Brevet FR2169264A1 — publié le 19730907

La présente invention concerne un élément de connexion tel qu'une borne électrique facilitant le sertissage à chaud par résistance électrique et le soudage par résistance électrique d'un fil conducteur isolé ou non isolé, en particulier d'un fil à point de fusion particulièrement bas tel qu'un fil en aluminium ou en alliage d'aluminium. Des techniques classiques sont connues depuis longtemps pour l'assemblage à chaud des extrémités des fils à une lame de collecteur du type à queue ou à des bornes électriques. Suivant les cas il s'agit du soudage avec fusion du métal ou du sertissage à chaud, c'est-à-dire d'un assemblage n'exigeant pratiquement aucune fusion du métal. Par ces procédés, une languette en forme de U maintient le fil pendant le soudage et permet la compression consécutive de la languette autour du fil entre les électrodes actives. Cette opération provoque le sertissage à chaud ou le soudage de la languette sur le corps de la partie terminale de la lame de collecteur et lie le fil aux surfaces en contact. Autrefois, il a été habituel d'enlever mécaniquement ou chimiquement l'isolant du fil à l'endroit du soudage.Cependant, depuis 1950 il est devenu courant de sertir ou de souder le fil mis en place et d'utiliser la chaleur dégagée pendant le sertissage pour enlever l'isolant par vaporisation instantanée. Bien que le sertissage mécanique et le soudage à l'étain soient des techniques principales pour la fixation du fil à une partie terminale d'une pièce électrique, depuis plusieurs années l'utilisation des techniques de sertissage à chaud et de soudage électrique a augmenté de façon-significative dans ce but. Le sertissage à chaud est en général préféré au soudage avec fusion pour unir des métaux de résistance faible, ou pour limiter au minimum la déformation des parties connectées. Le soudage par résistance résulte du passage d'un courant à travers la partie terminale et le fil assemblés pour chauffer de façon interne les parties métalliques jusqu'8 leur état plastique, ces parties ramollies étant ensuite forgées. La résistance électrique des parties détermine le temps et le courant nécessaires pour ramollir les parties, et cette résistance doit être supérieure à celle des électrodes de soudage. La pression des électrodes suivant ce procédé est tel qu'elle ne supprime pas complètement la résistance électrique superficielle entre les parties à souder et les électrodes. I1 doit e"tre pris soin d'exercer seulement la pression suffisante pour le forgeage. La caractéristique d'une jonction soudée par résistance est que les zones travaillées des parties ont été mélangées et amalgamées pour former une liaison d'une seule pièce. Par contre, le sertissage à chaud produit une jonction par compression dans laquelle les parties sont tenues par contact à adhérence superficielle. Pour le sertissage à chaud,l'une et parfois les deux électrodes (dans le cas d'électrodes opposées), ont une résistance électrique supérieure à celle des parties soudées de sorte que l'électrode peut se comporter en source de chaleur pour les parties assemblées. L'intensité de courant est réglée pour que l'électrode dissipe de la chaleur vers l'ensemble à connecter afin de ramollir les parties sans qu'elles atteignent l'état plastique. La pression de l'électrode est élevée pour forcer les parties ramollies l'une contre l'autre pour former une jonction par compression, de la façon indiquée ci-dessus. Dans une jonction formée par compression, seulement 5 microns environ de la profondeur à partir de la surface sont affectés, sans amalgame des métaux. Une description plus détaillée de ces techniques et de leurs avantages est donnée par Allan Warner, sous le titre "Commutater Fusing" dans I.E.E.E., Publication Number 69C3)-EI, Article-Nt 71C38 EI-34, 20 septembre 1971. Avec les techniques habituelles de sertissage à chaud ou de soudage par résistances des types décrits ci-dessus, les parties terminales de connexion peuvent tre en n'importe quel métal convenable, par exemple en laiton, en nickel, en alliage de nickel, en acier, en cuivre, en alliage de cuivre, en or, en argent et en d'autres métaux précieux et leurs alliages. Les fils de sortie sont normalement n cuivre, en or, en argent ou en leurs alliages. Cependant, il existe des problèmes difficiles quand des fils en aluminium ou en alliages d'aluminium sont utilises pour la connexion.Plus particulièrement, contrairement au cas des autres métaux convenables mentionnés ci-dessus, les piats de ramollissement de l'aluminium et des alliages d'alu:n.i- nium sont tellement bas qt:e le chauffage de l'ensemble nécessaire pour vaporiser l'isolant ou pour ramollir suffisamment la languette, provoque aussi le ramollissement du fil d'aluminium, de sorte qu une pression même légère exercée sur la languette coupe ou écrase de façon indésirable le fil ramolli, comme du beurre fondu. Même si le fil n'est pas coupé pendant le sertissage à chaud, sa section transversale est réduite au point qu'après refroidissement il n'a plus la résistance mécanique minimale ou la section transversale nécessaire pour une connexion électrique convenable. En raison de cette caractéristique, l'utilisation des techniques de sertissage à chaud ou de soudage par résistance ont été évi tées pour les fils d'aluminium ou d'alliages d'aluminium fixés à des bornes du type à languettes ou à des lames de collecteurs du type à languettes. Une solution essayée a consisté à utiliser une tête de soudage électrique ou de sertissage à chaud d'un type spécial avec un évidement situé à l'endroit prévu pour le fil. De cette façon, la pression exercée sur la zone de la languette alignée sur le fil est plus faible que celle exercée sur les autres parties de la languette.Cependant, cette solution n'est pas valable techniquement et n'est pas économique parce que l'électrode de sertissage à chaud est normalement en tungstène qui est une matière coûteuse, et parce que les bords de l'évidement s'usent considérablement pendant l'utilisation. De plus, une électrode de forme spéciale n'a pas une utilisation générale, et elle doit être changée en fonction de la nature du fil à connecter. La présente invention permet de résoudre ces problèmes et facilite pour la première fois le sertissage à chaud et le soudage par résistance des parties terminales de bornes ou autres pièces électriques avec des fils d'aluminium isolés ou non sans risque d'affaiblissement indésirable ou de réduction de la résistance mécanique du fil ou de l'intégrité de la partie terminale. Cette partie terminale est formée en utilisant des électrodes courantes de soudage ou de rusionnement. La présente invention a par suite pour objet une borne électrique n'ayant pas les inconvénients des parties correspondantes suivant les techniques antérieures. L'invention a aussi pour objet un procédé pour la liaison thermique d'un fil à une partie terminale de connexion d'une pièce électrique. D'une façon générale, l'invention évite le cisaillement du fil ramolli pendant l'opération de sertissage à chaud ou de scudage par résistance en formant une masse en excédent ou une partie élargie sur la lame de collecteur ou sur la borne dans la partie coopérant avec la languette pour absorber une partie de la pression mécanique de soudage qui autrement provoque rait le cisaillement du fil ramolli par chauffage. La dimension,# la forme et la position de cet élargissement apportenttune posait bilité supplémentaire de commande de la valeur de la pression exercée sur le fil chauffé.Par suite, le chauffage et la pression mécanique peuvent être effectués pour fusionner et pour souder une borne du type à languette et unir le fil isolé ou non sans couper ni affaiblir de façon indésirable le fil, même si ce der- nier est chauffé jusqu'à son état plastique. Bien que la présente invention apporte des avantages techniques pour sertir à chaud ou souder par résistance des conducteurs électriques ayant n'importe quelle destination générale et n'importe quelle dimension, des parties terminales de connexion selon l'invention ont des avantages particuliers pour le sertissage à chaud ou le soudage par résistance des fils d'enrou lements. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue schématique en plan d'une lame de collecteur connectée d'une façon classique à un fil isolé, la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1 avec les électrodes et l'alimentation en courant pour une opération de sertissage à chaud de l'ensemble de la figure 1, la figure 3 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1 montrant le fil et le collecteur soudés, les figures 4 et 5 sont des coupes similaires à celles des figures 2 et 5 montrant une connexion formée selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, les figures 6 et 7 sont des coupes sembiables à celles des figures 4 et 5 montrant une connexion formée selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, les figures 8 et 9 sont des coupes semblables à celles des figures 4 et 5 montrant une connexion selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, et les figures 10, 11 et 12 sont respectivement une vue en plan, une vue en coupe et une vue en perspective montrant la connexion d'un fil d'une bobine à une pièce de connexion selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. Les figures 1 et 2 représentent une partie d'une lame de collecteur 10 qui comporte un corps 12 et une languette 14 Le corps 12 est supporté par un support 15, de préférence non conducteur, qui coopère avec les têtes de sertissage à chaud de la façon décrite ci-après. Comme le montre plus particulièrement la figure 2, la languette 14 comporte une partie de raccordement 16 dépassant vers le haut du corps 12 et une extrémité libre 18 prolongeant la partie 16 pour former un U avec le corps 12.La languette et le corps peuvent être en n'importe quel métal conducteur convenable, par exemple en nickel, en cuivre, en laiton ou leurs alliages, ou en or ou en argent ou leurs alliages Un fil isolé 20 est placé transversalement au corps 12 près de la partie en boucle 16 de la languette Le fil isolé comporte une âme conductrice centrale 22 et une gaine isolante 24 qui peut être vaporisée ou éliminée par chauffage Pour les conducteurs d'un collecteur, l'âme 22 peut être en cuivre, en laiton, en or, en argent ou en leurs alliages, et l'isolant 22 peut être d'une façon courante en polyester, en polyimide, en résine polyvinylique, en polyamide, en caoutchouc ou des matières analogues. Si désiré, un fil nu plein ou en torons peut être utilisé. Quand l'ensemble est prêt pour le sertissage à chaud, une première électrode de résistance faible 30 est appliquée sur le corps 12 de la borne et une électroae de résistance élevée 52 servant comme source de chaleur pour l'ensemble est appliquée sur l'extrémité libre 18 de la languette 14. Cette disposition des électrodes est dite série mais cependant une disposition en "opposition" peut aussi être utilisée, l'electrode 30 étant remplacée par une électrode de résistance élevée (non représentée) en contact avec le corps 12 en face de l'électrode 52. Les électrodes 30 et 32 sont connectées au secondaire d'un transformateur T dont le primaire est connecté à une source de courant 34. I1 doit être noté que l'appareil de sertissage est bien connu et n'a pas besoin d'être décrit plus en détail. Voir par exemple le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3.045.103. Pour sertir à chaud les deux parties l'une à l'autre et pour former la connexion électrique, la source de courant 34 alimente les électrodes 30 et 32 de façon que le traJet du courant soit complété à travers le corps 12 et la languette 14. L'électrode 32 est chauffée rapidement et, sous la commande d'un dispositif non représenté, elle entraene simultanément l'extrémité libre de la languette 14 vers le corps 12. Cette action comprime la languette 14, le corps 12 et le fil isolé et en même temps chauffe suffisamment les parties comprimées pour brûler ou volatiliser l'isolant 24 afin que l'âme 22 du fil soit en contact direct avec la languette et le corps. La quantité de courant traversant les différentes parties et la chaleur engendrée par lté- lectrode 32 sont seulement suffisantes, pour ramollir les différentes parties au point pour lequel les métaux sont sertis à chaud de la façon décrite ci-dessus. L'électrode 52 continue à augmenter la pression jusqu'à un lflmite telle que les surfaces en contact de la languette 14 et du corps 12 ainsi que I'âme métallique 22 mise à nue soient serrées pour supprimer tous les espaces d'air et tous les Vides et pour comprimer les surfaces en contact pour l'adhérence superficielle et la formation d'une liaison ou soudure par compression sans fusion. L'extrémité libre 18 est aussi sertie à chaud en contact du corps 12. La figure 3 représente la partie terminale du corps 12 et l'âme métallique 22 du fil ainsi sertie à chaud. Suivant un exemple typique pour le sertissage à chaud d'un fil de cuivre d'un diamètre de 0,41 mm pour enroulement sur une lame de collecteur d'un diamètre de 22 mm, une puissance électrique de 5000 watts est utilisée pour chauffer la languette 14 et l'âme 22 du fil pendant environ 80 ms pour brayer l'isolant 24 afin que l'âme 22 soit suffisamment exposée. Des fils plus gros et des connecteurs d'un plus grand diamètre nécessitent une augmentation similaire de la puissance et de la durée d'application pour atteindre les températures voulues, tandis que des fils de plus petit diamètre nécessitent une réduction de ces paramètres. Ces relations sont bien connues. Comme il a été indiqué ci-dessus, l'âme métallique 22 du fil 20 peut être en n'importe quel métal convenable, mais cependant des problèmes sérieux apparaissent dans le cas de fils en aluminium, en alliage d'aluminium ou en aluminium cuivré pour former l'ensemble des figures 1 à 3. Pendant l'opération de sertissage à chaud au cours de laquelle les différentes parties sont chauffées par l'électrode 32 à un point et pendant le temps nécessairespour supprimer l'isolant 24 ou pour ramollir la languette, l'âme en aluminium ou en alliage d'aluminium 22 est aussi chauffée au point d'atteindre son état plastique. Au moment de la compression par l'électrode 32 pour l'assemblage de l'extrémité libre 18 au corps 12, la languette 14 coupe le fil 22 ou réduit de façon indésirable la section transversale de la zone ramollie du fil 22.La résistance mécanique du fil conducteur 20 est alors insuffisante pour le maintien de la connexion mécanique de l'un ou l'autre des deux tronçons du fil 20 ou des deux tronçons avec la borne 10. Les figures 4 et 5 représentent une partie de connexion ou borne 40 selon un mode de mise en oeuvre de l'invention qui comporte un corps 42 et une languette libre 44 entourant le fil 20. Conformément à l'invention, l'extrémité libre de la languette 44 comporte une partie élargie ou surépaissie 47 dépassant de l'extrémité libre 48 de la languette 44 vers le corps 42. Cette partie élargie peut avoir n'importe quelle forme convenable, par exemple être semi-circulaire ou bien rectangulaire de la façon représentée. La partie élargie est de préférence formée par matriçage ou par formage à froid au moment de la formation de la borne.La largeur préférable (non représentée) de la partie élargie 47 est voisine de la largeur de la languette 14 et sa dimension "X" est de préférence choisie pour permettre un taux commandé de déformation en section transversale de l'âme métallique 22 pendant le sertissage à chaud. Par exemple, dans le cas d'un fil en aluminium ou en alliage d'aluminium d'un diamètre supérieur à 0,41 mm, la profondeur "X" peut être approximativement égale à 3/4 du diamètre de l'âme métallique 22, et pour des fils de diamètres inférieurs à 0,41 mm la dimension "X" peut être approximativement égale ou supérieure au diamètre de l'âme métallique 22. Les proportions sont déterminées par des considérations pratiques de fabrication.De cette façon, la pression mécanique exercée sur l'âme en aluminium chauffée pendant le sertissage est réglée pour permettre une légère déformation (par exemple une réduction de 30 ) de l'aire en section transversale de l'âme 22 (figure 5). La légère déformation est définie comme étant la réduction de la section insuffisante pour affaiblir de façon indésirable le fil ou pour modifier de façon appréciable sa résistance électrique. Pendant le sertissage à chaud, l'électrode active 32 chauffe et comprime les parties assemblées de la façon représen- tée. L'âme du fil peut être ramollie, mais le métal ne s'écoule pas s'il n'est pas suffisamment comprimé par la languette 42. Quand l'électrode 52 repousse la languette 14 vers le corps 42, la partie surépaissie 47 vient en contact avec le corps pour régler la pression statique qui serait autrement exercée par la languette 44 sur l'âme 22 chauffée. Comme l'appareil connu (non représenté) entraenant l'électrode 32 exerce une pression limitée (voir par exemple le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3.045.103 précité) la partie surépaissie 47 supporte la ssus grande partiedelapsion et il en résulte seulement une légère déformation de l'âme 22.Au refroidissement, un sertissage à chaud est formé en 50 et l'âme 22 dénudée est liée à la languette et au corps de la partie de connexion 40 entourant cette âme. La figure 5 représente la zone d'assemblage par sertissage et l' me métallique 22 liée ayant subi un taux commandé de déformation. Les figures 6 et 7 représentent un autre mode de mise en oeuvre de l'invention suivant lequel une partie terminale de connexion 40 comportant un corps 42 et une languette 44 entoure un fil isolé 20. Conformément à l'invention, une partie saillante 49 dépasse du corps 42 vers l'extrémité libre 48 de la languette 44. La largeur (non représentée) du bossage 49 peut tre approximativement celle de la languette 44. Dans ce cas aussi les dimensions et la masse du bossage 49 peuvent être choisies pour commander la pression mécanique exercée sur l'âme du fil pendant le sertissage à-chaud. La figure 7 représente la connexion terminée. Les figures 8 et 9 représentent un autre mode de mise en oeuvre de l'invention suivant lequel la surépaisseur 57 est formée sur la languette 44 en repliant son extrémité libre à l'intérieur vers la partie en boucle 46. Le pliage de l'extrémité té libre doit être suffisant pour que l'extrémité ne se redresse pas en s'éloignant de la partie 46 au moment du chauffage. Si l'extrémité libre était pliée à angle droit par rapport au plan du corps 42, le chauffage provoquerait le développement de la surépaisseur 57 devant le corps 42 mais suivant un angle supérieur à 900 par rapport au reste de la languette 44. Avec le pliage représenté sur la figure 8, la limite élastique est dépassée quand la languette est chauffée, et la partie sertie a moins tendance à se redresser en dessous de la languette. La surépaisseur 57 commande aussi la pression exercée sur l'âme du fil comme dans les cas précédents. La figure 9 représente la connexion terminée. Dans le cas des figures 10 à 12, la languette 44 est disposée perpendiculairement à l'axe du corps 42, et elle peut être située à une extrémité du corps de la façon représentée. La surépaisseur 47, d'une dimension 'X" prédéterminée de la fa çon décrite, dépasse de l'extrémité 48 de la languette vers le corps 42. Un conducteur en toron 20 isolé est engagé sous la languette 44. Des électrodes opposées de grande résistance 32 et 33 sont placées respectivement au-dessus et au-dessous de la languette 44 et du corps 42. En variante, il est possible d'utiliser une disposition en série des électrodes (non représentée). A l'éta- blissement du courant et de la pression, la languette 44 est chauf- fée et les différentes parties sont comprimées les unes contre les autres. L'isolant 24 est volatilisé et les surfaces en contact des métaux sont liées ensemble de la façon représentée sur la figure 12. La surépaisseur 47 règle la pression exercée sur le fil chauffé de la maçon déjà décrite. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut tre mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. R E V E N D I C A T I C N S 1. Procédé pour l'assemblage à chaud d'un fil à un élément formant une borne du type à languette comportant un corps, caractérisé par le positionnement du fil pour 1 engager conte la languette, le chauffage de la languette, du corps et du fil d'une façon suffisante pour ramollir la languette au-delà de sa mémoire métallique et en même temps l'application d'une pression sur ia languette pour unir la languette au corps et pour lier le fil à la languette et au corps, et la commande de la proportion de la pression exercée sur le fil ramolli de façon quelle soit insuffisante soit pour couper le fil, soit pour réduire de façon excessive 1E section transversale du fil en positionnant une masse de matière du type de celle de la borne entre la languette et le corps avant le chauffage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le chauffage du fil d'une façon suffisante pour que le fil atteigne l'état plastique. 3. Elément tel qu'une borne électrique pour l'assemblage à chaud à un fil conducteur, caractérisé par une première et une seconde partie initialement espacées l'une de l'autre pour entourer partiellement le fil, au moins l'une de ces parties comportant une surépaisseur disposée pour venir en contact avec l'autre partie pour connander la pression mécanique exercée sur le fil quand l'électrode de chauffage exerce une pression et chauffe les deux parties pour les unir et pour lier le fil à ces parties. 4. Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première et la seconde partie sont reliées par une partie de raccordement de façon que ces parties forment approximativement un U dont la première et la seconde partie constituent les branches. 5. Elément selon la revendication 4, caractérisé par une surépaisseur sur l'une des deux parties, cette surépaisseur s'détendant vers l'autre partie et étant située sur le côté opposé au côté de raccordement des deux parties par rapport à la position prévue pour le fil. 6. Elément selon la revendication Si caractérisé en ce que la surépaisseur est formée à l'extrémité libre de l'une des parties, cett surépaisseur étant une partie repliée vers l'intérieur et vers le raccordement entre la première et la seconde partie. 7. Ensemble formé par un élément tel qu'une borne électrique et un fil lié thermiquement à cet élément, caractérisé en ce que l'élément formant la borne comporte une languette et un corps et une surépaisseur sur l'une de ces deux parties, cette surépaisseur étant liée thermiquement à l'autre partie.