Brevet FR2007825A1 — publié le 19700116

- 1 - 2007825 l'invention est relative à un procédé permettant de souder des pièces en cuivre et des pièces en aluminium pour réaliser un ensemble de bonne résistance mécanique et de bonne conductibilité électrique. 5 II est déjà connu d'employer des barres de courant en aluminium dans les installations d'électrolyse pour transmettre l'énergie électrique nécessaire» De même dans les installations de distribution l'aluminium a donné de bon résultats pfeur la fabrication de certains éléments. 10 Cependant, l'emploi de l'aluminium présente toujours des difficultés quand il s'agit d'établir une liaison mécaniquement solide entre cette matière et par exemple le cuivre. C'est ainsi que, par exemple, des liaisons vissées entre une pièce d'aluminium et une pièce en cuivre conduisent après coup 15 à la formation d'une couche d'oxyde, ce qui rend, problématique l'emploi d'une telle liaison pour des applications électriques. Ir'emploi de revêtements en peinture ou en plastique a bien apporté des améliorations, mais on n'a pas réussi à atteindre une solution satisfaisante du problème. Des 20 liaisons par soudure autogèn^iéjà effectuées n'ont pas fourni de solution satisfaisante à cause de la résistance à la flexion et de la résistance Mécanique relativement faible obtenue de cette façon. Par contre, on peut obtenir une aug-25 mentation de la résistance à la flexion d'une liaison aluminium-cuivre par le procédé dit de soudage à coin pressé, dans lequel, pour établir une liaison soudée entre une pièce en cuivre et une pièce en aluminium, une extrémité de la pièce en cuivre est serrée sous pression dans l'extrémité de la pièce en aluminium. 30 Dans la zone de contact des deux . métaux chauffés en vue du passage à la presse, il se forme par diffusion un bain comportant environ 33$ de cuivre, qui se solidifie vers 548°C endonnant les cristaux mixtes d'eutectique AlgCu» Une partie de l'eutectique liquide formé est chassé par~-eoffipres-35 sion de la fente entre les métaux pressés. La couche intermédiaire d'eutectique résiduelle, ayant en général une épaisseur de 0,2 à 0,4mm, est considérée comme une brasure. Il se produit cependant ici des difficultés du fait des couches d'oxyde présentes, difficiles à éliminer, qui empêchent une diffusion dans la surface de 40 contact des métaux à réunir, de sorte que la condition de ■69 13253 =- 2 «=■ 2007825 formation de la couche intermédiaire d'eutectique n'est pas toujours assurée. Pour éviter ces difficultés on a déjà proposé de munir la pièce en aluminium d'une protection 5 superficielle, de chauffer et ensuite de serrer la pièce en cuivre à l'état encore froid dans la pièce en aluminium ainsi préparée. La protection superficielle sur la pièce en aluminium, avantageusement une couche "Eloxal" de quelques ^ d'épaisseur, empêche en toute sécurité la formation thermique postérieure de la couche 10 d'oxyde. Elle se rompt dès que,* lors du pressage, l'extrémité de la pièce en cuivre pénètre dans l'aluminium, de sorte qu'un contact immédiat entre le cuivre et l'aluminium, donc une diffusion aisée des deux métaux, est rendue possible. Mais cette rupture ne se fait pas 15 avec certitude et d'autre part, la nécessité de procéder au traitement "Eloxal" complique l'opération. L'invention a notamment pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus. Elle concerne à cet effet un procédé de préparation d'une liaison soudée entre une pièce en cuivre et une pièce en aluminium, dans lequel une extrémité de la pièce en cuivre est insérée sous pression dans l'extrémité de la pièce en aluminium tournée vers la pièce en cuivre, ou inversement, procédé caractérisé par ce qu'on serre les deux pièces sous pression l'une dans l'autre à la température ambiante par les extrémi- 25 tés disposées face à face, puis les pièces maintenues sous pression sont chauffées, ce qui donne une soudure de haute résistance mécanique et de faible résistance électrique. L'invention concerne également les pièces de liaison obtenues par le procédé suivant l'une des reven- 30 dications ci-dessus. Par l'échauffement sous pression, on évite la formation d'une couche d'oxyde aux surfaces de contact des deux pièces, de sorte que la surface avivée existant .avant le pressafe est conservée après l'échauffement . Ge procédé a 1'avanta-35 ge que la quantité d'eutectique qui se forme pendant l'échauffement sur les faces frontales des métaux comme couche de diffusion de liaison, peut être relativement faible à cause de l'absence de couches d'oxyde. La couche. intermédiaire d'eutactique peut donc être prise mince et sa formation peut être ajustée avec plus de préci-40 sion. 69 13253 - 3 - 2007825 De plus le procédé proposé selon l'invention permet d'obtenir une liaison mécaniquement solide et électriquement correcte dans des conditions simplifiées, car il n'y a plus de protection superficielle.de l'aluminium, par exemple sous forme 5 d'une couche Eloxal. Si on veut relier selon le procédé de l'invention par exemple des barres conductrices en cuivre avec des barres conductrices en aluminium, on préparera avantageusement de courtes liaisons soudées^ pressées préfabriquées entre les sections 10 de cuivre et d'aluminium, qui sont alors montées sur place comme pièces de liaison par les procédés de soudage ordinaires, la moitié en cuivre de la pièce de liaison étant soudée avec la barre conductrice en cuivre et la moitié en aluminium avec la barre conductrice en aluminium» 15 Pour faciliter d'une part la pénétra tion de la pièce en cuivre, par exemple, dans la surface de la pièce en aluminium et obtenir d'autre part, entre les deux métaux une surface de contact aussi grande que possible après le processus de serrage, pour augmenter la surface, on peut munir la pièce en cuivre, à 20 son extrémité tournée vers la pièce en aluminium, par exemple d'une quantité de saillies en forme de coin ou de cône, du genre d'un moule à gaufres. Dans l'exécution de l'invention, il s'est révélé avantageux de terminer 1' extrémité de la pièce en cuivre en forme de coin ou de cône à angle aigu. Avantageusement, dans la liaison en 25 cône ou en coin, l'extrémité de la pièce en aluminium tournée vers la pièce en cuivre sera façonnée de façon que 3a pièce en cuivre s' emboîte à faible pression dans la contre-pièce en aluminium, pour réduire le travail de déformation. Dans l'exécution de l'invention, la 30 pression avec laquelle les deux pièces sont pressées, l'une dans l'autre et sous laquelle elles sont ensuite chauffées, sera prise assez élevée pour que les surfaces de contact des deux pièces soient serrées 1' une contre l'autre. De cette façon l'accès de l'air lors de l'échauffement est empêché et la formation de couches d'oxyde est évitée. 35 Pour établir la liaison, les pièces sont chauffées avantageusement à une température d'environ 548°C. la durée d!échauffement dépend de la température adoptée, c'est-à-dire qu'à basse température on prendra une durée plus longue, e t à une température plus élevée, on passera 40 à des durées plus courtes. L'échauffement est effectué 69 13253 - 4 - 2007825 commodément par voie électrique, par exemple par induction. Mais on peut appliquer aussi d'autres méthodes d'échauffement en soi connues. Des modes d'exécution de l'inven-5 tion sont représentés, à titre d'exemples non limitatifs sur les dessins ci-joints dans lesquels s - la figure 1 montre une pièce en cuivre et une pièce en aluminium disposées pour leur soudure . dans un montage de presse? 10 * - la figure 2 montre les mêmes pièces après soudure; - la figure 3 est équivalente à la figure 1, avec une autre variante de la forme d'extrémité des pièces. 15 la figure 4 est, par rapport à la figure 3 l'équivalent de la figure 2 par rapport à la figure 1» Pour réaliser une courte pièce de liaison de barres conductrices en cuivre et en aluminium, on procède en plaçant à l'intérieur du montage de presse 1 représenté 20 schématiquement, la tige de cuivre 3, par exemple rectangulaire, munie à une extrémité d'un gauffrage 2, sur la tige en aluminium 4 plane, également rectangulaire, et en la pressant dans la tige d'aluminium en comprimant dans le sens de la flèche. On prend alors une pression suffisamment élevée pour que les surfaces de 25 contact soient serrées l'une contre l'autre, de façon à empêcher l'accès de l'air. A l'aide de la bobine 5 indiquée aussi schématiquement, parcourue par un courant alternatif de haute fréquence,les tiges de cuivre et d'aluminium serrées l'une dans l'autre et toujours sous pression sont chauffées par induction au-dessus 30 de 548°C. Pendant l'échauffement il se forme sur les deux faces extrêmes des métaux une couche de diffusion et de liaison. Comme cette couche de liaison peut déjà être obtenue à une température relativement basse, il est possible de contrôler avec précision la formation d'une couche mince d ' eut e.c tique, ce qui permet d'obtenir 35 une résistance élevée de la liaison métallique. Après terminaison de l'opération de pressage, on obtient l'ensemble représenté à la figure 2, dans lequel la tige d'aluminium 4 est reliée solidement avec la tige de cuivre. Vis-à-vis des liaisons connues faites par le 40 procédé de soudure, une telle liaison présente des valeurs de 69 13253 - 5 - 2007825 résistance mécanique beaucoup plus élevées, alors que pour un dimensionnement convenable de la section de la tige d'aluminium par rapport à la tige de cuivre, on n'a pas pu déceler de variation des grandeurs électriques en ce point de liaison» lisation représenté dans les figures 1 et 2, on présente dans les figures 3 et 4 une liaison dans laquelle l'extrémité de la tige de cuivre 6 se termine en angle aigu. Pour diminuer le travail de déformation on a façonné l'extrémité de la tige d'aluminium 7 10 tournée vers la tige de ce cuivre selon la forme, en coin. de. ,1a. . tige de cuivre. du procédé selon l'invention est aussi la fabrication de bases de diodes dans lesquelles» sur le socle en cuivre portant l'élément 15 semi-conducteur, est fixé un capôt à fermeture étanche pour l'élément semi-conducteur. On peut procéder en pressant un anneau d'aluminium dans le socle en cuivre et en chauffant les deux pièces pendant l'opération de pressage, de façon à obtenir une liaison de ces pièces mécaniquement solide. 20 Sur cet anneau on fixe ensuite le capot par soudure, brasure ou analogue. Il est aussi possible d'insérer le capôt directement par son bord dans le socle de cuivre. 25 pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 5 En variante de l'exemple de réa- Une autre application avantageuse Bien entendu, l'invention n'est 69 13253 *S» 5 C3 2007825 BEVETOICATIOHS 1 0 ) Procédé de préparation d '.une liaison soudée entre une pièce en cuivre et une pièce en aluminium, dans lequel une extrémité de la pièce en cuivre est insérée sous pression dans l'extrémité de la pièce en aluminium tournée vers 5 la pièce en cuivre, ou inversement, procédé caractérisé par ce qu'on serre les deux pièces sous pression l'une dans l'autre à la température ambiante par les extrémités disposées face à face, puis les pièces maintenues sous pression sont chauffées, ce qui don- m ne une soudure de haute résistance mécanique et de faible résistance 10 électrique» 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par ce qu'au moins une des extrémités d'une des pièces tournées l'une vers l'autre est effilée en forme de coin ou de cône. 15 3°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une des faces d'une des pièces tournées l'une vers l'autre est munie d'un gaufrage. 4°) Procédé selon les revendications 2 0u 3, caractérisé par ce que l'extrémité de l'autre pièce tournée 20 vers -une extrémité effilée en coin ou en cône ou munie d'un gaufrage de la première pièce est façonnée en conséquence. 5°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par ce que les pièces serrées l'une dans l'autre par leurs extrémités face à face et sous pression sont chauffées à une 25 température d'environ 548°C et au-dessus. 6°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par ce que les surfaces de contact des pièces serrées l'une dans l'autre sont étroitement appliquées l'une contre l'autre par suite de la pression agissante. 30 7°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par ce que l'échauffement des pièces serrées l'une dans l'autre et maintenues sous pression, se fait par induction. 8°) Pièces de liaison obtenues par le procédé suivant l'une des revendications ci-dessus. 35 9°) Liaison soudée fabriquée selon le procédé selon une ou plusieurs des revendications 1 à. 7, consistant en une pièce façonnée en aluminium de préférence rectangulaire, et une pièce façonnée en cuivre de préférence également rectangulaire soudée avec celle-ci, employée comme élément de liaison électrique entre les 40 rails conducteurs en aluminium et des barres conductrices en cuivre en particulier dans des installations d'électrolyse.