fréquences inférieures à 75000 cycles par seconde. Des transducteurs en céramique comprenant des métaux superposés peu vent être construits pour fonctionner à peu près dans la même gamme de fréquence ou dans une gamme supérieure à celle des matériaux à magnétostriction, et ils ont plusieurs fois l'efficacité de conversion d'énergie de l'empilage de feuilles de nickel.
Par exemple, un empilage de feuilles de nickel peut avoir une efficacité totale de 18 à 30 0/o tandis qu'un transducteur convenablement conçu compre nant des rondelles de céramique peut avoir une effi cacité allant jusqu'à 90 0/o.
Le procédé décrit peut être utilisé pour effectuer une soudure sans fusion pour fournir une soudure entre des pièces en contact faites de métal, de matière plastique, etc. Des moyens sont prévus pour appliquer l'organe exécutant le travail tel que le cylindre 30 ou l'organe 32, sur une surface extérieure de l'une des pièces métalliques et pour maintenir les deux surfaces à souder des pièces en cours de soudure en contact intime.
Ces moyens de pression sont couplés à l'organe 14 ou 14' de manière à appliquer la force à un naeud entre une extrémité du coupleur et ledit organe.
Le transducteur 12 est prévu pour faire vibrer ledit organe à une fréquence située entre environ 59 et environ 300000 cycles par seconde. L'organe exé- cutant le travail est amené à vibrer dans un chemin sensiblement parallèle à la surface intermédiaire des pièces en cours de soudure. Une énergie vibratoire suffisante est produite par cet organe si bien que les pièces 36 et 38 sont soudées par une soudure sans fusion.