FR2459106A1

FR2459106A1 - Ultrasonic welding appts. for metal workpieces - using inclined transducer, so generator can be located above plane of welding, esp. when mfg. heat exchangers

Info

Publication number: FR2459106A1
Application number: FR7915836A
Authority: FR
Inventors: Jean Martinez; Philippe Violle; Jean-Louis Pelletier; Jean Roret; Yves Le Tohic
Original assignee: METALLIQUES ENTREPR CIE FSE
Current assignee: METALLIQUES ENTREPR CIE FSE
Priority date: 1979-06-20
Filing date: 1979-06-20
Publication date: 1981-01-09
Also published as: FR2459106B1

Abstract

Ultrasonic generator (1) is located on one end of a straight, rigid rod transducer (2), the other end of which consists of a lug (3) with a plane (P). The bottom end of the lug has a knurled or ribbed surface (4) placed against the workpieces (5,6) which light in a plane (R) at 90 deg. to plate (P). The axis (X) of rod (2) is inclined w.r.t. plane (R) by a small angle (alpha), which is pref. 3-20 deg., esp. 7 deg. Appts. is used esp. to weld corrugated Al sheet (5) onto Al tubes (6) with a rectangular cross-section, to make a heat exchanger.

Description

L'invention concerne les dispositifs pour souder par ultrasons des pièces métalliques juxtaposées l'une contre l'autre. The invention relates to devices for ultrasonic welding of metal parts juxtaposed against each other.

Elle vise plus particulièrement, parmi ces dispositifs, ceux comprenant un générateur d'ultrasons et une canne rectiligne rigide dont une extrémité est terminée par une patte latérale de plan moyen P, et dont l'autre extrémité est raccordée au générateur de façon à transmettre à la patte l'énergie ultrasonore produite par celui-ci, cette patte étant elle-même terminée par une portée, de préférence striée et légèrement bombée, propre à être appliquée sur les pièces à souder et s'étendant sensiblement selon un plan R perpendiculaire au plan P. It relates more particularly, among these devices, those comprising an ultrasound generator and a rigid rectilinear rod, one end of which is terminated by a lateral tab of medium plane P, and the other end of which is connected to the generator so as to transmit to the tab the ultrasonic energy produced by it, this tab itself being terminated by a surface, preferably striated and slightly domed, suitable for being applied to the parts to be welded and extending substantially along a plane R perpendicular to the plan P.

Pour souder à l'aide d'un dispositif de ce genre une première pièce métallique mince (plaque, feuille ...) contre une seconde pièce métallique juxtaposée à la première, il suffit d'appliquer avec une légère pression (par exemple quelques bars) pendant un temps relativement bref (par exemple 0,5 à 1 seconde) la portée de la patte de ce dispositif contre ladite première pièce. To weld with a device of this kind a first thin metal piece (plate, sheet ...) against a second metal piece juxtaposed with the first, it is enough to apply with light pressure (for example a few bars ) for a relatively short time (for example 0.5 to 1 second) the range of the tab of this device against said first part.

Les vibrations à fréquence ultrasonore (généralement comprise entre 10 et 30 kHz) auxquelles est alors soumise ladite patte parallèlement à sa surface de contact avec cette première pièce, c'est-à-dire ici parallèlement au plan R, ont pour effet d'entrainer la plage comprimée de ladite pièce et donc de chauffer par fric tion l'interface comprise entre les deux pièces au droit de cette plage jusqu'au ramollissement local et/ou à la fusion locale de ces pièces au niveau de cette interface, ce qui réalise un point de soudure entre elles. The vibrations at ultrasonic frequency (generally between 10 and 30 kHz) to which said tab is then subjected parallel to its contact surface with this first part, that is to say here parallel to the plane R, have the effect of causing the compressed range of said part and therefore of heating the interface between the two parts by friction at the right of this range until local softening and / or local melting of these parts at this interface, which achieves a weld point between them.

Dans les dispositifs du genre en question connus jusqu'à ce jour, le plan P était perpendiculaire à l'axe X de la canne, le plan R étant donc parallèle à cet axe. In devices of the kind in question known to date, the plane P was perpendicular to the axis X of the rod, the plane R therefore being parallel to this axis.

En d'autres termes, si l'on désirait souder une portion horizontale de feuille sur un support métallique, il fallait donner à l'axe X une orientation horizontale. In other words, if you wanted to weld a horizontal portion of sheet on a metal support, you had to give the X axis a horizontal orientation.

Comme l'encombrement radial du générateur selon la direction de la patte - encombrement compté à partir de l'axe X - n'est généralement qu'un peu inférieur à l'encombrement radial de ladite patte, l'orientation horizontale de l'axe X, dans l'hypothèse envisagée d'une soudure de portion horizontale de feuille, limite les applications du dispositif soit à la soudure d'éléments présentant de petites dimensions horizontales, soit à celle des zones horizontale marginales d'éléments horizontalement encombrants, soit encore à celle des pièces, telles que des tôles, dont la surface supérieure est dépourvue de saillies incompatibles avec l'encombrement en question du générateur. As the radial size of the generator in the direction of the tab - space counted from the axis X - is generally only a little less than the radial space of said leg, the horizontal orientation of the axis X, in the hypothesis envisaged of welding a horizontal portion of sheet, limits the applications of the device either to the welding of elements having small horizontal dimensions, or to that of the marginal horizontal zones of horizontally bulky elements, or even to that of parts, such as sheets, the upper surface of which is devoid of projections incompatible with the size in question of the generator.

Ce n'est pas le cas lorsque la pièce à souder est une tôle de grandes dimensions, formée d'une suite horizontale de rigoles et nervures parallèles, que l'on désire souder sur un support inférieur au niveau des fonds de ses rigoles. This is not the case when the part to be welded is a large sheet, formed of a horizontal series of parallel channels and ribs, which it is desired to weld on a support below the level of the bottoms of its channels.

Les nervures font en effet trop fortement saillie vers le haut à partir desdits fonds pour permettre à la fois une pénétration de la patte jusqu'à certains de ces fonds et une orientation de la canne parallèle à ceux-ci, le générateur d'ultrasons venant alors heurter verticalement les sommets de certaines nervures. The ribs in fact protrude too strongly upwards from said bottoms to allow both a penetration of the leg up to some of these bottoms and an orientation of the rod parallel to these, the ultrasound generator coming then strike the vertices of certain ribs vertically.

Pour pallier cet inconvénient, conformément à l'invention, la demanderesse a eu l'idée d'incliner la canne sur l'horizontale d'un petit angle a, tout en conservant ltorientation verticale de fa patte, Si l'on considère l'hypothèse ci-dessus d'une soudure d'une portion horizontale de pièce métallique. To overcome this drawback, in accordance with the invention, the applicant has had the idea of tilting the rod on the horizontal by a small angle a, while retaining the vertical orientation in front, if we consider the hypothesis above of a weld of a horizontal portion of metal part.

Elle a constaté avec surprise que, loin de dénaturer la création et la transmission des ultrasons et l'efficacité de leur action, comme on le craignait auparavant, une telle modification d'inclinaison de la canne conduit à l'obtention de points de soudure présentant d'excellentes qualités, tant en ce qui concerne la solidité mécanique que la conductibilité thermique. She noted with surprise that, far from distorting the creation and transmission of ultrasound and the effectiveness of their action, as we feared before, such a modification of the inclination of the rod leads to the production of welding points having excellent qualities, both in terms of mechanical strength and thermal conductivity.

Plus généralement, c'est-à-dire si l'on fait abstraction de l'hypothèse d'orientation ci-dessus, l'angle a considéré est celui compris entre l'axe X de la canne et le plan R. More generally, that is to say if we disregard the orientation hypothesis above, the angle considered is that between the axis X of the rod and the plane R.

Cet angle a est avantageusement compris entre 3 et 200, étart par exemple de l'ordre de 70. This angle a is advantageously between 3 and 200, range for example of the order of 70.

L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. The invention includes, apart from these main provisions, certain other provisions which are preferably used at the same time and which will be more explicitly discussed below.

Dans ce qui suit, l'on va décrire un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative. In what follows, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the attached drawing, of course in a non-limiting manner.

La figure 1, de ce dessin, montre schématiquement un dispositif de soudure par ultrasons conforme à l'invention. Figure 1 of this drawing schematically shows an ultrasonic welding device according to the invention.

Les figures 2 et 3 montrent à plus grande échelle, respectivement selon une vue latérale et selon une vue en bout, la patte terminant la canne de ce dispositif. Figures 2 and 3 show on a larger scale, respectively in a side view and in an end view, the tab terminating the rod of this device.

Et la figure 4 montre, en vue perspective, une application préférée. And Figure 4 shows, in perspective view, a preferred application.

Le dispositif de soudure en question comprend, d'une façon connue en soi - un générateur d'ultrasons 1, - et une canne rectiligne rigide 2 d'axe X, dont une extrémité est terminée par une patte latérale plate 3 de plan moyen P, et dont l'autre extrémité est raccordée au générateur de façon à transmettre à la patte l'énergie ultrasonore produite par celui-ci. The welding device in question comprises, in a manner known per se - an ultrasonic generator 1, - and a rigid rectilinear rod 2 of axis X, one end of which is terminated by a flat lateral tab 3 of medium plane P , and the other end of which is connected to the generator so as to transmit the ultrasonic energy produced by the latter to the tab.

Ladite patte présente la forme générale d'une plaque épaisse, d'épaisseur constante selon la direction longitudinale, c'est-àdire celle de l'axe X, la largeur de cette patte diminuant vers son extrémité, ou encore la forme générale d'une tige prismatique, notamment de section rectangulaire. Said tab has the general shape of a thick plate, of constant thickness in the longitudinal direction, that is to say that of the X axis, the width of this tab decreasing towards its end, or the general shape of a prismatic rod, in particular of rectangular section.

Elle est elle-même terminée par une portée 4, de préférence moletée ou striée, par exemple selon des traits de fraise croisés, et de préférence encore légèrement borne selon une portion de cylindre ou de sphère, le plan mcyen R de cette portée étant perpendiculaire au plan P. It is itself terminated by a bearing 4, preferably knurled or striated, for example along crossed strawberry lines, and preferably still slightly bounded according to a portion of cylinder or sphere, the mcyen plane R of this bearing being perpendicular on plane P.

Mais au lieu de donner à l'axe X une orientation parallèle au plan R, comme dans les modes de réalisation connus, pour lesquels le plan P s'étendait donc transversalement, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe X, on incline ici ledit axe X d'un angle aigu a sur ledit plan R. But instead of giving the axis X an orientation parallel to the plane R, as in the known embodiments, for which the plane P therefore extended transversely, that is to say perpendicular to the axis X, here we tilt said axis X by an acute angle a on said plane R.

En d'autres termes si les pièces à souder mutuellement 5 et 6 s'étendent horizontalement, ainsi donc que le plan R, c'est-àdire si la patte 3 s'étend verticalement ainsi que son plan moyen
P, l'axe X n'est plus ici horizontal, mais légèrement incliné sur l'horizontale de l'angle a.In other words if the parts to be welded to each other 5 and 6 extend horizontally, as well as the plane R, that is to say if the tab 3 extends vertically as well as its mean plane
P, the X axis is no longer horizontal here, but slightly inclined to the horizontal of the angle a.

L'angle formé entre la canne 2 et la patte 3 qui la prolonge latéralement n'est donc plus droit mais obtus. The angle formed between the rod 2 and the tab 3 which extends it laterally is no longer straight but obtuse.

Or la canne 2 est relativement longue : sa longueur est de l'ordre de la longueur d'onde des ondes ultrasonores transmises par elle du générateur 1 à la patte 3, c'est-à-dire de l'ordre de 30cm si la canne est en acier et si la fréquence d'émission est de 17 kHz. Now the rod 2 is relatively long: its length is of the order of the wavelength of the ultrasonic waves transmitted by it from the generator 1 to the tab 3, that is to say of the order of 30 cm if the rod is made of steel and if the transmission frequency is 17 kHz.

L'inclinaison signalée de l'axe X de cette canne sur l'horizontale permet donc de disposer le générateur 1 nettement à l'écart de l'ouvrage à souder, c'est-à-dire nettement au-dessus de celuici si cet ouvrage s'étend horizontalement. The inclination indicated of the axis X of this rod on the horizontal therefore makes it possible to place the generator 1 clearly away from the work to be welded, that is to say clearly above it if this structure extends horizontally.

Cette disposition permet de constituer la pièce à souder supérieure 5 par une feuille métallique ondulée formée d'une suite régulière de rigoles 51 et de nervures 52 parallèles de section rectangulaire, et de souder localement les fonds des rigoles 51 sur la pièce inférieure 6, sur laquelle on reviendra plus loin. This arrangement makes it possible to constitute the upper welding part 5 by a corrugated metal sheet formed of a regular series of channels 51 and parallel ribs 52 of rectangular section, and to locally weld the bottoms of the channels 51 on the lower part 6, on which we will come back to later.

En effet, comme bien visible sur la figure 1, pour laquelle le plan vertical contenant l'axe X est perpendiculaire aux rigoles et nervures, la patte 3 peut être totalement introduite dans les rigoles 51 sans que le générateur 1 vienne heurter des nervures
Cette remarque serait également applicable, bien entendu, au cas - considéré comme moins avantageux - où le plan vertical contenant l'axe X serait parallèle aux rigoles et nervures.In fact, as clearly visible in FIG. 1, for which the vertical plane containing the axis X is perpendicular to the channels and ribs, the tab 3 can be completely introduced into the channels 51 without the generator 1 coming into contact with the ribs
This remark would also apply, of course, to the case - considered to be less advantageous - where the vertical plane containing the X axis is parallel to the channels and ribs.

On constate en outre que les vibrations ultrasonores, qui ont été schématisées par la flèche F sur la figure 2 et qui s'étendent selon l'axe X de la canne, peuvent être considérées comme formées de deux composantes, savoir - une composante horizontale H, qui engendre la friction à laquelle est dû l'échauffement local des pièces 5 et 6 comprimées par la portée P, - et une composante verticale V qui exerce une pression perpendiculairement aux pièces juxtaposées, pression qui ajoute un effet favorable à celui dû à la pression d'application de l'outil sur lesdites pièces. It is further noted that the ultrasonic vibrations, which have been shown diagrammatically by the arrow F in FIG. 2 and which extend along the axis X of the rod, can be considered to be formed of two components, namely - a horizontal component H , which generates the friction to which is due the local heating of the parts 5 and 6 compressed by the bearing P, - and a vertical component V which exerts a pressure perpendicular to the juxtaposed parts, pressure which adds a favorable effect to that due to the tool application pressure on said parts.

La grande qualité des soudures ponctuelles S obtenues peut être attribuée à la combinaison de ces effets. The high quality of the spot welds S obtained can be attributed to the combination of these effects.

Une application intéressante de l'invention,-citée ici à titre purement illustratif et bien entendu non limitatif, est la fa brication d'échangeurs de température composés d'une suite alternée de feuilles ondulées minces (par exemple d'épaisseur 0,2 mm) en aluminium du genre de la feuille 5 ci-dessus et de serpentins en zig-zag également en aluminium, serpentins eux-mêmes composés de tronçons de canalisations rectilignes à section rectangulaire constituant les pièces 6 ci-dessus, tronçons raccordés entre eux par des boucles semi-circulaires 7 (figure 4). An interesting application of the invention, cited here purely by way of illustration and of course not limiting, is the manufacture of heat exchangers composed of an alternating series of thin corrugated sheets (for example 0.2 mm thick ) of aluminum of the kind of sheet 5 above and of zigzag coils also of aluminum, coils themselves composed of sections of rectilinear pipes with rectangular section constituting the parts 6 above, sections connected together by semicircular loops 7 (Figure 4).

On voit encore sur le dessin - une enclume 8 propre à supporter les pièces 5 et 6 juxtaposées de façon à encaisser l'effort de pression exercé par l'outil sur ces pièces lors de la soudure, et éventuellement à serrer l'une au moins de ces pièces en vue d'empêcher sa déformation lors de l'application superficielle des frictions à fréquence ultrasonore sur elle, - un harnais 9 ou analogue permettant de supporter l'ensemble de l'outil, c'est-à-dire de l'équipage constitué par le moteur 1 et la canne 2, et éventuellement d'appliquer la pression de soudage sur la patte 3 aux instants désirés, et éventuellement encore de déplacer lddit équipage afin de le mettre en place pour les soudures ponctuelles successives désirées: : - un congé de raccordement 10 prévu entre la canne 2 et la patte 3 au creux de l'angle obtus formé entre ces deux éléments de façon à renforcer la zone de liaison correspondante. We also see in the drawing - an anvil 8 suitable for supporting parts 5 and 6 juxtaposed so as to withstand the pressure force exerted by the tool on these parts during welding, and possibly to tighten at least one of these parts in order to prevent its deformation during the surface application of ultrasonic frequency friction on it, - a harness 9 or the like making it possible to support the whole of the tool, that is to say of the 'crew consisting of the motor 1 and the rod 2, and possibly applying the welding pressure on the lug 3 at the desired times, and possibly also moving the said crew in order to put it in place for the desired successive point welds: - A connection leave 10 provided between the rod 2 and the tab 3 at the hollow of the obtuse angle formed between these two elements so as to reinforce the corresponding connection zone.

En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on obtient un dispositif de soudage par ultrasons dont la constitution, le fonctionnement et les avantages résultent suffisamment de ce qui précède. As a result of this, and whatever the embodiment adopted, an ultrasonic welding device is obtained whose constitution, operation and advantages result sufficiently from the above.

Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.. As is obvious, and as already follows from the foregoing, the invention is in no way limited to those of its modes of application and embodiments which have been more especially envisaged; on the contrary, it embraces all variants.

Claims

1. Device for ultrasonic welding of metal parts juxtaposed one against the other, comprising an ultrasound generator and a rigid rectilinear rod, one end of which is terminated by a lateral tab of medium plane P, and the other end of which is connected to the generator so as to transmit the ultrasonic energy produced by the latter to the lug, this lug state itself terminated by a surface, preferably striated and slightly curved, suitable for being applied to the parts to be welded and s extending substantially along a plane R perpendicular to the plane P, characterized in that the axis (X) of the rod (2) is inclined at a small angle a on the plane R.

2. Device according to claim 1, characterized in that the angle a is between 3 and 200.

3. Device according to claim 2, characterized in that the angle a is of the order of 70.

4. Application of the device according to any one of the preceding claims to the welding of aluminum sheets (5) deformed according to a series of parallel corrugations of rectangular profile, on aluminum tubes (6) of rectangular section so as to constitute a temperature exchanger.