Brevet FR2006140A1 — publié le 19691219

, 2006140 la présente invention concerne un procédé de soudage de deux éléments qui s-ont entièrement ou principalement en cuivre. Depuis de nombreuses années, on s'est efforcé de trou-5 ver un moyen pratique et efficace pour souder des conducteurs électriques sous diverses formes telles que des fils métalliques, des "bornes, des connecteurs, etc. It matière conductrice la plus fréquemment utilisée ost le cuivre ou un alliage de cuivre, les tentatives antérieures de relier des conducteurs 10 cle ces matières n'ont eu qu'un succès modéré, en ce qui concerne leur application à une chaîne de fabrication, les inconvénients de la technique antérieure comprennent la nécessité de recourir à un appareillage de soudage compliqué et'coûteux nécessitant, dans de nombreuses applications, une source de •15 gaz protecteur qui est injecté de façon â entourer l'emplacement d'application d'une soudure pendant le soudage. De nombreuses techniques produisent des soudures ayant des caractéristiques très différentes comprenant d'une façon générale une faible résistance à la traction mécanique, ainsi qu'une 20 résistance électrique qui varie sensiblement d'une soudure à l'autre. D'autres techniques nécessitent une électrode consommable séparée et coûteuse. le brevet britannique ÎT° 1.074.695 décrit un procédé et un moyen de soudage qui suppriment une grande partie de la 25 complexité existant dans cL'autres techniques-de soudage. Par exemple, ils éliminent la nécessité de recourir à une atmosphère protectrice sous la forme d'un gaz spécial ou analogue, et ils le réalisent avec un circuit de soudage extrêmement simple et sûr. la technique décrite dans ce brevet envisage le 20 déplacement d'une électrode de soudage pour la mettre au contact d'éléments d'ouvrages fixes, puis à l'écart de ces éléments, un arc étant amorcé et produit entre l'électrode et les éléments d'ouvrage lorsque le contact entre eux est rompu, l'arc engendré à mesure que l'électrode est éloignée des élé-35 ments d'ouvrage provoque la fusion des éléments et produit une soudure par- fusion entre ces éléments, l'un des principaux avantages de cette technique réside dans le fait qu'elle permet à un opérateur de placer l'électrode avec précision dans une position voulue sans avoir à craindre d'amorcer accidentelle- bad original 69 11095 2006140 -2- rnent on définitivement un- arc le rs d'un contact. Etant donné oue l'arc est produit lorsque l'électrode est éloignée de.l'ouvrage, la forme de l'électrode ou des éléments d'ouvrage, quant au fait qu'ils présentent des surfaces pointues, n'a pas une importance priao-rfilalf« Bien que l'expérience faite avec ce type de circuit ait révélé qu'il fonctionne convenablement pour résoudre un certain nombre de problèmes, techniques concernant le soudai, cotte expérience a ais en 'vidence la nécessité d'un perfectionnement supplémentaire en ce qui concerne la production de meilleures connexions soudées entre des éléments de cuivre ou dralliages de cuivre. Suivant la présente invention, un procédé de soudage de deux éléments qui sont entièrement ou principalement en cuivre consiste à ajouter do l'aluminium-dans la zone de soudage . L'invention concerne également un élément qui est entièrement ou principalement en cuivre et qui est destiné à être utilisé dans le procédé de l'invention dans lequel une pièce rapportée en aluminium est incluse dans l'élément .dans une zone à souder. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais .nullement limitatif, une forme do réalisation de l'invention. Sur ces dessins, la figure 1 dst une vue en perspective d'un élément présentant trois connexions soudées différentes exécutées en utilisant le procédé de l'invention ; la figure 2 est une coupe à plus grande échelle d'une connexion souche ; la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 2 mais avant, le soudage j la figure 4 est unt, vue schématique d'un appareil destine à provoquer un mouvement entre une électrode et un. ouvrage ; et la figure 5 est un schéma d'un circuit de commande utilisé pour fournir l'énergie de soudage. ■ . . . On va se référer tout d'abord à la figure 1 qui montre BAD ORJGfNAL 69 11095 _3_ 2006140 trois types différents de connexions électriques. Sur la figure 1, 3.e numéro de référence 10 désigne un panneau isolant qui sert de corps de support des dispositifs de connexions électriques, l'élément 10 peut comporter un certain nombre do 5 trajets conducteurs 11 sous la forme d'une matière ou clinquant conducteur déposé ou analogue, l'élément 10 peut comprendre également des composants électriques et/ou électroniques connectés dans un- circuit. A gauche sur ïa figure 1, on a représenté un élément 10 femelle 12 à contacts à ressort, fixe au panneau 10 dans un orifice traversant le panneau et le conducteur, l'élément 12 est relié sur le côté supérieur du panneau 10 à un conducteur 11, et le côté inférieur est ouvert pour recevoir une fiche 14 fixée à un fil conducteur 16. la fiche 14 est soudée, comme 15 indiqué en !•/, à la partie conductrice du fil conducteur 16, et peut être enfichée dans l'élément femelle 12 pour servir de connexion d'entrée ou de sortie du panneau. Une fiche 14 est également représentée sur la figure 1 avant d'être soudée. Au centre du panneau 10, comme on le voit sur la figure 20 1, est représenté un second exemple d'une connexion d'un conducteur 16 réalisée en ajustant la partie conductrice du'conducteur dans un orifice ménagé dans le panneau 10 à l'intérieur d'un élément métallique cylindrique 18 assujetti au panneau 10 et relié à l'un des conducteurs 11. la partie conductrice 25 du fil conducteur 16 est mise de niveau avec la surface supérieure de l'élément 18, st est connectée à ce dernier par une soudure ¥. 1? figure 1 montre également un élément 18 avant la connexion. A droite sur la figure 1, le panneau 10 comporte une 30 borne 20 fixée mécaniquement dans un orifice ménagé dans le panneau 10 et relié à un conducteur 11. l'extrémité libre de la borne 20, qui fait saillie au-dessous de la surface inférieure du panneau 10, présente un trou dans lequel la partie conductrice du conducteur 16 est introduite, puis soudée par 35 une soudure \I qui relie le conducteur à la "borne. Une "borne 20 est également représentée avant le soudage. la figure 2 montre en coupe une soudure Y7 de chacune des connexions ci-dessus à beaucoup plus grande échelle. lr BAD ORIGINAL 11095 2006140 -4- partie conductrice du fil conducteur 16 est représentée, ainsi que la soudure V. La partie d'un élément métallique M entourant le conducteur 16 peut être considérée comme faisant partie de l'enveloppe de la fiche 14 ou du manchon métallique 18 ou de la borne métallique 20. Ce métal H et le conducteur 16 sont en cuivre ou en un alliage comprenant principalement du cuivre. 1~ figure 5 montre uns forme préférée d'un élément métallinue h définissant l'élément 14, 18 ou 20 à l'état dans lequel il est avant d'être soudé au conducteur 16. Comme on peut le voir, on forme un petit évidement annulaire dans l'élément H dans lequel est ajustée une bague d'aluminium désignée par i. sur les figures 1, 2 et 3« La présence de la bague d'aluminium, comme représenté sur la figure 3, avec les deux pièces en cuivre à souder assure l'introduction de l'aluminium au cours du soudage dans la masse fondue lorsqu'un arc est produit entre los éléments d'ouvrage constitués par le conducteur 16 et l'élément 20, et une électrode de soudage disposée de façon à s'appuyer contre les surfaces d'extrémité de ces derniers. L'aluminium peut être également introduit d'une autre façon, par exemple sous forme d.'un 'goujon appliqué à la surface de l'élément ou sous forme &1 un .clinquant disposé en travers des deux extrémités des éléments à réunir. Dans certains cas, l'aluminium peut être introduit de l'extérieur pendant le processus de • souci-ge , lorsque la durée du processus est suffisante pour le permettre. J3n se référant maintenant à la figure 4, une fiche de connexion 14 est représentée avec un appareil destiné à souder un conducteur 16' à la fiche 14. La fiche 14 est montée dans un dispositif de maintien 22 qui est fixe par rapport à un bras 23 qui supporte une électrode mobile 24 à une extrémité. Le bras 23 est supporté par une came rotative 26 qui anime le bras d'un nouveoent de va-et-vient vertical et entraîne l'électrodu 24 en direction ex à l'écart du dispositif de maintien 22. Le bras 23 est articulé en 28 et peut être considéré co.ime sollicité vers le bas. L mesure- que la came 26 est ri.se en rotation, l'électrode 24 est mise tout d'abord, en contact avec la fiche 14» puis est éloignée à une SA0 original 69 11095 2006140 -5- vitesse déterminée par le. vitesse de rotation de la came 26. le dispositif de m?intien 22 est relié à un conducteur négatif 30 d'une source d'énergie, et le bras 23 et ainsi l'électrode 24, sont connectés à. un conducteur positif 32 de la source 5 d'énergie. la figure 5 montre schématiquement un circuit de déclenchement et d'alimentation qui est utile avec l'appareil de le figure 4. les conducteurs 30 et 32 de la figure 4 sont représentés sur la figure 5. l'énergie destinée à produire 10 l'arc de soudage provient d'une source d'énergdq$4 oui peut comprendre un condensateur et une source de tension continue connectée de façon à charger le condensateur. Un circuit 36 de commande de la durée des impulsions est connecté à la sortie du condensateur de la source 34 et à l'entrée d'un redres-15 seur commandé au silicium 38. le circuit de commande de la durée des impulsions peut être n'importe quel dispositif approprié capable de régler la durée de décharge du condensateur de la source 34. le circuit 36 peut être par exemple un simple basculeur monostable connecté de façon à fermer un relais 20 pendant une période de temps réglée, le relais pouvant être actionné pour connecter le condensateur au redresseur 38. Ce dernier est connecte à la source par l'intermédiaire du circuit 36 et à l'électrode de soudage par l'intermédiaire du conducteur 32. l'électrode de déclenchement du redresseur 25 commandé au silicium est connectée à un ensemble 40 de commande d'un déclencheur qui est connecté a son tour aus bornes des conducteurs 30 et 32. le circuit de commande du déclencheur peut être n'importe quel dispositif capable de détecter la fermeture d'un circuit entre les conducteurs 30 et 3*2 eom-30 me la fermeture provoquée par l'application de l'électrode mobile contre un ouvrage, l'ensemble 40 peut être, par exemple, un noyau autour duquel se trouve un enroulement connecté à une batterie ou çccumulateur analogue, et pouvant être actionné lors de la fermeture des conducteurs 30 et 32 pour pro-35 voquer une circulation de courant engendrant un chair? dans -are cité le noyau, comme décrit,dans le brevet britannique 11° 1.074.595/. lorsque le circuit pass.nt par les conducteurs 30 et 32 est ouvert par lo déplacement de l'électrode mobile à l'écart de PAO ORIGINAL 11095 2006140 -6- 1'ouvrage, 1•affaissement du champ peut être amené à engendrer un déclenchement qui rend le redresseur commandé au silicium conducteur. Dès que le redresseur est conducteur, il reste dans cet état jusqu'à la fin de la durée de l'impulsion qui est déterminée par le circuit 36. Dans le brevet britannique 11° 1.074.695 précité, le circuit décrit ne comporte pas de circuit de réglage de la durée des impulsions, et un tel circuit n'est pas du tout nécessaire pour de nombreuses applications du procédé de l'invention. Cependant, il peut être préférable, pour des travaux expérimentaux et pour un appareil qui est d'une utilité universelle pour souder des ouvrages de formes différentes st qui sont en des matières différentes. On va se référer maintenant à l'application du procédé et de l'appareil décrits ci-dessus à des connexions soudées. D'une façon générale, une soudure sert à fournir une. jonction mécanique entre deux éléments ou plus qui résiste à une charge prédéterminée, la résistance mécanique d'une connexion est habituellement en rapport avec la résistance à la rupture du plus faible des éléments connectés. Par exemple, dans une connexion d'un fil conducteur avec une borne, comme représenté sur la figure 1, la qualité de la connexion est en rapport avec la résistance à la rupture du conducteur 16. Une connexion dans laquelle le conducteur se rompt en un point éloigné de la fr,ce de séparation des éléments d'ouvrage est supérieure du point de vue'mécanique. Une connexion dans laquelle une charge de tension produit une rupture au point de connexion ou dans la soudure ¥ n'est pas d'une qualité supérieure, mais peut éventuellement très bien convenir pour des charges particulières qui existent dans certaines applications de l'appareil ou du dispositif. En ce qui concerne les connexions électriques, un second critère fondamental comprend la résistance électrique. Une connexion fournissant une face de séparation ayant une résistance égale à cell^ de l'élément ou approchant au moins celle de l'élément ayant la plus grande résistance est de qualité supérieure. Bans les circuits d'alimentation, les connexions ayant une résistance supérieure sont généralement plus acceptables que c^ans des -Ç BAD ORIGINAL 69 11095 2006140 -7- circuits de transmission de signaux. D'une façon générale, une connexion électrique donnée doit affecter aussi peu 'que possible lo circuit dens lequel elle est utilisée. L*n se référant ce nouveau à le" connexion fies figures 5 1 à 3, on utilise le processus de l'invention pour fournir des connexions entre c-es éléments d'ouvrage en cuivre dans ce qu'on pourra.it appeler un sj/dième de matière conductrice cuivre-cuivrs. On a découvert eue l'addition d'aluminium, dans la masse fondue entre les ouvrages en cuivre augmente dans une 10 large mesure la résistance à la traction de l'échantillon en éliminant les vides dans le cordon de soudure. La quantité d'aluminium introduit '"ans 1« masse fondue n'est pas du tout critique et on a- constate; ou'une faible quantité est capable d'augmenter la résistance à la trsetion. La. quantité réelle 15 d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium dépend de la dimension et de la composition chimique des éléments .en cuivre à souder, ainsi que des propriétés physiques finales voulues de 1. soudure formée, a titre d'exemple, on a obtenu d'excellents résultats avec une teneur en aluminium légèrement inférieure 20 à 1 °/o en poids de 1? totalité de la masse fondue des éléments d'ouvrage. On ne connaît pas très bien le mécanisme par loauel l'aluminium, supprime les vides et produit une sou-cure de bonne oualité. Il a été suggéré que 11 aluminium -git comme un absorbeur d'oxygène, un agent de modification de 25 l'arc, ou comme un dissipateur de chaleur, du fait qu'il présente un point d'ébullition inférieur à celui du cuivre. La fonction de 1'aluminium peut correspondre à l'un de ces facteurs ou d'autres facteurs, ou à une combinaison 5e ces derniers. 30 Dans un exemple réel, on a utilisé un manchon de cuivre d'une longueur d'environ 12,7 mm pour connecter un fil de cuivre massif ds 1,63 rara -yant un diamètre s'ajustant étroitement dans lo manchon, l'extrémité du fil métallique et l'extrémité du manchon étant dans le mémo plan, comme repré-35 senté sur la figure 3. De.ne l'exemple ci-dessus, on a utilisé un alliage d'aluminium ïï° 1100 qui est relativement pur et ayant une longuour d'environ 0,25 mm et une épaisseur de 05089 avec un diamètre interne ce 1,63 mm dans un manchon de cuivre BAO QRiaiNAt 69 11095 _g_ 2006140 ayant un diamètre interne de 1,63 mrx et une épaisseur de 0,4 mm. En opérant avec un système cuivre-cuivre, on a constaté que la polarité représentée sur les figures 4 et 5 élimine dans une large mesure la formation de calamine sur l'échantil-5 Ion qui est provoquée par un évasement de l'anode, un jet de gaz ionisé et de vapeur métallique qui jaillit depuis lranode. En utilisant une anode de tungstène comme électrode do soudage, on remarque qu'on obtient une soudure propre. Etant donné que l'aluminium est contenu dans l'échantillon qui forme la cathode, on 10 dispose d'une nouvelle surface pour chaque opération et les problèmes posés par une variation de la cathode sont réduits au minimum. L'expérience faite avec l'échantillon ci-dessus et la disposition des figures 4 et 5 a révélé des paramètres de soudage optimaux comme indiqué ci-après. 15 Tension du condensateur 72 volts Vitesse de traction 38,1 mm/seconde Durée de l'impulsion 20 millisecondes Résistance série 90 milliohms Capacité totale 0,11 farad 20 Intensité maximale 675 ampères. L'application des paramètres ci-dessus a donné une résistance à la traction de 50 kg environ avant la rupture d'un fil métallique connecté provoquée en tirant sur ce fil et en maintenant le manchon auquel il est soudé. Le fil de êizivre de 1,63 mm présen-25 te une résistance à la traction nominale de 56,7 kg à l'état normal. Lorsqu'il est recuit avant le soudage, ce même fil métallique a une résistance à la traction nominale de 52,2 kg. On a constaté qu'une soudure effectuée en un temps plus court que celui indiqué plus haut donne une plus grande résistance 30 à la traction a cause du recuit moins important du fil métallique provoqué par le soudage. Toutefois, en effectuant des soudures en un temps plus court, on doit prendre soin que la plus grande énergie nécessaire pour faire fondre la soudure plus rapidement ne provoque pas le jaillissement da la-masse 35 fendue 't. partir de 11 échantillon. On peut faire varier les paramètres ci-dessus les uns par rapport aux autres. Par exemple, dans une mesure limitée, on peut compenser l'augmentation de la tension et par conséquent de lrénergie, par BAD ORIGINAL 69 11095 2006140 une augmentation de la résistance, une diminution de la capacité, une aug!ient.--tion de la vitesse de traction, ou une diminution de la durer- de l'impulsion, tous ces facteurs servant à réduire l'énergie appliqués pour foire fondre les élé-5 ment s d'ouvrage. Des soudures acceptables ont étç/produites en faisant varier la vitesse de traction de 3,05 à 5S08 cm/ seconde. Uns variation de la durée de l'impulsion comprise entre 15. et 25 railli seconde s s'est également avérée acceptable. La principale limite apportée à la résistance est c-u'el-10 le ne doit pas être suffisamment élevée pour empêcher le condensateur de se décharger avant que le circuit de commande de la durée des impulsions interrompe l'arc, ou bien qu'elle ne soit pas suffisamment faible pour que l'intensité maximale provoque l'explosion ou la vaporisation de la masse fon-15 due. Bien qu'en ait décrit l'invention dans son application à un soudage à l'arc électrique, on peut l'utiliser avec d'autres formes de soudage comme un soudage par résistance et un soudage au chalumeau. BA0OwûWM" 11095 2006,40 -10- BE1/EMDICATIOITS 1. Procédé ds soud.age de deux éléments (14, 16) qui sont entièrement oc principalement en cuivre, procédé caractérisé en ce ou'il consiste à ajouter de l'aluminium, (k) dans la zone de soudage. 2. Procédé selon le revendication 1, caractérisé en ce qu'en utilise un arc électrique amorcé entre une électrode et un ouvrage comprenant les deux éléments. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'arc est amorcé a un rythme correspondant à une vitesse de traction comprise entre 3 , 05 et 5,08 cm/secorne. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'arc a une durée comprise entre 15 et 25 millisecondes. 5» Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aluminium est ajouté en une quantité suffisante pour augmenter la résistance à la tract:; on de la soudure, en comparaison d'une soudure correspondante exenpte d'aluminium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aluminium constitue moins de 1 "h en poids 'e la soudure formée." 7. Procéd.é selon l'une quelconque des revendications, caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter l'aluminium sous forme d'una pièce rapportée disposée dans un espace ménagé dans l'un des éléments avant le soudage. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'aluminium est introduit de l'extérieur pendant le soudage. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que 1'aluminium est sous la forme de clinquant et en ce ou'il est pl-es entre ou au voisinage des extrémités des éléments avant le soudage. 10. Un élément (M) oui est entièrement ou "orincipale- est ment en cuivre, et qui/destiné à être utilisé dans le procédé selon les revendications 1 à 9, cairacté-risé en ce qu'il comprend une picco rapportée d'aluminium (a) dans une zone à souder. BAD ORIGINAL 69 11095 2006140 -11- 11. Élément selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pièce rapportée (â) est sous le. forme d'un -rimeau inséré dans l'élément.