Brevet FR2505228A1 — publié le 19821112

La présente invention concerne un procédé d'union dglaluminium au titane par soudage et un article soudé ainsi produit. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé d'union de l'aluminium au titane par soudage par emploi d'une énergie de soudage suffisante pour que le ti- tane et l'aluminium fondent à l'interface de jonction. De plus l'invention-concerne un article soudé dans lequel le titane a été uni à l'aluminium par soudage. Dans l'électrolyse du chlorure de sodium, on uti- lise souvent actuellement une enveloppe de titane, au moins sur le c 8 té de la cellule auquel les anodes sont fixées. Dans ce cas, la matière de base des anodes-est généralement le titane L'enveloppe de la cellule du c 8 té o les anodes sont fixées ou chacune des extrémités des anodes traversant l'enveloppe de la cellule est fixée par ux*accord boulonné au conducteur de courant en aluminium Ces raccords boulon- nés provoquent des résistances de transfert et donc des pertes d'énergie, ce qui les rend indésirables. Comme dans les cellules d'électrolyse il est néces- saire d'unir mutuellement l'aluminium et le titane, on a proposé divers procédés à cet effet. Le brevet britannique N O 1 125 493 mentionne comme procédé le laminage, le soudage par explosion et le soudage par résistance Comme le laminage nécessite une force impor- tante pour produire une union métallurgique entre l'alumi- nium et le titane, ce procédé est malaisé Il est limité à des t 8 les très minces et ne convient pas à la fixation de rails conducteurs épais ou des structures de soutien en aluminium des cuves De plus, le laminage doit être effec- tué dans des ateliers équipés de dispositifs spéciaux et ne peut pas être réalisé sur place Le titane et l'aluminium peuvent être unis entre eux par soudage par explosion. Cependant ce procédé est très malaisé et coûteux pour fixer des rails de courant épais à l'enveloppe de titane d'une cellule d'électrolyse De plus le soudage par explosion ne peut être réalisé que dans des installations munies d'un équipement spécial Si l'enveloppe en titane d'une cellule d'électrolyse est ainsi "revêtue" d'une t 8 le d'aluminium, les rails de courant en aluminium doivent de plus être fixés par soudage séparé aux conducteurs de courant en aluminium De plus, il est difficile de réaliser des cana- lisations en une telle enveloppe en titane-aluminium par suite de la présence de ces deux matières, par rapport au cas o une enveloppe est constituée uniquement de titane. Comme l'aluminium est un bon conducteur de l'électricité et de la chaleur, on ne peut fixer que des t 8 les d'aluminium minces à des t 8 les de titane par soudage par résistance. Ainsi, l'épaisseur maximale indiquée dans ledit brevet pour les t 8 les d'aluminium à fixer est d'environ _ mm. Le brevet britannique no 1 127 484 mentionne le soudage avec métal d'apport et le brasage en plus du souda- ge par explosion, auquel cas on fixe une t 8 le plate de tita- ne à des t 8 les de base en aluminium relativement épaisses. Le soudage avec Métal d'apport et la brasure sont des opéra- tions très malaisées,car tout d'abord on doit éliminer une pellicule d'oxyde du titane et de l'aluminium et de plus les pièces doivent être maintenues sans oxyde, par exemple sous vide ou sous un gaz protecteur, jusqu'à ce que le soudage soit réalisé De plus, plusieurs matières d'apport sont généralement nécessaires. Le brevet mentionne également la coulée, en alu- minium, de saillies à la surface de la cellule L'opération de coulée est difficile à réaliser en particulier dans le cas de rails de courant relativement-épais Si l'on utilise la coulée pour fixer les rails de courant, il demeure à la surface du titane une pellicule d'oxyde dont le point de fusion est bien supérieur à la température de coulée, ce qui produit une couche ayant une résistance électrique entrat- nant des pertes d'énergie lors du passage du courant Pour cette raison également, la coulée ne peut pas *tre utilisée pour les rails de courant Le procédé est également hors de question pour fixer les structures de soutien de grosses cuves, car il serait trop difficile à mettre en pratique et ladite couche d'oxyde affaiblirait la résistance mécanique de la structure. Dans le brevet britannique no 1 522 622, on utili- se des méthodes de soudage par fusion comparables à la coulée, Dans ce cas, on fixe des broches d'aluminium par soudage par friction à l'enveloppe d'une cellule d'électrolyse en tita- ne Un moteur hydraulique fait tourner les broches de façon que leurs surfaces de contact avec le titane fondent Le -procédé est très malaisé car, lorsqu'on utilise des rails conducteurs, les broches doivent également être raccordées d'une façon ou d'une autre aux rails De plus, ce procédé d'union est limité aux pièces pouvant tourner. Le brevet précité mentionne également le soudage par décharge de condensateur C'est également un type de soudage par résistance, dans lequel les pièces à souder sont pressées l'une contre l'autre, puis une décharge électrique est effectuée à travers les pièces, ce qui provoque la fu- sion de l'aluminium La conductivité électrique et thermique élevée de l'aluminium limite l'épaisseur des pièces A unir ou leur section, ce qui restreint le procédé à des pièces relativement minces ou de faible section, car, dans le cas de pièces épaisses, l'électricité et la chaleur sont rapi- dement transférées en direction latérale, ce qui ne permet pas d'obtenir une énergie thermique suffisante pour effectuer le soudage dans les zones à souder. Le procédé de brasage particulier décrit dans la demande de brevet N O 2 735 059 déposée en République Fédérale d'Allemagne nécessite plusieurs stades et plusieurs matières d'apport ainsi qu'un appareillage spécial Pour cette raison ce procédé est malaisé. Le brevet britannique no 1 237 090 indique que l'on peut souder du titane à de l'aluminium par soudage au tungstèn sous gaz inerte (TIG) On doit noter qu'il ne s'agit pas réellement d'un soudage à l'arc, mais d'un procédé par fusion, car on n'utilise pas de matière-d'apport (fil de soudage) On indique dans ce brevet que pour être élastiques, les éléments à unir doivent être suffisamment minces On peut noter qu'il n'est pas possible d'unir des pièces épaisses selon ce pro- cédé Le procédé ne peut pas être utilisé pour des joints soudés normaux, car la composition de la matière fondue est incontrelable, si bien que l'on ne peut pas unir entre elles de façon fiable des pièces de titane et d'aluminium D'autre part, le brevet n'indique pas comment on pourrait contrôler la composition de la matière fondue, si ce n'est que l'épais- seur de l'aluminium doit ttre au minimum quatre fois supé- rieur à l'épaisseur du titane auquel on l'unit Ces conditions relatives à l'épaisseur limitent beaucoup la gamme de struc- tures. Tous ces procédés compliqués sont bien s r impu- tables au fait qu'il n'est pas possible d'effectuer le sou- dage à l'arc du titane à l'aluminium, car il se forme des composés fragiles de ces métaux. Cependant, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 264 426, on applique le soudage à l'arc à la fixation directe de conducteurs de courant en aluminium par exemple à l'enveloppe en titane d'une cellule d'électrolyse. Dans le brevet finlandais N O 58 164, on utilise le soudage à l'arc pour fixer des structures de soutien et des renforts en aluminium à des cuves de titane, ce qui permet d'obtenir da structures de soutien simples et robustes pour les cuves au lieu des structures compliquées précédemment utilisées. Bien qu'il soit possible d'appliquer le soudage à l'arc,le procédé n'est pas maltrisé de façon optimale. On a à présent observé que l'on peutde manière surprenante,gr 9 ce à l'emploi pour le soudage d'une certaine température facile à ajuster au moyen de dispositifs du commerce, effectuer un soudage fiable et reproductible pour obtenir entre le titane et l'aluminium une jonction robuste et capable de résister aux variations de température. Selon l'invention, on utilise pour le soudage la quantité d'énergie juste suffisante pour que la température du c 8 té titane de la limite de la masse fondue d'alliage soit d'environ 2 000 C ou demeure inférieure à 2 000 "C mais avantageusement supérieure au point de fusion du titane, de préférence supérieure à 1 750 C La température de la masse fondue au milieu de la soudure est dans ce cas de préférence au maximum de 1 5000 C, de préférence en moyenne inférieure de 500 à 8000 C à la température maximale admise pour la masse fondue du côté titane D'autre part, du côté aluminium, il convient que la température de la masse fondue dépasse le point de fusion de l'aluminium Dans un article soudé obtenu suivant un tel procédé, la phases au voisinage de l'interface entre le titane et l'aluminium est à peu près constituée uniquement de phase W/ discontinue (A 13 Ti) disper- sée dans une matrice d'aluminium, les alliages de base et l'aluminium d'apport pouvant contenir au maximum O 10 % et de préférence au maximum 5 % de titane Lors du soudage selon le procédé de l'invention, la quantité de métal fondu peut être maintenue faible, si bien qu'il s'y dissout aussi peu de titane que possible et que de préférence au maximum 15 % de titane précipitent ou sont alliés à l'aluminium dans la matrice d'aluminium au voisinage de l'interface avec le titane, et de préférence moins de 8 % A cet égard, la limite de la masse fondue d'alliage est la surface de l'encoche. Dans le procédé selon l'invention, on peut utiliser un procédé de soudage à l'arc quelconque tel que le soudage TIG, le soudage MIG (Metal Inert Gas) et le soudage au plasma, ainsi que les procédés de soudage dans lesquels l'énergie n'est pas introduite au moyen d'une ou plusieurs électrodes de soudage mais directement, comme par exemple le soudage au laser. Dans le soudage mutuel du titane et de l'aluminium avec apport d'aluminium (fil de soudure), la caractéristi- que essentielle est que, à la limite de la masse fondue d'alliage du coté titane, la température est au maximum d'en- viron 2 0000 C, de préférence plus proche du point de fusion du titane ( 1 672 C), par exemple de 1 750 C. Si l'on effectue le soudage avec une quantité d'é- nergie trop élevée, la température s'élève nettement au-dessus de 2 000 C tandis qu'une masse importante de métal fondu se produit et qu'une grande quantité de titane est alliée à l'aluminium Lorsqu'une telle masse fondue se solidifie, il se forme des composés de titane-aluminium en grande quantité du c Sté titane de la frontière de la jonction -: phases Y, et/ (cf ASTM Metals Handbook, Vol 8, Metallography, Structures and Phase Diagrams, 8 ème éd 1973, p 264) Ces phases forment des couches continues dans l'ordre Y, &,/3 à partir de la surface du titane Parmi ces phases, au moins la phase 14 est fragile Comme le coefficient de dila- tation thermique de l'aluminium est au moins le triple de celui du titane, des contraintes importantes se forment dans la zone limite entre le titane et l'aluminium soudés lorsque la zone soudée se refroidit Sous l'effet de ces contraintes, la couche continue fragile de phase 419 casse et la soudure se rompt à la limite des phases, et y Si l'on maintient la température du côté titane de la limite de la masse fondue d'alliage au voisinage de 2 000 C ou en dessous de cette température, une quantité nettement moindre de titane se dis- sout dans l'aluminium etlorsque la soudure se solidifie, il se forme une couche mince et discontinue de phase,. (A 13 Ti) à la limite entre le titane et le métal fondu et des granules 4 dispersés se forment dans la matrice d'alumi- nium au voisinage du titane Une telle jonction est robuste, car il n'y a pas de couche de phase le continue fragile à la limite du titane. Du c 8 té aluminium de la limite de la masse fondue d'alliage, la température doit être supérieure au point de fusion de l'aluminium, c'està-dire supérieure à 6600 C Si la température à la limite de la masse fondue d'alliage du c 8 té titane s'élève au-dessus de 2 000 C, la température du coté aluminium de la limite de la masse fondue d'alliage s'élève à une valeur si élevée que l'on n'obtient plus une bonne jonction En pratique, la température moyenne au milieu de la masse fondue s'établit à environ 500 à 8000 C en dessous de la température maximale du c 8 té titane de la masse fondue. Si du c 8 té titane la température de la limite de la masse fondue d'alliage est au maximum d'environ 2 0000 C, la tempé- rature moyenne ne s'élève guère au-dessus de 1 5000 C et la jonction du c 8 té aluminium est bonne Dans ce cas, il n'y a pas de quantités notables de phase y et & ni de couche con- tinue de phase 14 à la limite du titane, si bien que le joint soudé dans son ensemble est robuste En principe, on peut même opérer à une température plus base que celle précédemment indiquée, car un degré considérable d'alliage à la jonction n'est pas nécessaire Dans ce cas cependant, il risque de se produire un fluage à froid qui affaiblit la soudure La limite inférieure pratique de la température au milieu de la masse fondue est de 1 000 à 1 1000 C. On a précédemment proposé que la masse de métal fondu soit aussi faible que possible pour que la fusion du titane et de l'aluminium soit réduite autant que possible. Ceci constitue bien entendu un concept relatif, car, par exemple dans le cas du soudage TIG, il se forme facilement une masse fondue plus importante que dans le soudage au laser dans lequel, si nécessaire, on peut focaliser le faisceau énergétique sur une petite surface. De plus, on notera que l'aluminium d'apport (fil de soudure) ou l'aluminium de base (pièce à souder) peut également être constitué par un alliage dont la concentration en aluminium ne correspond pas aux concentrations de l'alu- minium pur ou presque pur Dans ce cas, les alliages de la matière de base et de l'aluminium d'apport ne doivent pas contenir plus de 10 % de titane et de préférence doivent contenir moins de 5 % de titane. Il ressort clairement de l'exposé précédent que, dans la gamme des températures proposées, le degré d'alliage du titane et de l'aluminium peut ttre faible, si bien que le joint soudé est robuste En pratique, il est facile, pour températures précitée, dra 4 uster les obtenir la gamme des/quantités d énergie utilisées pour le soudage Par exemple, dans le soudage MIG, on agit pour cela sur la tension et, dans le soudage TIG, on agit sur l'in- tensité du courant De plus, on peut contr 8 ler l'opération 3 o de soudage en agissant sur la vitesse d'apport du fil de soudure Les exemples 1 à 3 illustrent la conduite de l'opé- ration soudage. Lorsque l'on utilise le procédé de soudage selon l'invention, il n'y a pas de limitations de l'épaisseur du titane et de l'aluminium On peut pa Veiemple effectuer un soudage bout à bout avec des pièces de titane et d'aluminium de même épaisseur Lorsqu'on effectue un soudage d'angle normal, les épaisseurs relatives des pièces à souder n'ont pas d'importance, car les pièces ne fondent pas complète- ment et la partie de jonction à l'interface avec le titane est formée par la matière d'apport (fil de soudure). Selon le procédé de soudage de l'invention, on peut souder de façon avantageuse des rails de courant en aluminium par exemple à l'enveloppe de titane d'une cellule d'électrolyse, auquel cas le procédé d'union est en soi simple De plus, on bénéficie de l'avantage de l'absence de résistance de transfert entre le titane et l'aluminium, contrairement au cas o l'on utilise des raccords boulonnés. Le procédé de soudage mutuel du titane et de Valu- minium selon l'invention peut également êtrqàppliqué de fa- çon avantageuse à la fabrication de structures de soutien et de renforts pour des cuves, des récipients de cristallisa- tion et d'autres appareillsge Ven titane Dans le cas d'une cuve, une structure de soutien entourant la totalité de la cuve est généralement nécessaire On pourrait auparavant la réaliser par exemple par soudage d'une bordure de titane relativement mince autour d'une cuve de titane Des trous sont percés dans cette bordure à intervalles réguliers suffisants Le renfort en acier ayant des trous correspon- dants est ensuite fixé au moyen de boulons à la bordure de titane soudée à la paroi de la cuve Grâce au soudage de l'aluminium selon l'invention, on peut souder directement un anneau de renfort en aluminium à la paroi d'une cuve de titane Ceci nécessite au maximum le même travail de souda- ge que la fixation d'une bordure de titane, mais la structu- re de renfort compliquée en acier est éliminée en totalité. Lors du soudage du titane, il est souvent nécessaire, pour des raisons pratiques, d'effectuer un soudage TIG, tandis que l'anneau d'aluminium peut également être soudé par soudage MIG, ce qui réduit environ de moitié le temps de soudage, car le soudage TIG est bien plus long à réaliser que le soudage MIG. L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide d'exemples et en regard des dessins annexésdans lesquels les figures la, lb, et 2 a 2 b sont des vues res- pe deux pectivement de dessus et de c 8 té/ échantillons soudés selon le procédé de l'invention et la figure 3 est une microphotographie d'une coupe perpendiculaire à l'article soudé, dans la zone limite entre la matière de la soudure et la t 8 le de titane de l'éprouvette de traction, au voi- sinage du fond de la soudure La matière de la soudure contient des granules 14 divisés et dispersés. Sur les figures la, lb et 2 a, 2 b, le titane est indiqué par la référence 1, l'aluminium par la référence 2 et la jonction soudée par la référence 3. Exemple 1 On utilise un transformateur de soudage LI-350 K (Kemppi Oy, Finlande) pour le soudage TIG On soude un cordon d'aluminium à une t 8 le de titane épaisse de 6 mm avec un fil d'aluminium à environ 99 % ayant un diamètre de 3 mm comme fil de soudure La tension de l'arc de la machine est de 2934 V et le courant nominal est ajusté à 75 A avec une vitesse de soudage d'environ 200 mm/min Pour effectuer l'a- justement de la masse fondue, le fil de soudure d'aluminium est amené derrière l'électrode en tungstène La température maximale du titane est d'environ 1 9000 C On obtient une bonne jonction soudée dans laquelle le taux d'alliage au voisinage de l'interface avec le titane est d'environ 5 %. Lorsqu'on élève le courant nominal à 80 A, la température maximale du titane s'élève à environ 2 100 C. Dans ce cas, le taux d'alliage au voisinage de l'interface avec le titane a une valeur très importante, d'environ 20 %, et la soudure obtenue est fragile. Exemple 2 On effectue une série d'essais de soudage MIG. On utilise un transformateur de soudage RA 325 (Kemppi Oy, Finlande). On soude un rail d'aluminium ayant une section de mm x 35 mm à une t 8 le de titane de 5 mm Le métal d'apport utilisé est 6 onstitué d'un fil d'aluminium à environ 99 % ayant un diamètre de 1,2 mm On règle la tension de l'ap- pareil à différentes valeurs On obtient un bon soudage pour deseensions de 31 à 25 volts Avec des valeurs supérieures à 31 volts, on obtient une soudure fragile et avec des valeurs inférieures à 25 volts, un fluage à froid commence à appa- rattre dans la Jonction soudée, ce qui réduit la résistan- ce mécanique de l'article soudé. La qualité des Jonctions soudées peut être mesurée de diverses façons Une façon habituelle consiste à indiquer la limite à 0,2 %, c'est-à-dire la force nécessaire pour produire un allongement de 0,2 % Une autre mesure couramment utilisée de la résistance mécanique est la résistance à la rupture. Exemple 3 Les résultats figurant sur le tableau de la page 12 concernent différents types d'éprouvettes de traction sur lesquelles on a effectué des essais de traction selon la norme SF 3173. Les valeurs indiquées par le fabricant des matières utilisées dans le soudage sont les suivantes: Ti (environ 99,5 % de Ti); limite à 0,2 % > 274 N/mm 2; résistance à la rupture: 390-540 N/mm 2. A 1 ( 97,2-99,2 % Al); limite d 0,2 % > 176 N/Mm 2; résistance à la rupture > 216 N/m 2. Fil d'Al, O 1,2 mm (environ 99,5 % d'Al); limite à 0,2 % > 59 N/mm; résistance à la rupture > 69 N/m 2. La limite à 0,2 % des éprouvettes de traction n'est pas totalement comparable à la limite à 0,2 % des matériaux, car les différences des résistances mécaniques des matériaux de base et de la résistance mécanique nettement inférieure de la matière d'apport sont cause de l'allongement principal se produisant dans la soudure D'autre part, la résistance Un n A à la rupture donno 7 iâe de la résistance mécanique de la soudure Dans les échantillons 1-2, le degré d'alliage est peu important et les résistances à la rupture sont supérieures à celles de l'aluminium d'apport Dans les échantillons 3-5, le degré d'alliage est peu important Les échantillons ont été conservés environ un an avant les essais De plus, les Jonctions soudées 3 sont plus petites que dans les éprouvet- tes 1-2 Les échantillons 3-5 ont présenté un durcissement de vieillissement. Dans tous les cas,la rupture s'est produite 1 l principalement au milieu de la jonction soudée et non par exemple à l'interface entre Ti ( 1) et Ai ( 2). Il convient de noter qu'il se produit, en rapport avec le soudage, un adoucissement partiel de la matière de base 2 en aluminium, car la matière 2 en aluminium utilisée a été soumise à un traitement thermique en solution et à un vieillissement artificiel Le même adoucissement s'est également produit en relation avec l'usinage des échantillons en aluminium (n O 6-7), dont les résultats ne correspondent pas aux valeurs indiquées par le fabricant Les résultats montrent nettement que la résistance mécanique de la soudure 3 est supérieure à celle de l'aluminium dtapport utilisé et le résultat du soudage peut donc être considéré comme bon. oe t I Cj Ln CD tn tu TVIP esleq quemenb Tun Z', Gjn 5 Tj ?, eans Ta a ain 2 T,,i l a-Zn S'Pq E ain ST,,q 06 T 6,i TOT, #11 sol #6 I CI oi-L TOT #6 irg gg o'6 L 116 ú 4 1, qc 6 O"OT Le 6 i" 9 T 9 " 9 T 9 "#T 0 Il 9 T 0 " 9 T 0 " 9-l 6 " ir,l L i -1 Cu r-1 U-8 -E U-Q -l Ule -E Ou Temes T au-gimes -E amm IN ainqd-ni -el - 8 zuvis Tsqu 99 wpnos et go Tvssati ej 14 ue glnoog sdwe, UOIT Tqu'emoz CWWIN %?",O 1 QIUW i ri ww aqqo Anoadp 1 op iness Tv 2 l ww a 44 e Anoadgl op 1 nosain 04 qq Anoidgil OP 'x ri v a 7 9 v 1 REVENDICATIONS 1 Procédé pour unir de l'aluminium à du titane par soudage utilisant une énergie de soudage telle que le titane et l'aluminium fondent à la limite de jonction, ca- ractérisé par le fait que l'énergie de soudage maximale utilisée est telle que la température du côté titane de la limite de la masse fondue d'alliage soit au maximum d'envi- ron 2 00000 - 2 Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé par le fait que la quantité d'énergie de soudage utilisée est telle que la température du c 8 té titane de la limite de la masse fondue d'alliage soit au minimum égale au point de fusion du titane et de préférence au minimum de 1 7500 C. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé par le fait que l'énergie de soudage utilisée est telle que la température de la zone d'alliage de la masse -fondue au milieu de la jonction soudée soit au maximum de 1 5000 C et de préférence soit en moyenne inférieure d'en- viron 500 à 8000 C à la température maximale admise de la limite de la masse fondue d'alliage du c 8 té titane. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que la quantité d'énergie de soudage utilisée est telle que la température du c 8 té aluminium de la limite de la masse fondue d'alliage soit supérieure au point de fusion de l'aluminium. 5 Article soudé dans lequel du titane a été uni à de l'aluminium par de l'aluminium d'apport, les allia- ges de base et l'aluminium d'apport contenant au maximum % et de préférence au maximum 5 % de titane, caractérisé par le fait que la phase au voisinage de l'interface entre le titane et l'aluminium est a peu près constituée unique- ment d'une phase,,4 discontinue dispersée dans la matrice d'aluminium. 6 Article soudé selon la revendication 5, carac- térisé par le fait que,dans la matrice d'aluminium de la jonction soudée au voisinage de l'interface avec le titane, au maximum 15 X et de préférence moins de 8 % de titane sont alliés à l'aluminium.