Brevet FR2484691A1 — publié le 19811218

La présente invention concerne à titre préliminaire mais non à titre principal un procédé de soudage de pièces de connexions électriques sur un condensateur bobiné, et/ou de ce condensateur sur le bottier métallique, (ou les éléments de ce bottier) qui doit le contenir. Ce pre- mier exemple préliminaire de l'invention fera bien com prendre la mise en oeuvre de l'invention aarme un second cas, considéré comme principal, relatif au soudage d'un condensateur dans son bottier ou sur l'un de ses élément constitutifs. Un condensateur bobiné est composé de deux armatures en feuillard d'aluminium souple intercalées avec deux diélectriques faits chacun d'une ou de plusieurs épais seurs d'isolants souples tels que da papier Kraft, du pely- styrène, polypropylène, polyester, polycarbonate ou autre matière synthétique. Le bobinage peut se faire bord à bord ou avec un dépassement léger des armatures. I1 s'agit donc de souder sur ces armatures des piges de connexion devant assurer le raccordement électrique extérieur, ces pièces peuvent etre des languettes drontes ou coudées, ou bien des fils conducteurs. Les difficultés de soudage de l'aluminium sont connues et dues à l'oxydation rapide et spontanée qui revit le métal dune couche isolante d'alumine. Ce phénomène est accéléré par l'humidité ou par le paysage du cou- rant électrique. On peut obtenir de bonnes soadures par apport d'un alliage dtain-plomb, mais il est nécessaire d'y ajouter un flux et ce flux, qui détruit l'alumine, pollue le bo- binage du condensateur et le rend inutilisable. De toute façon, ce procédé ne serait pas envisageable pour le soudage du bottier. Le procédé le-plus utilisé est celui du shoopage qui consiste à déposer une couche de métal par projection au pistolet, sur les deux tranches des bobinages. Les résultats sont très satisfaisants mais nécessitent des opérations multiples et délicates, donc relativement oné- reuses. On connatt déjà des appareils de soudage par ultrasons capables dtexécuter des opérations de soudure, mais qui ne sont pas applicables à la fabrication des conden- sateurs. Ces appareils comportent un oscillateur électronique de puissance qui actionne un transducteur à électrostriction composé de céramiques piézoélectriques en le faisant vibrer à une fréquence ultrasonore. Les vibrations sont transmises par un concentrateur à une sonotrode qui est en contact avec lune des pièces à souder. Le concentrateur et la sonotrode fabriqués généralement en alliage de titane sont de préférence accordés en demi-onde. La sonotrode se présente comme un arbre horizontal sortant du bletti de la machine, il est terminé par un disque relativement épais muni d'épanouissements polaires régulièrement répartis sur la circonférence. I1 peut être aussi terminé par une partie rabattue en forme de potence ou bien par toute autre forme permettant le contact avec les pièces à traiter. En-dessous de lextremité de la sonotrode, à l'aplomb à la verticale, se trouve l'enclume, réalisée en un bloc massif monté sur vérin à action verticale. Ltune des pièces à souder est fixée à l'enclume, lau- tre est entraînée dans les vibrations de la sonotrode, les faces en regard de l'enclume et de la sonotrode sont gravées en reliefs eu dentures pour empêcher tout glissement de la pièce à souder. Le vérin de l'enclume ou de la sonotrode par une action verticale ascendante ou descendante applique les pièces lune sur l'autre. Mais on a utilisé ces appareils pour le soudage de deux pièces rigides ou bien d'une pièce rigide et dune pièce plane et souple ou même d'une pièce rigide et de plusieurs pièces souples. Dans-tous les cas connus, il y a application d'un plan sur un autre plan, lune des pièces étant rigide et étant maintenue positivement immobile sur 1XenclumeO De plus, aux difficultés déjà citées, il faut ajouter celles qui sont relatives aux éléments à souder : à leur forme, par exemple une pièce creuse telle que le boitier, à leur nature, ainsi le bobinage est hétérogène et relativement déformable contrairement aux cas de soudage connus sur des pièces rigides ou souples, en gePhéral planes et toujours homogènes. Le cas de fabrication de condensateurs selon l'invention est très différent parce qu'il s'agit d'un bobinage de deux isolants, par exemple de polyester d'épaisseur mince, par exemple 12 millièmes de millimètre avec deux feuillards d'aluminium mince, par exemple 7 millièmes de millimètre, chaque armature se trouvant évidemment entre deux diélectriques. Les largeurs sont petites, de l'ordre du centimètre, le diamètre du bobinage également. Les chiffres ci-dessus sont des ordres de grandeur et peuvent être divisés ou multipliés par un facteur de 2 à 10 sans changer les données essentielles. Des techniciens-avertis ont même pensé de prime abord quil était tout à fait impossible de souder des pièces molles, non planes et sans rigidité. Ce qui dmontre bien la non-évidence d'une application possible de techniques antérieures au cas présent. En effet, dans des cas très fréquents de soudages antérieurs effectués par ultra-sons, au moins une des pièces est massive, rigide et homogène, sa masse même la rend solidaire de l'enclume, Si sa masse est insuffisante elle est fixée sur lenclume, elle. est donc toujours considérée comme immobile par rapport à l'autre pièce entraînée par les -vibrations. Dans le cas du condensateur qui est un bobinage combiné de feuilles minces d'aluminium et de diélectrique (l'épaisseur se chiffrant en millièmes ou centièmes de millimètres) même si on a raffermi l'ensemble par un passage au four (ltéchauffement provoque un retrait longitudinal des diélectriques et donc un resserrement des spires) on obtient un objet qui n'est ni rigide, ni homogène. Si on ajoute aussi le fait que les pièces à souder (cas du soudage des connexions sur le condensateur) sont peu pesantes, quelques (autour de 5) grammes pour le bobinage, une fraction de gramme pour la languette ou fil de connexion on réalise bien la différence importante avec les conditions de soudages habituelles. -C'est pourquoi la pièce disposée sur l'enclume, à savoir (le bobinage léger et déformable) est posée et guidée sur l'enclume, mais non fixée-de manière rigide, de manière à conserver un certain degré de liberté d'oscillation sur une base qui ne se déplace pas par rapport à l'enclume. Le bobinage, sous l'effet des forces qui lui sont appliquées se comporte d'une manière qui lui est propre, il peut mQme se déformer légèrement. Par contre, la base reposant sur ltenclume ne peut pas glisser; des reliefs appropriés empêchent de le faire. De toutes façons, l'inertie du bobinage ------ empêche que -celui-ci vibre à la fréquence de -20.000 pps de la sonotrode. Donc à la partie supérieure, il y a bien glissement respectif, échauffement et soudure, puisque la malléabilité et l'inertie du bobinage empêchent de vibrer à la fréquence ultra-sonore qui anime la pièce à souder solidaire de la sonotrode, d'où déplacement relatif vibratoire des deux pièces. La méthode proposée par l'invention consiste donc à obtenir par un échauffement très intense et très localisé la fusion des métaux en contact, l'aluminium en feuille d'une part, le métal traité ou non d'autre part. Pour ce faire on conjugue deux forces, l'une continue et croissante, perpendiculaire au plan d'assemblage qui tend à appliquer la pièce de connexion sur le bobinage, l'autre vibratoire et parallèle au plan d'assemblage qui fait se déplacer une pièce par rapport à l'autre. Il se produit un frottement et même un grippage des deux métaux si intense quil y a fusion et soudure. Ceci est réalisé grace à un guide de positionnement léger du bobinage, c'est-à-dire que l'on a une position de fixation non ferme à la base. L'inertie fait que le condensateur n'est pas entraîné à une meme fréquence de vibration que la pièce de connexion en contact avec la sonotrode. Il en résulte donc bien le déplacement relatif d'où échauffement qui se trouve à leorigine de la seadureO Diélectriques et armatures snt bobinés, soit bord à bord, soit à armature débordante. L'objet obtenu est un cylindre cohérent, mais pas absolument rigide, aux sommets duquel le métal est accessible par sa tranche. Outre le cas des connexions électriques soudées qui a été exposé précédemment, la pièce à souder sur le bo- binage peut être - le boîtier en alliage d'aluminium ou en aciers étant donné que le bobinage est à souder au fond - l'en- clume prend la forme d'un socle rétrécie Ce cas est consi- déré dans la présente demande de brevet comme étant le cas principal d'application de l'invention. - un disque destiné à fermer le précédent boîtier, disque fait de laiton ou acier avec traitement électroly- tique et muni d'un goujon ou d'une borne. - une équerre de laiton ou acier traité servant de raccordement électrique et sortant directement da bottier. D'autres particularités et avantages apparattront à la lecture de la description et des revendications qui sui- vent, lesquelles sont faites en regard des dessins annexés sur lesquels Les fig. 1 et 2 représentent des vues en élévation et en bout d'un condensateur bobiné 1 pourvu de deux languettes droites 2 et 3. Les fig. 3, 4 et 5 représentent un condensateur bobiné 4 pourvu de deux languettes coudées 5 et 6, la languette 5 étant vue de dessus à la fig. 5. Les fig. 6 et 7 représentent un condensateur 7 pourvu de deux conducteurs en fil soudé 8 et 9. La fig. 8 représente un condensateur 10 avec un fil soudé ll en forme de spirale. La fig. 9 représente une vue partielle de condensateur avec ses diélectriques 12 et ses armatures 13. La connexion 14 est soudée sur les extrémités d'arma- tures alignées avec les bandes de diélectriques. La fig. 10 est une vue analogue mais dans ce cas, la connexion 14 est faite sur les extrémités d'ar- matures débordant par rapport au diélectrique. La fig. 11 représente une vue en élévation schématique où l'on voit en 15 le sonotrode, en 16 la connexion qui doit être soudée sur la face supérieure du bobinage 17, la face inférieure du bobinage reposant sur l'enclume 18 dont l'élévation est commandée par un vérin 19. Le vérin peut actionner également la sonotrode. Les fig. 12 et 13 sont des vues en élévation et de dessus de la réalisation de la soudure de la première connexion. Les fig. 13 et 14 sont des vues analogues de la réalisation de la soudure de la deuxième connexion. Sur les fig. 13 et 15, la vue de dessus est représentée sonotrode enlevée. Dans le cas illustré aux fig. 11 à 15, on voit que le bobinage 17 est adossé à un secteur de cylindre 20 qui détermine sa position sur l'enclume 18. Pour la soudure de la première connexion 16a c'est suffisant; pour la soudure de la seconde 16b, il faut prévoir des aménagements pour positionner la première connexion à savoir un évidement 21 pour l'orienter et pour laisser passer la partie repliée. La fig. 16 est une vue analogue à la fig. 11 montrant le procédé selon l'invention, appliqué au soudage du bobinage de condensateur 17 dans le fond de son bottier 22. Ceci entrain le rétrécissement de l'enclume 18 en une partie tronconique 18a. Les fig. 17a - 17b à 23a ~ 23b sont des élévations en coupe et vue de dessus de différents cas de soudage de condensateurs bobinés dans leurs bottiers respectifs. Sur les fig. 17a - 17b, le bobinage 17 est soudé en bas sur un disque métallique 23, en haut sur un disque 24 muni d'un goujon 25, le disque inférieur 23 étant directement serti à la couronne 17a du bottier; à la partie supérieure on sertit un disque isolant 26 percé d'un trou pour le passage du goujon 25.-Le bof- tier (comme les suivants) peut être équipé extérieurement dune patte de fixation non représentée. Le raccordement électrique se fait entre le goujon et le bottier (ou sa patte), la patte pouvant être soudée, rivée ou sertie. S'il y a lieu, on procède à un remplissage ultérieur drun produit isolant 27 par un trou ménagé dans le bottier. Sur les fig. 18a - 18b, le bobinage 17 est soudé à deux connexions 28 et 29 en équerre, qui traversent l'une le fond du bottier par une fente, lautre le disque isolant supérieur 30. L'équerre du fond doit être en outre soudée au bottier après montage. On peut aussi remplir le bottier s'il y a lieu. Sur les fig. 19a - l9b, cas le plus typique, le bobinage 17 est soudé dune part à un disque 31 à goujon 32 fileté, d'autre part au fond du bottier 22. La finition se fait par remplissage du bottier par un produit isolant durcissable 27. C'est le cas le plus simple et le plus fiable. Sur les fig. 20a - 20b, le bobinage 17 est d'abord soudé à un disque 33 dont le centre est embouti; ce centre étant ensuite soudé au fond du bottier. En haut on a prévuun disque 24 à goujon 25 et-disque isolant 26 comme aux fig. 17a et 17bic Sur les fig. 21a et 21b, le bobinage 17 est soudé à deux connexions en équerre 34 et 35 sortant toutes deux' la partie supérieure. L'équerre 34 partant du fond, est galbée pour épouser la forme du boîtier 22. Elle est soudée sur la partie latérale du bottier. Comme aux fig. 19a - 19b, le bottier 22, sans couvercle est rempli d'un isolant 27. Sur les fig. 22a - 22b, on a soudé tête-bêche dans le boitier 22 un bobinage 17 à noyau 36. On voit en 37 l'écrou de fixation de la connexion externe. Sur les fig. 23a - 23b, on a représenté un bobinage 17 ayant deux disques 38, 39 à goujons 38a, 39a, celui du bas traversant le fond du boîtier 22. Là aussi, il y a finition par remplissage. Après avoir décrit les moyens matériels de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on développera ci-après le processus du procédé lui-même. Comme on l'a vu sur les dessins annexés, les deux diélectriques de même largeur sont bobinés alignés, les armatures ont la même largeur qui est inférieure à celle des diélectriques, ils sont décalés et bobinés bord à bord chacun avec un diélectrique de manière à ménager de chaque côté une marge nécessaire à la tenue en tension du condensateur. On a dit que le diélectrique est du-polyester ou bien tout autre matière synthétique appropriée, dans ce cas un passage en étuve chaude, provoque un retrait longitudinal du diélectrique, donc un resserrement des spires et un durcissement du bobinage. Dans le cas du papier cette opération est supprimée. Lut objet obtenu est un cylindre cohérent, mais pas absolument rigide, aux sommets duquel le métal est accessible par sa tranche. On peut écraser le bobinage cylindrique pour lui donner une forme plus apte à son insertion dans un ens-emble, dans le cas du diélectrique synthétique l'plan tissement se fait avant- cuisson. Cependant au lieu de bobiner le métal bord à bord avec l'isolant, on peut le faire déborder légèrement d'un ou plusieurs dizièmes de millimètres. La pièce de connexion à souder peut être une languette droite faite de laiton étamé par exemple, ces matériaux sont très favorables, mais le traitement ano- dique peut être un zinguage ou autre dépôt électrolytique dont le couple soit compatible avec les autres métaux. La languette peut être coudée, on peut aussi la concevoir en cuivre traité. I1 n'y a pas d'interdiction d'emploi des métaux bruts les résultats sont également très positifs. Une bonne épaisseur de languette se situe autour du millimètre et peut varier suivant les besoins de quelques dizièmes de millimètres à 2 millimètres ou davantage. On donne la préférence à une pièce de connexion plane telle qu'une languette ou deune toute autre forme cependant on n'exclut pas la soudure dtun fil pourvu qu'il soit suffisamment rigide. On peut faciliter lcpération de soudure en aplatissant le fil au préalable. Pour augmenter les points de contact, il n'est pas mauvais d'enrouler en spirale la partie du fil en contact avec le bobinage. On a donc en présence le bobinage du condensateur et la pièce de connexion qnSil faut souder ensemble On dispose le cylindre du bobinageS une de ses bases reposant sur l'enclume, tandis que la connezion est placée sur la base supérieure. Après avoir amené toutes les pièces en contact, le vérin entame son mouvement vertical sous une pression d'environ 1,5 barss en conjugaison avec le mouvement vibratoire de la sonotrode. Le sens des vibrations est choisi parallèle au plan d'assemblage bobinage-connexion (horizontal dans le cas général) et de préférence perpendiculaire à lFaxe de symétrie de la connexion. Ltamplitude de la vibration est d'environ deux dizièmes de millimètres et la fréquence de vingt kilohertz. Au bout d'un temps de 04 secondes cessent les deux mouvements : venin et vibrations. Les données tellés que pression, amplitude, puis- sance et durée sont dépendantes des dimensions, de la masse et de la structure du bobinage et de la connexion, les valeurs citées plus haut ne sont valables que pour un cas précis et diffèrent si les conditions sont modifiées. Au contraire des cas habituels, le bobinage à souder n'est ni absolument rigide ni plan aussi n'est-il pas fixé fermement à l'enclume mais conserve une certaine liberté. Le mouvement vibratoire imposé à la connexion est transmis au bobinage mais ltinertie fait qu'il ne suit pas, il est déphasé, et ctest le déplacement relatif des deux pièces qui crée le frottement et la chaleur de fusion. On notera le r8le important de la pression et du temps d'application qui permettent, par leur choix judicieux, la mise en contact de la connexion avec un nombre important de spires d'aluminium. L'orientation du sens des vibrations par rapport à la pièce de connexion est essentiellement fonction de sa forme et 11 indication donnée plus haut est valable pour le cas particulier décrit. La structure du bobinage avec alternance de métal et de diélectrique qui se présentent par leur tranche crée des conditions particulières d'échauffement, car il n'y a pas de dissipation thermique dans des directions radiales. I1 va de soi que tout changement de dimensions et de nature du diélectrique entratne une détermination particulière du réglage des paramètres. L'extrême bord du diélectrique fond au moment de la soudure et dégage l'armature en obturant les interstices quand on a un isolant synthétique. Si c'est du papier, celui-ci dégage également l'aluminium en se racornissant. Le revêtement électrolytique de la pièce de connexion n'est pas indispensable, toutefois, il intervient à la fois dans le frottement par son état de surface et aussi par sa fusion propre participant ainsi à la cohésion du soudage et à la qualité du contact électrique. I1 va de soi que lon peut, sans sortir du cadre de la présente invention, apporter toute modification aux formes de réalisation qui viennent deêtre décrites. En particulier, les vibrations peuvent être normales à l'axe de symétrie de la connexion, ou dans dtautres directions; les pieces de connexions peuvent être en laiton, en bronze, en cuivre, en laiton étamé ou revêtu d'autre dépit électrolytique ou d'acier traité. Les connexions peuvent être des languettes droites, coudées, des fils droits, des fils aplatis, ou des fils enroulés en spirale pour la partie soudée. La pression, la durée et la fréquence peuvent avoir toute valeur appropriée. La fréquence peut être appliquée en mime temps que la pression, ou être retardée. Enfin, le diélectrique peut être du papier Kraft, ou un isolant souple synthétique : polystyrène, polypropylène, polycarbonate, polyester. REVENDICATIONS 1 - Procédé de soudage d'un bobinage de condensateur à armature en aluminium sur le bottier ou un élément de celui-ci caractérisé en ce que le soudage est réalisé directement entre les tranches du bobinage et le boitier métallique, et/ou un élément du bottier, par l'action conjuguée d'une force appliquant les pièces l'une sur l'autre, et de vibrations situées dans le plan d'rassembla ge et échauffant les métaux par frottement. 2 - Procédé selon la revendication-l, caractérisé par le fait que le bobinage est posé et guidé sur l'enclume, mais non fixé de manière rigide, de manière à conserver un certain degré de liberté a'oscillation sur une base qui ne se déplace pas par rapport à enclume, de telle sorte que du fait de sa forte inertie, le bobinage ne peut vibrer à la fréquence de la sonotrode dtoù glissement relatif de la connexion par rapport à la partie supérieure du bobinage, et échauffement, donc soudage, le bottier dans ce cas, coiffant le bobinage et partiellement au moins une partie tronconique terminant la tête d'enclume0 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on met 'en place sur enclume portant le bobinage un guide vertical. semi-cylindrique de positionnement léger du bobinage permettant d'obtenir une position de fixation non ferme du bobinage sur l'enclume, ceci dans le cas du soudage d'une connexion en équerre ou d'un disque. 4 - Procédé de soudage de connexion sur un condensateur électrique bobiné à deux armatures en feuillard d'aluminium et deux diélectriques souples fait chacun dune ou plusieurs épaisseurs d'isolantes synthétiques ou de papier Kraft avec bandes alignées ou bien métal débordant, caractérisé en ce que les pièces de connexions électriques sont soudées sur les tranches du bobinage par l'action conjuguée d'une force appliquant les pièces l'une sur l'autré et de vibrations situées dans le plan d'assemblage et échauffant les métaux par frottement. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le bobinage est posé et guidé sur lten- clume de la soudeuse, mais non filé de manière rigides afin de conserver un certain degré de liberté d'oscjlla- tion sur une base qui ne se déplace pas par rapport à l'enclume, de telle sorte que du fait de sa forte inertie, le bobinage ne peut vibrer à la fréquence de la sonotrode, d'où glissement relatif de la connexion par rapport à la partie supérieure du bobinage, et échauffement, donc soudage. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on met en place sur l'enclume portant le bobinage un guide vertical semi-cylindrique de posi- tionnement léger du bobinage permettant d'obtenir une position de fixation non ferme du bobinage sur l'enclume.