Brevet FR2825306A1 — publié le 20021206

La présente invention a pour objet des lattes de soudure en matériau composite. Les lattes de soudure sont des accessoires utilisés lors des opérations de soudage. Elles sont également désignées dans le domaine technique par soutien ou support de soudure. Elles servent de support au matériau de soudure et sont placées à la jointure entre deux pièces à souder, pour éviter que le métal de soudure en fusion ne s'échappe. Elles se présentent généralement sous forme d'un ruban ayant une section variable. Les propriétés recherchées pour un matériau utilisé pour l'élaboration d'une latte de soudure sont un point de fusion élevé, une bonne résistance mécanique, une bonne conductivité thermique, un degré d'hygroscopicité faible, une inertie vis à vis du métal de base constituant les pièces à souder et du métal d'apport, et un coût de production faible. Pour répondre à ces critères, on a utilisé, pour l'élaboration des lattes de soudure, des oxydes minéraux ou des mélanges d'oxydes. A titre d'exemple, on peut citer la cordiérite (2Mg0. 2Al203. 5Si02) et la mullite (3Al203. 2Si02). L'utilisation de ces lattes de soudure présente cependant quelques inconvénients du fait de leur caractère isolant. Lors d'un soudage à l'arc, il se produit par exemple des étincelles et une instabilité qui provient notamment de l'écartement entre les pièces à souder lorsqu'elles sont de grande longueur. Ces phénomènes rendent la soudure irrégulière et nécessitent l'intervention directe et manuelle d'un personnel qualifié. L'automatisation qui permettrait de réduire les coûts et d'augmenter la productivité se trouve ainsi très malaisée à mettre en oeuvre, voire impossible. Le but de la présente invention est de proposer des lattes de soudure qui ne présentent plus ces inconvénients. C'est pourquoi la présente invention a pour objet une latte de soudure, caractérisée en ce qu'elle est constituée par un matériau composite comprenant une matrice constituée d'au moins une phase non conductrice et des particules conductrices réparties au sein de la matrice, la concentration en particules conductrices étant au moins égale au seuil de percolation. Le seuil de percolation correspond à la fraction volumique de phase conductrice présente dans le matériau, en dessous de laquelle le matériau ne peut être traversé par un courant, et à partir de laquelle le matériau peut acheminer un courant électrique lorsqu'il est soumis à une différence de potentiel. Il est généralement recommandé d'utiliser, pour l'élaboration d'une latte de soudure selon l'invention, un matériau composite contenant de 50 à 90% (de préférence de 60 à 85%) en volume de phase non conductrice et de 50 à 10 % (de préférence de 40 à 15%) en volume de particules conductrices. La phase non conductrice contient un oxyde simple, un oxyde mixte, ou un mélange d'un ou plusieurs oxydes simples et/ou d'un ou plusieurs oxydes mixtes, chacun des constituants devant être chimiquement compatible avec le métal, (ou les métaux) susceptible (s) d'arriver à son contact lors de l'opération de soudage. Parmi les oxydes simples, on peut citer notamment Al2O3, MgO, Zr02, Ti02, Si02, Cr203, Y203, SrO, Fe2O3, BaO et CaO. Les oxydes mixtes constituent une catégorie très vaste de composés et ils comprennent des oxydes binaires et des oxydes ternaires. On peut citer à titre d'exemple : les silicates, notamment les composés binaires tels que Na20. SiO2, Na20. 2Si02, K20. 2Si02f MgO. Sio2, la mullite (3Al2O3. 2Si02), la forstérite 2MgO. Si02, la pseudo- wollastonite CaO. Si02, la fayalite (2FeO. Sio2) ; et les composés ternaires tels que Na20. Al203. 2Si02 K20. Al203. 4Si02, l'anorthite CaO. Al2O3. 2SiO2, la cordiérite (2MgO. 2Al2O3.5SiO2) , la gehlenite (2CaO. Al2O3. 2Si02), les oxydes de fer (2CaO. Fe203, CaO. Fe203 ou CaO. 2Fe203), la sapphirine (4MgO. 5Al2O3. 2Si02) ; les aluminates tels que par exemple MgAlO, ou l'hercynite FeO. Al2O3 ; les titanates tels que par exemple Al2O3. Ti02 ; les phosphates tels que par exemple AlOEOs, 2CaO. P205, 3CaO. P205, 4CaO. P205, (Zr02) x (Th02) i-x. P205, 2Zr02. P205, 2MgO. P20s, 3MgO. P20S. On peut également citer les solutions solides d'oxydes qui sont des composés dérivés des précédents par remplacement partiel de l'élément métal ou métalloïde, tel que 2 (Mg1-xFex) O. 2Al2O3. 5SiO2), (CaO)x (MgO)1-x. 2SiO2, 2 (CaMgi-x) O. Si02, le pyroxène (MgxFel-x) O. Si02, l'olivine 2 (MgxFe1-x) O. SiO2, [Na2O]x[K2O]1-x.Al2O3. 6SiO2, la magnesiowüstite (MgxFel-x) 0, 2 (CaxFel-x) O. Si02, la wollastonite (CaxFel-x) O. Si02, avec 0 Le matériau constituant la latte de soudure peut contenir des oxydes sous forme cristallisée, des oxydes sous forme amorphe ou un mélange des deux formes. La forme amorphe est présente lorsque le matériau constituant la latte a subi une cuisson au cours de l'élaboration. Les lattes constituées par un matériau dans lequel la phase non conductrice est sous forme cristallisée sont particulièrement préférées. Les particules conductrices sont constituées par une ou plusieurs phases métalliques constituées par un élément choisi parmi Fe, Cr, Ni, Cu, Mn, Zn, Pb, V, Ti et Sn, ou par plusieurs de ces éléments sous forme de composés intermétalliques ou d'alliages. Les phases métalliques peuvent être sous forme amorphe ou non. Les particules conductrices peuvent également être constituées par un ou plusieurs composés conducteurs tels que les carbures, les borures, les siliciures et les nitrures. On peut citer en particulier TiC, TiN, TiB2, MoSi2 ou a-FeSis. On peut utiliser des composés mixtes dans lesquels l'élément C, N ou Si est partiellement remplacé par au moins un autre élément de même nature, la présence d'une faible quantité d'oxygène étant tolérée. A titre d'exemple, on peut citer un composé TiCi--yNOy, avec Ox+yl. Ces composés, en particulier SiC, peuvent en outre être utilisés sous forme dopée. Les particules conductrices peuvent aussi être constituées par certains oxydes qui sont conducteurs à la température d'utilisation de la latte de soudure. Ainsi, des oxydes tels que les alumines ss, les zircones dopées (à moins de 20% en mole par CaO, Y203, MgO ou Ce02) sont conducteurs par transport ionique au-dessus d'une certaine température. Des semi-conducteurs qui sont conducteurs par transport électronique peuvent également être utilisés, par exemple TiO, Ti203, VO, V203, Fe304. Le matériau composite constituant les lattes de soudure peut être préparé par les procédés habituels d'élaboration de céramiques ou par les procédés classiques de la métallurgie des poudres. Comme produits de départ pour la phase non conductrice, on peut utiliser des matières premières minérales naturelles telles que des argiles (contenant A1203 et/ou Spi02), le calcaire ou la dolomie (CaxMgl-x) C03, le zircon ZrSiO4 ou le talc (contenant MgO). On peut également utiliser des matières synthétiques purifiées, par exemple A1203, Si02 ou MgO. On peut en outre utiliser des produits de recyclage, par exemple des ferrailles ou de la calamine qui fournissent des mélanges Fe/FeO, les laitiers ou scories métallurgiques dont la composition se trouve dans le système SiO-CaO-MgO-Al203, et contient parfois FeO et/ou MnO en concentration minoritaire. De tels matériaux peuvent être modifiés par addition d'additifs appropriés pour obtenir la ou les phases désirées, par exemple la phase cordiérite ou mullite. De manière analogue, on peut utiliser des roches volcaniques telles que les basaltes. Les particules conductrices peuvent être incorporées au matériau formant la latte de soudure soit sous forme de composés purs, soit sous forme de déchets industriels, par exemple des boues d'usinage ou des calamines. Parmi les procédés conventionnels d'élaboration de la céramique, on peut citer les procédés par voie sèche (avec ou sans liants), les procédés par voie humide (qui mettent en oeuvre les produits de départ sous forme de pâte ou de suspension), et les procédés mettant en oeuvre une *de vitrifié. recristallisation contrôlée à partir d'un liquide vitrifié. Les procédés de la métallurgie des poudres comprennent généralement des étapes de broyage humide ou à sec (éventuellement à haute énergie), de mélange, de mise en forme, de traitement-thermique de consolidation (avec ou sans déliantage). Les étapes de broyage/mélange et de traitement thermique permettent d'ajuster les propriétés du matériau final. Les conditions de broyage et de mélange sont adaptées aux caractéristiques des matières premières, notamment à la granulométrie, la composition et la morphologie. Les lattes selon l'invention, qui ont une bonne conductivité électrique, présentent également une conductivité thermique améliorée par rapport à une latte de l'art antérieur qui serait constituée uniquement par le matériau isolant constituant la matrice du matériau utilisé dans la présente invention. Cette amélioration de la conductivité thermique provoque une diminution du risque de rupture sous l'effet du choc thermique que subit le matériau lors de l'opération de soudage. Une éventuelle interaction entre le matériau constituant la latte de soudure d'une part, les pièces à souder et le métal d'apport d'autre part, se trouve ainsi réduite. Les exemples La présente invention est décrite plus en détail ciaprès, par référence aux exemples qui sont donnés à titre d'illustration et auxquels l'invention n'est cependant pas limitée. Exemple 1 Divers échantillons d'un matériau composite Ail203 ont été préparés, les uns à partir d'un mélange contenant 26,2 % en masse d'Al et 73,8% en masse de Cr203, les autres à partir d'un mélange de 50,5% en masse de Cr et 49,5% en masse de A1203. Dans tous les cas, les constituants ont été mélangés par broyage à haute énergie sous air. Le mélange a été effectué dans un broyeur planétaire à billes Pulvérisette commercialisé par la société Fritsch et équipé de 4 jarres de 400 ml en acier S. S. 116, pendant une durée totale de 5 heures, par séquences de 1 h de broyage à une vitesse de rotation de 360 tr/min suivie d'un arrêt de 15 min. Durant le broyage, chaque jarre contenait 50 g de poudre à broyer et 15 billes d'acier (500 g) de 20 mm de diamètre. A l'issue des opérations de broyage/mélange, le matériau a été mis en forme, soit par pressage uniaxial, soit par frittage naturel. Le pressage uniaxial a été effectué à chaud dans une matrice en graphite à 14000C pendant 30 min environ. Il permet d'obtenir un produit totalement densifié qui présente une microstructure constituée d'une phase métallique de Cr sous forme de particules plus ou moins sphériques dans une matrice céramique A1203, dont la taille et la distribution peuvent être ajustées en fonction des modalités de broyage mises en oeuvre. Les matériaux obtenus se présentent sous forme de pastilles ayant une épaisseur de 5-6 mm et un diamètre d'environ 30 mm. Les échantillons ont été caractérisés par diffraction des rayons X. La conductivité thermique des échantillons a été déterminée et comparée à celle du fer pur et à celle d'une cordiérite. La figure 1 donne les courbes montrant la variation de la diffusivité thermique D (en mm2/s) en fonction de la température T ( C) pour chacun des matériaux (courbe (a) : fer pur (99, 98%) ; courbe (b) : AIzOs-Cr ; courbe (c) : cordiérite). Le frittage naturel a consisté à mettre en forme des pastilles ayant un diamètre de 30 mm et une épaisseur de 8 mm, par pressage uniaxial à froid dans une presse mécanique avec un taux de compactage de 50%, puis à consolider les pastilles par cuisson sous vide secondaire (10-4 Torr) à des températures entre 14000C et 15000C pendant 1 heure. La densité des matériaux ainsi obtenus est plus faible que celle des matériaux densifiés à partir des poudres broyées à haute énergie. Une densité relative d'au moins 80% confère cependant au matériau une conductivité électrique. La figure 2 représente le diagramme de diffraction des rayons X (radiation Co, Kali) d'un échantillon obtenu par frittage. Les raies. marquées correspondent à Cr, les raies marquées 0 correspondent à A1203. Exemple 2 Un matériau composite cordiérite-Fe (à 25% en volume de re) a été obtenu à partir de cordiérite présynthétisée et de poudre de fer pur. Le matériau a été obtenu par broyage à haute énergie suivi d'un frittage naturel. Les constituants ont été mélangés par broyage à haute énergie sous air. Le mélange a été effectué dans un broyeur planétaire à billes Pulvérisette commercialisé par la société Fritsch et équipé de 4 jarres de 400 ml en acier S. S. 116. Quatre échantillons ont été préparés dans les mêmes conditions avec différentes durées de broyage (1/2 h, 1 h, 2 h et 6 h). Pour les temps de broyage supérieurs à 1 h, le cycle de broyage comprend 1 h de broyage suivie de 15 min d'arrêt. Pour une durée de broyage effectif de 2, respectivement 6 h, la durée totale de la préparation est par conséquent de 2 h 15 min, et de 7 h 30 min. Durant le broyage, chaque jarre contenait 50 g de poudre à broyer et 15 billes d'acier (500 g) de 20 mm de diamètre. A l'issue du broyage, le matériau a été mis sous forme de pastilles ayant un diamètre de 30 mm et une épaisseur de 8 mm, par pressage uniaxial à froid dans une presse mécanique avec un taux de compactage de 65%, puis consolidé par cuisson sous vide secondaire (10-4 Torr) à des températures entre 1350 C et 14000C pendant 1 heure. Après frittage, le matériau est totalement densifié et présente une microstructure constituée d'une phase métallique de fer sous forme de particules sphéroïdales dans une matrice céramique de cordiérite. Seul l'échantillon ayant subi une durée de broyage de 6 h est conducteur du courant électrique. La figure 3 représente le diagramme de diffraction des rayons X (radiation Co, Kai) de l'échantillon obtenu après 6 heures de broyage et frittage. Les raies marquées g correspondent à Fe, les raies marquées 0 correspondent à la cordiérite. Exemple 3 Un matériau composite mullite-Fe (à 30% en vol. de Fe) a été obtenu à partir d'un mélange de poudre de mullite industrielle et de poudre de fer pur. Le matériau a été obtenu par broyage à haute énergie suivi d'un frittage naturel. Le broyage a été effectué dans un broyeur planétaire à billes Pulvérisette commercialisé par là société Fritsch et équipé de 4 jarres de 400 ml en acier S. S. 116 pendant une durée de broyage de 2 h, par cycles comprenant 1/2 h de broyage etl/2 h d'arrêt, soit une durée totale de 4 h. Durant le broyage, chaque jarre contenait 50 de poudre à broyer et 15 billes d'acier (500 g) de 20 mm de diamètre. A l'issue du broyage, le matériau a été mis sous forme de pastilles ayant un diamètre de 30 mm et une épaisseur de 8 mm, par pressage uniaxial à froid dans une presse mécanique avec un taux de compactage de 65%, puis consolidé par cuisson sous vide secondaire (10-4 Torr) à des températures entre 13500C et 14000C pendant 1 heure. Après frittage, le matériau est totalement densifié et présente une microstructure constituée d'une phase métallique de fer sous forme de particules sphéroïdales dans une matrice céramique de mullite. Le matériau obtenu est magnétique et conducteur du courant électrique. La figure 4 représente le diagramme de diffraction des rayons X (radiation Co, Ki)-de l'échantillon obtenu. Les raies marquées correspondent à Fe, les raies marquées 0 correspondent à la mullite. Exemple 4 Un matériau composite mullite-Fe (à 30% en volume de Fe) a été préparé à partir d'un mélange de poudre de mullite industrielle et de poudre de fer pur, selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 3, mais en ajoutant de l'eau en tant que liant au mélange avant le pressage uniaxial, dans le but de faciliter le démoulage. Après frittage, le matériau est totalement densifié et présente une microstructure et une conductivité électrique analogues à celles du matériau de l'exemple 3. 1 Exemple 5 Des pastilles de matériau composite mullite-fer obtenues selon le mode opératoire de l'exemple 3 ont été utilisées comme latte de soudure pour le soudage de deux tôles d'acier de 8 mm d'épaisseur. Quinze pastilles ont été découpées de manière à obtenir des pastilles rectangulaires identiques', et placées- côte à côte pour former une latte d'environ 20 cm. Les tôles à assembler ont été placées bord à bord, avec un espace variant entre 5 et 15 mm. La latte a été placée sous les tôles à assembler, le long de leurs bords en regard, et maintenue par les moyens appropriés. La soudure a ensuite été réalisée sur la face du montage opposée à la latte. L'on a constaté, lors de l'opération de soudage, une grande stabilité de l'arc électrique sur toute la longueur des pièces à assembler. De manière générale, cette caractéristique est d'autant plus utile que l'espace entre les pièces à assembler est grand. Dans le cas présent, c'est le matériau mullite + fer qui assure la conductivité entre les pièces à assembler et l'électrode. L'utilisation de ce matériau permet l'amorçage entre l'arc électrique quelle que soit la position de l'électrode par rapport aux bords des pièces à assembler, contrairement aux matériaux non conducteurs des lattes de l'art antérieur. Les avantages des lattes de l'art antérieur sont conservés, notamment en ce qui concerne l'absence de collage des lattes à la surface du cordon de soudure et la pénétration du matériau constituant la latte dans le matériau constituant la soudure. Il est observé que la qualité du cordon de soudure obtenu après le soudage est améliorée, dans la mesure où le nombre et la taille de la porosité sont diminués. Exemple 6 Une latte de soudure a été préparée et utilisée pour le soudage de tôles d'acier dans les mêmes conditions que dans l'exemple 5, mais en utilisant des pastilles de matériau obtenues conformément au mode opératoire décrit dans l'exemple 4 et en polissant la latte au papier abrasif avant l'utilisation, en vue d'améliorer la conductivité électrique. L'analyse métallographique du joint, après soudage, montre que la qualité du joint est, en termes de porosité et de pénétration, identique à celle de l'échantillon de l'exemple 5. Revendications 1. Latte de soudure constituée par un. matériau composite, caractérisé en ce que le matériau composite comprend une matrice constituée par au moins une phase non conductrice, et des particules conductrices réparties au sein de la matrice, la concentration en particules conductrices étant au moins égale au seuil de percolation. 2. Latte selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau composite contient de 50 à 90% en volume de phase non conductrice et de 50 à 10% en volume de particules conductrices. 3. Latte selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau composite contient de 60 à 85% en volume de phase non conductrice et de 40 à 15% en volume de particules conductrices. 4. Latte selon la revendication 1, caractérisée en ce que la phase non conductrice contient un oxyde simple, un oxyde mixte, ou un mélange d'un ou plusieurs oxydes simples et/ou d'un ou plusieurs oxydes mixtes compatibles avec le métal ou les métaux susceptibles d'arriver en contact lors du soudage. 5. Latte selon la revendication 4, caractérisée en ce que les constituants de la phase non conductrice sont sous forme cristallisée. 6. Latte selon la revendication 4, caractérisé en ce la phase non conductrice contient un ou plusieurs oxydes choisis parmi Al203, MgO, ZrOz, TiO2, SiOz, Cr203, YzC, SrO, Fe203, BaO et CaO. 7. Latte selon la revendication 4, caractérisé en ce que la phase non conductrice contient au moins un oxyde mixte binaire ou ternaire choisi parmi les silicates, les phosphates, les aluminates et les titanates. 8. Latte selon la revendication 4, caractérisée en ce que la phase non conductrice contient la cordiérite 2MgO. 2Al203. 5Si02, la mullite 3Al203. 2Si02, ou une combinaison des deux. 9. Latte de soudure selon la revendication 4, caractérisée en ce que la phase non conductrice contient une solution solide d'oxydes choisie parmi 811203. 5SiO2) i 2 (Mgi-xFeJ0. 2Al203. 5Si02),- (CaO) x (MgO) l--x. 2SiO2, 2 (CaxMg1-x) O. SiO2, le pyroxène (MgxFel-x) O. Si02, l'olivine 2 (MgxFe1-x) O. SiO2, [Na2O]x[K2O]1-x.Al2O3.6SiO2, la magnesiowüstite (MgxFel-x) 0, 2 (CaxFel-x) O. Si02, la wollastonite (CaxFel-x) 0. Si02, avec 0 10. Latte selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules conductrices sont constituées par une ou plusieurs phases métalliques constituées par un élément choisi parmi Fe, Cr, Ni Cu, Mn, Zn, Pb, V, Ti et Sn, ou par plusieurs de ces éléments sous forme de composés intermétalliques ou d'alliages. 11. Latte selon la revendication 10, caractérisée en ce que les particules métalliques sont constituées par un acier. 12. Latte selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules conductrices sont constituées par un ou plusieurs composés conducteurs choisis parmi les carbures, les borures, les siliciures et les nitrures. 13. Latte selon la revendication 12, caractérisée en ce que les particules conductrices sont constituées par TiC, TiN, TiB2'MoSiz ou a-FeSi2. 14. Latte selon la revendication 12, caractérisée en ce que les composés conducteurs sont des composés mixtes dans lesquels un élément C, N ou Si est partiellement remplacé par au moins un autre élément de même nature. 15. Latte selon la revendication 14, caractérisée, en ce que le composé mixte est SiC ou TiCi--yNxOy, y étant minoritaire, dopé ou non dopé, avec 0 16. Latte selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules conductrices sont constituées par des oxydes conducteurs à la température d'utilisation de ladite latte, choisis parmi les alumines ss, les zircones dopées à moins de 20% en mole par CaO, Y203, mg ou Cers. 17. Latte selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules conductrices sont constituées par des composés semi-conducteurs électroniques choisis parmi TiO, Tiz03'VO, VZ03 et Fe304.