Brevet FR2933541A1 — publié le 20100108

PROCEDE D'ASSEMBLAGE PAR RESISTANCE D'UN MATERIAU DE CONTACT SUR UN SUPPORT METALLIQUE, CONTACT ELECTRIQUE REALISE PAR UN TEL PROCEDE ET PASTILLE DE CONTACT UTILISEE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention est relative à un procédé d'assemblage par soudure par résistance entre un support métallique et un matériau de contact. Le procédé consiste à introduire le support métallique et le matériau de contact en contact entre deux électrodes connectées à une source de courant électrique. Une sous-couche destinée à assurer une adhésion entre le support métallique et le matériau de contact est insérée localement entre le support métallique et le matériau de contact. Un courant électrique et une force de compression sont appliqués pendant un intervalle de temps à travers les électrodes. L'invention est relative à une pastille de contact destinée à être assemblée sur 15 un support métallique selon le procédé selon l'invention et un contact électrique pour appareillage électrique de coupure comprenant une telle pastille de contact. ETAT DE LA TECHNIQUE Les procédés d'assemblage par résistance sont largement exploités pour la fixation pièces métalliques utilisées notamment dans la fabrication de contacts 20 électriques d'appareillages électriques comme décrit dans le document FR2665026. Les procédés de soudure par résistance peuvent être utilisés notamment pour assembler un matériau de contact sur un support métallique. Un apport de matière telle que notamment de la brasure peut aussi être employé. L'apport de matière est utilisé pour augmenter la qualité de la liaison entre les 25 pièces métalliques à assembler. En outre, la tenue mécanique des soudures est notamment dépendante de la nature des deux métaux ou alliages présents. Les pastilles de contact destinées à être utilisées dans les contacts électriques, peuvent être constituées de trois couches de matériau. Chaque couche de matériau peut jouer un rôle différent. Les pastilles de contact peuvent comporter : - Une première couche constituée d'un matériau de contact notamment à base d'argent ou de cuivre. De part ses propriétés de non-soudabilité et de résistance à l'érosion sous arc électrique, la première couche permet l'établissement et la coupure du courant. - Une seconde couche intermédiaire notamment à base d'argent permet une bonne compatibilité d'assemblage entre le matériau de contact et un support métallique du contact électrique. - Une troisième couche jouant le rôle de brasure. La troisième couche est ~o notamment à base argent et est de faible épaisseur. Ladite troisième couche tend à améliorer la qualité d'assemblage entre le matériau de contact, la seconde couche intermédiaire et le support métallique. Le support métallique du contact électrique est généralement réalisé à base de cuivre ou d'alliages de cuivre tel que le Laiton. La brasure présente la particularité 15 d'avoir une température de fusion inférieure à celle du matériau de contact et du support métallique à assembler. Un échauffement extérieur aux pastilles de contact notamment par résistance, induction ou flamme permet de passer en fusion la brasure et de créer un accrochage entre le matériau de contact et son support lors du refroidissement. 20 L'utilisation de sous-couche et de brasure à base d'argent entraine cependant une inflation non négligeable des couts de fabrication des contacts électriques. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique, de manière à proposer un procédé d'assemblage par résistance entre un matériau de 25 contact et un support métallique. La sous-couche selon le procédé d'assemblage selon de l'invention comprend un agent à conductivité variable avec la température, la conductivité dudit agent augmentant pendant l'intervalle de temps d'application du courant électrique et de la force de compression. L'augmentation de la conductivité dudit agent est irréversible. Selon un mode de développement de l'invention, l'agent à conductivité variable a une conductivité inférieure à un premier seuil pour des températures inférieures à 400° et une conductivité supérieure audit premier seuil pour des températures supérieures à 500° celsius. Avantageusement, l'agent à conductivité variable comprend de l'oxyde d'argent, le taux d'oxyde d'argent variant d'un rapport au moins égal à 10 entre le début et la fin de l'intervalle de temps. De préférence, l'agent à conductivité variable est composé d'au rnoins 10% d'oxyde d'argent au début de l'intervalle de temps et de moins de 1% d'oxyde d'argent à la fin de l'intervalle de temps. De préférence, l'agent à conductivité variable est composé d'oxyde d'argent et d'argent. De préférence, le matériau de contact est constitué d'une base d'argent ou de cuivre et d'un renfort. De préférence, le support métallique est constitué d'un matériau métallique comprenant du cuivre et/ou du laiton et/ou de l'acier. Une pastille de contact destinée à être assemblée sur un support métallique selon le procédé telle que défini ci-dessus, est constituée de deux couches de matériau, une première couche de matériau de contact et une seconde couche comportant un agent à conductivité variable. De préférence, la première couche a une épaisseur après densification comprise entre 0,7 et 5 mm et la seconde couche a une épaisseur variant de 0,1 à 0,5 mm, les deux couches présentant une densité avant densification et assemblage comprise entre 30 et 95% de la densité théorique. Contact électrique pour appareillage électrique de coupure comprenant une pastille de contact telle que définie ci-dessus et assemblée à un support métallique. Ledit support et ladite pastille de contact sont assemblés selon le procédé tel que défini ci-dessus. De préférence, le support métallique est en cuivre et le matériau de contact 5 comporte de l'argent et de l'oxyde d'étain. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés sur lesquels : 10 la figure 1 représente un schéma représentatif d'une première étape du procédé de d'assemblage de deux pièces selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 représente un schéma représentatif d'une seconde étape du procédé de d'assemblage de deux pièces selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 représente un schéma représentatif de l'évolution de la nature du 15 matériau de contact au cours du déroulement du procédé de d'assemblage selon les figures 1 et 2 ; la figure 4 représente le changement de conductivité en fonction de la température d'un agent à conductivité variable utilisé dans le procédé d'assemblage selon les figures 1 et 2. 20 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, le procédé consiste à assembler par soudure par résistance un matériau de contact 2 sur un support 1 métallique. A titre d'exemple de réalisation, le matériau de contact constitue une pastille de contact destinée à être fixée sur un doigt de contact électrique d'un 25 dispositif de coupure. A titre d'exemple, le support est à base de cuivre et/ou de laiton et/ou de l'acier. Le support 1 et le matériau de contact 2 sont placés en contact entre deux électrodes 3 d'une presse. La presse comporte une première électrode placée en vis à vis du matériau de contact 2. La seconde électrode est placée en vis à vis de la première électrode, de l'autre coté des deux pièces à souder notamment du support 1 et le matériau de contact 2. Les électrodes sont connectées à une source de courant électrique 7. A titre d'exemple de réalisation, les électrodes peuvent être en graphite ou en tungstène. Une sous-couche 8 est insérée localement entre le support 1 et le matériau de contact 2. Ladite sous-couche est destinée à assurer une adhésion entre le 10 support 1 et le matériau de contact 2. Au moment de l'opération d'assemblage, la presse applique, via au moins une des deux électrodes, des forces de pression FP sur les deux pièces et fait circuler au moyen de la source de courant 7, un courant électrique I à travers lesdites pièces 1, 2. Le courant électrique I et la force de compression FP sont appliqués 15 pendant un intervalle de temps déterminé t. Selon un mode préférentiel de l'invention, la sous-couche 8 comprend un agent à conductivité a variable avec la température. En pratique, la conductivité dudit agent augmente pendant l'intervalle de temps t d'application du courant électrique I et de la force de compression FP. L'augmentation de la conductivité dudit agent 20 est irréversible. Dans un exemple d'application de l'invention, les électrodes supérieure et inférieure sont en tungstène. L'effort appliqué par les électrodes sur les pièces 1, 2 est comprise entre 50 et 600 daN selon les caractéristiques desdites pièces. Le courant électrique I circulant entre les électrodes 3 est un courant alternatif ou 25 continu. Compte tenu des coefficients de résistivité p des différents métaux en présence, le passage d'un courant électrique de forte intensité provoque un échauffement global des pièces compris entre 600 et 1100 degrés Celsius. L'intensité du courant électrique peut atteindre une valeur de 80 kilo ampères dans le cas de l'assemblage d'une pastille de contact de grande dimension sur un support en cuivre. Compte tenu que l'agent à conductivité 6 variable a une forte résistivité à basse température, l'échauffement localisé au niveau de la surface de contact entre le matériau de contact 2 et le support 1 est très important. Cet échauffement est toujours supérieur à celui des deux pièces 1, 2. La température peut atteindre localement une température de l'ordre de 1500 degrés Celsius. Cet échauffement local permet une fusion des matériaux au niveau de la zone de contact. Une première résistance de contact RC1 entre les électrodes et les matériaux à assembler 1, 2 doit être minimisée pour éviter tout risque de soudure entre lesdites électrodes et les matériaux à assembler. Une seconde résistance de contact RC2 entre les matériaux 1, 2 doit être maximisée pour favoriser un échauffement au passage du courant. La forte résistivité de l'agent à conductivité variable présent dans la sous couche 8 permet de jouer cette fonction au début de l'intervalle t d'application des forces et du courant. Selon le mode de réalisation, la durée de passage du courant, correspondant à cette opération, peut varier dans une plage de quelques millisecondes à quelques secondes. Généralement, le temps d'application du courant électrique est de préférence court, c'est-à-dire inférieur à la seconde. Comme représenté sur la figure 4, à titre d'exemple, l'agent à conductivité 6 variable a une conductivité a inférieure à un premier seuil pour des températures inférieures à 400° et une conductivité a supérieure audit premier seuil pour des températures supérieures à 500° celsius. En pratique, cet intervalle de température entre 400 et 500°C doit être inférieur aux températures de fusion du support 1 et du matériau de contact 2. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, l'agent à conductivité variable contenu dans la sous couche 8 comprend de l'oxyde d'argent Ag2O. Le taux d'oxyde d'argent Ag2O varie d'un rapport au moins égal à 10 entre le début et la fin de l'intervalle de temps t d'application du courant électrique I et de la force de compression FP. A titre d'exemple, l'agent à conductivité variable est composé d'au moins 10% d'oxyde d'argent Ag2O au début de l'intervalle de temps t et de moins de 1% d'oxyde d'argent Ag2O à la fin de l'intervalle de temps t. L'agent à conductivité variable peut comprendre d'autres composants additionnels. Ces composants additionnels sont conducteurs. L'agent à conductivité variable comporte de préférence de l'argent en tant que composant additionnel. Cet ajout d'argent sert notamment à réguler la réaction chimique telle qu'écrite ci-dessous : 400-500°C Ag2O ù> 2Ag+'2O2 Cette régulation a des répercussions sur la consommation d'énergie lors de la réaction et permet d'apporter plus de flexibilité au procédé d'assemblage. Selon un mode de développement de l'invention, le matériau de contact 2 est un matériau composite constitué d'une matrice métallique d'argent ou de cuivre dans laquelle est dispersé un renfort. Ce renfort est un composé céramique qui présente la particularité d'avoir des points de fusion élevé et peut être oxyde ou non-oxyde. Nous pouvons citer notamment les renforts suivant l'oxyde de Cadmium CdO, l'oxyde d'étain SnO2, l'oxyde de fer Fe203, l'oxyde de zinc ZnO, l'oxyde de zirconium ZrO2, le diborure de zirconium ZrB2, le tungstene W, le carbure de tungstène WC. Le matériau de contact 2 peut aussi comporter des dopants ou additifs permettant d'améliorer des performances électriques telles que la tenue à l'érosion par l'arc et la conductivité électrique. Ces dopants sont la plupart du temps des oxydes. On peut citer à titre d'exemple un oxyde de cuivre CuO, un oxyde de tungstène W03, un oxyde de molybdène MoO3, un oxyde de Bismuth Bi203, un oxyde d'antimoine Sb203, un oxyde de Tellure TeO2, un oxyde de ruthénium RuO2, un oxyde de Magnésium MgO, un oxyde de Germanium GeO2, un oxyde de Tantale Ta205, un oxyde de zinc ZnO, un oxyde de fer Fe203, un oxyde de Niobium Nb205, ou un Carbure de Tantale TaC. La nature et la présence de renfort et/ou de dopant n'interviennent pas dans le déroulement de l'assemblage. Ces composants sont sélectionnés en fonction des 3o domaines d'applications dans lesquels seront utilisés les matériaux de contact, notamment dans des disjoncteurs ou contacteur basse tension ou en moyenne tension. Grâce à l'utilisation du procédé décrit ci-dessus, on réalise ainsi concomitamment un frittage direct de la pastille de contact 2 et l'assemblage de cette dernière sur le support 1. L'invention est aussi relative à un contact électrique destiné à la, connexion d'appareillage électrique. Le contact électrique comprend un support 1 métallique et un matériau de contact 2. Lesdits supports et matériau de contact sont assemblés selon le procédé tel que défini ci-dessus. De préférence, le support métallique 1 est en cuivre et le matériau de contact 2 comporte essentiellement de l'argent et de l'oxyde d'étain SnO2 (AgSnO2). L'invention est aussi relative à une pastille de contact 10. Les pastilles de contact destinées à être utilisées dans les contacts électriques, peuvent être constituées de trois couches de matériau. Chaque couche de matériau peut jouer un rôle différent. Les pastilles de contact peuvent comporter : - Une première couche constituée d'un matériau de contact notamment à base d'argent ou de cuivre. Ladite couche joue un rôle électrique lors des phases de fermeture et d'ouverture des contacts électriques. En effet, de part ses propriétés de non-soudabilité et de résistance à l'érosion sous arc électrique, la première couche permet l'établissement et la coupure du courant électrique. - Une seconde couche intermédiaire notamment à base d'argent permet une bonne compatibilité d'assemblage entre le matériau de contact et un support métallique du contact électrique. - Une troisième couche jouant le rôle de brasure. La troisième couche est notamment à base argent et est de faible épaisseur. Ladite troisième couche tend à améliorer la qualité d'assemblage entre le matériau de contact, la seconde couche intermédiaire et le support métallique. Comme cela est représenté dans le tableau 1, les épaisseurs respectives des différentes couches constituant la pastille de contact peuvent varier en fonction du type de dispositif de coupure et de l'intensité des courants électriques. EPAISSEUR Pastille de contact (mm) APPLICATION SOUS BRASURE TOTALE COUCHE Basse Contacteur 0,7 - 2 0,2 - 0,4 0,1 - 0,2 1 - 2,6 (AgSnO2, AgZnO, ...) Tension Disjoncteur (AgC, AgW, AgWC, AgTiN,...) 0,5 0,7 0 0,4 0 0,2 0,5 1,3 Moyenne (CuCr, CuW,...) 2 - 5 0 - 0,5 0,2 2,2 - 5,7 Tension Tableau 1 Selon l'invention comme représenté dans le tableau 2, la sous couche intermédiaire et la brasure telles que décrites dans les solutions de l'état de la technique sont remplacées par une seule sous-couche. Il en résulte une réduction de l'épaisseur totale de la pastille de contact. Ainsi, selon un mode de développement de l'invention, la pastille de contact 10 assurant la fonction contact électrique sera constituée de deux couches. Une première couche 2 de matériau de contact (AgSnO2, AgZnO, AgC, AgWC, AgW, CuCr, CuW,...) dont l'épaisseur après densification sera comprise entre 0,7 et 5mm. Une seconde couche 8 d'un élément à conductivité variable d'une épaisseur variant de 0,1 à 0,5mm. Le matériau de contact 2 et la couche 8 constituée de l'agent à conduction variable présenteront une densité avant densification et assemblage comprise entre 30 et 95% de la densité théorique. Autrement dit, la pastille de contact 10 peut être dans un état pulvérulent sous forme de poudre où dans un état pré-comprimé. EPAISSEUR Pastille de contact (mm) APPLICATION AGENT à a VARIABLE TOTALE Basse Contacteur 0,7 - 2 0,1 - 0,3 0,8 - 2,3 (AgSnO2, AgZnO, ...) Tension Disjoncteur 0,5 - 0,7 0-0,3 0,5 - 1 (AgC, AgW, AgWC, AgTiN,...) Moyenne (CuCr, CuW2 2 - 5 0,1 - 0,5 2,1 - 5,5 Tension ...) Tableau 2 Grâce à ce procédé d'assemblage, on observe une réduction de coût de fabrication des pastilles de contact, réduction directement corrélée à la réduction d'épaisseur. En outre, ce procédé d'assemblage permet de lever des verrous technologiques sur l'assemblage par soudage de matériaux type AgSnO2 qu'il est impossible d'assembler par résistance actuellement, tout en conservant des performances électriques élevées, pour des surfaces supérieures à 50mm2. Ce procédé permet de remplacer avantageusement les brasures sur les pièces de surfaces supérieures à 50mm2 et permet de maîtriser la qualité d'assemblage d'une part par la maîtrise de la réaction de réduction de l'oxyde d'argent Ag2O, et d'autre part par la flexibilité augmentée des paramètres d'assemblage (temps, effort, courant,...) Le contact électrique suivant l'invention est particulièrement destiné à des appareils électriques de coupure tels que des disjoncteurs, des interrupteurs électriques ou des contacteurs dans les domaines de la basse et moyenne tensions. REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage par soudure par résistance entre un support (1) métallique et un matériau de contact (2), procédé consistant à : • introduire le support métallique (1) et le matériau de contact (2) en contact entre deux électrodes (3) connectées à une source de courant électrique (7), • insérer localement entre le support métallique (1) et le matériau de contact (2) une sous-couche (8) destinée à assurer une adhésion entre le support métallique (1) et le matériau de contact (2), io • appliquer, pendant un intervalle de temps (t), un courant électrique (I) et une force de compression (FP) à travers les électrodes (3) caractérisé en ce que la sous-couche (8) comprend un agent à conductivité variable (a) avec la température, la conductivité (a) dudit agent augmentant pendant l'intervalle de temps (t) d'application du courant électrique (I) et de la 15 force de compression (FP), l'augmentation de la conductivité dudit agent étant irréversible. 2. Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent à conductivité variable a une conductivité (a) inférieure à un premier seuil pour des températures inférieures à 400° et une conductivité (a) supérieure audit 20 premier seuil pour des températures supérieures à 500° celsius. 3. Procédé d'assemblage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'agent à conductivité variable comprend de l'oxyde d'argent (Ag2O), le taux d'oxyde d'argent (Ag2O) variant d'un rapport au moins égal à 10 entre le début et la fin de l'intervalle de temps (t). 25 4. Procédé d'assemblage selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'agent à conductivité variable est composé d'au moins 10% d'oxyde d'argent (Ag2O) au début de l'intervalle de temps et de moins de 10/0 d'oxyde d'argent (Ag2O) à la fin de l'intervalle de temps. Il . Procédé d'assemblage selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'agent à conductivité variable est composé d'oxyde d'argent (Ag2O) et d'argent (Ag). 6. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que le matériau de contact (2) est constitué d'une base d'argent ou de cuivre et d'un renfort (SnO2, ZnO, CdO, W, WC, 7. Pastille de contact (10) destinée à être assemblée sur un support métallique (1) selon le procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce 10 qu'elle est constituée de deux couches de matériau, - une première couche de matériau de contact (2) (AgSnO2, AgZnO, AgC, AgWC, AgW, CuCr, CuW,...), - une seconde couche (8) comportant un agent à conductivité variable. 10. Pastille de contact selon la revendication 7, caractérisée en ce que la première 15 couche (2) a une épaisseur après densification comprise entre 0,7 et 5 mm et en ce que la seconde couche (8) a une épaisseur variant de 0,1 à 0,5 mm, les couches présentant une densité avant densification et assemblage comprise entre 30 et 95% de la densité théorique. 11. Contact électrique (100) pour appareillage électrique de coupure comprenant 20 une pastille de contact (10) selon les revendications 7 ou 8 assemblée à un support métallique (1) caractérisé en ce que ledit support et ladite pastille de contact (10) sont assemblées selon le procédé selon l'une des revendications 1 à6. 12. Contact électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le support 25 métallique (1) est en cuivre et le matériau de contact (2) comporte de l'argent (Ag) et de l'oxyde d'étain (SnO2).