Brevet FR2254120A1 — publié le 19750704

La présente invention concerne les cellules électro- chimiques contenant des éléments soudables en plomb et notamment un procédé et un appareil de soudage des éléments minces en plomb des batteries d'accumulateurs, par mise en oeuvre d'une variante d'un procédé de soudage à l'arc. Habituellement, on utilise pour l'association des éléments en plomb desdioers types de cellules électrochimiques, par exemple des batteries d'alimentation, des batteries de secours et des cellules étanches sans entretien au plomb et à l'acide, un procédé de combustion ou de soudage par un gaz. les éléments qui doivent êre soudés peuvent comprendre les pattes collectrices de courant et les bornes ou barres omnibus par exemple, une connéxion fondue étant nécessaire pour le passage du courant aux-bornes de sortie de la cellule.Bien que le procédé de combustion donne en général satisfaction pour la fusion d'éléments en plomb relativement gros, la tendance à la minia turisation des divers types de batteries au plomb et à l'acide, par-exemple de la dimension normalisée D pour les batteries étanches sans entretien, impose un procédé de soudage qui convienne aux éléments en plomb relativement minces ou petits.Par exemple, les pattes collectrices de courant des batteries étanches sans entretien des dimensions normalisées D ou X peuvent être sous forme d'un métal déployé ayant une épaisseur qui n'atteint que 0,5 à 1 mm. Un autre problème est posé par la soudure formée avec des pattes collectrices aussi minces et une borne par exemple, car la soudure doit être relativement épaisse de ma #nière qu'elle réduise la probabilité de la formation d'un circuit ouvert à la-suite de l'oxydation ou de la consommation du joint soudé pendant le stockage ou le fonctionnement de la cellule. te procédé classique de combustion ainsi que d'autres procédés de soudage mettent souvent en oeuvre une baguette de charge et/ou un fondant qui contribue à la formation d'un laitier qui provoque la corrosion des éléments en plomb soudés. De plus, des inconvénients du procédé de combustion sont qu'il est relativement lent et, du fait de sa faible fiabilité, qu'il nécessite des opérateurs expérimentés pour sa mise en oeuvre. le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 540 076 décrit un procédé de soudage d'éléments en plomb dans une batterie d'accumulateur, par mise en oeuvre d'un procédé de soudage à l'aide d'un arc entre électrode s de carbone. L'invention concerne essentiellement mi procédé et un dispositif rentables qui remédient aux inconvénients de la technique antérieure et qui permettent un soudage uniforme d'éléments en plomb relativement petits dans une cellule élec trochimique contenant du plomb, le joint soudé formé ayant une faible impédance interne, par exemple inférieure à 1 milliohm, une résistance élevée à la corrosion, une épaisseur relativement importante en direction transversale et étant réalisé par un procédé rapide ne nécessitant pas un personnel expérimenté. Plus précisément, le procédé de l'invention est essentiellement un procédé de soudage à l'arc mettant en oeuvre une électrode non consommable sous gaz inerte. lorsque les éléments en plomb sont mis très près l'un de l'autre de manière qu'ils forment une surface soudable, celle-ci est entourée par un moule analogue à un lingot et dont les parois sont en une matière qui possède uneçtempérature élevée de ramollissement, une bonne conductibilité thermique et qui résiste à l'érosion par un arc.L'électrode de soudage passe au-dessus de la surface de soudage suivant un trajet oscillant alternatif et crée un cordon large, lisse et épais de soudure apparemment dépourvu de pores. le courant de soudage, la vitesse d'oscillation et l'amplitude des oscillations de la tête de soudage sont choisis de manière que les éléments en plomb soient soudés et s'écoulent en remplissant pratiquement le moule en forme de lingot. le moule provoque à son tour la solidification rapide du plomb liquide de la périphérie vers l'intérieur par transfert thermique à travers les parois du moule. l'appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé de l'invention comprend une table de soudage, un dispositif de montage d'une cellule, cette dernière ayant des éléments- exposés en plomb très proches qui forment une surface soudable, un moule analogue à un lingot délimité de préférence en partie par deux -måchoires mobiles disposées en regard, un chalumeau de soudage mobile par rapport à la surface soudable, un dispositif destiné à créer un arc de soudage à l'aide d'une électrode non consom mable sous gaz inerte, et un dispositif destiné à faire osciller le chalumeau au-dessus de la surface soudable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en plan des parties essentielles de l'apIarei' destiné à la mise en oeuvre du procédé de l'invention la figure 2 est une élévation frontale de l'appareil de la figure 1 et elle représente le dispositif de mise en position de bornes en plomb en position en retrait ; et la figure 3 est une vue agrandie du moule analogue à un lingot et de la surface soudable. les figures représentent une table 10 de soudage qui comprend une partie fixe principale 12 et une partie arrière 14 mobile par rapport à la partie 12 le long de guides 16 comme indiqué; Une tête 18 de soudage à chalumeau peut pivoter et osciller (dispositif non représenté) sur un chariot arrière 14. La tete 18 est un ensemble classique de soudage à l'arc sous gaz inerte, comprenant une électrode non consommable disposée axialement dans la tete 20, l'électrode étant de préférence en tungstène ou enXalliage de ce métal. le gaz protecteur, par exemple de l'argon ou de l'hélium, passe par la canalisation 22 et il est souffle par un orifice annulaire concentrique à l'électrode placé dans la tête 20 et chassé de manière qu'il forme une atmosphère protectrice non oxydante de gaz inerte qui protège la surface soudable des contaminations et de l'oxydation locales. Des petits pourcentages d'hydrogène ou d'un autre gaz réducteur peuvent etre mélangés au gaz protecteur primaire. La table 12 comprend une fente 22 destinée à loger l'élément qui subit le soudage, cette fente ayant des guides parallèles juxtaposés 24 destinés au logement du dispositif 26 de montage qui peut ainsi coulisser. Ce dispositif porte un sous ensemble-28 de cellule électrochimique. La cellule représentée comprend des plaques de plomb négative et positive, enroulées en spirale, et une matière intermédiaire poreuse et absorbante formant un séparateur. Evidemment, divers autres types et autres configurations de cellule par exemple à couches parallèles, conviennent au soudage par l'appareil de l'invention. les plaques d'électrode de la cellule du sous-ensemble 28 sont par exemple formées d'un métal déployé, d'une feuille de plomb ou d'une autre grille convenable sur laquelle est fixée une couche uniforme de pâte au plomb éleotrochimiquement active. Il est commode que la grille qui forme le substrat comporte plusieurs pattes eollectrices solidaires 30. Comme représenté, chaque plaque comprend plusieurs (quatre dans le cas représenté) pattes collectrices qui dépassent d'un côté d'une extrémité de la cellule, très près l'une de l'autre. De l'autre coté de la cellule sont aussi représentées quatre pattes collectrices 30' correspondant à la plaque de polarité opposée et représentées déjà soudées sur la borne 32 selon l'invention. Il faut noter que, avant soudage, les pattes 30 sont placées très près de la borne 32, par exemple par sertissage. D'autres opérations préalables au soudage, par exemple de nettoyage et de traitement chimique, peuvent être utilisées. le sous-ensemble terminé 28 ayant des pattes soudées aux bornes peut etre avantageusement enveloppé dans un revêtement et un couvercle de matière plastique, les connexions étant faites entre les montants et les bornes positive et négative de l'accumulateur à travers le#couvercle de matière plastique, comme décrit dans le brevet français n0 71 35 956. Avant soudage, la borne 32 est disposée à l'aide du dispositif 34 de mise en place de bornes qui a un bras pivotant 36, une partie 38 dégagée destinée à loger la borne et un capuchon d'aspiration relié à une canalisation 40 de vide et destiné à retenir la borne 72.'La figure 2 représente le dispositif 34 et la borne 32 en position préparée alors que la figure 2 les représente en place avant le soudage. lorsque la borne 32 a été mise en position, le dispositif 34 est retiré vers sa position extrême droite représentée sur la figure 2, mais sans borne 32. Dans cette-position, le bras 36 coopère avantageusement avec un microcontact de sécurité par l'intermédiaire d'un ressort 42, si bien que le chalumeau 18 ne peut pas fonctionner avant que le commutateur n'ait été fermé, si bien que le chalumeau ne peut pas heurter le dispositif de mise en position pendant une passe -de soudage. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, deux machoires mobiles 44 et 46 disposées en regard et représentées dans leur position de préparation sur la figure 1, sont fermées au cours du fonctionnement autour des pattes 30 et du montant 32 placé entre elles, avant retrait du dispositif 34. Un moule en forme de lingot est donc formé comme représenté sur la figure 3. La coopération des mâchoires 44 et 46 peut être commandée de toute manière commode, par exemple hydrauliquement ou pueumatiquement. Lorsque les mâehoires sont rapprochées l'une de l'autre, chaque paire de pattes collectrices, surmontant une borne 32, est tirée vers l'intérieur et très près du montant 32 (de préférence en contact intime) de manière qu'elles forment avec la partie avant 48 du montant 42 une l'surface soudable". Il faut noter que les embouchures 50 et 52 des mâchoires forment des saillies ou parois verticales qui forment une limite autour d'une partie importante de la surface soudable. les parois du moule-sont de plus délimitées par la partie médiane 54 du montant 32 qui est disposé au-dessus d'une partie, si non de la totalité, de l'espace restant entre les parties SQ et 52 du moule. Bes mâchoires 40 et 46 sont en une matière qui a une bonne conductivité, un point de ramollissement bien supérieur à celui du plomb, une bonne conductibilité thermique (de préférence au moins égale à 0,12 cal/cm .cm.0C.s) et qui est suffisamment réfractaire pour#qu'elle puisse résister à ltérosion provoquée par l'arc de soudage qui se déplace ensuite devant les mâchoires lors du soudage. Il est aussi important que les mâchoires aient une faible vitesse de fluage à la température de soudage de l'arc.Actuellement, les mâchoires 44 et 46 sont avantageusement en tungstène pratiquement pur ou en alliage de tungstène (par exemple avec 2 % de thorium) car ces matières satisfont aux critères précités, mais il faut noter que d'autres matières telles que le titane, le tantale, le carbone, l'acier ou le cuivre donnent en général satisfaction à- cet effet. le cuivre refroidi intérieurement par de l'eau qui circule donne satisfaction, ainsi que le cuivre ou une autre matière portant une couche superficielle de tungstène. l'une des mâchoires ou les deux peuvent convenir comme seconde électrode lors du soudage, c'est-à-dire comme électrode positive ou négative. lors de la mise en oeuvre de l'invention, le dispositif 26 de montage est placé dans la table 12 sur les guides 24 et la borne 32 est disposée entre un jeu de pattes 30 qui peuvent être serties séparément de manière qu'elles aient un contact amélioré comme représenté sur la figure 2. les mâchoires 44 et 46 sont alors commandées de manière qu'elles forment le moule analogue à un lingot et soient en contact intime de la partie marginale de la surface de soudage comme représenté sur la figure 3 le dispositif 34 est alors retiré. A ce moment, l'arc de soudage est allumé, de préférence avec un générateur de soudage et un panneau de commande, disponibles dans le commerce. On constate qu'il est très avantageux selon l'invention de réaliser la mise en route à chaud, sans contact avec la surface de soudage. Comme représenté sur la figure 1, la tête 20 est de préférence mise en fonctionnement avec une intensité relativement élevée, par exemple de 50 ampères, lorsqu'elle se trouve à une certaine distance-de la surface soudable. le chalumeau 18 est aussi déplacé de manière oscillante de sorte que la tête 20 oscille avec une amplitude A dans un plan qui est de préférence normal à une horizontale.Pour le soudage, le courant du panneau de commande est réglé à l'intensité voulue qui est bien inférieure à l'intensité de mise en route à chaud, par exemple à 15 ampères, et le chariot 14 se déplace vers la table 12 et commande ainsi le déplacement oscillant au-dessus de la surface soudable comme schématiquement représenté par la courbe P. Il faut noter en ce qui concerne l'intensité de soudage et la hauteur de l'électrode de soudage au-dessus de la surface soudable, que la vitesse linéaire du chariot 14, la vitesse d'oscillation de la tête 20 et l'amplitude d'oscillation sont choisies de manière que la chaleur répartie sur la surface soudable soit suffisante-pour que les éléments en plomb s'écoulent- librement dans au moins une partie importante du moule analogue à un lingot. Des vitesses d'oscillation avantageusement comprises entre 60 et 2400 environ et de préférence entre 400 et 1200 coups par minute donnent de bons résultats. l'amplitude de l'oscillation est en général variable, bien qu'il soit avantageux qu'elle#corresponde au moins à une longueur qui permet le recouvrement de la largeur approximative de la surface soudable. Un cordon large, lisse et relativement épais de soudure se forme ainsi et il est apparamment dépourvu de pores. Bien qu'on ait représenté un trajet P#de soudage de forme sensiblement sinusoïdale, d'autres trajets d'oscillation, par exemple triangulaire, donnent satisfaction. On peut utiliser divers dispositifs pour la commande des oscillations, par exemple un dispositif de commande à tête fixe, comprenant un champ magnétique variable qui provoque l'oscillation voulue de l'arc. Dans tous les cas, la vitesse totale de soudage doit être au moins égale à une valeur qui évite la combustion des éléments en plomb. La référence 56 désigne un cordon terminé de soudure. Alors que certains procédés connus de soudage à l'arc mettent en oeuvré un procédé analogue à un puddlage, on obtient des avantages notables par mise en oeuvre du procédé de l'invention, grâce au double role joué par les mâchoires 44 et 46. Plus pré cisément, les parois des mâchoires 44 et 46 maintiennent matériellement la soudure et lui doe#entla configuration d'un cordon, et de plus elles constituent essentiellement un radiateur ayant une très bonne conductibilité thermique, permettant l'absorption d'une quantité réglée de chaleur. les parois provoquent un refroidissement rapide des bords antérieurs ou des prolongements périphériques du plomb qui s'écoule, le refroidissement progressant vers l'intérieur, au centre de la surface soudable.De cette manière, un cordon analogue à un lingot et relativement épais peut se former avec un appareillage et un travail minimaux. Il faut noter sur la figure 3 que, lorsque la tête de soudage se déplace au-dessus de la surface soudable, la partie de cette dernière qui n'a pas été chauffée notablement par l'arc au tungstène reste non fondue et a tendance à former une paroi ou protection pour le moule analogue à un lingot. Pour cette raison il est avantageux que le trajet de l'arc aboutisse à peu près à l'extrémité longitudinale E des pattes collectrices et empêche la fusion de#la partie médiane 54 de la borne de plomb qui forme ainsi l'une des parois du moule. Lorsque le cordon de soudure a été fait, il n'est pas nécessaire qu'une opération de martelage ou autre assure le retrait du laitier, car aucune tige de charge ou de fondant n'a été utilisée, qui aurait permis la formation-de laitiers Lorsque la première soudure a été naite, le dispositif 26 peut être retiré de la table de soudage et tourné de 100, puis remis en place dans la table en prévision d'une autre soudure. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Par exemple, alors qu'on a décrit l'appareil de soudage avec un chalumeau 18 à électrode mobile et une table fixe 12 de soudage, la disposition peut être inverse, dans la mesure où le déplacement oscillant nécessaire est maintenu. REVEEDICAtIONS 1. Procédé de soudage d'éléments en plomb d'une cellule électrochimique en contenant, sans utilisation d'un fondant, le procédé étant destiné à la formation d'une soudure résistant à la corrosion et étant caractérisé en ce qu'il comprend des surfaces destinées à maintenir les éléments en plomb qui doivent être soudés très mrès les uns des autres de manière qu'ils délimitent une surface soudable, la formation d'un moule analogue à un lingot entourant au moins de façon importante la surface soudable en formant à la périphérie de celle-ci des parois, ces parois étant en une matière qui a une température élevée de ramollissement, une bonne conductibilité thermique et un caractère réfractaire suffisant pour qu'elle résiste- à l'érosion due aux arcs au cours du soudage, le soudage à l'arc des éléments des plomb à l'aide d'une électrode non consommable sous atmosphère protectrice,-par circulation de l'électrode au-dessus de la surface soudable suivant un trajet oscillant, avec une intensité, une vitesse et une amplitude d'oscillation au cours du soudage qui sont telles que les éléments en plomb s'écoulent en formant un courant délimité par les parois du moule, puis la solidification rapide dudit courant liquide de plomb de la périphérie vers l'intérieur par transfert thermique par le#sdites parois du moule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode non consommable est essentiellement formée de tungstène ou d'un de ses alliages. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois du moule sont essentiellement en tungstène. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soudage à l'arc est réalisé en atmosphère pratiquement non oxydante. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse doscillation est comprise entre 60 et 2400 coups par minute environ. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soudage à l'arc est réalisé par la mise en route initiale de l'arc avec une intensité relativement élevée sans contact avec la surface soudable, puis abaissement du courant de soudage bien au-dessous de la valeur de mise en route, l'électrode passant alors au-dessus de la surface soudable avec une intensité réduite. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur inférieurede l'intensité est suffisante pour que les éléments en plomb fondent et pour qu'ils coulent facilement dans le moule, mais est insuffisante pour provoquer la combustion du plomb qui s'écoule. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface soudable est délimitée par un tronçon du trajet de soudage en direction longitudinale et par l'amplitude du trajet de soudage en direction transversale, correspondant pratiquement à la largeur de la surface soudable. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le trajet oscillant est pratiquement sinusoïdal. 10. Appareil destiné au soudage des éléments en plomb d'une batterie d'accumulateur, caractérisé en ce qu'il comprend une table de soudage comportant une fente, un dispositif de montage d'une cellule d'accumulateur, placé dans la fente, le dispositif de montage contenant une cellule d'accumulateur ayant des éléments exposés en plomb très proches les unsdes autres et formant une surface soudable, un moule analogue à un lingot, et entourant la surface soudable, un chalumeau de soudage mobile par rapport à la surface soudable, un dispositif destiné à former un arc de soudage avec une intensité réglée à l'aide d'une électrode non consommable sous atmosphère protectrice de gaz inerte, et un dispositif destiné à faire osciller le chalumeau transversalement à la surface soudable. 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moule comprend deux mâchoires mobiles disposées en regard et entourant la surface soudable. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que les mâchoires sont en tungstène. 13. ~ Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'électrode non consommable est essentiellement en tungstène. 14. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moule forme une borne d'une seconde électrode et l'électrode non consommable constitue-une borne d'électrode de soudage.