Brevet FR2409113A1 — publié le 19790615

La présente invention concerne un procédé de soudage de métaux par apport de métal fondu, notamment destiné au soudage des métaux légers tels que l'aluminium et ses alliages. L'invention concerne aussi un appareil comprenant des buses et destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans certaines industries, notamment dans les fonderies électrolytiques d'aluminium, le soudage en série de pièces de dimension relativement grande est un facteur important du prix. Le raccordement des barres omnibus, des câbles et des conducteurs électriques souples de grande section, destinés a transmettre des courants élevés qui sont utilisés au cours de la fusion électrolytique, est particu lièrement intéressant a cet égard. Un procédé connu et couramment utilisé pour le soudage par apport de métal fondu est le procédé à circulation de métal fondu selon lequel ce dernier qui est utilisé pour le soudage, circule dans le moule de coulée suffisamment longtemps pour que la ou les pièces subissent la fusion voulue. Ce procédé nécessite une quantité de métal bien supérieure a celle qui est nécessaire a la soudure réelle. Pour cette raison, ce procédé est de mise en oeuvre laborieuse et en outre il est coûteux compte tenu du volume important de métal qui doit etre fondu et traité, et notamment compte tenu de son transport avant et après la réalisation de la soudure. Malgré tout, le soudage par apport de métal fondu par mise en oeuvre de ce procédé a circulation a été très utilisé dans les applications considérées dans le présent mémoire. Un second procédé bien connu qu'on doit citer est le soudage par aluminothermie. Il s'agit d'un procédé de soudage exothermique qui repose sur le fait que le métal est fondu par une réaction qui dégage de la chaleur par in flammation d'un mélange particulier de poudre de soudage. Une matiére fondue très surchauffée se forme et est introduite dans le moule de coulée qui est habituellement forme de graphite et qui entoure les extrémités des pièces qui doivent titre raccordées. Ce procédé est par exemple utilisé pour le raccordement des rails de chemin de fer, mais il est très coflteux compte tenu du mélange spécial de poudres qui est utilisé. Les inconvénients des procédés précités ainsi que d'autres utilisés pour le soudage par apport de métal fondu sont supprimés selon l'invention car le métal, lorsqu'il est introduit dans le moule de coulée, forme un ou plusieurs jets de métal dibgés dans la mesure du possible perpendiculairement aux surfaces des pièces qui doivent être fondues et concentrés sur ces surfaces, et le volume du moule de cou lée et la disposition des pièces sont tels que la fusion voulue de la ou des pièces est obtenue avec la quantité de métal qui, au cours des opérations, s'accumule dans le moule et le remplit. Le procédé selon l'invention rend possible le soudage par apport de métal fondu sans utilisation d'un très grand excès de métal fondu, car la quantité de métal nécessaire a la formation du produit terminé suffit en fait a la fusion nécessaire de la pièce ou des pièces. Des essais pratiques montrent que l'opération peut entre réalisée sans surchauffe très élevée du métal fondu comme dans le cas par exemple du procédé de soudage par aluminothermie. Selon le procédé de l'invention, un chauffage local par choc de la pièce est obtenu par projection d'un jet de métal rectiligne présentant une surchauffe convenable, sur les surfaces convenables et de préférence préalablement nettoyées de la pièce afin que, en un temps très court, il apparaisse une fusion locale a l'endroit où le jet métallique frappe la pièce. Comme indiqué précédemment, presque tout le métal fondu projeté est utilisé et il peut prendre dans le moule une forme correspondant par exemple a des raccords de connexion, ou il peut être uilisê pour le remplissage du cordon ou de l'espace compris entre les extrémités de deux rails ou de plaques a raccorder. Un dispositif utilisable en pratique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend un arrangement de buses qui, selon l'invention, comprend un entonnoir de remplissage laissant de la place pour une partie au moins du volume total du métal qui doit être introduit dans le moule de coulée, et un ou plusieurs tubes de descente partant du fond de l'entonnoir de remplissage et comprenant chacun une ou plusieurs buses dirigeant un jet de métal contre la ou les pièces, les tubes de descente et l'entonnoir ayant des dimensions telles que le métal a l'énergie cinétique convenable lors de l'introduction dans le moule de coulée, le ou les tubes de descente et la ou les buses étant formés de matièroequi permettent leur enfoncement dans le métal qui s'accumule dans le moule au cours de l'opération. Le procédé repose essentiellement sur l'immersion partielle d'un arrangement de buses dans le métal fondu présent dans le moule de coulée, et cette idée semble parfaitement étrangère aux hommes du métier, versés dans la technologie du moulage ~ il s'agit cependant d'une caractéristique surprenante etavantageuse pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Par rapport au procédé a circulation de métal fondu, l'invention représente une simplification et des économies car la circulation continue du métal fondu est supprimée. On obtient aussi des avantages correspondants car le préchauffage de la matière de base de la pièce ou des pièces peut être éliminé. Enfin, il est avantageux que la surchauffe du métal fondu corresponde à celle qui existe déjà en pratique dans les ateliers de fonderie et de moulage, notamment de moulage d'aluminium t700 a 9000C). La surchauffe, dans le cas de l'aluminium,estainsi de l'ordre de 50 à 200oc, au-dessus de la température de fusion. Les surchauffes trop importantes sont cependant indesirablescar leur rle est simplement la fusion du métal de la pièce juste derrière le film d'oxyde qui flotte alors a la surface du métal fondu. Ce fait rend superflu le nettoyage des rails et barres omnibus d'aluminium avant le soudage, cette caractéristique étant surprenante et réduisant les dépenses. Ainsi, lors de la mise en oeuvre du procédé, il suffit que le traitement des surfaces à souder corresponde au retrait des graisses par un solvant convenable, la température du métal fondu utilisé pouvant rester très faible, surtout lorsqu'un certain préchauffage de la surface a souder sur la pièce est assuré. Dans ce cas, le paramètre important est la combinaison ou l'addition de la température du métal fondu et de la température de préchauffage de la surface a souder, et la somme de ces températres ne doit pas être inférieure a 9500C pour l'aluminium pur. Le procédé de soudage par apport de métal fondu, seion l'invention, provoque la formation d'une zone caractéristique de transition entre la matière de la pièce et le métal du raccord coulé. Il s'agit cependant d'une caractéristique tout a fait différente de celle qui existe lors de l'utilisation des procédés connus de soudage. L'utilisation d'un arrangement de buses avec un entonnoir de remplissage et des tubes allongés de descente rend possible la résolution d'un nombre accru de problèmes aigus de soudage par apport de métal fondu, dans lesquels l'utilisation la meilleure de l'énergie calorifique de la quantité de métal disponible est nécessaire. L'optimisation du procédé rend possible la détermination de conditions qui réduisent le degré de surchauffe du métal fondu. En général, la meilleure utilisation possible du métal fondu correspond au fait que la chaleur transmise aux parties de la pièce ou des pièces qui ne sont pas fondues reste faible. Des paramètres importants à cet égard sont les suivants. 1. La fusion doit être rapide afin que la dissipation calorifique soit faible. L'obtention finale de la plus faible surchauffe possible du métal fondu dans le moule, cette surchauffe devantêtre réduite par chauffage du moule lui-même et par# dissipation normale dans l'atmosphère environnante, nécessite la satisfaction des critères suivants: 2. Le métal chaud est dirigé vers la ou les surfaces de la pièce ou des pièces qui doivent être fondues, et 3. Le coefficient de transmission de chaleur doit être aussi élevé que possible. Ce phénomène indique que la vitesse relative du courant de maal fondu et de la pièce doit être élevée. Le coefficient de transmission de chaleur par unité de surface est alors élevé. La fusion de la plus grande quantité possible de matière dans les zones superficielles voulues nécessite la satisfaction du critère suivant : 4. L'effet important obtenu suivant le point 3 précédent doit durer aussi longtemps que possible. Les facteurs correspondant aux points I et 4 précédents peuvent sembler contradictoires, mais en pratique, il est possible que le temps soit réduit a une valeur suffisamment faible par prise de mesures destinees à élever le coefficient de transmission de chaleur indiqué dans le point 3 a la valeur la plus élevée possible. L'avantage obtenu suivant le point 1 a un effet qui diminue. En termes plus simples et plus courants, on peut considérer que, lorsque la fusion le long de la pièce a une vitesse suprieure à la vitesse de parcours de la chaleur, les pertespar conduction de chaleur n'ont plus d'importance. Le ou les jets de métal projetés, comme indiqué au point 2 sont formés par utilisation de l'arrangement indiqué de buses. Le point 3 est aussi étroitement lié à l'utilisation de l'arrangement précité de buses. On obtient un coefficient élevé de transmission de chaleur par disposition de petits orifices de buses près de la surface qui doit être chauffée et fondue. Le recouvrement de la totalité de la surface correspondante de la pièce nécessite la mise en place de plusieurs buses ou la ou les buses peuvent se déplacer lors du procédé de coulée. Lorsque les orifices des buses sont petits, il est particulièrement important que le métal fondu ait une pression suffisante. Celle-ci est obtenue par remplissage de l'entonnoir rapidement avec du métal fondu qui forme une pression hydrostatique importante entre la surface du métal fondu dans l'entonnoir et les orifices des buses ou la surface du métal dans le moule lorsque celui-ci se remplit. L'entonnoir de remplissage et le tube de descente doivent donc permettre l'établissement de la pression nécessaire. Dans tous les cas en pratique, lors de la mise en oeuvre du procédé de l'invention, il faut que l'arrangement de buses soit préchauffé afin que le métal ne se solidifie pas a l'intérieur et ne présente pas des pertes indésirables de chaleur. Plus précisément, il est très important en pratique que les jets de métal soient dirigés contre la pièce perpendiculairement avec une bonne force de choc, c'est-à-dire a une pression suffisante dans ltentonnoir de remplissage, les orifices des buses étant aussi proches de la pièce que possible, c'est-#-dire a moins de 50 mmdans le cas de l'aluminium. Dans la description qui précède, on indique l'importance d'un temps de remplissage qui ntest pas trop court. Plus précisément, c'estla quantité de métal ajoutée par unité de temps qui est primordiale. C'est cette entrée de métal qui assure la transmission de la chaleur nécessaire a la fusion et qui doit correspondre à la quantité convenable comme indiqué précédemment. Alors que l'arragement de buses nécessite habituellement un préchauffage, les pièces et le moule ne sont pas obligatoirement préchauffés. Ces éléments nécessitent normalement un chauffage suffisant simplement à l'expulsion de l'humidité qui peut être présente. 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 coupe verticale d'un arrangement de soudage par apport de métal fondu d'une pièce de contact sur des conducteurs électriques souples ; - la figure 2 est une élévation latérale de l'arrangement de la figure 1 ; - la figure 3 représente un arrangement de buses destiné au raccordement de rails ou de plaques ; et - la figure 4 représente l'arrangement de la figure 3 en position entre les extrémités de deux rails ou plaques, avant le début de l'opération de soudage par rapport de métal fondu. Les figures 1 et 2 représentent un moule 1 par le fond 6 duquel un groupe ou paquet 2 de conducteurs électriques souples, par exemple d'aluminium, a pénétr#. Le moule 1 a des parois verticales 4 et des châssis 5 d'armature. Dans ce moule 1, un arrangement 3 de buses comprenant un entonnoir 12 de remplissage à la partie inférieure 13 duquel sont disposés des tubes 7 de descente dont la longueur est telle que les buses 9 placées aux extrémités inférieures des tubes se trouvent juste en face de la face supérieure 8 des conducteurs souples 2 et alune faible distance, est introduit et il est guidé dans le moule 1 par un guide Il formé de plaques soudées qui coopèrent avec l'intérieur et la partie supérieure des parois 4 du moule.L'arrangement de buses peut comprendre des dispositifsdesoulèvement et de manipulation, par exemple par une grue ou a la main. Les conducteurs souples 2 doivent dépasser suffisamment au-dessus du fond 6 du moule 1 pour que la fusion nécessaire à l'opération de soudage puisse avoir lieu. On note sur les figures 1 et 2 que les jets métalliques provenant des buses 9 frappent la surface 8 #erpendiculairement et donnent ainsi la meilleure transmission possible de chaleur a la surface. Le procédé normal de soudage par apport de métal fondu parmise en oeuvre de l'arrangement des figures 1 et 2 est le suivant. Les conducteurs 2 sont nettoyés et placés dans le moule 1. 'arrangement 3 est préchauffé dans un petit four convenant a cet effet. Le moule 1 ayant les conducteurs souples 2 est chauffé afin que l'humidité qui peut être présente soit chassée. Lorsque l'arrangement 3 a atteint une température suffisamment élevée au cours du préchauffage, on le place dans le moule 1 comme indiqué sur les figures 1 et 2. Ensuite, le métal fondu qui a été surchauffé a une température convenable, est coulé rapidement dans l'entonnoir 12 et une quantité supplémentaire est versée afin que la surface du métal reste a une hauteur convenable dans l'entonnoir, donnant la pression nécessaire a la formation des jets de métal des buses 9 avec une intensité qui suffit a la fusion de la surface 8 au degré nécessaire. Au cours de cette opération, le métal monte dans le moule 1 si bien que les tubes 7 de descente sont partiellementimmergés dans le métal qui s'accumule. Lorsque la entité nécessaire de métal a été coulée, l'arrangement 3 est soulevé hors du moule 1. Le métal peut alors se solidifier dans le moule et la pièce est retirée et, dans ce cas, usinez l'usinage comprenant la découpe des parties creuses de l'extrémité supérieure. il est clair que le procédé décrit précédemment peut être modifié, l'arrangement 3 de buses pouvant être partielle ment soulevé par exemple dans le moule 1 lorsque la fusion voulue de la surface 8 a eu lieu. Le reste du métal qui doit remplir le moule ne contribue pas a une fusion supplémentaire dans une mesure qui mérite d'être citée. En outre, le dessin réel de l'arrangement de buses peut être différent ; par exemple, les trois tubes séparés 7 de descente peuvent être formés par un canal commun de descente comprenant, à son ex trémité inférieure, le nombre nécessaire de buses. L'arrangement de buses représenté sur les figures 3 et 4 est destiné a permettre un mouvement continu ou discontinu vers le haut au cours du soudage par apport de métal fondu. L'ensemble de l'arrangement de buses, sur ces figures, porte la référence 23 et comprend un entonnoir 32 de remplissage ayant un tube 27 de descente portant deux buses 29a et 29b dirigées horizontalement, en directions opposées, à partir de l'extrémité inférieure du tube 27 de descente. Comme indiqué clairement sur la figure 4, un dispositif de séparation formé par une cornière 35 placée symétriquement dans le tube 27 entre les buses 29a et 29b se trouve au fond du tube. La figure 4 montre clairement sur l'arrangement 23 de buses est placé entre les extrémités 28a et 28b de deux pièces 22a et 22b en forme de rails ou de plaques. Ces plaques ou rails peuvent avoir une épaisseur très importante par rapport aux dimensions de l'arrangement des buses comme indiqué sur la figure 3. Cet arrangement comprend des guides plats 31, 31a et 31b, destinés å coopérer avec les surfaces d'extrémité 28a et 28b et avec la paroi du moule (non représentée). L'arrangement 23 comprend une poignée 36 de levage ou analogue qui facilite la manipulation. L'arrangement 23 est représenté sur la figure dans sa position presque la plus basse par rapport aux deux pièces 28a et 28b. L'opération de soudage par apport de métal fondu est destinée dans ce cas a être mise en oeuvre par un mouvement continu ou discontinu de l'arrangment qui remonte dans le moule alors que le métal fondu est coulé. Cette remontée de l'arrangement de buses est destiné a correspondre au degré de fusion nécessaire des surfaces 28a et 28b d'extrémité. Le mode de réalisation d'arrangement des figures 3 et 4 selon l'invention comporte deux buses, mais il est clair que le nombre de buses peut être adapté a la dimension et à la configuration des pièces et peut aussi permettre un certain dessin de déplacement de l'arrangement de buses lors de l'opération de coulée. Par exemple, on peut envisager des cas dans lesquels, à la place ou en plus du mouvement vertical de l'arrangement, celui-ci subit aussi un mouvement horizontal afin qu'il puisse recouvrir les surfaces des pièces en question, d'une manière commode. La caractéristique essentielle de toutes ces variantes est que chacune des surfaces sur laquelle on veut provoquer une fusion de la pièce doit recevoir un ou plusieurs jets de métal pendant le temps qui suffit à la fusion voulue. A cet égard, on suppose préaliQement que la totalité en pratique de la quantité de métal utilisée fait partie de la pièce ou du moulage terminé. En pratique, lors du raccordement de deux pièces, on peut obtenir cette caractéristique par réglage du cordon ou de l'espace séparant les pièces afin que la totalité du volume de métal voulu puisse être logée comme indiqué par exemple sur la figure 4. il faut que le métal fondu soit le même que celui de la ou des pièces ou un alliage de ce même métal. Les hommes du métier savent que toute matière de base qui peut être fondue et qui peut être mélangée en phase liquide ou sdide avec le métal fondu doit en principe pouvoir être soudée ou raccordée par le procédé selon l'invention. Cette considération s'applique aux métaux et alliages autres que l'aluminium qui est le métal considéré de façon principale dans la description qui précède. Le procédé s'applique cependant a tous les types de soudure. Par exemple, le raccordement de deux plaques par une soudure classique en V ou X peut être remplacé par le soudage selon le procédé décrit. Dans ce cas, la modification du moule utilisé peut être nécessaire afin qu'il constitue une sorte d'obturateur glissant ou roulant. L'utilisation d'un gaz inerte peut aussi être importante lorsqu'elle est commode pour la protection du métal contre l'oxydation au cours du soudage. il faut noter en référence a l'application de l'arrangement spécial des buses décrit dans le présent mémoire, que la vitesse nécessaire du ou des jets métalliques peut aussi être obtenue lorsque le métal peut tomber en chute pratiquement libre par les tubes correspondants de descente. Un autre avantage du procédé selon l'invention est la possibilité de la disposition de noyaux destinés à former des trous pour des boulons, etc. dans le moule avant coulée du métal, si bien que l'usinage ultérieur de la pièce est réduit. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage de métaux, notamment des métaux légers et particulièrement l'aluminium et ses alliages, par apport de métal fondu, ledit procédé étant caractérisé en ce que, au cours de son introduction dans le moule de coulée, le métal forme au moins un jet de métal dirigé autant que possible perpendiculairement aux surfaces 8, 28a, 28b de la pièce 2 ou des pièces 22a, 22b, qui doivent subir la fusion, les jets étant concentrés sur ces surfaces, et le moule utilisé a un volume tel et la disposition de la pièce 2 ou des pièces 22a, 22b est telle que la fusion voulue de la pièce ou des pièces est obtenue avec la quantité de métal qui s'accumule dans le moule et le remplit au cours de la mise en oeuvre du procédé, la quantité de métal constituant la totalité du métal introduit dans le moule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en oe que le ou les jets de métal sont maintenus pratiquement dans la même position pendant l'introduction de la totalité de la quantité# de métal utiliséedans le moule. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les jets subissent un déplacement continu ou discontinu lors de l'introduction de la quantité de métal dans le moule, si bien que les surfaces 28a, 28b qui doivent être fondues sur la pièce ou les pièces 22a, 22b sont frappées et traitées successivement par les jets métalliques. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que le métal, avant introduction dans le moule, subit un préchauffage à une température nettement supérieure à sa température de fusion, par exemple correspondant à une surchauffe~de 50 à 2000C dans le cas de l'aluminium. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre a l'aide d'un arrangement 3, 23 de buses destiné à l'introduction du métal dans le moule, qui est préchauffé et qui est immergé au moins en partie dans le métal lorsque celui-ci s'accumule dans le moule. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, destiné A la coulée d'un talon a l1ex-#émité d'une pièce, celle-ci étant formée par exemple de conducteurs électriques souples, ledit procédé étant caractérisé en ce que la pièce 2 est placée dans le moule 1 afin qu'elle dépasse par le fond 6 de celui-ci et soit disposée dans le moule sur une longueur sjpérieure à celle qui doit être fondue, et les surfaces 8 qui doivent être fondues sont disposées afin qu'elles soient dirigées notablement vers le haut, le ou les jets métalliques étant dirigés pratiquement vers le bas dans le moule 1. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, destiné au raccordement de deux pièces en forme de rails ou de plaques, bout a bout, ledit procédé étant carac térisé en ce que les pièces 22a, 22b sont placées dans le moule et dépassent des côtés séparés, la distance entre les extrémités 28a, 28b étant telle qu'il reste suffisamment d'espace pour le volume de métal nécessaire, et les jets métalliques sont dirigés latéralement contre les surfaces d'extrémité 28a, 28b qui doivent être fondues. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre par utilisation d'un arrangement 23 de buses 29a, 29b dispose l'extrémité inférieure de cet arrangement et disposées afin qu'elles ne recouvrent qu'une petite partie de l'étendue verticale totale du raccord à former, et l'arrangement de buses se déplace de façon continue ou discontinue vers le haut dans le moule au cours du remplissage par le métal. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des noyaux destinés à former des trous pour des boulons ou autres sont disposés dans le moule avant le remplissage du métal. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, appliqué a l'aluminium, caractérisé en ce que la distance entre l'orifice de la buse 9, 29a, 29b et la surface 8, 28a, 28b qui doit être fondue sur la pièce 2, 22a, 22b est d'environ 50 mm. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arrangement 3, 23 des buses, avant remplissage du métal, est préchauffé à une tem pérature supérieure à la température de fusion du métal. 12. Arrangement de buses destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un entonnoir 12, 32 de remplissage dont la capacité correspond à une partie au moins de la quantité totale de métal qui doit être introduite dans le moule, et un ou plusieurs tubes de descente 7, 27 partant du fond de l'entonnoir 12, 32 et comprenant chacun une ou plusieurs buses 9, 29a, 29b dirigeant chacune un jet de métal contre une ou plusieurs pièces 2, 22a, 22b, les tubes de descente 7, 27 et l'entonnoir 12, 32 ayant des dimensions telles que le métal tombe de la hauteur nécessaire ou présente la pression nécessaire lors de son introduction dans le moule de coulée, les tubes de descente 7, 27 et les buses 9, 29a, 29b étant formés de matières qui peuvent être immergées dans le métal qui s1 accumule dans le moule au cours de la mise en oeuvre du procédé. 13. Arrangement selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend des guides 11, 31, 31a, 31b destinés à coopérer avec le moule 1, avec une pièces au moins 22a, 22b, ou avec le moule et au moins une pièce. 14. Arrangement selon la revendication 13, caractérisé en ce que certains gui#s 31 au moins sont disposés sur une partie importante de la longueur du ou des tubes 27 de descente qui assurent le guidage de l'arrangement de buses lors de son déplacement continu ou discontinu en direction longitudinale par rapport au tube de descente, au cours du remplissage du moule de coulée par le métal.