Brevet FR2388403A1 — publié le 19781117

Cette invention concerne des tubes à rayons x à anode tournante et en particulier la liaison du disque d'anode et de la tige d'anode. La structure d'anode d'un tube à rayons x à anode tournante comprend un disque d'anode constitué par une cible en alliage tungstène-rhénium, liée à un substrat en molybdène ou en alliage molybdène-tungstène. Le disque d'anode est lié à une tige qui est elle-même fixée au rotor d'un moteur à induction. La tige peut être en niobium. On peut, pour lier le substrat et la tige, utiliser un procédé qui comprend un formage à froid suivi d'un traitement thermique pour réaliser une liaison par diffusion entre les composants. Toutefois, pour réaliser une liaison par diffusion satisfaisante, il faut respecter pour la liaison des dimensions très précises et travailler dans d'excellentes conditions de propreté. I1 faut que les dimensions du diamètre extérieur de la tigre et du diamètre in térieur du trou amenagé dans le substrat soient très voisines. Dans l'idéal, on réalise un emmanchement avec interférence Pour obtenir une bonne liaison par diffusion. Cet emmanchement dépend du fini de surface et de la propreté de la surface. Si le contact intime initial entre la tige et le substrat du disque n'est pas suffisant, il peut en résulter une liaison par diffusion médiocre ou incomplète. Une liaison incomplète entre la tige et le disque constitue un défaut de structure. Ce défaut, sous l'influence des contraintes de rotation, et de manière plus importante, des contraintes dues aux cycles thermiques, peut être à l'origine d'une rupture irrémédiable du disque d'anode. Conformément à la présente invention, on a réalisé une nouvelle structure d'anode perfectionnée destinée à un tube à rayons x à anode tournante. La structure d'anode comprend une tige soudée par friction à un disque..Le disque comprend un substrat qui présente une partie centrale et une partie extérieure d'un seul - bloc. Les deux surfaces principales opposées du substrat sont les surfaces intérieure et extérieure du substrat, qui est de préférence, en forme de soucoupe. La surface intérieure de la partie centrale comporte un bossage saillant d'un seul bloc. L'axe longitudinal du bossage colncide avec l'axe vertical du substrat. L'axe longitudinal de la tige coincide avec l'axe vertical du substrat. Le joint soudé est forme sur les surfaces de contact d'une extrémité de la tige et sur la surface apparente du bossage. Une cible est fixée à une surface extérieure prédéterminée de la partie extérieure du substrat. Le substrat est de préférence cons titube par du molybdène. La tige peut être constituee-par du niobium ou par un alliage de niobium, par exemple le Nb 291, le Nb 103, et le Nb 1Zr. Conformément à la présente invention, on a également mis au point un nouveau procédé amélioré pour lier la tige et le substrat du disque dans une structure d'anode destinée à un tube à rayons x à anode tournante. On place la tige et le substrat dans un appareil de soudage parfrictionde façon à ce que les surfaces que l'on veut souder, soient en contact. On préchauffe le substrat jusqu a une température élevée par application d'un premier moment d'inertie de volant prédéterminé, d'une premiere force ou pression axiale prédéterminée, et d'une première vitesse de rotation prédé- terminée aux composants respectifs. Fondamentalement, on préchauffe le substrat. par friction. On lie ensuite les composants au moyen d'un joint soudé, formé par soudage par friction.On effectue le soudage parftQletidn-par application d'un second moment d'inertie de volant prédéterminé, d'une seconde force ou pression axiale prédéterminée et d'une seconde vitesse de rotation prédéterminée. Les premier et second moments d'inertie de volant sont les mêmes, la première force axiale est inférieure à la seconde force ou pression axiale, et la première vitesse de rotation est supérieure à la seconde vitesse de rotation. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue de côté en coupe, d'un disque d'une structure d'anode Figure 2, une vue de côté, en coupe d'une tige d'une structure d'anode ; et Figure 3, une vue de côté, en coupe, d'une structure dla- node selon l'invention. Si on se réfère à la Figure 1, elle représente un disque 10 que l'on peut utiliser dans des tubes à rayons X à anode tournante. Le disque 10 comprend un substrat 12, en forme de soucoupe, comportant une partie centrale 14 et une partie extérieure 16, d'un seul tenant. La partie centrale 14 présente des surfaces intérieure et extérieure 18 et 20, respectivement. La partie extérieure d'un seul tenant 16 présente des surfaces interieure et extérieure 22 et 24, respectivement. Au centre de la surface intérieure 18, se trouve un bossage 26 solidaire de la partie centrale 14. L'axe central du bossage coïncide avec l'axe central du disque 10. Le bossage 26 présente encore une surface apparente 27 qui correspond à une section droite.Le substrat 12 peut être constitué par du molybdène, par un alliage de molybdène comme Mo-5 , ou par un autre matériau approprié capable de supporter des températures de fonctionnement de 1 0000C à 1 3500C, des cycles de chauffage rapide de la température ambiante à la température de fonctionnement, et de retour à la température ambiante, et un minimum de 10 000 cycles de fonctionnement. Le substrat de molybdène peut être constitué par un matériau forgé et recristallisé ou par un matériau pressé, fritté et forgé. Une couche de métal 28, pouvant servir de cible-anode est placée sur la surface extérieure 24 de la partie extérieure 16 du disque 10, et liée à cette surface. Cette couche de métal peut être constituée par du tungstène ou par un alliage de tungstène. Un alliage de tungstène approprié sera constitué par du tungstène allié avec de 3 à 10 % en poids de rhénium. Si on se réfère maintenant à la Figure 2, elle représente une tige 30, fabriquée dans un métal approprié comme, par exemple, le niobium. Les alliages de niobium, comme, par exemple, le Nb 291, le Nb 103 et le Nb-l-Zr constituent d'autres matériaux appropriés. La tige 30 peut présenter une surface latérale intérieure 32 qui délimite une cavité intérieure qui diminue la conductivité thermique de la tige. L'axe longitudinal de la cavité colncide avec l'axe longitudinal de la tige 30. La tige 30 comprend une extrémité pleine 34 d'un seul tenant. L'extrémité 34 comporte une surface apparente 36. Si on se réfère à la Figure 3, on lie la tige 30.au disque 10 par un procédé de soudage par friction.Le procédé de soudage par friction lie les deux composants par leurs surfaces apparentes respectives 36 et 27. Le procédé de soudage par friction classique comprend l'application de pression en une étape. Puisque le molybdène et ses alliages, qui constituent le disque 10 ont une tem pérature de transition de mode de rupture ductile-fragile relativement élevée, il est donc nécessaire depréchauffer le disque 10 jusqu'à une température comprise entre environ 2000C et environ 4000C avant d'appliquer la pression pour réaliser le soudage. La pression axiale nécessaire pour un bon soudage par friction des composants est comprise entre environ 2 460,5 kg/cm2 et environ 2 3 515 kg/cm .Le moment d'inertie pour la tige 30 est compris entre 0,378 kg.m2 et 0,798 kg.m2. La vitesse de rotation de la tige 30 est comprise entre 1 400 et 2 800 tours par minute. Le renflement total est d'environ 10,16 mm et la perte de métal ou le raccourcissement total de la tige 30 est de 5,08 mm I 2,54 mm. Si on effectue un soudage par friction en utilisant les pa ramètres ci-dessus, on réalise un excellent joint soudé 40. L'examen de la zone du joint soudé 40 montre que le matériau a, dans cette zone, une structure a grains fins. Le joint soudé est pratiquement dépourvu de vides et de contraintes internes que l'on rencontre habituellement dans les structures de l'art antérieur, réalisés à l'aide d'autres techniques de fabrication. On peut aussi utiliser un procédé de soudage par friction en deux étapes. Si on utilise le procédé en deux étapes, il n'est pas nécessaire de préchauffer séparément le disque 10. Dans la pre mière étape, on utilise une vitesse élevée de broche pour la rotation de la tige 30 et on utilise une force ou pression axiale faible pour chauffer le disque 10 par friction. Dans la secondé étape, on utilise une vitesse de broche plus faible pour la rotation de la tige et une force ou pression axiale plus élevée pour lier la tige 30 et le disque 10 par soudage par friction. Le joint soudé 40 qui en résulte présente d'excellentes propriétés physiques. Le renflement total est d'environ 10.16 inm, la perte de métal de la tige 30 est de 5,08mm + 2,54 mm. Le tableau suivant résume les conditions du procédé de soudage parfriction en deux étapes. TABLEAU Paramètres Minimum Maximum Recommandé Moment d'inertie du volant (kg.m2) 0,378 0,798 0,378 TABLEAU (suite) Paramètres Minimum Maximum Recommandé Première force axiale (kg) 1 406 2 041 i 588 Première vitesse de rotation 4 000 4 800 4 5GO (tours/minute) Seconde force axiale (kg) 4 989 6 010 5 670 Seconde vitesse de rotation 250 500 400 (tours/minute) Renflement (mm) 5,08 15,24 10,16 On a obtenu d'excellents joints soudés en utilisant les pa ramettes ci-dessus, lorsque les surfaces apparentes 27 et 36 étaient de l'ordre de 285 mm2 (19,05 mm de diamètre). L'énergie du soudage, durant le cycle de chauffage par friction, pour le disque 10 est de l'ordre de 1 391 kgm/cm2. On a démontré l'efficacité du nouveau procédé de soudage de cette invention par des expériences au cours desquelles on soumettait volontairement les échantillons soudés à une rupture par traction. Dans tous les cas, la rupture se produisait entièrement dans la partie en molybdène ou dans la partie en alliage de niobium de l'échantillon, bien loin de l'interface du joint. REVENDICATIONS 1. Structure d'anode destinée à un tube à rayons x à anode tournante, caractérisée en ce qu'elle comprend un disque et une tige le disque comprenant un substrat et une cible à rayons X le substrat présentant un axe vertical et deux surfaces principales opposées, qui sont respectivement ses surfaces intérieure et extérieure, et comprenant une partie centrale,et une partie extérieure, d'un seul tenant, l'axe vertical passant au centre de la partie centrale un bossage se trouvant sur la surface intérieure de la partie centrale du substrat et d'un seul tenant avec elle, et présentant une surface approximativement parallèle à la surface intérieure du substrat, et un axe longitudinal qui coïncide avec l'axe vertical du substrat la cible étant fixée à-une partie prédéterminée de la surface extérieure de la partie extérieure d'un seul tenant du substrat la tige présentant un axe longitudinal et une surface à une extrémité ; et un joint soudé liant la tige et le bossage d'un seul bloc du disque au niveau des surfaces de contact du bossage et de la tige, l'axe longitudinal de la tige coincidant avec l'axe vertical du substrat et avec l'axe longitudinal du bossage. 2. Structure d'anode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat est en forme de soucoupe, et en ce que la surface intérieure inclue le bossage en un seul bloc. 3. Structure d'anode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le matériau constituant le substrat est le molybdène ou un alliage à base de molybdène, le niobium 291, le niobium 103 ou le niobium 1 zirconium. 4. Structure'd'anode selon la revendication 3 caractérisée en ce que le matériau constituant le substrat est du molybdène pressé et fritté. 5. Structure d'anode selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le matériau constituant le substrat est du molybdène pressé, fritté puis forgé. 6. Procédé de fabrication d'une structure d'anode destinée à un tube à rayons x à anode tournante, comportant un disque et une tige, le disque comprenant une cible de rayons x fixée à une partie choisie de la surface d'un substrat, procédé caractérisé en ce qu'il comprend (a) la mise en place du disque et de la tige que l'on veut lier dans un appareil de soudage par friction de façon à ce que leurs surfaces respectives, que l'on veut souder, soient en contact (b) l'application au disque et à la tige'en place, d'un premier moment d'inertie de volant prédéterminé d'une première force ou pression axiale prédéterminée, d'une première vitesse de rotation prédéterminée pour que les surfaces en contact subissent un frottement (c) le chauffage du substrat du disque au moins jusqu'à une température élevée prédéterminée grâce à l'énergie de friction libérée par le frottement des surfaces de contact ; (d) la liaison de la tige et du disque par un joint soudé formé à l'interface des surfaces en contact par soudage par inertie, en soumettant le disque et la tige en place à un second moment d'inertie de volantprédéterminé, une seconde force ou pression axiale prédéterminée et une seconde vitesse de rotation prédéterminée. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce-que le premier et le second moment d'inertie de volant sont les mêmes, la première force ou pression axiale est inférieure à la seconde force ou pression axiale, et la première vitesse de rotation est supérieure à la seconde vitesse de rotation. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que le matériau constituant le substrat est le molybdène ou un alliage à base de molybdène et le matériau constituantla tige est le niobium, le niobium 291, le niobium 103 ou le niobium 1 Zr. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le premier et le second moments d'inertie de volant sont compris entre environ 0,378 kgim2 et environ 0,798 kg.m2, la première pression axiale est comprise entre environ 2 562,4 et environ 703 kg/cm la seconde pression axiale est comprise entre environ 1 406 2 et environ 2 460,5 kg/cm la première vitesse de rotation est comprise entre environ 2 700 tours par minute et environ 3 500 tours par minute, la seconde vitesse de rotation est comprise entre environ 250 tours par minute et environ 600 tours par minute. 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que le'premier et le second moments d'inertie de volant sont d'environ 0,798 kgrm2 2 la première pression axiale est d'environ 632,7 kg/cm 2 la seconde pression axiale est d'environ 1 813,7 kg/cm la première vitesse de rotation est d'environ 3 000 tours par minute, et la seconde vitesse de rotation est d'environ 400 tours par minute. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le matériau de molybdène est pressé et fritté. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le matériau de molybdène est pressé, fritté et forgé sous une forme prédéterminée. 13. Procédé de fabrication d'une structure d'anode, destinée à un tube à rayons x à anode tournante, et comportant une tige à un disque qui comprend une cible à rayons x fixée à une partie choisie de la surface d'un substrat, procédé caractérisé en ce qu'il comprend : (a) le préchauffage d'un disque jusqu'à une température prédéterminée ;; (b) la mise en place du disque et de la tige préchauffée que l'on veut lier dans un appareil de soudage parfltiction, de façon à ce que leurs surfaces respectives, que l'on veut souder, soient en contact (c) l'application au disque et à la tige en place, d'un moment d'inertie de volant prédéterminé, d'une pression axiale et d'une vitesse de rotation prédéterminée, et (d) la liaison de la tige et du disque par un joint soudé formé à l'interface des surfaces en contact en résultat de l'application de la pression axiale au disque et à la tige. 14. Procédé selon la revendication 13 caractérisé en ce que la température élevee est comprise entre environ 2000C et environ 4000C, le moment d'inertie est compris entre environ 0,378 kg-m2 et 0,798 kgtm2, la pression axiale est comprise entre environ 2 460,5 et 3 515 kg/cm2, et la vitesse de rotation est comprise entre environ 1 400 tours par minute et environ 2 800 tours par minute. 15. Procédé selon les revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que le matériau constituant le substrat est le molybdène ou un alliage à base de molybdène et le matériau constituant la tige est le niobium, le niobium 291, le niobium 103, ou le niobium 1 Zr. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le matériau de molybdène est pressé et fritté. 17. Procédé selon les revendications 15 ou 16 caractérisé en ce que le matériau de molybdène est pressé, fritté et forgé sous une forme prédéterminée.