Brevet FR2467044A1 — publié le 19810417

L'invention se rapporte à un procédé de soudage d'alliages de fer à l'aluminium et à des alliages d'aluminium ou des métaux réfractaires. L'assemblage du titane et des matières réfractaires telles que le tantale à des alliages de fer ainsi que l'assemblage des alliages d'aluminium aux alliages de fer ont posé jusqu'à présent des problèmes difficiles. Ces problèmes ont pour origine des incompatibilités métallurgi- ques, par exemple les faibles solubilités de ces matières dans le fer et les alliages de fer, la formation incontrôlée de composés intermétalliques ainsi que les vitesses élevées d'oxydation de certaines de ces matières. Ces problèmes ont empêché la mise au point d'un procédé d'assemblage de ces matières qui conviendrait pour la production et la fabrication. Les brevets suivants des Etats-Unis d'Amérique décrivent les procédés de l'art antérieur qui se rapprochent le plus de celui de l'invention 3 935 417 3 808 395 3 794 807 3 560 700 3 463 901 3 294 951 3 458 683 3 258 576 3 999 030 4 063 062 3 999 031 3 975 612 Les brevets énumérés ci-dessus décrivent des procédés dont les caractéristiques générales représentent des tentatives selon l'art antérieur d'utilisation d'un faisceau d'électrons ou d'autres techniques de soudage utilisant une accélération de particules pour assembler des métaux différents qui ne peuvent pas être assemblés par les techniques habituelles. Il convient toutefois de remarquer qu'aucun de ces brevets ne décrit l'utilisation d'un faisceau de particules accélérées pour l'assemblage d'alliages d'aluminium à des alliages de fer ni pour l'assemblage de métaux réfractaires à des alliages de fer de la manière spécifiée conformément à l'invention. L'invention a pour objet de manière générale un procédé d'assemblage de métaux dont les métallurgies diffèrent et qu'il est difficile ou impossible d'assembler par des techniques classiques de soudage. Ce procédé convient particulièrement à l'assemblage d'aluminium et d'alliages d'aluminium à des alliages de fer et à l'assemblage de métaux réfractaires à des alliages de fer. Le procédé de l'invention utilisé pour l'assem- blage d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium à un alliage de fer consiste essentiellement à déposer tout d'abord une mince couche d'argent sur la surface de l'alliage de fer. L'argent peut être déposé par pulvérisation d'ions, dépôt en phase vapeur ou analogue. Lorsqu'il s'agit d'exécuter un cordon de soudure, la pièce d'alliage d'aluminium est placée ensuite en contact direct avec la surface revêtue d'argent de la pièce d'alliage de fer. Un faisceau de particules à haute énergie (par exemple un faisceau d'électrons) est dirigé vers le bord de l'alliage d'aluminium sous vide ou dans une atmosphère inerte. Le faisceau de particules est défocalisé de manière qu'approximativement un tiers de son intensité tombe directe- ment sur la pièce d'alliage de fer, tandis qu'approximativement les deux tiers de l'intensité du faisceau tombent sur le bord de la pièce d'alliage d'aluminium. Le faisceau à haute énergie fait fondre le bord affleurant de l'alliage d'aluminium, l'intensité du faisceau ne suffisant qu'à porter l'alliage de fer à une température à laquelle une partie du substrat d'argent peut fondre en étant au voisinage immédiat de cet alliage de fer, l'argent produisant le mouillage de la surface d'alliage de fer de manière à permettre à l'aluminium en fusion de mouiller la surface de l'alliage de fer. Le faisceau à haute énergie subit un mouvement de balayage le long du bord de la pièce d'alliage d'aluminium en laissant derrière lui l'aluminium fondu avec l'interface de l'argent ayant diffusé au fur et à mesure que le faisceau progresse le long du bord de la p uce d'alliage d'aluminium. 2467044 ? l'argent dissous se précipite de la solution sur l'interface de l'alliage de fer. L'argent qui s'est précipité forme une couche interfaciale de diffusion qui adhère étroitement d'une part à l'alliage de fer et d'autre part à l'alliage d'alumi- nium qui s'est resolidifié. Ainsi, les deux pièces de métal sont assemblées par une soudure dont la résistance mécanique est égale ou supérieure à la résistance à la traction de l'alliage d'aluminium lui-même. Le procédé d'assemblage de métaux réfractaires à des alliages de fer consiste tout d'abord à assembler la pièce de métal réfractaire et la pièce d'alliage de fer en les mettant à la position voulue à laquelle elles doivent être soudées, par exemple au moyen d'un cordon de soudure ou d'une soudure à recouvrement. Un métal pur ou un alliage tel que de l'or ayant une certaine solubilité mutuelle (telle que déterminée par les diagrammes usuels de phases binaires) est mis à l'emplacement du cordon de soudure et un faisceau de particules à haute énergie est dirigé vers l'emplacement de la soudure. Comme précédemment, le faisceau de particules est défocalisé de manière qu'approximativement un tiers de son énergie tombe sur la matière réfractaire dont le point de fusion est le plus élevé de façon à la porter à une tempé- rature permettant le mouillage. Le reste du faisceau tombe sur le métal pur ou l'alliage et sur la pièce d'alliage de fer voisine de la ligne de soudure. Le faisceau à haute énergie fait fondre le métal pur ou l'alliage ainsi qu'un alliage de fer à proximité immé- diate de la ligne de soudure. L'alliage fondu forme alors une solution le long de la ligne de soudure. 1 Le faisceau à haute énergie est orienté de manière à effectuer un balayage le long de la ligne de soudure de manière qu'il laisse derrière lui la solution en fusion. Lors de la solidification de la solution en fusion, le métal pur se précipite de la solution et diffuse dans l'interface avec le métal réfractaire. La couche ayant diffusé de métal pur ou d'alliage adhère étroitement au métal réfractaire et aussi à l'alliage de fer qui s'est resolidi- fié. La soudure ainsi formée a une résistance égale à celle 2467044 I de la matière ayant la plus faible résistance à la traction, sans être cassante. L'invention va être décrite plus en détail en regard du dessin annexé qui représente à titre d'exemples nullement limitatifs deux modes de mise en oeuvre du procédé de l'invention et sur lequel: - la figure 1 représente schématiquement la première phase du procédé de l'invention; - la figure 2 représente schématiquement le résultat obtenu à la première phase du procédé; - la figure 3 représente schématiquement la seconde phase du procédé; - - la figure 4 représente schématiquement la troisième phase du procédé; - - la figure 5 représente schématiquement les résultats obtenus à la phase montrée sur la figure 4; - la figure 6 est une coupe transversale à échelle agrandie de la soudure produite par le procédé de l'inven- tion; - la figure 7 représente schématiquement la première phase du procédé de l'invention appliquée à l'assemblage d'un métal réfractaire à un alliage de fer; - la figure 8 représente schématiquement les phases successives du procédé de la figure 7; et - la figure 9 est une coupe transversale à échelle agrandie de la soudure formée par le procédé illustré sur les figures 7 et 8. L'invention a de manière générale pour objet un procédé d'assemblage métallurgique de métaux dissemblables qu'il est difficilement possible d'assembler par les techniques classiques de soudage ou de brasage. Bien que la description qui va suivre se rapporte à deux variantes de mise en oeuvre du procédé de l'invention, il doit être bien entendu que cette dernière n'est pas limitée aux genres de matière mentionnés-ni aux types particuliers de soudure qui vont être décrits. Le procédé de l'invention peut être utilisé pour assembler une pièce d'alliage d'aluminium à une pièce 2467044 ' d'alliage de fer, de la manière représentée successivement sur les figures 1 à 5. Comme le montre la figure 1, la pièce il d'alliage de fer qui consiste en acier inoxydable ou analogue est enduite d'une couche mince d'argent telle qu'indiquée par des flèches sur la figure 1. Il suffit que le revêtement d'argent 12 représenté sur la figure 2 se trouve à l'emplace- ment immédiat auquel doit être effectuée la soudure. La couche d'argent 12 peut être déposée par pulvérisation d'ions, dépôt en phase vapeur ou analogue. La pièce 13 d'alliage d'aluminium est ensuite disposée de manière que l'une de ses surfaces soit appliquée contre, et affleure, le revêtement 12. Il doit être admis à titre d'exemple uniquement que la pièce 13 d'alliage d'aluminium est une feuille ou une barre dont un bord 14 est orienté perpendiculairement au plan des figures. La soudure devant être formée consiste en un cordon disposé le long du sommet de l'angle incrit par le revêtement d'argent 12 et le bord 14 de la pièce 13. L'assemblage représenté sur la figure 3 est placé dans une chambre fermée sous vide ou sous atmosphère inerte à basse pression. Un faisceau 16 de particules à haute énergie, par exemple un faisceau d'électrons tel qu'utilisé habituel- lement pour le soudage, est ensuite dirigé sur le bord de la pièce 13 d'alliage d'aluminium. Le faisceau 16 est légèrement défocalisé de manière que le foyer du faisceau se trouve au- dessous de la surface de la pièce 11. Approximativement deux tiers de l'énergie du faisceau sont dirigés sur le bord de la pièce 13 directement au voisinage du bord 14. Le reste de l'énergie du faisceau tombe sur le revêtement d'argent 12 au voisinage immédiat du bord 14, de la manière représentée sur la figure 4. On comprend que le faisceau 16 subit une trans- lation ou un mouvement de balayage le long de la ligne de soudage devant être réalisée, c'est-à-dire que le faisceau se déplace le long d'une ligne qui est perpendiculaire au plan des figures du dessin. L'intensité et l'énergie du faisceau 16 ne suffisent pas à faire fondre l'alliage de fer de la pièce 11, 2467044 1 bien que ce faisceau chauffe localement la pièce 11 au voisinage du bord 14. L'intensité et l'énergie du faisceau suffisent à faire fondre l'alliage d'aluminium de la pièce 13, cet alliage d'aluminium ayant un point de fusion qui est bien inférieur à celui de la pièce 11. Comme le montre la figure 5, l'alliage d'aluminium chauffé par le faisceau 16 fond et coule par gravité latéralement par rapport à la position initiale qu'il occupait le long du bord 14. Le revêtement d'argent 12 provoque un mouillage qui permet à l'aluminium fondu de s'écouler le long de la surface de l'alliage de fer. L'aluminium fondu dissout simultanément une partie du revêtement 12 d'argent avec lequel il entre en contact en créant ainsi une solution d'argent dans un alliage d'aluminium en fusion. ' Lors de la translation du faisceau 16 de particules le long de la ligne de soudage, ce faisceau laisse derrière lui la solution d'alliage d'aluminium et d'argent en lui permettant de se refroidir. Lorsque la solution commence de se refroidir, l'argent se précipite de la solution et diffuse dans la surface de la pièce de fer 11. L'argent ayant diffusé forme une couche mince directement à la surface de la pièce de fer et cette pièce d'argent se lie à l'alliage de fer. Le résultat du procédé décrit et tel que représenté sur la figure 6 consiste en une union métallur- gique de la pièce 11 d'alliage de fer, de la couche 17 d'argent qui s'est précipitée et de l'alliage d'aluminium 18 qui a subi la fusion et s'est resolidifié. On comprend que l'alliage d'aluminium 18 qui s'est resolidifié est lié au reste de l'alliage d'aluminium 13 qui n'a pas fondu et donc la pièce 13 est assemblée à la pièce 11 par les éléments 18 et 17. Des essais ont montré qu'une soudure réalisée de la manière décrite a une résistance à la traction qui est égale ou qui dépasse la résistance à la traction de la pièce d'aluminium 13. Bien que le procédé décrit en regard des figures 1 à 5 se réfère à un simple cordon de soudure, les spécia- listes de ce domaine comprendront que la technique décrite peut être appliquée à de nombreuses autres formes de soudage. Les figures 7 à 9 illustrent une autre applica- tion du procédé de l'invention suivant lequel une pièce 22 d'alliage de fer est assemblée par un cordon de soudure à une pièce 21 de tantale. La première phase de cette variante de mise en oeuvre consiste à placer un alliage métallique inter- médiaire au sommet de l'angle inscrit par les deux pièces devant être assemblées par un cordon de soudure. Dans cet exemple de mise en oeuvre, l'alliage intermédiaire 23 est un alliage contenant approximativement 82 % d'or et 18 % de nickel. Comme dans le mode de mise en oeuvre précédent, la ligne de soudage se trouve au sommet de l'angle inscrit par les pièces 21 et 22, c'est-à-dire qu'elle est perpendicu- laire au plan des dessins. Le faisceau 16 de particules à haute énergie subit ensuite une translation le long de la ligne de soudage. Comme précédemment, approximativement un tiers de l'énergie du faisceau tombe sur la pièce de tantale 21 de manière à la chauffer, tandis que le reste de l'énergie du faisceau tombe sur l'alliage d'or 23 et sur une petite partie de la surface voisine de la pièce 22. L'énergie du faisceau est choisie de manière que la pièce 21 soit chauffée, mais ne fonde pas, tandis que le faisceau 16 fait fondre l'alliage d'or 23 et la partie voisine de la pièce 22. Lors du refroidissement de la matière en fusion 26, une certaine quantité de l'or de l'alliage 23 commence de se précipiter de la solution en fusion et diffuse dans la surface de la pièce 21. La couche d'or 27 ayant diffusé et ainsi déposée à la surface de la pièce 21 adhère au tantale. Le métal en fusion 26 continue de se refroidir et se resolidifie en formant une liaison d'une part avec la couche d'or 27 et d'autre part avec le métal ferreux de la pièce 22. Le résultat consiste en un cordon de soudure continu qui assemble la pièce d'alliage de tantale et la pièce d'alliage de fer. Le procédé décrit en regard des figures 7 à 9 est aussi applicable à l'assemblage de métaux tels que le niobium, le molybdène et d'autres métaux réfractaires à une large plage d'alliages de fer. Il doit aussi être bien 2467044 ' compris que ce procédé est utilisable pour la réalisation d'autres types de soudures. REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage métallurgique d'une pièce (11, 21) ayant un point de fusion relativement élevé à une autre pièce (13, 22) en un autre métal ayant un point de fusion relativement bas, les deux métaux étant pratiquement insolubles l'un dans l'autre, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à déposer une troisième substance métallique (12, 23) sur une surface de l'une desdites pièces, à mettre l'autre pièce au voisinage immédiat de cette surface, à chauffer localement la région de cette surface de manière à. chauffer le premier métal mentionné et à faire fondre ledit autre métal et ladite troisième substance métallique dans ladite région de manière à provoquer la mise en solution de ladite troisième substance métallique dans ledit autre métal, à faire refroidir la solution en fusion afin de provoquer la précipitation de ladite troisième substance métallique qui forme une couche mince adhérant à la surface voisine de la première pièce mentionnée, puis à provoquer le refroidissement et la resolidification du reste de ladite solution en fusion afin qu'elle adhère à ladite couche mince. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier métal mentionné consiste en un alliage de fer. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit autre métal consiste en un alliage d'alumi- nium. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la troisième substance métallique est de l'argent ou un alliage d'argent. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage local de ladite région de ladite surface est effectué en dirigeant un faisceau de particules accélérées sur ladite région. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'approximativement un tiers de l'énergie dudit faisceau (16) est dirigé sur la partie de la première pièce mentionnée directement au voisinage de ladite région. 2467044 3 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le reste dudit faisceau (16) est dirigé sur la troisième substance métallique (12, 23) et sur la partie (14) de ladite autre pièce (13, 22) qui est au voisinage immédiat de ladite région. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier métal mentionné est un métal réfractaire. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit autre métal est un alliage de fer. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la troisième substance métallique est de l'or ou un alliage d'or consistant par exemple approxima- tivement en 82 % d'or et 18 % de nickel.