Brevet FR2793714A1 — publié le 20001124

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FORMAGE DE PIECES METALLIQUES PAR SOUDAGE La présente invention concerne l'élaboration de pièces par soudage. L'invention vise plus particulièrement un procédé de soudage de fibres métalliques par décharge de condensateur pour élaborer des pièces de forme requise. On connaît des procédés existants de soudage par décharge de condensateur (GB 1 508 350). Ces procédés consistent à faire passer un courant, obtenu généralement par décharge d'un condensateur, à travers des particules de matière métallique afin de les souder entre elles. Ces procédés ont été appliqués à des poudres de particules sphériques (P.A. VITYAZ et autres, Contact formation during the electric pulse sintering of a titanium alloy powder , Belorussian Republican Powder Metallurgy Scientific Production Association, traduit de Poroshkovaya Metallurgiya, n' 7 (331), p. 20-23, Juillet, 1990) ou des particules allongées telles que des fibres (S.T.S. AL HASSANI et autres, Preforming using high voltage electrical discharge , Powder Metallurgy, n' 1, p. 45, 1980). Ces procédés ont été aussi parfois associés à l'application d'une pression (R.W. BOESEL et autres, Spark sintering tames exotic P/M materials , Materials Engineering, p. 32, Octobre, 1969), de manière à faciliter le soudage et à éliminer au maximum la porosité des pièces ainsi soudées. Ces pièces sont compactes et leur taux de porosité avoisine 0 (si Vm est le volume de matière et Vp le volume de la pièce terminée, le taux de porosité, -z, est défini comme étant T - (V', : vp - L'invention décrite, 'par contre, vise la fabrication de pièces poreuses. Ces pièces peuvent être, par exemple, des supports de matière active tels que les structures fibreuses de pots catalytiques. Il est nécessaire que ces pièces aient un taux de porosité très élevé, allié à une excellente tenue mécanique dans une large gamme de température. Les taux de porosité recherchés commencent à 0,60 et se situent typiquement aux alentours de 0,95. Le taux varie selon la forme et la fonction des pièces à réaliser. Enfin, l'élaboration de ces pièces doit aussi être contrôlée pour obtenir une bonne reproductibilité à des cotes précises. Ce type d'application pose donc des problèmes spécifiques auxquels le procédé de l'invention et le dispositif pour le mettre en oeuvre, apportent une solution. L'invention est un procédé de formage de pièces métalliques, par soudage, de porosité contrôlée comprenant les étapes successives connues consistant : - à préparer une quantité déterminée d'éléments métalliques de forme géométrique anisotrope destinés à constituer une pièce, - à répartir cette quantité déterminée d'éléments métalliques dans un moule ayant au moins une partie mobile, - à exercer une pression à l'aide d'une partie mobile du moule commandée par un moyen extérieur, partie mobile constituant éventuellement une électrode, selon au moins une direction principale sur cette quantité déterminée d'éléments métalliques, pression destinée à renforcer et maintenir les points de contact entre ces éléments, et - à faire passer, simultanément, un courant électrique à travers cette quantité déterminée d'éléments métalliques par l'intermédiaire d'un jeu de deux électrodes de polarité opposée pour solidariser entre eux par soudage ces éléments métalliques, ces deux électrodes étant disposées de manière à ce que le sens de passage du courant soit globalement coaxial à ladite direction principale de la pression exercée sur la quantité déterminée d'éléments métalliques. - à retirer la pièce du moule. On entend par éléments de forme géométrique anisotrope des objets présentant au moins une des trois dimensions significativement différente de la ou des autre(s). Le procédé de l'invention se caractérise en ce que : - la quantité déterminée d'éléments métalliques est obtenue par pesée d'une masse d'éléments métallique dont la valeur, M, est définie, en fonction du taux de porosité recherché, r, du volume de la pièce, VP, et de la masse volumique de l'alliage métallique utilisé, p, par la formule M = V P x P#, x (1 - T) - la quantité déterminée d'éléments métalliques est répartie de façon isotrope dans le moule, - la pression exercée est augmentée progressivement jusqu'à ce que la pièce ait la forme requise, conférant ainsi à la pièce le taux de porosité recherché, - la partie mobile du moule est alors maintenue en position et, simultanément, le courant électrique traverse les éléments métalliques et les soude entre eux par fusion locale aux points de contact due à l'effet Joule ou par formation d'un arc local. On entend par fusion locale aux points de contact, une fusion ne concernant qu'une partie de chacune des sections selon les trois dimensions des éléments métalliques. Cette fusion est telle que, d'une part, la tenue mécanique de chaque élément métallique concerné, bien que momentanément réduite, reste suffisante pour que l'ensemble de ces éléments conserve la forme acquise lors de l'étape précédente, préservant ainsi la répartition isotrope dans le moule, et que, d'autre part, la tenue mécanique de la pièce soit optimale à l'usage. Les éléments de forme géométrique anisotrope de l'invention présentent préférentiellement une dimension significativement différente des deux autres. lis sont donc généralement oblongs et se présentent avantageusement sous forme de fibres non tissées, d'aiguilles ou de paillettes. Il est vivement souhaitable pour une mise en oeuvre aisée du procédé que les éléments se répartissent spontanément de façon isotrope dans le moule. Des éléments de forme sensiblement cubique ou sphérique par exemple, se répartissent spontanément de façon isotrope dans un moule. Cependant ces éléments ne sont pas anisotropes. Leur mise en #uvre dans le procédé de l'invention ne permet pas d'atteindre le taux de porosité recherché(Tm#,,, pour les cubes et 0,48 pour les sphères) Des éléments alliant une forme géométrique anisotrope et se répartissant spontanément de façon isotrope dans un moule existent cependant. De tels éléments sont obtenus en particulier par la technique de coulée sur roue. En effet, les éléments élaborés avec cette technique ont, entre autres caractéristiques, la particularité de présenter des aspérités de surface, principalement sur les bords parallèles à la dimension significativement différente. Ces aspérités évitent aux éléments de glisser les uns contre les autres et les empêchent ainsi de se répartir de façon anisotrope sous l'effet de la gravité. Ainsi, leur répartition dans le moule se produit de façon isotrope sans manipulation complémentaire comme le brassage par exemple. Le taux de porosité spontanément obtenu peut atteindre 0,99, valeur qui doit être supérieure à celle du taux de porosité recherché. Pour préserver le caractère isotrope de la répartition des fibres dans la pièce, le taux de porosité spontané doit rester voisin de celui recherché. A cette fin, les éléments métalliques peuvent être préalablement broyés ou coupés afin de les calibrer selon la dimension significativement différente à une valeur adaptée. C'est donc en appliquant une pression sur les éléments métalliques au moyen d'une partie mobile du moule que l'on donne la forme requise à la pièce et, par là même, le taux de porosité recherché. La pression appliquée augmente progressivement jusqu'à la valeur nécessaire pour que la partie mobile du moule atteigne la position correspondante à la forme requise. Il y a alors équilibre entre la force exercée par le moyen extérieur et la force de réaction élastique des éléments comprimés. La partie mobile est alors maintenue en position. Il faut comprendre par là que la partie mobile du moule ne peut plus changer de position, même si la force de réaction exercée par les éléments comprimés varie brusquement. En effet, lorsque le courant électrique traverse les éléments métalliques, la fusion locale fait brusquement diminuer la force exercée par ces éléments sur la partie mobile du moule. Si la force des moyens extérieurs est maintenue constante et si la partie mobile est laissée libre en position, il s'ensuit une forte compression et une déformation de la pièce liée au déséquilibre des forces. La partie mobile étant maintenue en position, il faut délivrer un courant électrique traversant les éléments métalliques tel qu'il permette une fusion locale, comme définie ci avant, mais sans entraîner une fusion totale aux points de contact, définie comme étant une fusion portant sur la totalité d'une section des éléments métalliques. En effet, si le courant délivré est trop élevé, la fusion totale de nombreux éléments se produit et, par gravité, il s'ensuit une déformation de la pièce. Le courant électrique ainsi contrôlé est avantageusement délivré par un générateur électrique mettant en oeuvre un condensateur de capacité, C, qui constitue un moyen économique, simple et bien adapté pour ce type d'application. Le dispositif selon l'invention comprend un jeu d'électrodes dont l'une au moins est solidaire d'une paroi mobile. Le procédé selon l'invention sera mieux compris par la description détaillée, mais non limitative, de plusieurs modes de mise en oeuvre de celui-ci et à l'aide des références aux dessins joints sur lesquels : - la figure 1 présente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif à une paroi mobile selon l'invention, mettant en oeuvre le procédé ; - la figure 2 présente schématiquement une vue en coupe d'un autre dispositif à deux parois mobiles avec la pièce ayant la forme requise ; - la figure 3 est un diagramme représentant la résistance mécanique d'une pièce particulière obtenue par la mise en oeuvre de la présente invention, en fonction de l'énergie électrique dissipée pour former cette pièce. Le dispositif de la figure 1 permet la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Il comprend un moule 10 et un circuit électrique 20. Le moule 10 est constitué de parois fixes 12 et d'une paroi mobile 14. L'ensemble des parois fixes forme un espace ouvert à une extrémité à l'intérieur duquel est disposé une quantité déterminée d'éléments métalliques 50, par exemple des fibres. La paroi mobile 14 ferme cet espace en maintenant les fibres métalliques 50, mais peut coulisser parallèlement à elle même dans l'espace fermé, grâce à un moyen extérieur non représenté, de façon à pouvoir appliquer la pression P aux fibres nécessaire pour obtenir le taux de porosité recherché. Lorsque ce taux est atteint, la pièce a la forme requise et la paroi mobile est alors immobilisée. Le moyen extérieur mis en ceuvre peut être, par exemple, un actionneur asservi en force puis en position. Le circuit électrique 20 comprend un interrupteur 28, un condensateur 30 et un jeu d'électrodes 22, 24, supposées sans épaisseur. Des moyens complémentaires pour contrôler l'intensité du courant 1 et le circuit de charge du condensateur qui définit la tension V présente aux bornes du condensateur existent mais ne sont pas représentés. Chaque paroi, mobile 14 et fixe 12 en regard, est équipée d'une électrode, respectivement 24 et 22, connectée à une des bornes du condensateur 30 dont l'une via l'interrupteur 28. Une pièce est réalisée avec des fibres, obtenues par un procédé de coulée sur roue, de la façon suivante : La pièce requise a la forme d'un cylindre ayant une base circulaire de 7,5 cm de diamètre, une hauteur de 10 cm et un taux de porosité de 0,95. L'alliage métallique utilisé a une masse volumique de 7,1 g/CM3. Les fibres présentent une section type en forme de lunule s'inscrivant dans un rectangle d'environ 100#irn sur 500pm et une longueur de l'ordre de 5 cm. La quantité déterminée de fibres a une masse M kg. Le moule 10 a une paroi fixe 12 constituée d'un fond supportant une électrode circulaire ayant un diamètre interne de 7,5 cm et d'une enveloppe cylindrique ayant un diamètre interne également de 7,5 cm et une hauteur supérieure à 10 cm. La quantité de fibres est introduite dans le moule 10. Les fibres se répartissent spontanément de façon isotrope dans le moule, avec un taux de porosité supérieur à 0,95. La paroi mobile 14, supportant une électrode circulaire 24 d'un diamètre très voisin de 7,5 cm, est alors introduite dans l'enveloppe cylindrique et, sous l'action du moyen extérieur, comprime les fibres jusqu'à ce que la distance entre la paroi mobile 14 et la paroi fixe en vis à vis 12 atteigne 10 cm. La paroi mobile 14 est alors maintenue à cette position. La pièce a la forme requise et le taux de porosité recherché. L'interrupteur 28 est alors fermé, provoquant le passage du courant électrique à travers les fibres 50. Le condensateur préalablement chargé sous une tension de 19kV a une capacité de 106 #tF. L'énergie ainsi mise en oeuvre pour la soudure est de 20kJ. Le moule est ensuite ouvert par retrait de la paroi mobile 14 et la pièce est retirée du moule. L'ensemble de ces opérations ne nécessite pas de mise à température préalable des fibres ou de présence d'une atmosphère gazeuse particulière, bien que, de façon connue, la présence d'un gaz neutre comme de l'argon soit favorable. Le procédé est donc simple et rapide à mettre en oeuvre, le temps nécessaire à la recharge du condensateur étant masqué par les étapes de retrait de la pièce, de répartition des fibres dans le moule et de compression. La figure 2 présente une variante de réalisation où les électrodes sont supportées par deux parois mobiles 14 en vis à vis. Le principal intérêt de ce dispositif réside dans la manipulation plus facile de la pièce 100 après soudure. Chaque paroi mobile 14 ferme une extrémité de l'espace ouvert délimité par la paroi fixe 12 en maintenant les fibres métalliques 50, mais peut coulisser parallèlement à elle-même dans l'espace fermé, grâce à un moyen extérieur non représenté, de façon à pouvoir appliquer la pression P aux fibres nécessaire pour obtenir le taux de porosité recherché. Le moyen extérieur mis en oeuvre pour chaque paroi mobile peut être, par exemple, un actionneur asservi en force puis en position. La mise en oeuvre préférentielle du procédé selon l'invention peut être optimisée en tenant compte des résultats décrits ci-dessous. Dans cette partie de description, la grandeur utilisée est exprimée en énergie par unité de surface (kJ/c M2) . La surface prise en compte est la section de la pièce selon un plan perpendiculaire à la direction de passage du courant. Pour un dispositif donné, cette grandeur est une fonction de l'intensité mise en jeu lors de la décharge du condensateur, même si une partie de l'énergie délivrée est consommée hors de la pièce à souder. Il a été montré que, pour obtenir des pièces 100 constituées de fibres métalliques dont la porosité est d'environ 95%, il était nécessaire de dissiper un minimum d'énergie de 0, 1 kJ/c M2 . En deçà de cette valeur, le soudage des fibres entre elles est insuffisant. Ce résultat a été obtenu en soumettant des pièces fibreuses 100 témoins (diamètre moyen 23 mm) à des décharges de condensateur 30 à énergie croissante. La mesure de la qualité de la soudure, donc la résistance mécanique des pièces 100, a été déterminée par des essais de traction. Des têtes rapportées en résine polymérisable ont été mises en place à chaque extrémité de ces pièces 100 pour permettre la prise de mors. La figure 3 montre l'évolution de la résistance mécanique en daN en fonction de l'énergie par unité de surface (kJ/c M 2). On observe que la résistance mécanique s'accroît avec l'augmentation de l'énergie surfacique, mais tend à s'amortir au-delà de 0,1 kJ /CM2. L'expérience montre qu'au-delà de 0,5 k J/CM2 pour une porosité d'environ 95%, il y a fusion excessive des fibres traduisant un excès d'énergie. Par ailleurs, l'énerg ie E emmagasinée dans u n condensateur 30 est donnée par l'expression E = 1/2 CV2 où E est en joules, la capacité C du condensateur est en farads et la tension appliquée V au condensateur 30 est en volts. Un niveau d'énergie donné peut donc être obtenu en faisant varier la capacité ou la tension. Des pièces fibreuses 100 (diamètre 75 mm, longueur 100 mm, section 44 CM2# porosité 95%) ont été soudées avec une énergie constante de 20 kJ (0,45 kJ/c M2) pour deux capacités 74 piF (23 kV) et 106 #tF (19 kV). La mesure de la qualité de la soudure, donc la résistance mécanique des pièces, a été déterminée, comme précédemment, par des essais de traction. Les résultats figurent dans le tableau 1 ci-dessous, dans lequel on observe que la force maximale, exprimée en daN est obtenue pour la capacité la plus élevée (106 #tF) donc la tension la plus faible (19 kV). Trois essais ont été réalisés par condition. Pour la capacité de 106 pF, l'augmentation de l'énergie emmagasinée dans le condensateur 30, donc dissipée dans les pièces 100 lors de la décharge, a été augmentée jusqu'à 70 kJ (36 W, 1,6 kJ/cm'). Il est observé une fusion croissante des fibres 50 qui devient très importante à 70 kJ et qui, dans une certaine mesure, détériore la structure fibreuse initiale. Les essais de traction sur les pièces 100 obtenues (tableau Il ci-dessous) ne montrent plus d'accroissement de la résistance mécanique. Energie (kJ) 20 50 60 70 Energie surfacique (kJ /CM2) 0,45 1,14 1,36 1,59 Tension (kV) 19 31 34 36 52 42 44 Force maximale en traction 57 48 49 46 (d a N) 58 57 59 Tableau Il Ces résultats mettent en évidence qu'une énergie trop élevée provoque une fusion excessive des fibres 50 à leurs points de contact. Cette fusion excessive se produit selon une grande partie de la section de la fibre au niveau du point de contact. Cette fusion assure une tenue suffisante pour que la pièce traité ne se déforme pas par gravité, cependant la résistance de la pièce diminue. Lors des essais effectués pour obtenir ces résultats, des arcs électriques ont été observés entre les électrodes lorsque, pour accroître l'énergie emmagasinée dans le condensateur, la tension est augmentée. Ces arcs électriques ne participent pas à la soudure des fibres 50 entre elles. Cette soudure est en effet réalisée par le passage d'un courant 1 dans les fibres métalliques 50 avec fusion aux points de contact par simple effet Joule ou par formation d'un arc local. De ce fait, l'énergie disponible est répartie entre une énergie utile à la soudure et une énergie perdue par décharge directe dans le gaz entre les électrodes 22, 24. Pour une machine industrielle, il est donc préférable de disposer d'une capacité élevée, chargée sous une tension modérée, afin d'éviter la perte d'énergie par décharge directe dans le gaz entre les électrodes 22, 24. De plus, ceci va dans le sens d'une meilleure sécurité en milieu industriel où des tensions élevées ne sont pas souhaitables. Les pièces obtenues par ce procédé peuvent avoir des formes variées, en parallélépipèdes par exemple. Ces formes variées peuvent amener à disposer plusieurs paires d'électrodes de polarité opposée, supportées par les parois du moule en vis à vis, qu'elles soient fixes ou mobiles. Dans le cas où la porosité des pièces 100 est plus faible (80% par exemple), les points de contact sont plus nombreux, et l'énergie nécessaire pour réaliser les soudures est plus élevée et peut atteindre plusieurs kJ/c M 2. La description ci-dessus ne mentionne qu'un condensateur de décharge 30. Cependant, il est évident pour l'homme du métier qu'un jeu de plusieurs condensateurs 30 peut être utilisé pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de formage de pièces métalliques par soudage de porosité contrôlée comprenant des étapes successives consistant : - à préparer une quantité déterminée d'éléments métalliques de forme géométrique anisotrope destinés à constituer une pièce, - à répartir cette quantité déterminée d'éléments métalliques dans un moule ayant au moins une partie mobile, - à exercer une pression à l'aide d'une partie mobile du moule commandée par un moyen extérieur, partie mobile constituant éventuellement une électrode, selon au moins une direction principale sur cette quantité déterminée d'éléments métalliques, pression destinée à renforcer et maintenir les points de contact entre ces éléments, et - à faire passer, simultanément, un courant électrique à travers cette quantité déterminée d'éléments métalliques par l'intermédiaire d'un jeu de deux électrodes de polarité opposée pour solidariser entre eux par soudage ces éléments métalliques, ces deux électrodes étant disposées de manière à ce que le sens de passage du courant soit globalement coaxial à ladite direction principale de la pression exercée sur la quantité déterminée d'éléments métalliques. - à retirer la pièce du moule. caractérisé en ce que : - la quantité déterminée d'éléments métalliques est obtenue par pesée d'une masse d'éléments métallique dont la valeur, M, est définie, en fonction du taux de porosité recherché, T, du volume de la pièce, Vp, et de la masse volumique de l'alliage métallique utilisé, p, par la formule M = VPX Pa X (1 - T) - la quantité déterminée d'éléments métalliques est répartie de façon isotrope dans le moule, - la pression exercée est augmentée progressivement jusqu'à ce que la pièce ait la forme requise, conférant ainsi à la pièce le taux de porosité recherché, - la partie mobile du moule est alors maintenue en position et, simultanément, le courant électrique traverse les éléments métalliques et les soude entre eux par fusion locale aux points de contact due à l'effet Joule ou à la formation d'un arc local. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments de forme géométrique anisotrope de l'invention sont des fibres. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que les fibres sont obtenues par la technique de coulée sur roue. 4 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un moule (10) avec au moins une paroi mobile (14) caractérisé en ce que chaque paroi mobile peut être déplacée parallèlement à elle même grâce à un moyen extérieur de façon à appliquer une pression croissante sur les éléments métalliques jusqu'à une position particulière où elle est maintenue en position pendant l'opération de soudage. 5 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le moyen extérieur mis en oeuvre pour chaque paroi mobile est un actionneur asservi en force puis en position. 6 - Dispositif selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les électrodes sont solidaires d'au moins une paroi mobile.