Brevet FR2171942A1 — publié le 19730928

la présente invention concerne un procédé de soudage électrique permettant de souder entre eux des objets métalliques en des matériaux très bons conducteurs de la chaleur tels que l'aluminium, le laiton, le cuivre, l'or, l'argent et autres métaux similaires, ainsi que leursealliages et, elle concerne plus particulièrement un procédé de soudage électrique consistant à appliquer les objets à souder l'un contre l'autre avec une pression prédéterminée et à faire passer à travers ces objets une impulsion de courant électrique. D'une manière générale, si on considère deux objets à souder électriquement, par exemple un fil et un ruban appliqués l'un contre l'autre avec une pression prédéterminée, au moyen de deux électrodes, le courant de soudage va passer dans un circuit qui peut être considéré comme étant composé par une succession de résistances électriques montées en série, à savoir la résistance R1 de l'une des deux électrodes, la résistance R2 de la zone de contact entre cette première électrode et l'un des deux objets à souder entre eux, la résistance R3 de ce premier objet, la résistance R4 de la zone de contact entre ce premier objet et l'autre objet, la résistance R5 de cet autre objet, la résistance R6 de la zone de contact entre le second objet et la seconde électrode et; enfin la résistance R7 de cette seconde électrode.Le passage du courant de soudage dans ces diverses résistances va provoquer, par effet Joule, des élévations de température /S 6 1 Ke /\@ 3, 29 4 Xs 5' 6et Ae 7qui sont proportionnels aux valeurs ohmiques respectives des résistances R1, R2, RD, R4, R5, R6 et R7. Pour obtenir le soudage des deux objets entre eux, il faut donc que l'élévation de température 04 ##4 dans les zones de contact entre les deux objets soit plus importante que les autres élévations de température, autrement dit que la valeur ohmique de R4 soit plus grande que celle des autres résistances. Si les métaux à souder ont une haute conductibilité thermi que, les pertes de chaleur par conduction thermique deviennent importartes, si bien qu'une fraction non négligeable de la chaleur due a l'élévation de température t % dans les zones de contact entre les deux objets à souder, est transmise, par conduction thermique, à la masse de ces deux objets, ce qui se traduit par une diminution de Xi 4 et par une augmentation additionnelle et L '5. de la température de la masse des deux objets à souder entre eux,pouvant entraîner leur ramollissement.C'est en fait ce qui se passe lorsqu'on essaye de souder des objets en des matériaux très bons conducteurs de la chaleur et de l'électricité tels que par exemple en aluminium, en laiton, en cuivre,en or ou en argent, avec les générateurs actuellement utilisés pour réaliser les soudures des métaux bons conducteurs de la chaleur, lesquels ont un temps de soudage de 4 millisecondes, au moins, pour les générateurs du type classique à décharge de condensateur et de 10 millisecondes et plus pour les générateurs du type alternatif. En effet, dans la pratique, lorsqu'on utilise de tels générateurs conventionnels, on constate que les objets à souder deviennent presque mous, si bien que la pression exercée par les électrodes, au moment du soudage, aplatit considérablement le point de soudure, ce qui a pour effet de le rendre fragile. Par ailleurs, les élévations de température t@ ##2 et L 3 6 dans les résistances R2 et R6, c'est-à-dire dans les zones de contact respectivement entre l'une des électrodes et l'objet y adjacent et entre l'autre électrode et l'autre objet, combinées à celle de la masse des deux objets à souder parvient à faire une fusion localisée de la surface de contact des électrodes avec les objets à souder, si bien que la soudure est générale, c'est-à-dire que les deux objets se soudent entre eux et que les électrodes se soudent aux objets avec lesquels elles sont respectivement en contact. On dit alors que les électrodes "collent". Pour éviter cela, on a déjà proposé d'utiliser des électrodes en molybdène. Ce métal a un point de fusion beaucoup plus élevé que celui du cuivre et, de plus, le cuivre ne "mouille" pas le molybdène. Dans ces conditions, si on suppose que les objets sont par exemple en cuivre, les électrodes en molybdène ne "collent" plus aux objets a souder entre eux, mais il se produit cependant une augmentation des résistances électriques de contact R2 et R#, ce qu#i se traduit par une augmentation des élévations de température Xs 2 et Ss 6 qui provoquent à leur tour, par conduction thermique, une augmentation additionnelle t@ 3 et de @"5 de la température de la masse des objets à souder entre eux, si bien que l'on obtient en définitive une fusion globale de la masse des objets en cuivre entre les électrodes. Le point de soudure obtenu n'a alors que de lointains rapports avec les conditions générement admises pour apprécier la qualité d'une soudure. Si pour réduire au minimum les pertes par conduction theri- que, c'est-à-dire pour réduire les élévation de températures sus mentionnées ##'3 '3' ##'5 , ##" et ##'3, '3, ##'5 5 qui ont tendance à ramollir les objets à souder dans leurs. zones respectives cosm- prises entre les électrodes, on diminue le temps de soudage, il en résulte également une diminution de l'élévation propre de tem pérature ncg 4 dans la résistance R4, sous 1' effet du courant de soudage qui la traverse, car cette élévation de température ##4 4 est non seulement proportionnelle à la valeur ohmique de la résis tance R4, mais également à la durée de passage du courant de sou dage, c'est-à-dire, dans le cas où on utilise un générateur de soudage du type à décharge de condensateur, à la durée de l'impul sion résultant de la décharge du condensateur du générateur. Or, comme on l'a vu plus haut, il faut que l'élévation de température ##4 la résistance R4 (résistance de contact électrique entre les deux objets à souder) soit nettement plus élevée que les autres élévations de température /\@l s A i2 L#3 ##4,##5 ##6 et , ##6 et ##7 , mais encore que cette éléva tion de température A ##4 soit suffisamment élevée pour provo quer une fusion localisée des objets à souder entre eux, dans leur zone de contact, afin d'assurer le soudage de ces deux objets. Il n'est donc pas du tout certain qu'en réduisant le temps de soudage on arrive à réaliser le soudage des deux objets. Or, la demanderesse a constaté avec surprise que, dans certaines conditions de pression et d'énergie de l'impulsion de soudage qui sont essentiellement variables et dépendent de plusieurs facteurs tels que l'étendue de la zone de contact entre les deux objets à souder, les dimensions de ces objets à souder, les matériaux constitutifs de ces objets, etc.. > il est possible d'obtenir une bonne soudure entre deux objets en des matériaux très bons conducteurs de la chaleur, sans déformation notable des objets dans la zone de la soudure, et ceci en réduisant le temps de soudage par rapport à celui des générateurs de soudage anté- rieurement connus. La présente invention a donc principalement pour objet de fournir un procédé de soudage électrique permettant de souder entre eux des objets métalliques en des matériaux très bons conducteurs de la chaleur sans déformation notable des objets dans la zone. de la soudure, et consistant à appliquer les objets l'un contre l'autre avec une pression prédéterminée et à faire passer à travers ces objets une impulsion de courant élect-rique, ce procédé étant caractérisé en ce que l'impulsion de courant a une durée comprise entre 0,05 milliseconde et 2 millisecondes. En opérant de cette manière, on a constaté que l'on obtient une élévation rapide de la température dans la résistance de contact électrique R4 entre les deux objets à souder et peu de pertes par conduction puisque le temps de passage du courant est très court ; il en résulte donc une très faible élévation de température de la masse des deux objets à souder.En outre, la chaleur dégagée dans les résistances de contact électrique R2 et R6 entre les deux objets et les électrodes respectivement y adjacentes peut se dissiper dans lesdites électrodes et dans la masse des objets à souder, sans provoquer une fusion des matériaux des électrodes-et des objets à souder, dans les zones de contact entre ces électrodes et ces objets, et ceci mêne avec des électrodes en cuivre, si bien qu'il est possible.d'utiliser des électrodes standard en cuivre qui sont beaucoup moins coûteuses que les électrodes en molybdène. Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour souder entre eux des métaux ayant une très bonne conductibilité thermique, tels que par exemple l'aluminium qui a une conductibilité ther 2 OC/cm, le mique de 0,514 cal/cm .s. C/cm, le laiton (0,204 cal/cm .s. C/cm), le cuivre (1,097 cal/cm.s.OC/cm), l'or (0,705 cal/cm .s.0C/cm), l'argent (0,998 cal/cm.s.0C/cm) et d'une manière générale, les métaux et alliages de métaux ayant une conductibilité thermique 2 supérieure à 0,1 cal/cm2.s. C/cm. On donnera maintenant, en référence aux dessins annexés, une description détaillée montrant comment 11 invention peut être mise en oeuvre. Dans le dessin - La figure 1 illustre schématiquement le soudage d'un fil sur un ruban. - La figure 2 est un schéma électrique équivalent de l'ensem- ble représent#é sur la figure 1. - Les figures 3 et 4 montrent respectivement une mauvaise soudure et une bonne soudure. Comme on peut le voir sur la figure 1,- un fil 3 et un ruban 5, disposés en croix, peuvent être soudés entre eux en étant appliqués l'un contre l'autre avec une pression P, au moyen de deux électrodes 1 et 7. Dans cette figure 1, les numéros de référence 2, 4 et 6 désignent respectivement la zone de contact entre l'électrode 1 et le fil 3, la zone de contact entre le fil 3 et le ruban 5, et la zone de contact entre le ruban 5 et l'électrode 7. Dans le schéma électrique équivalent représenté sur la figure 2, les résistances R1 à R7 ont respectivement les significationsdonnéesplus haut, les indices 1 à 7 affectées aux résistances R1 à R7 correspondant respectivement aux éléments désignés par les mêmes numéros de référence Bans la figure 1. Par ailleurs, S désigne une source d'énergie, par exemple un générateur de soudage du type à décharge de condensateur. Un tel générateur est bien connu et ne sera pas décrit en détail. On rappellera seulement qu'il comprend, d'une manière générale, au moins un condensateur, un circuit de charge et un circuit de décharge pour ce condensateur, le circuit de décharge étant normalement ouvert et pouvant être fermé par un commutateur, de préférence électronique, par exemple un thyristor.Pour permettre la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, le circuit#de décharge du générateur de soudage doit avoir une constante de temps comprise entre 0,05 milliseconde et 2 millisecondes, et de préférence réglable entre ces deux valeurs. Ceci pourra être obtenu par un choix et un dimensionnement appropriés du ou des condensateurs et du transformateur de sortie usuellement prévu dans le circuit de décharge. tes électrodes 1 et 7 ont des dimensions qui sont essentiellement fonction des dimensions des objets à souder entre eux. Ces électrodes peuvent être réalisées par exemple en alliage de cuivre et de chrome disponible dans le commerce sous la dési gnation "RWMA2" chez BSELORY METALEURGIC.AL PRODUCTS LIMITED, WEMBELY-MIDDLESEX-Angleterre, ou en alliage de cuivre et de cadmium disponible dans le commerce sous la désignation "RW}u1" également chez MAELORY METALLURGICAL PRODUCTS LIMITED. On donnera maintenant divers exemples de soudures obtenues conformément à la présente invention. Exemple 1 Deux feuillards en aluminium ayant une épaisseur de 0,3 mm et disposés en croix ont été soudés entre eux en utilisant des électrodes en alliage RJMI2, une pression de 7 Kg/cm et une impulsion de courant ayant une énergie de 110 W.s(Joules). La durée de l'impulsion était réglée à 1,5 ms. la soudure obtenue ne présentait aucune déformation notable et, lors d'un essai ultérieur de résistance à la rupture,il se produisit un "déboutonnage" (on dit qu'il y a déboutonnage lorsque, lors d'un essai à l'arrachement, ce n'est pas la soudure qui se rompt mais une partie du matériau de l'un des objets entourant la zone de la soudure). Exemple 2 Deux fils de cuivre ayant un diamètre de 0,6 mm et disposés en croix ont été soudés entre eux en utilisant des électrodes en 2 alliage RWMA2, une pression de 5Kg/cm et une impulsion de courant électrique ayant une énergie de 230 W.s. La durée de l'impulsion de courant était réglée à 0,7 ms. La soudure obtenue était bonne et ne présentait pas de modification de la structure des fils. Exemple 3 Un fil multibrins composé de 20 brireen cuivre et ayant un diamètre total de 0,8 mm été soudé, en croix, sur un ruban en argent ayant une épaisseur de 0,4 mm, en utilisant des électro des en alliage ru R2, une pression de 6 Kg/cm et une impulsion de courant électrique ayant une énergie de 100 W.s. La durée de l'impulsion de courant était réglée à 0,7 ms. Exemple 4 Un fil en argent ayant un diamètre de 0,8 mm a été soudé en croix, sur un ruban en Maillechort ayant une épaisseur de 0,4 mm, en utilisant des électrodes en alliage RWMA1, une pression de 6 Kg/cm et une impulsion de courant électrique ayant une énergie de 160 W.s. La durée de l'impulsion de courant était réglée à 0,7 ms. Exemple 5 Un fil en cuivre électrolytique ayant un diamètre de 1,2 mm a été soudé, en bout, sur un ruban en laiton ayant une épaisseur de 0,4 mm, en utilisant des électrodes en alliage RWMA2, une pression de 9 Kg/cm25 et une impulsion de courant électrique ayant une énergie de 180 W.s. La durée de l'impulsion de courant était réglée à 1,2 ms. Exemple 6 Un fil en cuivre étamé ayant un diamètre de 0,8 mm a été soudé, bout à bout, à un fil en aluminium ayant un diamètre de 3 mm, en utilisant une pression de 9 Kg/cm et une impulsion de courant électrique ayant une énergie de 160 W.s. La durée de l'impulsion de courant était réglée à 1,2 ms. tes électrodes utilisées étaient des pinces en alliage de cuivre et de chrome. Exemple 7 Deux fils de cuivre argenté ayant un diamètre de 0,6 mm et disposés en croix ont été soudés l'un à l'autre en utilisant des électrodes en alliage RWiI2, une pression de 6 Kg/m et une impulsion de courant ayant une énergie de 55 W.s. La durée de l'impulsion était réglée à 0,4 ms. Exemple 8 Un fil de 0,8 mm de diamètre, en alliage "Alcla" composé de 900 parties pour mille en poids d'or et de 100 parties pour mille#de cuivre, a été soudé, en croix, sursun ruban de laiton ayant une épaisseur de 0,8 mm. Pour cela, on a utilisé des électrodes en alliage ROBA2, une pression de 7 Kg/cm et une impulsion de courant ayant une énergie de 70 W.s. ta durée de l'impulsion de courant était réglée à 0,7 ms. Exemple 9 Deux fils de cuivre ayant un diamètre de 1 micron ont été soudés l-'un à l'autre en utilisant une impulsion de courant ayant une énergie de 0,1 W.s et une durée d'environ 1 ms. Comme dans les exemples 1 et 2, les soudures obtenues dans les exemples 3 à 9 sont bonnes et il n'y a pas de déformation des pièces soudées. tes figures 3 et 4 montrent respectivement une mauvaise soudure, obtenue en utilisant un procédé conventionnel dans lequel la durée de l'impulsion de soudage est au moins égale à 4 ms, et une bonne soudure obtenue par le procédé selon l'invention. Par bonne soudure, on entend une soudure qui présente les conditions suivantes a) Pénétration d'environ 1/3 du diamètre ou de l'épaisseur des objets soudés entre eux, b) pas de projection, c) pas de zone brûlée, (vue en coupe micrographique) d) force de rupture correcte. Dans tous les exemples qui ont été donnés ci-dessus, les valeurs de pression et les valeurs d'énergie de l'impulsion de courant de soudage, bien qu'elles aient été effectivement utilisées dans la pratique, peuvent être considérées comme des valeurs moyennes. En effet, dans chaque cas, d'autres essais ont été effectués et ont montré que si on fait varier de + 20 % les valeurs de pression et les valeurs d'énergie citées dans les exemples, on obtient encore des soudures satisfaisantes. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, la présente invention procure donc un procédé perfectionné de soudage permettant de souder des métaux très bons conducteurs de la chaleur, et ceci sans déformation des objets à souder. En outre, le procédé selon l'invention facilite le soudage, notamment dans le cas du cuivre et de l'aluminium, puisque, par suite de la réduction du temps de soudage, le temps d'oxydation des objets à souder est également réduit. De plus, le procédé selon l'invention offre la possibilité de souder entre elles des pièces fines, sans déformation de ces pièces, ainsi que de faire des-soudures près de passages étanches, par exemple des passages isolés par perles de verre, sans endommager ou:. provoquer la rupture desdites perles de verre. Cette seconde possibilité est particulièrement appréciable pour la fabrication. de certains appareils électroniques de qualité dans lesquels on rencontre de tels passages étanches et dans lesquels des soudures doivent être effectuées au voisinage imme- diat- de ces passagSes. L'invention est plus particulièrement applicable et utile pour la fabrication de certains appareils électriques ou électroniques, ou pour la fabrication de certaines pièces entrant dans la réalisation de tels appareils électriques ou électroniques. D'une manière générale, l'invention est applicable dans tous les cas où il s'agit de souder entre eux des métaux très bons conducteurs de la chaleur. REVENDICATIONS 1.- Procédé de soudage électrique permettant de souder entre eux des objets métalliques en des matériaux très bons conducteurs de la chaleur, sans déformation notable des objets dans la zone de la soudure, et consistant à appliquer les objets l'un contre l'autre avec une pression prédéterminée et à faire passer à travers ces objets une impulsion de courant électrique, caractérisé en ce que l'impulsion de courant a une durée comprise entre 0,05 ms et 2 ms. 2.- Un générateur de soudage électrique pourla seen oeuvre du procédé selon'la revendication 1, du type à décharge de condensateur, comportant au moins un condensateur, un circuit de charge et un circuit de décharge qui peut être fermé par un commutateur, caractérisé en ce que la constante de temps du circuit de décharge du générateur est réglable entre 0,05 ms et 2 ms.