Brevet FR2493599A1 — publié le 19820507

La présente invention concerne, d'une manière générale, la fixation des filaments aux supports ou conducteurs dans des lampes électriques et dispositifs scellés similaires, et elle permet d'obtenir une jonction soudée de qualité entre un filament de tungstène en spirale et un conducteur de mo- lybdène, qui évite la fragilisation du filament. La partie la plus critique d'une lampe ou d'une ampoule électrique est son filament. Ce dernier est presque toujours fait en tungstène car le tungstène possède un point de fusion plus élevé que celui des autres matériaux utilisables connus. Les lampes électriques sont ordinairement emplies de gaz pour réduire la vitesse de vaporisation du tungstène et, dans les lampes emplies de gaz, on augmente l'efficacité de laproduc- tion de lumière en donnant au filament une forme spiralée. I5 Dans les tailles courantes de lampes domestiques à incandes- cence, on utilise généralement un filament spiralé. Dans les lampes à incandescence économiques issues d'une production en masse, le filament est attaché aux fils conduc- teurs de la plus simple manière possible. Les extrémités du filament sont placées dans des crochets ouverts formés à l'ex- trémité de fils conducteurs, et ces crochets sont repliés et fermés par un appareil automatique. Les crochets replés pin- cent le filament et, comme il s'ensuit une déformation des extrémités du fil spiralé, le procédé ne peut être appliqué qu'à des filaments ductiles qui n'ont pas subi de traitement thermique à des fins de recristallisation. Pour de plus grandes puissances ou des lampes de meilleu- re qualité, telles que les lampes à halogène ou les lampes de projecteurs, on cherche à avoir une plus grande stabilité du filament et une plus longue durée de vie. Dans de telles lampes, on utilise des filaments qui ont été recristallisés par cuisson avant le montage, ce, pour éliminer les tensions internes et chasser les impuretés. De cette manière, on sta- bilise la forme et les dimensions du filament pour le fonce tionnement ultérieur de la lampe. Ces filaments sont, cepen- dant, plus fragiles et cette fragilité rend la fixation du filament aux conducteurs de la structure de montage de la lampe beaucoup plus difficile. Du fait que l'on ne peut avoir recours à la fixation simple à crochet, on a mis au point IO diverses techniques de remplacement et celle qui est la plus couramment utilisée consiste à introduire à force un fil ou pion dans les spires ou tours d'extrémités du filament pour obtenir une adaptation étroite par friction entre le filamentet le pion. Dans une telle fixation, la connexion électrique est I) essentiellement un contact mécanique. Divers perfectionnements au simple pion ont été apportés au cours des ans. Le brevet des E.U.A. nO 2 339 679 (van Horn 1948) utilise un pion dans lequel un filetage a été formé soit par un usinage approprié soit en enroulant un fil fin zo autour du pion. Le brevet des E.U.A. nO 2 830 217 (Hodge - 1958) utilise un pion dans lequel l'extrémité du conducteur est aplatie pour former une pointe en forme de pelle et per- mettre une adaptation à force dans le filament spiralé. On a également tenté de combiner la mise en place d'un pion, avec une opération de soudage, comme par exemple dans le brevet des E.U.A. n0 2 403 070 (Fulton - 19/4-6). Dans ce brevet Fulton, le filament spiralé est soudé au pion uniquement à l'extrémi- té éloignée du point d'entrée, pour garantir que la partie de filament qui supporte les tensions et contraintes ne soit pas in Toutes les techniques utilisant un pion et les perfec- tionnements de ces techniques, y compris la mise en place d'un pion combinée avec un soudage, demandent une grande quantité de travail et n'ont pas été rendues automatisables. La présente- invention a pour but d'apporter une jonction soudéeentre un fil conducteur et un filament de tungstène trai- té thermiquement, ne causant pas de fragilisation nuisible du filament ou du conducteur, et d'obtenir ce résultat par un pro- cédé simple automatisable. I0 En opérant une fixation sur du tungstène, on ne peut pas se permettre de surchauffer le tungstène à un degré qui per- mette un développement nuisible de cristaux et une fragilisation du matériau. Les points de fixation du filament, en particulier, sont des points de contraintes élevées et l'on doit éviter à I5 tout prix une fragilisation à leur niveau. Le résultat satis- faisant de l'invention repose sur la connaissance du fait que la fragilisation du tungstène est fonction à la fois de la tem- pérature et de la durée. Dans un joint soudé selon l'invention, un fil conducteur d'un métal apte au soudage sur le tungstène se prolonge, d'un -seul tenant, par une zone de soudage qui s'étend longitudinale- ment dans une partie du filament en tungstène spiralé. Le tung- stène n'est pas fragilisé au niveau du joint et cela est obtenu au moyen d'un apport brusque d'énergiequi ne chauffe soudai- nement et au-dessus de son point de fusion, dans une atmos- phère réductrice ou inerte, que la petite quantité de métal de soudage utilisée dans la réalisation du joint. Du fait que la quantité de métal fondu est petite, la rerte de température de la zone avoisin ante, comprenant la partie principale du fil et le filament en contact avec le métal de soudage, provoque une chute de température si rapide que la fragilisation du tungstène est sensiblement évitée. Pour empêcher la perte de l'effet de refroidissement du fil, le temps de chauffage ou la durée de l'apport brusque d'énergie ne doit pas excéder une seconde, et l'on préfère que cette durée soit encore plus courte. Grâce au refroidissement rapide qui suit l'impulsion, la durée est insuffisante pour qu'il se forme un développe- ment appréciable de grains dans le t *ngstène en contact avec le métal de soudage. En outre, le métal de soudage est déjà T0 en cours de refroidissement lorsqu'il entre en contact avec le tungstène et cela contribue aussi à réduire l'étendue et la durée du chauffage du tungstène, et donc limite la forma- tion de cristaux. L'apport d'énergie peut être fait de diver- ses manières: on préfère avoir recours à une impulsion de dé- I5 eharge électrique; on peut également utiliser d'autres sources émettrices d'énergie, telles qu'un faisceau d'électrons ou un laser. L'environnement peut être formé d'une atmosphère inerte ou réductrice ou l'on peut travailler sous vide. Dans un mode-de mise en oeuvre préféré de l'invention, on juxtapose l'extrémité d'un fil de molybdène à l'extrémité spiralée ou à une projection terminale d'un filament de tung- stène, de préférence, de telle manière que le fil et la pro- jection spiralée s'intersectent au voisinage de leur extrémité. Ensuite, au moyen d'une impulsion d'arc ou de décharge tirée d'une électrode de tungstène dans un gaz inerte (soudage par impulsion TIG) vers la partie de fil de molybdène qui se projette au delà de la projection du filament spiralé, on pro- voque la fusion rapide, de préférence en moins de 500 milli- secondes, de la partie de fil en cause. Le gaz inerte nettoie le molybdène chauffé et le tungstène dans la région de l'arc et empêche toute formation d'oxyde. Par suite, le molybdène liquide mouille le tungstène et est étiré par capillarité dans les spires du serpentin o 1l se refroidit rapidement et se solidifie. L'intervalle de temps entre le début de l'impul- sion et le moment o le tungstène est refroidi à sa tempéra- ture de recristallisation d'environ 220000 est au plus de deux secondes, ce qui est insuffisant pour p Omettre une fra- gilisation nuisible du tungstène. Cet intervalle de temps est de préférence de 750 millisecondes ou moins pour emp.cher une telle flragilisation. En outre, le molybdène liquide refroidit progressivement tandis qu'il se propage le long des spires du filament de tungstene et il est le plus froid à son point de propagation le plus avancé. Ce point extrême d'avancée est egalement le nremierpoint de fixation avec le filament de tungstène o les +tension onttendance à être maximale, grâce à quoi l'invention permet d'obtenir la fragilisation la plus faible en ce point critique. L'invention est décrite ci-après en référence aux des- sins annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une lampe à incandescence halogène tungstène à extrémité unique, ayantde jonctions soudéesconformément à l'invention.; - la figure 2 est une vue en plan montrant la structure forméepar les fils supportant le filament -) la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une projection de filament spiralé reposant sur le fil, avec l'électrode de soudage en place au-dessus de la oartie de fil s'étendant au-delà du filament: - la figure 4 est une coupe prise selon la ligne 4-4 de la figure 3 - la figure 5 est une vue en plan à plus grande échelle de la jonction en formation, montrant la projection du fil transformée en boule fondue; - la figure 6 est une mue encore plus agrandie montrant une jonretion de filament symétrique terminée, conforme à l'in- vention; et la figure 7 ?montre une jonction de filament asymétri- que conforme à lginvention, dessinée à la meme échelle qu'à la figure 6. Si l'on se réfère particulièrement à la figure 1, on voit une lampe à extrémité unique du type à oycle d'halogène, compacte et de forte intensitéo Cette lampe est formée d'une ampoule ou enveloppe tubulaire 1 qui contient un filament 2 s'étendant longitudinalement et qui est constitué d'un fil de tungstène enroulé en spirale représenté ici sous la forme d'un serpentine L'ampoule renferme un remplissage de gaz composé essentiellement d'un gaz inatif tel que l'azote, ou d'un gaz inerte tel que l'argon, ou de mélanges de tels gaz, à une pres- sion de plusieurs centainres de torrset même sensiblement supé- rieure à la pression atmosphérique. Le remplissage de gaz ren- ferme une petite quantité de vapeur d'iode ou de brome qui sert de promoteur de régénération pour maintenir les parois de l'ampoule exemptes de dépôt de tungstène vaporisé depuis le filament. Pour maintenir opérationnel le cyclre de régération 1 est faite de verre ayant un point de ramollissement relati- venenYt levé, tel qu'un verre "dur" bien connu au borosilicate, à l'aluminosilicate ou de quartz Le filament 2 eat de n'im...r a te quelle capacité voulue pour maintenir la température des parois de l'enveloppe à la valeur nécessaire, par exemple d'environ 150 watts ou plus pour un fonctionnement à partir d'une source d'alimentation en courant classique. Le filament illustré est prévu pour un fonctionnement à 150 watts sous une tension de 115 volts. Le filament 2 est supporté, le long de l'axe longitudi- nal de l'ampoule, par des conducteurs internes court et long, respectivement référencés 3 et 4, se terminant par des bras IO transversaux 3_ et 4a qui s'étendent en direction de l'axe de l'ampoule. Les conducteurs sont faits en molybdène ductile suffisamment rigide pour supporter le filament, et ils sont noyés dans un joint 5 qui les pince et qu'ils traversent à l'extrémité inférieure de la lampe. Si on le souhaite, les portions de conducteurs noyées dans le joint 5 peuvent être prérevêtues ou enrobées de verre, d'une manière connue en soi, pour faciliter le scellement. Bien que les conducteurs 3 et 4 représentés ici soient fait d'une longueur continue et unique de fil de molybdène, on utilise fréquemment aussi des fils composites dans lesquels les parties des fils qui se projet- tent vers l'extérieur sont d'une composition différente, par exemple en alliage nickel-fer. De même, lorsque l'envelonne est formée de quartz ou de silice fondue, les fils 3 et 4 comprennent des parties de feuilles minces pour assurer un joint hermétique dans la région du joint pinçant comprimé 5. Une fois que l'enveloppe a été fermée étanchément par pinçage, l'intérieur de la lampe est balayé et rempli par un mélange de gaz a- moyen d'un tube d'échappement fixé au sommet de l'ampoule et dont on voit la trace en 6 une fois enlevé. La Drésente lampe est destinée à fournir des serviees de haute qualité et, en conséquence, le filament 2 a été recuit pour stabiliser la structure cristalline fibreuse du tungstène et chasser les impuretés éventuelles. Les filaments de tungstène recuits sont cependant fragiles et, dans le pas- sé, on s'est heurté, de ce fait, à des difficultés pour effec- tuer la fixation du filament à la structure de la lampe. La technique antérieurement utilisée, pour une telle lampe, con- sistait à introduire des pions dans les pattes du filament de les fixer avec des soudures résistantes et, ensuite, de IO souder les pions aux fils conducteurs. Le procédé était coû- teux et relativement peu fiable du fait qu'il nécessitait une manipulation précise des différents composants. La présente invention apporte une jonction brasée qui est plus fiable qu'une jonction par pion et plus économique IN à réaliser. Le molybdène, dont le point de fusion est d'en- viron 26200C, est un bon métal de brasure pour le tungstène qui a un point de fusion d'environ 33700C. Dour effectuer le brasag dufilament de tungstène auxfils de molybdène 3 et X par le procédé selon l'invention, i1 est commode d'utiliser une structure de fil dite en épingle à cheveux, telle que représentée à la figure 2. La structure comprend les conduc- teurs 3 et 4 réunis par un pont 7 qui maintient les parties dans la relation spatiale voulue pendant l'assemblage et le soudage. A titre d'exemple, les conducteurs 3 et 4 sort des fils d'aDproximativement 0,5 mm et le filament est fait d'un fil de tungstène de 0,03 mm. On fait reposer le filament spiralé 2 de telle sorte qu'il enjamble l'espace compris entre les bras 3a et 4a tournés transversalement, les pattes linéai- res du filament suiralé traversant et s'étendant au-delà de ces bras. Des moyens de fixation appropriés, non représentés au dessin, maintiennent le filament et la structure dans leur position relative en vue de leur brasage uiltérieur. Si l'or se refère aux figures 3 et 4, la longueur L de la saillie ou projection de la partie terminale 3b (ou 4b) du bras au- dela du filament est déterminée par rapport au volume de mo- lybdène voulu pour le brasage. Pour une partie de brasure sui s'étend dans les deux directions à partir du point X de croisement, il doit y avoir un volume suffisant de molybdène pour remplir plusieurs spires de la patte de filament dans IO0 les deux directions à partir de l'intersection. La section de brasure s'étend dans le filament sur une dLstance qui est au moins égale, et de préférence supérieure, au diamètre du conducteur. La longueur du filament spiralé qui est remplie de molybdène est indiquée par M,1 à la figure 4. If La structure en épingle à cheveu est mise à la terre, de préférence en un point du bras 3a proche de l'intersection avec la patte de filament, comme cela est schématiquement indi- qué aux figures 3 et 4 et, d'une manière similaire (non repré- sentée) en un point du bras 4a. L'électrode de tungstène 8 de l'équipement de soudage par tungstène en atmosphère de gaz inerte (TIG) est placée verticalement au-dessus de la projection 3b du fil de molybdène. La pointe de l'électrode doit être suffisamment proche du filament 2 pour permettre à la chaleur d'éclabousser quelque peu le filament, mais la distance -entre la pointe et le conducteur doit etre inférieure z5 à celle compriseentre la pointe et le filament pour garantir que la décharge de l'arc se feraa avec le conducteur et non avec le filament. L'électrode est entourée d'un tube ou manchon de cérami.ue 9 au t-avers d'uquel un gaz inerte de eovertU- est distribué pour envelopper la région de soeuage et la Drotéeer I0 de] 'air. L'argon constitue un gaz convenable; de préférence, il cotíent un netjt pourcentage (5%) d'hydrogènA pour pro- duire un arc plus chaud et fournir une atmosphere réductrice. Une telle atmosphère réductrice chasse les oxydes de la zone de brasage ou de soudage et facilite l'écoulement du métaL Pour procéder au brasage, on alimente en gaz inerte de couverture est on déchargea entre l électrode et le conducteur de molybdènes une impulsion de courant électrique d'une durée d'environ 100 millisecondes. L'extrémité 3b du conducteur de molybdène fond et forme une boul( 3c suIr laquelle s'étend la patte de filament 2, comme on le voit à la figure 5. En un très court laps de temps, le molybdène fondu mouille le filament detungstène et, étiré par capillarité, il pénètre dans les spires sur des distances approximativement égales 3d et 3e de chaque c8té de l'intersection avec le conducteur 3a, comme on le voit à la -figure 6. Avant le brasage, la patte de filament 2 est passée au-dessus du conducteur 3a, comme le montre la figure 3, mais les moyens de fixation (non représen- tés) qui maintiennent le filament en place ont tendance à met- 0 tre la Datte dans le même plan que le conducteur. Lorsque la la projection 3b est fondue, la pression exercée par les moyens de fixation et également la tension superficielle font que la patte de filament se centre d'elle-même par rapport à la patte du conducteur 3a de sorte que leur axe, à chacun% passe par le point y. Ia perte de chaleur par rayonnement, en direction du filament et de la structure par conduction, et en direction du gaz de couverture par convection, refroidit rapidement et solidifie la portionbrasée. Le brasage du long conducteur 4 r-ut être fait simultanément de la m9me manière. On interrompt ensuite l'alimentation en gaz de couverture et le cycle il est terminé. Après que] a structure en épingle à cheveu ait été scellée Dar pinçage dans l'enveloppe de la iampp comme le montre la figure 1, la partie de pont externe 7 est cou- pée pour ne conserver que des conducteurs de longueur appro- priée émergeant de l'enveloppe de la lampe. Sur la figure 6, on a représenté une jonction brasée symétrique, dans laquelle la portion brasée, c'est-à-dire l'étendue de la pénétration du molybdène dans la patte de filament, de chaque côté du conducteur, est la même. La figure IO 7 montre une jonction asymétrique qui est obtenue en raccour- cissant l'étendue de la projection de la patte de filament au-delà du conducteur, avant de faire le brasage. Le molybdène remplit ensuite facilement la courte distance 3d' jusqu'à l'ex- trémité coupée sur la gauche du fait qu'il y a moins de perte I5 de chaleur etqu'elle est plus chaude Le molybdènepé nètre éga- lement sur une distance 3e dans la partie droite qui peut être plus longue ou plus courte que la précédente, selon le volume de métal de brasure. On peut utiliser un brasage asymétrique pour réduire la perte de filament, car ce n'est que la partie depatte de filament qui se prolonge par la spirale qui est utile. En fait, le conducteur peut être brasé à l'extrème bout de la patte de filament, si on le désire, pour réduire la per- te de filament au minimum. D'un autre côté, un joint symétri- que, tel que celui représenté à la figure 6, présente l'avan- tage que les variations dans la longueur utile du filament et le volume résultant du métal de brasure du aux tolerances ou erreurs dans la longueur de la projection sont réduites de moitié. Les paramètrps les plus importants du procédé que l'on doit maîtriser pour obtenir de bonnes jonctions entre le con- ducteur et le filament de tungstène spiralé sont les suivants 1 - la longueur de la projection La longueur de la projection commande directement le volume de métal de brasure et la dimension M. Elle doit être suffi- ) sante pour permettre à'-a décharge électrique de se faire vers la partie de conducteur 3b, et non nas vers le filament de tungstène. 2 - le chauffage On doit fournir une quantité d'énergie électrique suffisante IO pour faire fondre le volume de molybdène choisi pour la brasu-_ re. L'arc électrique, c'est-à-dire la vitesse à laquelle la chaleur est fournie, est de préférence optimale pour que le molybdène fonde aussi rapidement que possible sans éclabousser le tungstène de manière incontrôlée et sans provoquer une I5 vaporisation excessive de ce dernier. 3 - le refroidissement On interrompt le chauffage de la partie brasée, et ce tota- lement, dès que l'impulsion est terminée et la vitesse de re- froidissement est commandée principalement par la conductivi- té de la structure, par la chute de température provoquée par les composants, et par la vitesse de l'écoulement du gaz de couverture. On refroidit aussi vite que possible pour proté- ger la structure de grain du filament de tungstène à l'égard d'une cristallisation nuisible et d'une fragilisation résul- tante. 4 - l'oxydation On empêche l'oxydation du filament de tungstène ou du molyb- dène Dar un écoulement suffisant du gaz de couverture. Il est souhaitable d'ajouter un petit pourcentage d'hydrogène à l'ar- gon pour favoriser le mouvement rapide du molybdène fondu dans le filament en spirale. - le choix du matériau Le matériau choisi pour la réalisation de la structure ou du fil conducteur formant la soudure doit satisfaire aux exi- gences imposées rar la lampe, outre qu il doit avoir une tem- pérature di fusion sensiblement plus basse que l fila.e nt en tungstène spiralé. Lc molybdène constitue un bon choix ear il Peut atre scellé direetement sur du verre dur ou u quartz et il est suffisamment réfractaire cour l'usage envi- sagé. Le nickel et le fer oeuvent également être utilisés. La Demanderesse a utilisé ees différents critères dans les essais qu'elle a mis en oeuvre et elle a obtenu des résul- tats satisfaisants et cohérents. Des photographies métallogra- phiques ne revèlent aucun changement significatif de la struc- I5 ture cristallographique du filament. Cela est confirmé par des essais mécaniques qui ont montré qu'il n'y avait pas de détérioration dans la résistance du filament par suite du bra- sage. Il est clair que le procédé de brasage décrit ne com- porte pas d'opération demandant une grande technicité ou dextérité de la part de l'opérateur et qu'en fait, ce procé- dé peut être facilement automatisé pour la fabrication de lam- Pes. - 14 REVENDICATIONS 1 - Jonction Pntr- un filament de tungstène et un fil conducteur, caractérisée en ce qu'el!le est constituée par: - un filament de tungstène ayant une partie spiralée (2), z - un fil conducteur métallique (3,4) pénétrant dans ctte partie spiralée (2) et se prolongeant par une zone de brasage (3d, 3e) d'un seul tenant qui s'étend longitudinale- ment dans la partie spiralée (2), cette zone die brasage (3_d 3e) résultant de la fusion soudaine iO d'une portion de fil conducteur (3b,4b>dn. une atmosphère iner- te ou réductrice, tandis que cette portion (3b4b) est en contact avec la partie spiralée (2), de sorte que le métal fondu mouil- le le tungstène et est étiré par capillarité dans les spires ou il se solidifie, le laps de temps compris entre la fusion I5et la solidification étant trop court pour permettre une for- mation significative de cristaux dans le tungstène en contact avec le métal fondu. 2 - Jonction selon la revendication l, caractérisée en ce que la partie spiralée (2) est formée de fil de tungstène recristallisé. 3 - Jonction selon la revendication l, caractérisée en ce que le fil conducteur (3,4) est en molybdène. 4 - Jonction selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone de brasage (3d,3e) s'étend au long de la partie spiralée (2) sur une distance qui n'est pas inférieure au diamètre du fil conducteur. - Jonction selon la revendication l, caractérisée en ce que le fil conducteur (3,4) penètre dans la partie spiralée (2) depuis le coté d'un point intermédiaire C4. 6 - Procédé de réalisation d'une jonction entre un fila- mont de tungstène ayant une partie spiralée () et un fil ?on- ducteur métallique (3,4), caractérisé en ce qu'i co-is-+e à: - juxtaposer la partie spiralée (2) et une portion ter- minale (3b, 4b) du fil conducteur (3,X) ayant un volume adé- quat pour remplir plusieurs spires de la spi-ale de la par- tie spiralée (2); - faire fondre soudainement la portion terminale (3_b, 4b), sous atmosphère inerte ou réductrice, grâce à quoi le IO métal fondu mouille le tungstène et est étiré par capillarité dans la spirale o i] se solidifie À et, à - commander la vitesse de l'alimentation en énergie fournie à la portion terminale (3b, 4b) et la vitesse de re- froidissement du métal fondu de manière que la fusion et la solidification subséquente se fassent en un laps de temps trop court pour permettre une fragilisation du tungstène en contact avec le métal fondu. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie spiralée (2) du filament et le fil condue- teur (3,4) sont juxtaposés de telle manière qu'ils soient en contact et s'intersectent au voisinage de leurs extrémités et en ce que la portion terminale en saillie(3b,4b)du fil conducteur (3,4) est fondue et étirée par capillarité dans la partip spiralée (2). 8 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la vitesse de l'alimentation en énergie de la _crtin terminale (3b, '-b) D+ la vitesse de refroidissement du éta fondu sont choisies de manièrp que le laps de tmps r omois entre]la fusion et la solidification soit inférieur à 2 secon- des. 9 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en 1A ce que la portion terminale (3b, 4b) est fondue par une im- pulsion d= décharge électrique dans une atmosphère inerte ou réductrice. -procédé selon la revendication 6, caractérisé en cge que la portion terminale (3b, 4b) est fondue par une im- pulsion de décharge électrique depuis une électrode de tungs- tène dans une atmosphère inerte ou réductrice, et en ce que la puissance de l'arc de soudure, la durée de cet arc et la vitesse de refroidissement du métal fondu sont commandées de IO manière que le laps de temps entre la fusion et la solidifi- cation soit inférieur à 750 millisecondes.