Brevet FR2627905A1 — publié le 19890901

Bague de soudage et d'appui. L'invention a pour objet une bague de soudage et d'appui destinée à assembler deux parties de bottier cylindriques destinées à former le bottier résistant à la pression d'une pile électrique qui comprend des empi- lements d'électrodes disposés symétriquement par rapport au joint soudé. Les piles nickel-hydrogène sont des exemples de piles électriques de ce type. Ces piles sont normalement composées d'un empilement d'électrodes qui est enfermé dans un bottier à paroi mince, résistant à la pression. Dans ce cas, l'hydrogène est emprisonné sous une pres- sion intérieure élevée (par exemple 60 bars). Lors de la décharge ou de la mise en charge de la pile, la pression d'hydrogène décroit ou croit proportionnellement à la valeur de charge tirée ou chargée. En présence de ces variations cycliques de la pression, le joint soudé est fortement sollicité en raison de la nature pulsatoire de la pression intérieure, alors qu'il doit évidemment res- ter absolument étanche. Le bottier des piles de ce genre est composé d'une paroi latérale cylindrique résistante à la pression, qui est elle-même formée de deux demi-bot- tiers, réunis au moyen d'une soudure d'assemblage circu- laire. Pour éviter que l'empilement d'électrodes soit en- dommagé par la chaleur du soudage, le joint soudé est disposé de manière à se trouver entre deux empilements d'électrodes, considéré dans la direction axiale. L'as- semblage du bottier ne s'effectue qu'après la confection des empilements d'électrodes; il est donc indispensable de supprimer tout risque d'introduction de perles de sou- dure dans la pile. Il est connu d'utiliser pour cela des bagues de soudage qui centrent les éléments du bottier et recouvrent intérieurement le joint soudé et, de cette façon, évitent la pénétration de perles de soudure dans 2627 9OS le bottier. Etant donné que la bague de soudage est elle aussi soudée au bottier lorsqu'on soude les demi-bot- tiers, elle sert en supplément de renforcement radial pour le bottier. D'un autre côté, il est connu d'utiliser aussi la bague de soudage comme élément de maintien pour les empilements d'électrodes. C'est ainsi qu'on connait, par le US-A-4 546 054, une bague de soudage prévue pour. un empilement symétrique, qui présente une section en T et est assemblée à des plaques métalliques annulaires diri- gées vers l'intérieur. Cet ensemble de plaques de souda- ge et d'appui est composé de trois pièces métalliques bien ajustées les unes dans les autres, et qui doivent donc être fabriquées avec une grande précision. La cons- truction est de ce fait coûteuse et relativement lourde. Etant donné que les plaques métalliques annulaires sont très rapprochées, il se produit, lorsque la pile vibre, par exemple, au cours d'un départ de fusée d'un engin spatial équipé d'une telle pile, un certain effet de mem- brane qui ne peut être supprimé qu'au moyen de plaques isolantes centrales relativement épaisses. Ceci a à nou- veau pour effet d'augmenter le poids et le prix des pi- les. Par ailleurs, en raison de la liaison relativement étroite existant entre les deux demi-empilements, on n'obtient qu'un faible découplage thermique, ce qui peut conduire à des difficultés. On connaît, par le DE-B-35 20 854, une au- tre forme de réalisation d'une bague de soudage qui pos- sède déjà des moyens de maintien des empilements d'élec- trodes constitués par des languettes. Les piles de ce genre sont très bien appropriées pour les applications terrestres habituelles. Par contre, au cours d'essais exécutés dans des conditions de voyage dans l'espace tel- les que celles qu'on rencontre, par exemple, au cours du lancement des fusées, on a constaté que, sous l'effet des forces vibratoires qui se développent, les languet- tes peuvent se tordre ou que les empilements vibrent de leur côté, de sorte qu'on peut atteindre des conditions de destruction des piles. Le soudage des demi-bottiers l'un sur l'autre et sur la bague de soudage était exécu- té par le procédé métal-gaz inerte (MIG). Dans ce cas, pendant le soudage, on apporte une matière additionnelle sur la zone de soudage à l'aide d'un fil de soudure. Ce- ci présente l'avantage de former un gros cordon de soudu- re qui contribue à la solidité de la soudure. Toutefois, des inconvénients de ce procédé consistent dans le poids additionnel dû à la formation du cordon de soudure et qui est inadmissible dans les utilisations spatiales et, d'autre part, dans le fait que, lorsque les piles sont montées dans des éléments de refroidissement qui les en- tourent étroitement, le cordon est très gênant. Le pro- blème de l'addition d'un supplément de masse dûe à l'opé- ration de soudage peut être évité par le fait que, par exemple, on effectue le soudage par le procédé tungstè- ne-gaz inerte (WIG) ou par le procédé au plasma. Malheu- reusement, ces procédés exigent un centrage beaucoup plus précis, c'est-àdire des relations réciproques de circularité et de planéité entre les éléments du bottier et la bague de soudage plus précises que dans les procé- dés de soudage MIG précités. L'invention a pour but de créer une bague de soudage et d'appui qui possède une haute précision de circularité et de planéité, qui réunisse une haute soli- dité ou rigidité axiale et radiale à un poids réduit, qui permette d'obtenir une haute précision de centrage vis-à-vis des empilements d'électrodes et des éléments du bottier, et qui puisse être soudée aux éléments du bottier avec une faible formation de cordon de soudure. Ce problème est résolu par la bague de soudage et d'appui selon l'invention, qui est caractérisée en ce 2627Bo5 qu'elle possède une section transversale creuse rectangulaire, munie d'une collerette dirigée vers l'extérieur, disposée dans une position à peu près équatoriale. La bague de soudage et d'appui est donc confor- mée de manière à posséder une section transversale creu- se rectangulaire qui présente une collerette dirigée vers l'extérieur et placée dans une position à peu près équatoriale. Etant donné que la bague présente ainsi un profil de caisson, l'épaisseur de paroi peut être mainte- nue très mince. La collerette dirigée vers l'extérieur, disposée dans une position équatoriale, sert,d'une part, de butée pour les demi-boitiers formant le bottier de la pile et, d'autre part, de source de matière d'apport lors du soudage. La bague est de préférence composée de deux anneaux identiques, assemblés dans des positions mu- tuellement symétriques et dont la section nmridienne possède un pro- fil en oméga. Ces anneaux à profil en oméga peuvent être fabriqués de façon relativement simple, en t8le par em- boutissage. On les pose l'un sur l'autre, dans des posi- tions centrées et on les réunit l'un à l'autre, par exem- ple par soudage, pour former le profil de caisson. Pour faire des économies de poids et pour faciliter les échan- ges gazeux à l'intérieur de la-pile, il est avantageux de munir d'ouvertures les surfaces de la bague qui sont perpendiculaires à l'axe. Les ouvertures peuvent être de configuration circulaire ou encore rectangulaire. Dans le cas de faibles spécifications concernant la solidité de la bague, on peut également former des trous dans les surfaces intérieures de la bague, qui sont parallèles à l'axe, pour réaliser des économies sur le poids. L'épaisseur de paroi de la bague de soudage doit être calculée de manière que la bague de soudage at- teigne une solidité optimale avec un poids aussi réduit que possible. Naturellement, la dimension du bottier ré- sistant à la pression et l'épaisseur de la tôle du boî- tier résistant à la pression qui est liée à la dimension de ce bottier jouent également un rôle. On a cons- taté;u'on obtient des résultats optimaux lorsque l'épaisseur de paroi de la bague de soudage correspond à peu près à 50 % de l'épaisseur de paroi du bottier résis- tant à la pression dans la région cylindrique de ce bot- tier. La hauteur de la bague de soudage, mesurée dans la direction de l'axe, doit correspondre à peu près à 15 à 30 fois, en particulier à environ 20 fois l'épaisseur de paroi de la bague de soudage; par ailleurs, la largeur, mesurée radialement, de la section de la bague de souda- ge doit représenter à peu près 5 à 20 %, en particulier environ 10 % du diamètre du bottier dans la région cylin- drique. La collerette dirigée vers l'extérieur, disposée en position à peu près équatoriale, doit faire saillie d'environ trois fois l'épaisseur de paroi de la bague de soudage. L'invention sera à présent décrite de façon plus détaillée, à titre d'exemple, en regard du dessin. Sur ce dessin, la figure 1 représente deux moitiés d'une bague de soudage, moitiés dont la section méridienne possède un profil en oméga; la figure 2 est une vue- de côté avec une coupe transversale arrachée d'une bague de soudage complète; la figure 3 est une vue de dessus d'une bague de soudage; la figure 4 est un détail d'un ensemble bot- tier-bague de soudage avant le soudage; et la figure 5 représente un détail selon la figu- re 4, après le soudage; et la figure 6 est une vue de dessus d'un segment d'une bague de soudage muni d'ouvertures rectangulai- res; la figure 7 est une vue partielle d'une ébauche destinée à former un profil en oméga; la figure 8 est une vue de côté partielle d'une bague de soudage qui est composée de deux profils en oméga fabriqués à partir d'ébauches selon la figu- re 7. Sur la figure 1, on a représenté deux demi-ba- gues de soudage 1 et 1', telles qu'elles ont été fabri- quées avant l'assemblage. Une moitié est composée d'un anneau dont la section méridienne possède un profil en oméga, avec des bords 2 et 3 dirigés vers l'extérieur et vers l'intérieur. Cet anneau est fabriqué par emboutissa- ge et, à l'exception des faibles écarts dus au procédé de fabrication, il possède partout la même épaisseur de paroi. Les deux moitiés 1 et 1' sont absolument symétri- ques, c'est-à-dire que ce sont des éléments identiques. Les deux moitiés sont présentées l'une à l'autre au moyen d'un dispositif de centrage et elles sont assem- blées le long du bord intérieur 3, par une liaison non démontable, par exemple, au moyen de points de soudure ou d'un autre procédé d'assemblage courant. Il est ici préféré de procéder à l'assemblage exclusivement le long du bord intérieur parce que, de cette façon, on évite toute déformation du bord extérieur 2 qui serait due à des techniques d'assemblage quelconques et que, de toute façon, ce bord sera encore soudé à cet endroit au moment du soudage de la bague de soudage sur le bottier. Par as- semblage des deux moitiés, on obtient une bague de souday ge 10 qui possède une section rigide, en caisson, ainsi qu'on peut le voir sur la figure 2. Comme la figure 2 le montre également, la collerette 20 dirigée vers l'exté- rieur, qui est placée dans une disposition équatoriale, est deux fois plus épaisse que la paroi de la bague de soudage. La figure 3 montre la vue de dessus d'une bague de soudage de ce qenre. Sur les surfaces de la bague de soudage qui sont perpendiculaires à l'axe, sont formés des trous d'allégement circulaires 40. Ces trous servent aussi bien à réduire le poids qu'à permettre les échan- ges gazeux à l'intérieur de la pile. Ainsi que ceci res- sort des figures 2 et 3, la largeur radiale de la sec- tion transversale de la bague de soudage est d'environ % du diamètre extérieur de la bague de soudage ou, en d'autres termes, du diamètre du bottier de la pile dans la région cylindrique. Ceci garantit un bon appui des parties de la pile qui seront adjacentes, en particu- lier des plaques isolantes, sur la bague de soudage et ceci protège ces parties des hautes contraintes mécani- ques qui résultent des forces de pression et des forces dynamiques. D'un autre côté, de cette façon, le poids de la bague de soudage métallique, dont la matière est de préférence identique à la matière du bottier, est mainte- nu à une très faible valeur grâce à l'étroitesse du bord. La hauteur de la bague de soudage, mesurée dans la direction de l'axe, correspond à peu près à 20 fois l'épaisseur de paroi de la bague de soudage. Ceci évite la destruction des parties adjacentes de la pile par sur- chauffe au moment du soudage. Sur les figures 4 et 5, on a représenté un dé- tail d'un assemblage soudé du bottier avant et après le soudage respectivement. Ainsi que ceci ressort de la fi- gure 4, le diamètre intérieur des demi-bottiers 50 et ' est égal, à un faible jeu d'ajustement près, au dia- mètre extérieur de la bague de soudage 10. Il en résulte un très bon centrage de ces éléments et, d'autre part, un excellent appui qui les protégera du fléchissement, de sorte que l'effet de membrane mentionné plus haut ne risque pas de se manifester. Les empilements 70 et 70' de la pile prennent appui sur la bague de soudage 10 par l'intermédiaire des plaques isolantes 80 et 80' et sont 262;1 i centrés par cette bague. La collerette 20 est dimension- née de manière à faire saillie sur la bague de soudage avec unehauteur de saillie àpeu prés égale & trois fois l'épaisseur de paroi de la bague de soudage c'est-à-dire que, dans l'état monté, dans lequel elle est située en- tre les deux demi-bottiers, avant le soudage, elle fait saillie sur le bottier avec une hauteur de saillie à peu près égale à la moitié de l'épaisseur de paroi du bof- tier. Ceci est avantageux pour éviter d'avoir à ajouter une matière additionnelle lors du soudage exécuté par l'économique procédé au tungstène-gaz inerte (WIG) ou par le procédé de soudage au plasma. Si l'on respecte ces dimensions, on peut ainsi produire des joints soudés qui ne font pas saillie au-delà du diamètre extérieur de la pile, comme ceci est représenté sur la figure 5 et qui garantissent un assemblage sans défaut de tous les éléments adjacents. Les dimensions du bord intérieur 30 de la bague de soudage et d'appui ne sont pas aussi cri- tiques que celles du bord extérieur. La dimension du bord dépend du procédé d'assemblage choisi qui peut être, par exemple, la soudure par points, le rivetage, le sertissage, etc.. Naturellement, ce bord sert aussi au raidissement et il peut éviter que la partie cylindri- que intérieure de la bague de soudage cède sous l'ef- fort. Ici aussi, on a constaté qu'il est particulière- ment avantageux que le bord intérieur fasse saillie sur une hauteur de saillie à peu près égale à trois fois l'épaisseur de paroi de la bague de soudage. La figure 6 montre une vue partielle de dessus d'une bague de soudage possédant des ouvertures rectangu- laires 90. La figure 7 montre une vue de dessus d'une ébauche à partir de laquelle on doit emboutir un profil en oméga selon la figure 1. L'ébauche est déjà munie d'ouvertures d'allégement 40 dès avant la déformation. Après la déformation de l'ébauche qui la transforme en un profil en oméga, on assemble deux profils en oméga pour former une bague de soudage et d'appui telle que celle qui est représentée sur la figure 8 par une vue de côté partielle. Naturellement, dans le calcul des dimensions des ouvertures 400, on doit veiller à ce que la bague de soudage terminée possède encore une rigidité et une soli- dité suffisantes. Les ouvertures 40 selon la figure 3 ou les ou- vertures 90 selon la figure 6 peuvent être ménagées aus- si bien avant qu'après l'emboutissage du profil en oméga tandis que, selon la figure 7, ces ouvertures sont avan- tageusement déjà formées dans les flans de tôle avant l'opération de déformation. Avec la bague de soudage et d'appui décrite, on peut obtenir un assemblage satisfaisant des demi-piles, ainsi qu'un appui satisfaisant des piles d'électrodes, même dans le cas de hautes contraintes statiques et dyna- miques. Par exemple, une bague de soudage possédant une épaisseur de paroi de 0,3 mm et un diamètre extérieur de 89 mm qui était prévue pour une pile de 89 mm de diamè- tre intérieur et d'une épaisseur de paroi de 0,6 mm, a pu résister à une charge axiale de plus de 40 KN avant de se déformer. Un bottier de pile soudé fabriqué au moyen de cette bague a résisté à plus de 120 000 cycles de pression entre 45 et 55 bars sans détérioration. Des essaisde vibrations exécutés sur des piles complètes de Ah dans les conditions des voyages spatiaux furent subis sans dommage. Dans cet essai, le poids de la bague de soudage et d'appui ne représentait que 1,35 % du poids total de la Dile. La nouvelle bague de soudage permet non seule- ment de construire sans défaut une pile possédant des em- pilements disposés symétriquement, mais, justement en raison de sa haute rigidité de torsion, elle permet éga- lement de construire des piles équipées d'empilements d'électrodes disposés d'un seul côté. R E V E N D I C A T IONS 1 - Bague de soudage et d'appui destinée à as- sembler deux parties de bottier cylindriques destinées à former le bottier résistant à la pression d'une pile électrique qui comprend des empilements d'électrodes dis- posés symétriquement par rapport au joint soudé, caracté- risée en ce que la bague de soudage (10) possède une sec- tion transversale creuse rectangulaire, avec une colle- rette (20) dirigée vers l'extérieur, disposée dans une position à peu près équatoriale. 2 - Bague de soudage et d'appui selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que la bague de soudage (10) est composée de deux anneaux identiques (1', 1'), réunis dans des positions mutuellement symétriques et dont la section transversale méridienne possède un profil en oméga. 3 - Bague de soudage et d'appui selon la reven- dication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que les surfaces de la bague de soudage (10) qui sont perpen- diculaires à l'axe sont munies d'ouvertures (40; 90; 400). 4 - Bague de soudage et d'appui selon une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'épaisseur de paroi de la bague de soudage (10) corres- pond à peu près à 50 % de l'épaisseur de paroi du bot- tier résistant à la pression (50, 50'), dans sa région cylindrique. - Bague de soudage et d'appui selon une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la hauteur de la bague de soudage (10), mesurée dans la direction de l'axe, correspond à peu près à 15 à 30 fois, en particulier à 20 fois l'épaisseur de paroi de la bague de soudage. 6 - Baque de soudage et d'appui selon une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la largeur, mesurée dans la direction radiale, de la sec- tion de la bague de soudage (10), correspond à peu près à 5 à 20 %, en particulier à environ 10 % du diamètre du bottier (50, 50'), dans la région cylindrique. 7 - Bague de soudage et d'appui selon une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la collerette (20) fait saillie d'environ trois fois l'épaisseur de paroi de la bague de soudage (10). 8 - Utilisation d'une bague de soudage et d'ap- pui selon une quelconque des revendications 1 à 7, pour l'assemblage de parties de bottier (50, 50') ainsi que pour tenir les empilements d'électrodes (70, 70') d'une pile électrique résistante à la pression.