Brevet FR2005696A1 — publié le 19691212

La présente invention concerne un procédé de fabrication de conducteurs électriques coaposés de métaux supra-con dacteurs et normalement conducteurs et destinés en particulier aux bobines supraconductrices. Pour la fabrication de bobines supra-conductrices, on particulier de gros électro-aimants supra-conducteurs, il s'est avéré avantageux d'utiliser des conducteurs dits stabilisés qui sont composés d'un métal supra-conducteur et d'un métal normalement conducteur à la température de travail des bobines. Pour obtenir une bonne stabilité électrique des bobines, la section droite et la conductivité à basse température du métal normale- aent conducteur doivent être choisies de façon que le conducteur composite ne présente, en cas de refroidissement correct de la bobine, aucune dégradation importante de courant et que, lors du passage du supra-conducteur à l'état normalement conducteur par dépassement de l'intensité critique, le courant traversant le supra-conducteur puisse passer en totalité ou en partie par le aétal normalement conducteur. Le passage du conducteur de l'état supra-conducteur à l'état normalement conducteur s'effectue ainsi de façon continue et réversible et l'état supra-conducteur peut entre rétabli par une faible diminution da courant. On connaît déja un conducteur composé d'un métal supraconducteur et d'un métal normalement conducteur et dans lequel plusieurs fils parallèles d'un alliage niobium-zirconium sont incorporés dans une bande de cuivre. Lors de l'incorporation des fils supra-conducteurs dans la bande de cuivre, cette opération pouvant s'eff-ectuer par laminage, il est cependant difficile d'é- tablir un bon contact, avec une résistance de contact la plus faible possible, entre la matière supra-conductrice et la matiè re normalement conductrice. Il est cependant très souhaitable drobtenir une faible resistance de contact en vue de permettra une permutation réversible du courant entre le supra-conducteur et le conducteur normal. En outre, lors de l'introduction par laminage de fils supra-conducteurs dans des bandes de cuirrc, le cuivre risque de subir un allongement plus fort que la matière supra-conductrioe mécaniquement plus dure et de prendre sn entre une texture de laminage sous l'effet de la déformation produite dans cette opération. Une telle texture augmente la résistance résiduelle du cuivre à basse température et il en résulte nne réduction de la conductivité électrique et par conséquent une altération de l'effet de stabilisation. On a déjà proposé de relier un supra-conducteur nn à an métal normaleient conducteur servant de matière de stabilisa- tion par soudage ultrasonique. Le supra-conducteur peut égale- ment être revêtu du même métal normalement conducteur. De tels supra-conducteurs revêtus d'un métal normalement conducteur sont vendus dans le commerce. Ces conducteurs composites ne satisfont pas non plus aux exigences optimales quant à la résistance méca- nique et les propriétés électriques de l'assemblage. L'invention a peur but d'améliorer la liaison entre le métal de stabilisation et le supra-conducteur. Suivant l'invention, on obtient ce résultat par le fait qu'au moins une partie de la surface d'un métal mormaloient conducteur (matière de revêtement) qui est relié métallurgiquement à un supra-conducteur, sst soudée par ultrasons à un autre métal normalement conducteur (matière de stabilisation). Le supra-conducteur entouré par la matière de revêtement peut être complètement incorporé dans la matière de stabilisation. De préférence, on utilise du cuivre comme matière de revêtement et de l'aluminium comme matière de stabilisation. Des essais ont permis de faire la constatation surprenante qu'il était plus avantageux d'utiliser comme matière de revêtement du supra-conducteur un métal normalement conducteur différent de la matière de stabilisation. Après l'opération de soudage ultrasonique, on obtient entre le supra-conducteur et la matière de stabilisation des contacts électriques et mécaniques d'une excellente qualité. On peut utiliser une matière de stabilisation qui est pourvue de rainures ou d'encoches dont la section droite correspond tout au plus approximativement à la section droite du supraconducteur relié à la matière de revêtement. De préférence, on utilise la matière de stabilisation sous la forme de deux bandes entre lesquelles est interposé la supra-conducteur relié à la matière de revêtement et en soude les surfaces de contact des demi-bandes par ultrasone. L'utilisation de bandes préalablement rainurèes permet d'augmenter la vitesse de fabrication ou de rèduire l'énergie ultrasonore nécessaire. En d'autres termes à l'aide d'un dispositif de soudage ayant une puissance ultrasonore maximale prédéterminée, on peut fabriquer de plus gros conducteurs. En outre, ce procédé présente l'avantage important que la matière de stabilisation n'est localement pas déformée dans la zone de soudage, ce qui élimine le risque que la résistance résiduelle du métal normalement conducteur utilisé comme matière de stabilisation augmente. On peut interposer entre la matière de revêtement et la matière de stabilisation une couche intermédiaire métallique dont le point de fusion est inférieur à ceux de la matière de revêtement et de la matière de stabilisation. On peut utiliser de l'indium ou du zinc pour constituer la couche intermédiaire0 A l'aide de telles couches intermédiaires minces et, si nécessaire, par un recuit additionnel effectué après l'opération de soudage ultrasonique, on peut améliorer encore la liaison mécanique et électrique entre le supra-conducteur et la matière de stabilisation. I1 est particulièrement approprié d'u tiliser de telles couches intermédiaires lorsqu'on emploie de l'aluminium comme matière de stabilisation. Pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, il est recommandé d'utiliser notamment une machine de soudage ul- trasonique à la molette. A l'aide de sonotrodes de forme appropriée, on peut souder simultanément plusieurs supra-conducteurs au conducteur normal. En branchant en parallèle plusieurs sonotrodes, on peut également souder de larges bandes d'un métal normalement conducteur à un métal supra-conducteur. Pour établir un bon contact mécanique entre les matières à souder, les surfaces de la sonotrode et de ltenclume tournante de la machine de soudage ultrasonique sont rendues rugueuses. Pour mieux comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire à titre indicatif et non limitatif, plusieurs exemples de réalisation représentés sur le dessin annexé. Le dispositif représenté sur la figure l se compose essentiellement d'une machine 1 de soudage ultrasonique à la molette. Le conducteur normal 2 se présentant de préférence sous la forme d'une bande par exemple en aluminium est dévidé d' d'une bobine d'alimentation et les supra-conducteurs 4 formés par exemple de fils de niobium-zirconium et recouverts d'un métal normalement conducteur sont dévidés d'une bobine d'alimentation 5; le conducteur normal 2 et les supra-conducteurs 4 étant mainte- nus en position sur une table 6 à l'aide d'un rouleau de guid ge 7 pour être ensuite assemblés par soudage entre la sonotrode 8 et l'enclume tournante 9 de la machine 1 de soudage ultrasonique. Le conducteur composite ainsi formé est entraîné par rotation de la sonotrode 8 et de l'enclume 9 pour entre enroulé sur une bobine 10 entratnee par moteur. Pour la mise en oeuvre du procédé, on peut utiliser des machines de soudage ultrasonique à molettes usuelles dans le commerce. Les essais qui vont entre décrits dans la suite ont été exécutés sur une machine de soudage ultrasonique de la Société Dr. Lehfeldt, type RPNA 22/2500. La machine est alimentée par un générateur haute-fréquence dont la puissance nominale est de 2,4 kW et dont la fréquence est de 21,7 kHz. La sonotrode qui transmet les vibrations mécaniques aux pièces à souder est munie, de m8me que 11 enclume tournante, de différeptes rugosités superficielles. Ces rugosités sont adaptées à épaisseur de la matière à souder. Suivant la profoadeur des rugosités, les surfaces de la sonotrode et de l'enclume sont traitées par moletage ou par sablage, Du fait des rugosités superficielles, les molettes entrassent mieux les pièces à souder, elles concentrent le frottement dans la zone de soudure et elles assurent un transport correct des pièces à souder. Sa sonotrode utilisée présente sur toute sa longueur un diamètre constant d'environ 40 mm. La largeur de l'enclume, qui est fonc- tion de la largeur de la soudure, a été choisie à 20 mm dans l'exemple considéré. La figure 2 représente un conducteur composite fabriqué suivant le procédé de l'invention. Des conducteurs rigides multiplex 11 sont incorporés dans une bande d'aluminium 12.Sous l'effet de la pression et des vibrations exercées pendant la phase de soudage ultrasonique, les conducteurs rigides multiples pénètrent dans l'aluminium ma qui se referme à nouveau sur les conducteurs. Dans l'exemple considéré, on a exercé sur la zone de soudure une force de compression d'environ 50 kgf. Le conducteur rigide multiple se compose de fils supraconducteurs 13 qui sont constitués d'un alliage de niobium-titane et qui sont répartis symétriquement dans une matrice 14 en cuivre. Les fils supra-conducteurs 13 parallèles au conducteur rigide multiple 11 sont branchés électriquement en parallèle en cours d'utilisation et se déchargent mutuellement en cas de surcharge. L'utilisation d'aluminium comme matière do stabilisa- tion offre encore des avantages particuliers. L'aluminium a un poids spécifique trois fois plu faible, une température de recristallisation moine élevée, une ductilité plus grande et, pour une pureté suffisante une meilleure conductivité électrique et une meilleure conductibilité thermique aux basses températures, ainsi qu'une chaleur spécifique plu faible que le cuivre.Lors- qu'on utilise de l'aluminium, on peut donc s'attendre, du fait des propriétés électriques plus intéressantes à ces températures, à une meilleure action de stabilisation que dans le cas au cuivre. En outre, le poids des bobines supra-conductrices, qui peut entre important notamment dans le cas de gros électro-aimants, est considérablement diminué lorsqu'on utilise de l'aluminium. Du fait de la résistance résiduelle particulièrement basse à ces températures, on utilise de préférence de l'alumi- nium d'ane pureté d'au soins 99,99 % . Bien que l'aluminium présente à des températures inférieures à environ 1,2 K des pro- priétés de supra-conductivité, il est normalement conducteur aL la température de service du conducteur composite selon l'in- vention, qui est usuellement d'environ 4,2 K, en raison de cette faible température de transition. Sur les figures 3 et 4, on a représenté des pièces profilées 15 et 16 des matières de stabilisation et des supraconducteurs revêtus 17 et 18 qui conviennent au soudage par ultrasons suivant le procédé de l'invention. Pour le supra-oonducteur 17, il est prévu un alliage de niobium-zirconium. Le supra-conducteur 17 est recouvert d'une mince couche d'aluminium 19. La couche d'aluminium 19 est preduite par voie électrochimique, de préférence dans des bains alu- mino-organiques. nomme matière de stabilisation pour les pièces profilées 15, on utilise du cuivre à faible teneur en oxygène, en raison de sa bonne conductivité électrique aux basses températures. On prévoit deux bandes de cuivre 15 qui sont munies de rainures longitudinales 20. Les rainures 20 ont une section droite semicirculaire. Leur diamètre est légèrement inférieur au diamètre des supra-conducteurs revêtus, de section circulaire. Pour le soudage, on applique les surfaces de contact 21 des bandes de cuivre l'une contre l'autre et on fixe les supra-conducteurs par soudage dans les rainures entre les deux bandes0 Les supra conducteurs sont par conséquent situés dans tous les cas dans la zone neutre. Ces bandes pré-formées 15 présentent d'une part l'avantage que la matière de stabilisation ne se déforme pas pendant le soudage dans la zone des supra-conducteurs et que sa rd- sistance résiduelle n'augmente pas. D'autre part, les rainures ménagées dans les bandes 15 permettent de réduire l'énergie ultrasonore pour le soudage des supra-conducteurs et on peut éga- lement augmenter la vitesse de fabrication ou bien fabriquer de plus gros conducteurs avec la mEme machine de soudage ultrasonique. Sur 18 figure 4, on prévoit comme supra-conducteurs dix-huit bandes de Nb3Sn qui sont revêtues d'une couche d'argent 22. Ces supra-conducteurs en forme de bande sent vendue dans le commerce. Lee pièces profilées 1C en forme de bande peuvent être fabriquées en aluminium ou en cuivre. Du fait des avantages déjà mentionnés, il est préférable d'utiliser de l'aluminium comme matière de stabilisation. les bandes 16 sont eu nies de rainures longitudinales 23 dans lesquelles sont soudées les bandes supra-conductrices lors de l'assemblage par soudage des surfacez de contact 24. lia profondeur des rainures 23 de profil rectangulaire est légèrement inférieure à la moitié de l'épaisseur de bande supra-conductrice revêtue, tandis que la largeur des rainures est inférieure à la largeur du supra-conducteur. Les avantages obtenus avec le procédé de l'invention, en cas d'adoption de ces formes particulières, sont identiques à ceux décrits en référence à la figure 3. Sur les figures 2, 3 et 4, on n'a pas représenté les couches intermédiaires qui peuvent être prévues entre la matière de revêtement et la matière de stabilisation. Ces couches intermédiaires permettent de préférence lorsqu'on utilise de l'aluminium comme matière de stabilisation ou comme matière de revêtement, d'améliorer encore davantage la liaison électrique et la liaison mécanique. Dans le cas de conducteurs à section droite circulaire, on ne peut pratiquement pas obtenir, du fait de l'orientation défavorable des ondes ultrasonores qui sont dirigées transversalement au sens de déplacement de la bande, un soudage uniforme sur toute la périphérie du supra-conducteur. Une couche intermédiaire formée d'une matière dont le point de fusion est inférieur à ceux de la matière de revêtement et de la matière de stabilisation permet de compenser ces conditions défavorables, Pour la couche intermédiaire, on peut utiliser de l'indium et du zinc. Ces métaux sont déposés avec une épaisseur de couche d'environ 1 par voie électrolytique ou par immersion, sur la matière de revêtement du supra-conducteur. Pendant l'opé- ration de soudage ultrasonore, la couche intermédiaire se li que je et on obtient aux endroits où il ne se produit pas de soudure une brasure par ultrasons. Pour améliorer ce processus, on peut maintenir la matière de stabilisation ou la sonotrode, le cas échéant, à une température plus élevée. Lorsqu'on prévoit une couche intermédiaire métallique entre la matière de revêtement et la matière de stabilisation, l'assemblage peut être amélioré ultérieurement par recuit de l'ensemble du conducteur composite à une température comprise entre environ 200 et 4000C et pendant une période d'environ 10 à 60 minutes. Sous l'effet du recuit, il se forme une couche additionnelle de diffusion entre la couche intermédiaire et la matière de stabilisation. Le recuit du conducteur composite ter- miné en vue de l'obtention d'une couche de diffusion, est en particulier applicable dans le cas oW on utilise du zinc comme couche intermédiaire et la température de reouit doit, dans ce cas, être de l'ordre de 400 C. REVENDICATIONS lo Procédé de fabrication de conducteurs composés de métaux supra-conducteurs et normalement conducteurs, procédé caractérisé par le fait qu'on soude par ultrasons au moins une partie de la surface d'un métal normalement conducteur (matière de revêtement), qui est relié métallurgiquement à un supra-conducteur, à un autre métal normalement conducteur (matière de stabilisation) 0 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on incorpore le supra-conducteur entouré par une matière de revêtement complètement dans la matière de stabilisation. 30 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on utilise du cuivre comme matière de revêtement et de l'aluminium comme matière de stabilisation0 40 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on utilise de l'argent comme matière de revatement et de l'aluminium comme matière de stabilisation. 5. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on utilise de l'argent comme matière de re- vertement et du cuivre comme matière de stabilisation. 6. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on utilise de l'aluminium comme matière de rev8tement et du cuivre comme matière de stabilisation0 7. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on utilise un supra-conducteur formé d'un alliage niobium-titane. 8. Procédé suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'on utilise un supra-conducteur, notamment en forme de bande , constitué de Kb3Sn 90 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'on utilise une matière de stabilisation qui est munie d'encoches ou de rainures dont la section droite correspond au plus approximativement à la section droite du supra-conducteur relié à la matière de revêtement. 10. Procédé suivant lune des revendications 1 à caractérisé par le fait qu'on utilise la matière de stabilisa- tion sous la forme de deux bandes entre lesquelles on engage les supra-conducteurs reliés aux matières de revêtement et qu'on soude les surfaces de contact des bandes par ultrasons. 11. Procédé suivant l'une des revendications 3, 4 ou 6, caractérisé par le fait qu'on interpose entre la matière de revêtement et la matière de stabilisation une couche intermédiaire métallique dont le point de fusion est inférieur à ceux de la matière de revêtement et de la matière de stabilisation. 12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé par le fait qu'on utilise de l'indium pour la couche intermé- diaire. 13. Procédé suivant la revendicatioa 11, caractérisé par le fait qu'on utilise d u z -+ n n c pour la couche intermé- dia ire. 14. Procédé suivant l'une des revendications 11 à 13. caractérisé par le fait qu'on recuit le conducteur composito soudé à une température comprise entre environ 200 et 400 C et pendant une période comprise entre 10 et 60 minutes. 15. Procédé suivant l'une des revendications 12 à 13 caractérisé par le fait qu'on préchauffe la matière de stabilisation. 16. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait qu'on procède au soudage à l'aide d'une machine de soudage ultrasonore à molettes comportant une sons trode et une enclume tournante à surface rugueuse.