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CA 02272839 1999-OS-25
SOL 98/004
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Procédé et installation de revêtement d'une surface par
électrophorèse.
L'invention concerne un procédé de revêtement par électrophorèse de la
surface d'un substrat immergé dans un bain d'électrophorèse, comprenant les
étapes consistant à
- faire passer un courant électrique entre ladite surface servant
d'électrode et une contre-électrode également plongée dans le bain,
- pendant le passage du courant, soumettre le bain au voisinage de la
surface à des mouvements de vibration, notamment à des fréquences sonores
ou ultrasonores.
La mise en peinture par électrophorèse est largement utilisée pour les
pièces de carrosserie automobile.
Le bain d'électrophorèse est généralement constitué d'une émulsion
aqueuse d'un polymère filmogène ; on utilise couramment des résines de type
polyépoxydes.
Le courant électrique d'électrophorèse sert à entraîner les particules de
l'émulsion vers la pièce à peindre où elles vont constituer la couche de
peinture ; la résistance électrique entre la pièce à peindre et la contre-
électrode augmente avec l'épaisseur de dépôt.
Une installation de peinture de carrosserie comporte d'une manière
classique un bac de peinture et un convoyeur pour immerger la pièce dans le
bain, la déplacer le long du bain et l'en extraire, comme décrit par exemple
dans la demande de brevet JP 87 268 321 A.
La longueur du bac et la vitesse de défilement de la pièce dans le bac
sont adaptés à l'épaisseur de la couche de peinture à déposer, en fonction de
la vitesse de dépôt de peinture.
La vitesse de dépôt est proportionnelle au champ électrique au voisinage
de la pièce à peindre, c'est à dire à la différence de potentiel appliquée
entre
l'électrode et la contre-électrode ; à polarisation constante, cette vitesse
décroït
en fonction du temps jusqu'à s'annuler quasiment quand l'épaisseur de la
couche de peinture déposée offre une résistance électrique importante au
passage du courant électrophorétique.
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La pièce extraite du bain est étuvée pour assurer la cuisson du
revêtement ; pour des résines de type polyépoxydes, le traitement d'étuvage
dure environ 20 minutes à environ 180°C.
Comme décrit dans le document JP 87 268 321 A, lorsqu'on applique
ainsi une couche de peinture sur des tôles d'acier revêtues de zinc ou
d'alliage
de zinc, notamment des tôles d'acier galvanisées alliées, on observe des
défauts de surface (« gaz pinhole » en langue anglaise) sur la couche de
peinture, qui proviendraient de la formation, pendant l'électrodépôt, de
bulles
de gaz sur la surface à peindre.
Pour éviter la formation de ces défauts, ce document enseigne de
soumettre le bain d'électrophorèse à des mouvements de vibration à des
fréquences ultrasonores, pendant le passage du courant électrophorétique.
Pour mettre en vibration le bain, on immerge dans le bain des
générateurs émetteurs d'ultrasons, le long du chemin de défilement de la
pièce, de chaque côté de la pièce ; ces émetteurs d'ultrasons sont répartis de
chaque côté du chemin de défilement le long des deux parois longitudinales du
bac de peinture (référence 7 sur les figures 1 et 2 du document JP 87 268 321
A) et sont reliés à un dispositif d'alimentation adapté.
Ce procédé d'électrodéposition sous ultra-sons est coûteux, car il
nécessite l'installation de nombreux émetteurs le long du chemin de défilement
des pièces.
L'invention a pour but un procédé et une installation plus économiques.
L'invention a pour objet un procédé de revêtement par électrophorèse de
la surface d'un substrat immergé dans un bain d'électrophorèse, comprenant
les étapes consistant à
- faire passer un courant électrique entre cette surface servant d'électrode
et une contre-électrode également plongée dans le bain,
- pendant le passage du courant, soumettre le bain à des mouvements de
vibration au voisinage de cette surface,
caractérisé en ce que
- on applique lesdits mouvements de vibration de manière à générer des
cavitations vaporeuses au voisinage de cette surface,
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- on applique lesdits mouvements de vibration seulement dans une
première phase D de début du passage du courant etlou seulement dans une
deuxième phase F de fin du passage du courant,
la phase D commençant au début du passage du courant et se terminant
avant l'instant correspondant à la moitié de la durée de passage du courant,
la phase F commençant après l'instant correspondant à la moitié de la
durée de passage du courant et se terminant à la fin de passage du courant,
la durée de la phase D étant inférieure à la moitié de la durée de passage
du courant.
Le fait d'adapter les mouvements de vibration pour générer des
phénomènes de cavitations vaporeuses et des cavitës au voisinage de la
surface est un éléments particulièrement important pour aboutir au but de
l'invention ; le diamètre de ces cavités peut également influencer
l'efficacité du
procédé.
L'expression « commençant au début » ne signifie pas que l'application
des mouvements de vibration ne puisse pas commencer légèrement avant le
début de passage du courant, pour des raisons de commodité ; ainsi, la phase
D commence « approximativement » à l'instant de début de passage du
courant.
L'expression « se terminant à la fin o ne signifie pas que l'application des
mouvements de vibration ne puisse pas se poursuivre légèrement après la fin
de passage du courant, pour des raisons de commodité ; ainsi, la phase F se
termine « approximativement » à l'instant de fin de passage du courant.
Comme la durée d'application des mouvements de vibration D + F est
alors strictement inférieure à celle du passage du courant, le procédé selon
l'invention est moins coüteux que les procédés de l'art antérieur qui
prévoyaient d'appliquer ces mouvements de vibration pendant toute la durée
de passage du courant.
De préférence, pour réaliser l'économie optimale pour la phase D, cette
phase D se termine approximativement à l'instant correspondant au point
d'inflexion de la courbe R°(t) d'évolution, en fonction du temps, de la
résistance
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électrique mesurée entre cette surface et la contre-électrode dans les mêmes
conditions mais en l'absence desdits mouvements de vibration.
En pratique, il peut suffire que la durée de la phase D soit inférieure ou
égale au quart de la durée de passage du courant, ce qui permet d'économiser
le quart des coûts relatifs aux « moyens de vibration » par rapport à l'art
antérieur.
L'invention peut également présenter une ou plusieurs des
caractéristiques suivantes
- les mouvements de vibration correspondent à des ondes sonores ou
ultrasonores.
- le substrat est en acier galvanisé allié.
- on applique lesdits mouvements de vibration uniquement dans ladite
première phase D de début du passage du courant.
- au cours de ladite première phase D, l'intensité dudit courant que l'on
fait passer provoque une tension de polarisation supérieure à la tension de
cratérisation de ladite surface.
- au début du passage du courant, la durée de montée de la tension de
polarisation jusqu'à une valeur prédéterminée supérieure à ladite tension de
cratérisation est inférieure à 1 seconde.
- on applique lesdits mouvements de vibration uniquement dans la
deuxième phase F de fin du passage du courant.
- pendant ladite deuxième phase F, on applique les mouvements de
vibration uniquement au voisinage de zones prédéterminées de ladite surtace
en vue d'y déposer un revêtement plus épais que sur les autres zones de ladite
surface.
L'invention a également pour objet une installation de revêtement en
continu de la surface de pièces par électrophorèse, utilisable pour mettre en
oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, du
type comprenant un bac pour contenir un bain d'électrophorèse, des moyens
pour immerger la surface, pour convoyer les pièces en défilement dans le bac
puis les en extraire, au moins une contre-électrode plongée dans le bain, des
moyens pour faire passer un courant électrique entre ladite surface et la
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contre-électrode, et des moyens pour appliquer des mouvements de vibrations
dans le bain au voisinage de ladite surface en défilement,
caractérisée en ce que ces moyens de vibrations sont adaptés pour
- appliquer lesdits mouvements de vibration de manière à générer des
5 cavitations vaporeuses au voisinage de ladite surface de pièces,
- appliquer lesdits mouvements de vibration seulement dans la « zone
d'immersion » des pièces etlou seulement dans la « zone d'extraction » des
pièces,
la « zone d'immersion » des pièces le long du chemin de défilement
commençant approximativement à l'endroit correspondant au début de
passage du courant et se terminant en deçà de la moitié de la longueur dudit
bac,
la « zone d'extraction » des pièces le long du chemin de défilement
commençant au delà de la moitié de la longueur dudit bac et se terminant
approximativement à l'endroit correspondant à la fin de passage du courant.
Comme la longueur totale des zones (« immersion » + « extraction ») le
long desquelles laquelle on applique lesdits mouvements de vibration est alors
strictement inférieure à celle le long desquelles on fait passer un courant
électrique, les moyens pour appliquer des mouvements de vibrations sont
moins coûteux que dans l'art antérieur.
De préférence, pour réaliser l'économie optimale de ces moyens, la
« zone d'immersion » se termine approximativement à l'endroit correspondant à
l'instant correspondant au point d'inflexion de la courbe R°(t)
d'évolution, en
fonction du temps, de la résistance électrique mesurée entre cette surface et
la
contre-électrode dans les mêmes conditions mais en l'absence desdits
mouvements de vibration.
En pratique, il peut suffire que la longueur de la zone d'immersion dans la
direction de défilement soit inférieure ou égale au quart de la longueur dudit
bac, ce qui permet d'économiser le quart des coûts relatifs aux « moyens de
vibration » par rapport à l'art antérieur.
L'invention peut également présenter une ou plusieurs des
caractéristiques suivantes
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- lesdits moyens de vibration sont adaptés pour générer des ondes
sonores ou ultrasonores.
- lesdits moyens de vibration sont immergés dans ladite « zone
d'immersion » etlou lesdits moyens de vibration sont immergés dans ladite
« zone d'extraction ».
Les bases de l'invention résident dans la constatation des phénomènes
suivants.
Les défauts de surface de la couche de peinture présentent la forme de
cratères, qui, sur des tôles d'acier, sont des lieux privilégiés d'amorçage de
la
corrosion ; en outre, malgré les trois couches de peinture supplémentaires
(dites respectivement « sealer », « base » et « vernis » ) que subissent les
pièces visibles de la carrosseries au dessus de la couche de cataphorèse, les
cratères restent apparents et dégradent fortement l'aspect de ces pièces.
Ces cratères se présentent sous la forme de petits trous tronconiques
débouchant à la surface de la couche de cataphorèse ; ils ont un diamètre
généralement compris entre 100 et 500 ~m à la base, entre 5 et 20 ~.m au
sommet.
Ces défauts dits de « cratérisation » proviendraient de la formation de
gaz, notamment d'hydrogène, au voisinage de la surface de la pièce en cours
de revêtement.
Les conditions d'application des ultrasons doivent être adaptées pour
engendrer des phénomènes de cavitation vaporeuse dans le bain au voisinage
de la surface à revêtir, à l'endroit où l'on souhaite éviter les défauts ; en
effet,
les mouvements de vibration ultra-sonores dans les fluides sont réputés
engendrer des phénomènes de cavitation qui, selon la puissance mise en
oeuvre, relèvent de la cavitation gazeuse (basse puissance), de la cavitation
vaporeuse (moyenne puissance : quelques W/litre) ou de la cavitation « vide »
(forte puissance) ; la cavitation gazeuse ne permet pas d'éviter efficacement
les défauts de surface, contrairement à la cavitation vaporeuse ; il semble en
effet que les cavités vaporeuses créées au voisinage de la surface provoquent
la coalescence des bulles d'hydrogène en formation, empêchant ainsi la
formation des défauts de surface.
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L'énergie nécessaire pour engendrer la cavitation vaporeuse est
indépendante de la fréquence jusqu'à au moins 100 kHz ; les valeurs
minimales requises d'énergie ultrasonore d'insonation sont, selon les
différentes théories connues en la matière, comprises entre 0,1 et 1 Wlcm2 ;
au
delà de ce seuil d'énergie, la durée de vie diminue avec l'augmentation de la
puissance, entre une dizaine de périodes à une période ; par contre, la
densité
n'évolue pas forcément en fonction de la puissance.
La taille des cavités vaporeuses engendrées dans le bain est inversement
proportionnelle à la fréquence.
Selon une variante de l'invention, il est possible de rajouter, dans le bain
d'électrophorèse, des adjuvants de cavitation ; certains agents mouillants
sont
par exemple bien adaptés ; ils permettent de diminuer la puissance nécessaire
pour provoquer la cavitation.
En l'absence de vibrations générant des cavitations vaporeuses, les
défauts de cratérisation apparaissent au delà d'un niveau prédéterminé de
tension, appelé « tension de cratérisation », et/ou d'une vitesse
prédéterminée
de polarisation de ce substrat ; ainsi, dans l'art antérieur, pour éviter ces
défauts, on applique une tension relativement faible entre le substrat et la
contre-électrode, etlou on applique cette tension de manière très progressive,
ce qui présente l'inconvénient de diminuer la vitesse moyenne de dépôt et,
donc, la productivité de la ligne de peinture.
Sur les lignes de revëtement en continu, l'application progressive de la
tension nécessite d'utiliser plusieurs générateurs de tension (chacun adapté à
une zone de la ligne), ce qui est très coûteux.
En mesurant la résistance R° de polarisation en début de
polarisation du
substrat en l'absence de vibrations générant des cavitations vaporeuses, on
s'attendrait à ce que les valeurs croissent régulièrement avec l'épaisseur
déposée ; on a constaté au contraire que la courbe d'évolution en fonction du
temps R°(t) présentait un point d'inflexion réflétant l'apparition du
phénomène
de cratérisation ; on a vérifié qu'il suffisait, pour éviter totalement les
défauts,
d'appliquer les ultrasons uniquement entre l'instant de début de circulation
du
courant d'électrophorèse et l'instant correspondant à ce point d'inflexion ;
en
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pratique industrielle, la durée qui sépare ces deux instants est généralement
inférieure à 15 secondes.
Même en prolongeant l'application des ultra-sons après l'instant
correspondant à ce point d'inflexion, on s'éloigne des conditions optimales de
mise en oeuvre de l'invention sans s'en départir du moment que la durée
d'application des mouvements de vibration D + F reste strictement inférieure à
celle du passage du courant de manière à limiter l'application des ultra-sons
par rapport à l'art antérieur.
Dans les conditions industrielles, on fait généralement monter très
rapidement la tension de polarisation jusqu'à une valeur de tension supérieure
à la tension de cratérisation ; entre l'instant de début de circulation du
courant
d'-électrophorèse et l'instant où la tension de polarisation dépasse la
tension de
cratérisation, il s'écoule généralement moins d'une seconde ; cette montée
rapide en tension accroît encore le risque de cratérisation, que l'invention
permet d'éviter.
Ainsi, selon l'invention, sur une ligne de peinture où les pièces sont
convoyées à la vitesse de 4 mlmin., pour éviter les défauts de surface, il
peut
suffire de soumettre aux ultrasons la zone de début d'immersion des pièces sur
une longueur de 1 m environ du chemin de défilement ; la durée de la phase D
est alors inférieure ou égale au quart de la durée de passage du courant et
longueur de la zone d'immersion est alors inférieure ou égale au quart de la
longueur du bac d'immersion.
L'invention permet donc d'éviter les défauts de surface tout en effectuant
le dépôt sous des tensions élevées, même appliquées brutalement ; l'invention
permet donc d'éviter les défauts de surface dans des conditions de vitesse de
dépôt élevée.
Comme mentionné ci-dessus, à tension de polarisation constante, la
vitesse de dépôt de peinture décroît en fonction du temps jusqu'à s'annuler
quasiment quand l'épaisseur de la couche de peinture déposée offre une
résistance électrique importante au passage du courant électrophorétique ; on
atteint ainsi une épaisseur limite donnée.
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On a constaté que, en présence d'ultra-sons, l'épaisseur limite pouvait
augmenter de 15 à 40% ; on a également constaté que l'effet obtenu est
identique selon que l'on applique les ultrasons pendant toute la durée de la
polarisation, ou seulement en fin de période de polarisation, par exemple
pendant seulement la deuxième moitié de la durée de passage du courant
électrophorétique.
En se référant aux figures 4 et 5, dans une installation 7 de revêtement de
surface de pièces 9 en continu par électrophorèse, du type comprenant un bac
8 pour contenir un bain d'électrophorèse, des moyens 10 pour immerger la
surface, pour convoyer les pièces 9 en défilement dans le bac puis les en
extraire, au moins une contre-électrode plongée dans le bain, des moyens pour
faire passer un courant électrique entre la surface et la contre-électrode, et
des
générateurs d'ultra-sons 11, 12 adaptés pour soumettre le bain au voisinage
de la surface en défilement à des mouvements de vibration, comme décrit dans
le document JP 87 268 321 A, l'invention permet de limiter la zone du bain à
soumettre à des vibrations à la « zone d'immersion » des pièces et/ou
uniquement à la « zone d'extraction » des pièces, tout en limitant la
cratérisation et/ou en augmentant sensiblement la vitesse de dépôt.
Grâce à la limitation de la zone du bain à soumettre à des vibrations,
l'installation est beaucoup plus économique, puisque l'on dispose des
générateurs d'ultrasons 11 uniquement dans la « zone d'immersion » etlou l'on
dispose des générateurs d'ultrasons 12 uniquement dans la « zone
d'extraction ».
Au sens de limitation de la zone du bain à soumettre à des vibrations, la
« zone d'immersion » des pièces le long du chemin de défilement commence à
l'endroit correspondant à l'instant de début de circulation du courant
électrophorétique, donc généralement au point de début d'immersion de la
pièce ou d'une portion de pièce, et se termine à l'endroit correspondant à
l'instant du point d'inflexion que l'on observerait sur la courbe R°(t)
d'évolution
en fonction du temps de la résistance de polarisation en l'absence de
vibrations générant des cavitations vaporeuses.
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Au sens de limitation de la zone du bain à soumettre à des vibrations, la
« zone d'extraction » des pièces le long du chemin de défilement commence au
plus tôt à la moitié de la zone le long de laquelle la pièce ou portion de
pièce
est immergée et se termine à l'endroit correspondant à l'instant de fin de
5 circulation du courant électrophorétique, donc généralement au point
d'extraction de la pièce ou d'une portion de pièce.
Grâce à l'invention, il n'est plus nécessaire d'implanter des émetteurs
d'ultrasons dans le bain tout le long du chemin de défilement des pièces à
peindre, comme dans le document JP 87 268 321 A ; on diminue ainsi
10 sensiblement le nombre et/ou la puissance utile des émetteurs, ce qui est
très
économique.
L'invention permet ainsi d'éviter, le cas échéant, les défauts de
cratérisation etlou d'améliorer la vitesse moyenne de dépôt tout en
économisant sur les coûts d'installation et d'exploitation par rapport au
procédé
décrit dans le document JP 87 268 321 A.
La possibilité, offerte par l'invention, d'utiliser des tensions de
polarisation
supérieures à la tension de cratérisation sans risque de cratérisation, ainsi
que
celle d'atteindre des vitesses élevées de dépôt permettent d'améliorer la
productivité de l'installation.
L'effet des vibrations générant des cavitations vaporeuses sur la vitesse
de dépôt peut être utilisé pour obtenir des sur-épaisseurs localisées de
revêtement : ainsi par exemple, en adaptant la position des émetteurs
d'ultrasons dans le bac par rapport à des zones de surface de pièce où l'on
souhaite appliquer une sur-épaisseur, on peut obtenir, en une seule opération,
un revêtement présentant ces sur-épaisseurs convenablement localisées ; ces
zones peuvent correspondre à des joints soudés ou à des parties en creux des
pièces, qui nécessitent une protection renforcée contre la corrosion.
Lorsqu'on utilise des ondes sonores ou ultrasonores pour provoquer dans
le bain des vibrations générant des cavitations vaporeuses sur la surface de
la
pièce immergée, de préférence la propagation des ondes est
approximativement perpendiculaire à ladite surface ; à l'aide de dispositifs
classiques, la cavitation peut être provoquée à plusieurs mètres de distance
et
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les ondes peuvent être concentrées, même à partir de plusieurs émetteurs, sur
des zones prédéterminées de la surface.
Selon une variante de l'invention, l'installation ne comporte pas de
sonotrodes dans le bain mais des moyens pour faire vibrer à une fréquence
ultrasonore la pièce à peindre ; ainsi, en faisant vibrer la pièce à peindre
au
lieu du bain, on parvient aux mêmes avantages que précédemment.
Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent être avantageusement
utilisés pour peindre des caisses automobiles, ou des pièces de carrosserie
comme des capots, des ailes, des portières ou des pièces de soubassement.
Les exemples suivants illustrent l'invention en référence aux figures
annexées sur lesquelles
- la figure 1 est une représentation schématique d'une installation de
peinture utilisée pour les exemples décrits ci-après ;
- les figures 2 et 3 illustrent la variation en fonction du temps de la
résistance électrique R°(t) entre la contre-électrode et la surface en
cours de
revëtement, à partir de l'instant de début de circulation du courant
d'électrophorèse.
- les figures 4 et 5 sont des schémas d'installation de revêtement selon
l'invention, en vue latérale (fig. 4) et vue de dessus (fig.5).
Exemple 1
Cet exemple a pour but d'illustrer l'absence de défauts de surtace après
un dépôt effectué sous une tension supérieure à la tension de cratérisation et
sous ultra-sons.
Cet exemple a également pour but d'illustrer l'incidence de la direction de
vibration du bain au voisinage de la surface à peindre.
On réalise des essais de revêtement par cataphorèse selon l'invention sur
des échantillons d'acier.
On choisit un substrat en acier galvanisé allié pour se placer dans les
conditions où le risque de cratérisation est élevé.
Ces échantillons sont découpés dans une tôle plane en format 90 x 140
mm et pliés en équerre par le milieu du grand côté.
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Comme bain de cataphorèse, on utilise un bain usagé référencé 718 960
de la Société PPG à une température de 28°C.
On choisit un bain usagé pour se placer dans les conditions où le risque
de cratérisation est élevé.
Dans la cuve contenant le bain, on immerge une contre-électrode plane,
ou anode, et, face à l'anode, l'échantillon à peindre.
L'échantillon à peindre présente alors une partie parallèle à l'anode à une
distance de 130 mm et une partie perpendiculaire orientée vers l'anode.
Des sonotrodes sont disposées dans le bain entre l'échantillon et l'anode,
à une distance de 2 cm environ de la partie de l'échantillon parallèle à
l'anode,
pour générer des vibrations dans une direction parallèle à cette partie de
l'échantillon et donc perpendiculaire à l'autre partie en équerre du même
échantillon.
Les vibrations engendrées dans le bain présentent une fréquence de
21700 Hz et une puissance de 300 W environ ; ces conditions permettent de
provoquer des cavitations vaporeuses dans le bain, notamment au voisinage
de la surface à revêtir.
On maintient une différence de potentiel de 220 V entre la tôle à peindre
et l'anode jusqu'à ce que la charge électrique totale transférée atteigne 18
Coulombs ; cette tension de polarisation est supérieure à la tension de
cratérisation, c'est à dire à la tension sous laquelle des phénomènes de
cratérisation apparaissent en l'absence d'ultra-sons.
Dans ces conditions, la durée nécessaire pour le passage de la charge
électrique de 18 Coulombs est de environ 17 secondes ; le dépôt obtenu
présente alors une épaisseur comprise entre 15 et 20 ~,m.
Après l'opération de revêtement, on extrait l'échantillon du bain et on
l'étuve pendant 20 minutes à 180°C pour cuire la couche de peinture.
On observe ensuite le nombre de défauts de type « cratère » sur les deux
parties peintes de l'échantillon, la partie parallèle à l'anode et la partie
perpendiculaire.
nombre de défauts sur la partie parallèle : 110.
- nombre de défauts sur la partie perpendiculaire : 110.
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La direction de vibration du bain au voisinage de la surface à peindre ne
semble donc pas déterminante vis à vis du risque de cratérisation.
Exemple comparatif 1
Cet exemple illustre les résultats obtenus dans les mêmes conditions que
dans l'exemple 1, mais en l'absence d'ultrasons.
On procède comme dans l'exemple 1, mais sans sonotrodes.
Pour la même charge électrique de 18 Coulombs, et, approximativement
la mëme épaisseur de revêtement, il convient de maintenir la polarisation
pendant 24 s.
On obtient les résultats suivants
- nombre de défauts sur la partie parallèle : 240.
- nombre de défauts sur la partie perpendiculaire : 225.
En comparant à l'exemple 1, on en déduit que l'utilisation des ultrasons
permet
- de diviser environ par deux les risques de défaut de type "cratère",
- d'améliorer de environ 30% la vitesse de dépôt.
Exemple 2
Cet exemple a pour but d'illustrer l'incidence du bain d'électrophorèse.
On procède dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, mais sur
des échantillons plans de 100 x 200 mm dans un bain non usagé.
On mesure également la quantité de cratères sur la surface peinte, et, en
outre, le temps nécessaire pour obtenir une épaisseur de revêtement
prédéterminée.
On obtient les résultats suivants
- nombre de défauts de cratère : 0.
- temps de dépôt : 14 s.
Exemple comparatif 2
Cet exemple illustre les résultats obtenus dans les mêmes conditions que
dans l'exemple 2, mais en l'absence d'ultra-sons.
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On procède comme dans l'exemple 2, mais sans sonotrodes et donc sans
soumettre le bain à des ultrasons.
Pour un revêtement de la même épaisseur prédéterminée, on obtient les
résultats suivants
- nombre de défauts de cratère : 42.
- temps de dépôt : 20 s.
En comparant à l'exemple 2, on en déduit que l'utilisation des ultra-sons
permet
- de supprimer l'apparition de cratères.
- de gagner environ 30% sur la vitesse de dépôt.
On confirme donc les enseignements de l'exemple 1, sur un bain
d'électrophorèse différent et sur des échantillons de formes simples.
Exemple 3
Cet exemple a pour but de montrer que, pour limiter efficacement
l'apparition de défauts de cratérisation à l'aide d'ultrasons, les conditions
d'application des ultrasons doivent être adaptées pour engendrer des
phénomènes de cavitation vaporeuse dans le bain au voisinage de la surface à
revêtir.
Une onde acoustique se propageant dans un milieu liquide se caractérise
par une succession de pressions positives et négatives ; la variation de
pression en un point du liquide est appelée « pression acoustique ».
La pression acoustique est liée à la puissance ultrasonore dissipée dans
le liquide ; une pression acoustique élevée peut entraîner la rupture locale
du
liquide et la création d'une cavité dans une zone de basse pression ; c'est le
phénomène de cavitation acoustique.
On distingue au moins deux types de cavitation
- la cavitation gazeuse, dans laquelle la cavité est remplie de gaz
initialement dissous dans le liquide, ou provenant de matériaux immergés
(parois, électrodes, ...).
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- la cavitation vaporeuse, dans laquelle la cavité est remplie de vapeur du
liquide, la basse pression (ou dépression) dans la cavité étant inférieure à
la
pression de vapeur saturante de ce liquide.
La cavitation vaporeuse nécessite une énergie supérieure à la cavitation
5 gazeuse.
Lorsqu'on engendre des cavités dans le bain au voisinage de la surface,
deux phénomènes prépondérants sont importants pour éviter les défauts de
cratérisation : les ondes de choc et les micro-jets, qui ne se produisent
qu'avec
les cavités vaporeuses.
10 Pour matérialiser la cavitation vaporeuse dans un bain de cataphorèse,
on utilise l'installation suivante (en référence à la figure 1 ) : un bac 1
contenant
un bain 2 ; un échantillon 3 et une contre-électrode 4 maintenues immergées
dans le bain 2.
On implante une sonotrode 5 dans le bain, de manière à ce que les
15 vibrations ultra-sonores qu'elle engendre soient perpendiculaires à la
surface
de l'échantillon 3 à revêtir.
On peut installer deux types de sonotrodes selon la fréquence souhaitée
16,3 kHz ou 38,9 kHz
On peut faire varier la distance entre la sonotrode 5 et l'échantillon 3.
Le niveau de remplissage du bain est de 110 mm en hauteur.
Pour matérialiser la cavitation vaporeuse, on remplit le bac 1 d'eau et on
utilise, à la place de l'échantillon, une feuille d'aluminium maintenue par
deux
gri I les.
On constate alors que, sous ultrasons et à une puissance suffisante, il se
forme des « impacts » sur la feuille d'aluminium : la quantité d'impact
obtenue
renseigne sur la densité de cavitation.
On effectue des séries d'essais de 30 secondes sous 300 W ; en termes
de densité d'impact, les résultats obtenus sont reportés au tableau I : xxxx
pour
désigner une très forte densité d'impact, xxx pour une forte densité, xx pour
une densité moyenne, x pour une faible densité d'impact.
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Tableau I - Influence de la distance Sonotrode-Échantillon
Distance (cm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Sonotrode-chant.
Sonotrode 16,3 xxxxxxxxxxx xx xx xx x x x x
kHz
Sontrode 38,9 xx x x n.o.n.o. n.o.n.o, n.o.n.o. n.o.
kHz
(n.o. : non observé)
La valeur de puissance de la sonotrode (300W) concerne la sonotrode
elle-même et non pas la puissance ultrasonore dissipée dans le bain à
proximité de la surface de l'échantillon.
On constate que la basse fréquence 16,3 kHz semble plus favorable à la
cavitation vaporeuse que la haute fréquence 38,9 kHz.
On a ensuite effectué des essais de mise en peinture pour recouper les
conditions d'application des ultra-sons (cavitation vaporeuse) et l'effet anti-
cratérisation.
Pour un essai « standard » de mise en peinture, on utilise des
échantillons de tôle d'acier galvanisé allié, dégraissés non phosphatés et un
bain non usagé de cataphorèse de la Société PPG, référencé 718 960,
maintenu sous agitation mécanique et à une température constante de environ
28°C ; on polarise progressivement l'échantillon jusqu'à atteindre, en
10
secondes environ, une tension de 220 V que l'on maintient ensuite constante
pendant la durée de l'essai ; à l'aide de la sonotrode, on soumet le bain à
des
ultrasons pendant toute la durée de circulation du courant d'électrophorèse ;
la
durée de l'essai est de 30 secondes.
Après essai, on observe la présence (« OUI ») ou l'absence (« NON ») de
cratère sur chaque face 6A, 6B de l'échantillon ; les résultats sont reportés
au
tableau II.
D'après ces résultats, à 16,7 kHz et 300 W, on confirme donc qu'il
convient, pour éviter la cratérisation, que la distance sonotrode-échantillon
soit
inférieure ou égale à 6 cm ; cette condition semble bien correspondre à celle
de la cavitation vaporeuse établie dans la série d'essai précédente (tableau
I).
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A 16,7 kHz et 50 W, on constate qu'il convient, pour éviter la cratérisation,
que la distance sonotrode-échantillon soit inférieure ou égale à 3 cm.
A 38,9 kHz et 500 W (forte puissance), on ne parvient pas à éviter la
cratérisation ; il est possible que le diamètre des cavités soit, à cette
fréquence, trop faible pour être efficace contre la cratérisation.
Le diamètre des cavités est effet inversement proportionnel à la fréquence
de l'ordre de 30 à 100 ~m à 10 kHz, de l'ordre de 15 à 50 ~.m à 20 kHz.
Tableau II - Influence des ultrasons sur la cratérisation.
NEch. Frquence Puissance Distance (cm)Cratres Cratres
(kHz) Ultrason Sonotr.-Ch. Face 6A Face 6B
(W)
1 Sans 0 4 OUI OUI
12 16,7 50 2 NON NON
22 16,7 50 3 NON OUI
3 16,7 50 4 OUI OUI
8 16,7 300 2 NON NON
2 16,7 300 4 NON NON
17 16,7 300 5 NON NON
18 16,7 300 6 NON NON
16,7 300 7 OUI OUI
4 16,7 500 4 NON NON
19 16,7 500 7 OUI OUI
13 38,9 300 1 OUI OUI
9 38,9 300 2 OUI OUI
38,9 300 4 OUI OUI
7 38,9 500 4 OUI OUI
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On constate donc que l'effet anti-cratérisation augmente lorsque
- la puissance de la sonotrode augmente, ou la distance échantillon-
sonotrode diminue,
- la fréquence des ultra-sons diminue.
Exemple 4
Cet exemple a pour but d'illustrer l'utilisation de la méthode du suivi de la
résistance électrique de l'échantillon en cours de revêtement pour connaïtre
le
niveau instantané de cratérisation de la surface.
On utilise la même installation de mise en peinture que dans l'exemple 3,
en référence à la figure 1 : un bac 1 contenant un bain de peinture 2 ; un
échantillon 3 et une contre-électrode 4 maintenues immergées dans le bain 2.
On implante une sonotrode 5 dans le bain, de manière à ce que les
vibrations ultra-sonores qu'elle engendre soient perpendiculaires à la surface
de l'échantillon 3 à revêtir ; la sonotrode 5 est adaptée
- pour fonctionner à la fréquence de 8 kHz,
- et pour délivrer la puissance ultra-sonore minimale constante de 50 W.
On distingue la face 6A exposée à la sonotrode et l'autre face opposée
6B ; la distance entre la sonotrode et l'échantillon est fixée à 11 cm.
Pour un essai « standard » de mise en peinture, on utilise des
échantillons de tôle d'acier dégraissés non phosphatés et un bain non usagé
de cataphorèse de la Société PPG, référencé 718 960, maintenu sous agitation
mécanique et à une température constante de environ 28°C ; on polarise
progressivement l'échantillon jusqu'à atteindre, en 10 secondes environ, une
tension de 220 V que l'on maintient ensuite constante pendant la durée de
l'essai ; la durée de l'essai est au moins de 30 secondes ; selon une
variante,
la « rampe de montée en tension » est de quasiment 0 seconde, au lieu de 10
secondes.
Au cours des essais, on mesure donc la résistance électrique entre
l'échantillon 3 et la contre-électrode 4
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Dans les conditions « standard » et sur des échantillons d'acier galvanisé
allié, en l'absence d'ultra-sons pendant la circulation du courant, on observe
alors une évolution R°(t) des valeurs de résistance en fonction du
temps
conforme à la représentation schématique de la figure 2 : la courbe
R°(t)
présente un point d'inflexion, ici un pic correspondant à la valeur de
résistance
R max.
La forme et l'ampleur de ce pic (ou point d'inflexion) dépendent de la
tension de polarisation appliquée.
A l'inverse, dans les mêmes conditions mais en présence d'ultra-sons, on
constate que ce pic diminue ou disparaît complètement.
Parallèlement, après étuvage des échantillons revêtus, on constate que
les échantillons revêtus en l'absence d'ultra-sons présentent des défauts de
cratères (sur les deux faces 6A et 6B) alors que les échantillons revêtus en
présence d'ultra-sons ne présentent ces défauts.
La suppression de la cratérisation à 8 kHz qu'on observe à une distance
plus importante que dans l'exemple 3 à 17 kHz confirme que la fréquence des
ultrasons a une incidence sur la suppression de la cratérisation ; il est
possible
que le diamètre des cavités intervienne dans les phénomènes en cause.
Enfin, on constate surtout qu'on obtient le même état de surface sans
défauts si on applique les ultra-sons pendant toute la durée de passage du
courant (cas P2 - fig.2) comme dans l'art antérieur ou si on les applique
uniquement entre l'instant de début de passage du courant (temps : 0 s.) et
l'instant correspondant au pic (cas P1 ) selon l'invention ; à l'inverse, si
on
applique les ultra-sons uniquement après le pic (cas P3) , même pendant une
durée longue (cas P4), on n'observe aucun effet anti-cratérisant des ultra-
sons.
On a donc établi que la mesure de résistance permettait de détecter
l'apparition du phénomène de cratérisation en cours d'opération de revêtement
et que l'application des ultra-sons uniquement pendant une première phase D
(cas P1 - fig.2) de début du passage du courant est suffisante pour éviter ces
défauts ; il est probable que les ultra-sons abaissent la quantité d'hydrogène
présente sur les surfaces 6A et 6B, ce qui produit une diminution de la
résistance électrique pendant cette première phase.
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Exemple 5
Cet exemple a pour but d'illustrer l'incidence des ultra-sons sur la vitesse
de dépôt du revêtement.
5 On procède à des opérations de revêtement d'échantillons pendant 2
minutes dans les mêmes conditions que dans l'exemple 4 ; on mesure le poids
de peinture déposé.
On constate que l'application des ultra-sons pendant le passage du
courant permet d'augmenter sensiblement l'épaisseur ou le poids déposé.
10 En se référant à la figure 3, on constate ensuite qu'on obtient la même
amélioration de vitesse de dépôt selon que l'on applique les ultra-sons
pendant
toute la durée de passage du courant (cas P1 - fig.3) ou seulement, selon
l'invention, en fin d'opération de revêtement (cas P2).
L'application des ultra-sons permet d'augmenter la vitesse de revêtement
15 électrophorétique sur tous les substrats ; le niveau d'amélioration obtenu
dépend néanmoins de la nature du substrat : on a ainsi abouti à une
augmentation comprise entre 30 et 35% sur de l'acier galvanisé, et à une
augmentation de 40% environ sur de l'acier galvanisé allié ; généralement, le
gain de masse obtenu est compris entre 15 et 40%.
20 On a donc établi que l'application des ultra-sons uniquement pendant une
deuxième phase F (cas P2 - fig.3) de fin du passage du courant est suffisante
pour augmenter sensiblement la vitesse moyen de dépôt.
Enfin, on a constaté que l'amélioration de la vitesse de dépôt augmentait
lorsque la fréquence des ultra-sons diminue.
Exemple 6
Cet exemple a pour but d'illustrer, en complément de l'exemple 5,
l'incidence de la période de traitement aux ultrasons sur la vitesse de dépôt
du
revêtement.
On mesure le gain de masse déposée (%) apporté par le traitement aux
ultrasons par rapport à la masse déposée sur le même substrat dans les
mëmes conditions mais sans ultrasons, selon que le traitement aux ultrasons
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est effectué pendant les dix premières secondes de passage du courant (« 0 à
s. »), pendant la première minute de passage du courant (« 0 à 60s. »),
pendant toute la durée de passage du courant (« 0 à 120 s. »), ou pendant la
dernière minute de passage du courant (« 60s. à 120s. »).
5 Les essais sont effectués sur deux types de substrat : acier galvanisé
(GZ) et acier galvanisé allié (GA).
Les résultats sont reportés au tableau III en fonction de la tension de
polarisation appliquée.
10 Tableau III - gain (%) de masse déposée sous ultra-sons.
Priode
de soumission
aux ultrasons.
SubstratTension 0 10 0 60 s. 0 120 60 120
s. s. s.
GZ 190 V 11 % 33% 40% 47%
GA 190 V 8% 22% 28% -
GA 220 V 0% 18% 20% 35%
On confirme donc que l'augmentation de la vitesse de dépôt reste très
faible lorsqu'on applique les ultrasons dans la phase de début de passage du
courant et qu'elle atteint au contraire un maximum lorsqu'on les applique
pendant la phase de fin de passage du courant.
Exemple 7
Cet exemple a pour but de comparer l'effet des ultra-sons sur une surface
métallique nue et sur une surface métallique phosphatée ; en effet, avant mise
en peinture de surfaces métalliques, il est fréquent d'effectuer un traitement
de
phosphatation ; il est donc important de vérifier que ce traitement ne nuit
pas à
l'efficacité des ultra-sons.
On a ainsi constaté, par observation au microscope électronique à
balayage, que l'application des ultra-sons ne semblait pas altérer l'aspect de
la
couche de phosphatation.
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On a également constaté que l'application des ultrasons apportait les
mêmes avantages (effet anti-cratérisation - amélioration de la vitesse de
dépôt)
sur surface phosphatée que sur surface nue.
Dans le cas des couches phosphatée, l'application des ultrasons pendant
des périodes de temps plus courtes que dans l'art antérieur, à savoir
seulement dans une première phase D de début du passage du courant etlou
seulement dans une deuxième phase F à la fin du passage du courant, permet
de limiter les risques de dégradation de la couche de phosphatation.
