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Procédé de soudure en bout autogène ou avec métal dtapport de fils, câbles, tubes, plaques ou autres éléments métalliques.
La présente invention se rapporte à un procédé de soudure électrique en bout, autogène ou avec métal d'apport, de fils, câbles, tubes, plaques ou autres éléments métalliques.
C'est un fait bien connu que la soudure électrique en bout de métaux volatils et oxydables, et notamment de l'aluminium, présente de grosses difficultés. Les applications industrielles d'un tel procédé de soudure sont toutefois très étendues, et le besoin de soudures à la fois simples et rapides à effectuer tout en étant résistantes se fait très fortement sentir.
On sait pa.r exemple que les conducteurs électriques en aluminium soumis lors du passage du courant à de fortes varia- tions d'intensités chauffent aux pinces ou aux prises assurant
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les branchements du circuit considéré (prises de compteurs, de fusibles, de contacteurs, de boîtes de dérivation, etc....) Ce phénomène d'échauffement est dû à la couche d'alumine naturelle qui enveloppe ces conducteurs en assurant leur inoxydabilité, et il se localise aux points dtapplication des vis ou des mâchoires des pinces ou des prises. Il peut en résulter à la longue le desserrage des conducteurs et une mise hors d'usage des pinces, avec pyrogéna tion des isolants, et même une fusion des conducteurs au voisinage des pinces, avec tous les inconvénients qui en résultent.
Cet échauffement ne se produit plus au contraire lorsque le conducteur serré dans les pinces et les prises est en cuivre, en argent ou en un métal analogue. Ces conducteurs nobles sont toutefois d'un prix de revient prohibitif et d'un poids trop élevé pour l'installation tout entière de nombreux circuits. On comprendra aisément que l'on pourra remédier à ces inconvénients si l'on remplace simplement les tronçons conducteurs en aluminium serrés dans les pinces ou les prises de contact par des éléments en cuivre, argent, métal ou alliage analogue de façon à supprimer cet échauffement.
Ce rmepla cement partiel des conducteurs nécessite toutefois la réalisation d'une solidarisation en bout, qui ne peut être obtenue de façon simple que si l'on dispose d'un procédé de soudure rapide et donnant des points de soudure mécaniquement résistants.
L'un des buts de l'invention est de créer un procédé de soudure électrique permettant de réaliser cette solidarisation en bout de conducteurs de ce type.
On sait d'autre part qu'un grand nombre d'industries nécessitent l'assemblage en bout de tôles ou éléments analogues en aluminium ou autres métaux volatils et/ou oxydables ou la
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fixation en bout de plaques d'aluminium sur des éléments en un autre métal, tel que du cuivre, Cette nécessité se fait sentir par exemple dans les industries où, pour des raisons de profil aéra... dynamique par exemple, il est nécessaire de réaliser un assemblage en bout résistant et parfaitement plan, ne provoquant pas de décollement des couches limites.
Un autre but de l'invention est de créer un procédé de soudure en bout de plaques, tubes ou autres éléments analogues permettant de parvenir à ce résultat.
Si l'on s'efforce de réaliser cette soudure avec une tension élevée et que l'on traite de cette manière des métaux très volatils ou oxydables, par exemple de l'aluminium, du magnésium ou leurs alliages, on obtient au moment où l'on amène en contact les conducteurs ou les barres à souder une vaporisation du métal au voisinage de l'intersurface de contact, cette vaporisation entraînant une répulsion moléculaire et une oxydation immédiate au contact de l'air, ce qui se traduit le plus souvent par une petite explosion qui chasse les particules de métal fondu et empêche les molécules liquides de se lier entre elles en réalisant la soudure.
Il est donc avant tout nécessaire d'éliminer pour cette soudure l'utilisation d'une tension élevée. L'emploi d'une basse tension de quelques volts offre l'avantage de demander une bien plus faible puissance pour effectuer les soudures.
On peut localiser l'effet Joule provoqué par le passage du courant dans les conducteurs à souder au voisinage de leur inter- surface en taillant par exemple l'un de ces conducteurs en pointe ou en biseau, par exemple à l'aide d'une pince coupante. La surface de contact étant à ce moment très réduite, on comprendra aisément
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qu'il va se produire, mêmeà tension réduite, un échauffement capable d'assurer la fusion du métal si l'on utilise un courant d'intensité suffisamment élevée.
Toutefois, l'extrémité du conducteur coupé suivant une section droite va alors s'é panouir pour permettre la pénétration de cette pointe, sans réaliser pour cela de soudure mécaniquement acceptable. (Ce phénomène s'accompagne également d'une petite explosion pro- voquant la projection de petites particules dans l'air ambiant pa.r vaporisation, et l'oxydation de ces particules s'il s'agit d'aluminium par exemple.
Les recherches qui ont conduit à ces différentes observations ont donc permis de constater qu'il est nécessaire de protéger la zone de soudure de l'air ambiant, pour empêcher cette projection des particules par vaporisation et leur oxydation concomitante. Il sera également nécessaire, dans cet esprit, de commander à la main ou par des moyens méca- niques la force d'application des conducteurs l'un contre l'autre, qui assure la pénétration de la pointe dans la section du conducteur en contact, de même que le temps de passage du courant pour obtenir l'échauffement nécessaire.
On réduira éga.lement la tension utilisée à une valeur produis sant la fusion des conducteurs, mais sans vaporisation de ceux-ci.
Il sera nécessaire d'agir de même s'il s'agit d'éléments métalliques d'une autre forme, par exemple de plaques, de tubes, etc.., l'une des arêtes de l'un des éléments à souder étant taillée dans ce cas en biseau.
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L'invention est en conséquence matérialisée dans un procédé de soudure électrique en bout de fils, câbles, tubes, plaques ou autres éléments métalliques, notamment de métaux très volatils ou oxydables, consistant à tailler en pointe ou en biseau l'un au moins des éléments à souder pour former une arête, à maintenir les extrémités des éléments à souder en contact l'une avec l'autre, à protéger les parties es trêmes de ces éléments à souder du contact de l'air exté rieur, et à faire passer dans ces éléments métalliques un courant électrique de tension réduite pendant le temps né cessaire, tout en exerçant une certaine pression entre lesdits éléments.
Suivant des particularités de l'invention, on dispose autour des éléments à souder, dans la partie recouvrant la partie extrême, un manchon protecteur qui vient s'adapter sur ces éléments et empêche tout contact avec l'air extérieur.
Suivant la nature des éléments à souder, ce manchon pourra avoir la forme d'une douille engagée sur les conducteurs ou les câbles, d'une douille double pouvant être appliquée sur les faces interne et externe des tubes, ou de bandes s'appliquant de part et d'autre des plaques à souder. Ce manchon protecteur sera en métal, en alliage ou en matière réfractaire, pour pouvoir être arraché ou brisé après la soudure.
Suivant d'autres particularités de l'invention, on interpose entre les éléments métalliques à souder un métal d'apport dont la fusion est assurée par la chaleur dégagée
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au voisinage de l'intersurface de contact, et qui soude en semble les extrémités des éléments.
Suivant d'autres particularités encore de l'invention, on accélère le chauffage au voisinage de cette intersurface à l'aide d'une flamme dirigée sur les extrémités à souder, ou au moyen d'une résistance électrique entourant lesdites extrémités. Dans ces deux cas, l'échauffement provoqué par le passage du courant est combiné à un chauffage extérieur.
La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de mieux comprendre l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique de la position de deux conducteurs coupés suivant des sections droites et dont on veut effectuer la soudure.
Les figs. 2 et 3 montrent schématiquement l'effet de l'échauffement lorsque l'un des conducteurs est taillé en pointe.
La fig. 4 est un schéma de principe montrant comment on peut protéger la zone de soudure du contact de l'air extérieur pour empêcher l' oxydati on.
.La fig. 5 est une vue schématique matérialisant l'in venti on.
La fig. 6 est une vue schématique en élévation d'un mode d'utilisation de l'invention.
Les figs. 7 et 8 montrent deux modes de mise en oeuvre de l'invention pour souder en bout deux tubes, par soudure autogène et avec métal d'apport.
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Les figs. 9 et 10 sont des vues schématiques montrant le mode de soudure en bout de deux plaques, par soudure auto- gène et avec métal d'apport.
La fig. 11 montre une variante avec chauffage auxiliaire extérieur.
La fig. 12 est une vue schématique d'un manchon avec pastille de métal d'apport utilisable pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
La fig. 13 représente une variante du manchon montré sur la fig. 12.
La fig. 14 montre la position d'éléments métalliques à souder dans le manchon de la fig. 12.
Si l'on se reporte tout d'abord à la fig. L, on a re- présenté schématiquement deux pinces M1 et M2 dans lesquelles sont serrés un conducteur en aluminium v et un conducteur en cuivre u, ces conducteurs étant en contact l'un avec l'au- tre par l'ensemble de la surface de leur section droite ex trême. On comprendra aisément que, si l'on fait passer un courant de tension relativement réduite dans ces conducteurs, il ne va se produire sur l'intersurface entre leurs extrémités aucun échauffement particulier capable d'assurer la soudure.
Dans la fig. 2 l'extrémité du conducteur en cuivre u est taillé en pointe comme montré en o, et l'intersurface entre ces deux conducteurs est alors réduite à la pointe k.
Si l'on fait passer un courant électrique dans ces conducteurs, on comprend que l'effet Joule va être localisé en ce point k et va provoquer la fusion de l'extrémité du conducteur en aluminium! et son épanouissement comme montré sur la fig. 3,
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ce phénomène s'accompagnant comme indiqué plus haut d'une petite explosion, conjointement à la vaporisation du métal et à la projection dans l'air ambiant de fines particules de métal liquide. Dans le cas de l'aluminium considéré ici, il se produit en outre une oxydation de la partie extrême,tous ces phénomènes coopérant pour empêcher l'obtention d'une soudure mécaniquement acceptable.
Dans la fig. 4, on a disposé avant de faire passer le courant et autour de la partie extrême des conducteurs une enceinte C dans laquelle ces conducteurs pénètrent à frottement doux. On fait passer dans cette enceinte un gaz inerte empêchant le contact de l'air extérieur et des extré mités à souder des conducteurs. Lors du passage. d'un courant de tension relativement réduite et d'intensité élevée, il se produit à l'intersurface entre le conducteur en aluminium v et la pointe de cuivre o un échauffement qui provoque la fusion du métal. Les particules liquides d'aluminium ne peuvent plus être oxydées par l'air ambiant, et ne peuvent être projetées d'autre part vers l'extérieur à cause de la présence de l'enceinte C.
Il en résulte alors une attraction des particules métalliques et une interpénétration qui assure une soudure efficace. Il est évident que les deux extrémités des conduc- teurs à souder devront être rapprochées l'une de l'autre au cours de la soudure, et que l'on devra faire passer le courant pendant le temps juste nécessaire à la réalisation de celle-ci.
Toutefois,, l'enceinte C devra être dégagée ou détruite après chaque soudure, ce qui rend ce procédé coûteux. On remédiera à ce dernier inconvénient par adaptation d'un simple manchon protecteur comme décrit ci-'après.
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La soudure autogène obtenue comme indiqué en regard de la fig. 4, peut être transformée en outre en soudure avec métal d'apport par exemple de l'étain, comme montré en fig. 5.
On comprendra d'ailleurs que l'expression "métal d'apport" utilisée ici ne désigne pas simplement un métal, mais égale- ment tout alliage d'apport convenable. Dans le cas d'une soudure cuivre sur aluminium, on utilisera ainsi de l'étain ou un alliage de ce dernier. L'enceinte C est ici remplace par un manchon c qui vient s'adapter sur les parties extrêmes des conducteurs, et dans lequel ceux-ci pénètrent à frottement doux. On remarquera qu'une pastille de métal d'apport p est interposée entre la pointe en cuivre o et le conducteur d'alu. minium v un décapant étant appliqué sur la pointe de cuivre o pour fixer l'étain de première fusion. Lors du passage du courant, la fusion de ce métal d'apport coopère à la soudure.
Il est évident que l'application du manchon sur les conducteurs n'a pas besoin d'être étanche à l'air, cette étanchéité étant obtenue de toute façon par dilatation de l'air lors de la chauffe du métal pendant la soudure.
La liaison ainsi obtenue entre les deux conducteurs u et v est montrée schématiquement sur la fig. 6, sur laquelle la pointe de contact en cuivre par exemple, est représentée en pointillé, la zone de soudure ainsi formée correspondant à une zone d'interpénétration des particules,des deux métaux.
On a montré ici le conducteur en cuivre u serré dans une pince de contact P. Comme indiqué précédemment, le contact obtenu sur ce conducteur en cuivre sera satisfaisant, et la plus grande partie du circuit pourra être formée en fils d'aluminium v.
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Les considérations qui précèdent s'appliquent de la même façon dans le cas où s'il s'agit de souder deux à deux de façon autogè ne des métaux quelconques. Il suffit dans les explications ci- dessus de ne tenir compte alors que de leur contact, sans alliage avec le métal d'apport.
Le manchon c formant l'enceinte protectrice permettant la réalisation de la soudure peut être en métal et demeurer sur la partie soudée des conducteurs, ou bien être par exemple en matière réfractaire céramique ou autre, que l'on peut casser une fois la soudure réalisée pour permettre la sépara- tion de ce manchon. Il restera alors simplement deux conduc teurs soudés en bout et assemblés de façon résistante. On peut également dégager ce manchon en l'ouvrant suivant l'une de ses génératrices, puis en l'arrachant des conducteurs soudés.
La tension utilisée dans cette opération sera de préférence de l'ordre de zéro à trois volts, de façon à ob- tenir une simple fusion du métal, et en aucun cas une vapori- sation de celui-ci, et les intensités du courant utilisé pour cette soudure pourront varier de 1 à plusieurs centaines d'ampères par millimètre carré suivant la nature des métaux.
Dans le cas de tubes, on procède comme montré sur les figs. 7 et 8. On considère ici deux tubes a et b qu'il s'agit de souder en bout. On taille alors les extrémités en regard de ces tubes en biseau comme indiqué en j et k. On applique sur la face externe des tubes, de part et d'autre de leur intersurface, un manchon externe M les parties en biseau j et k des tubes se trouvant approximativement dans la partie médiane de ce manchon. On introduit ensuite à l'inté rieur des tubes a et b une douille interne m pénétrant à
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frottement doux dans ces tubes, et qui est solidaire d'une tige U permettant d'amener cette douille en position convena. ble à l'intérieur du manchon M. Comme montré sur les figs.
7 et 8, la longueur de la tige U sera étudiée pour faire saillie de l'extrémité Z de l'un des tubes, afin de permettre la commande de l'introduction et du dégagement de la douille m.
Si l'on se reporte tout particulièrement à la fig. 7, lorsqu'on fait passer dans les tubes a et b un courant élec trique à basse tension et d'intensité élevée, un échauffement va se produire par effet Joule sur l'intersurface entre les biseaux ou arêtes j et k, qui va provoquer la fusion du métal. Si l'on exerce sur le tube a une force F dirigée vers la droite en regardant le dessin et sur le tube b une force Ft dirigée en sens contraire, ou même en remplaçant l'une de ces forces par un point fixe, les extrémités fondues des tubes a et b vont s'interpénétrer pour réaliser sur l'intersurface théorique ST une soudure autogène mécaniquement acceptable.
Dans le cas de la fig. 8, on a interposéentre les arêtes j et k une pastille R de métal d'apport dont la fusion va se faire en même temps que celle des extrémités des tubes, et qui va coopérer à leur soudure. Cette soudure s'effectue alors en principe sur l'intersurface ST, entre l'arête j du tube a et la pastille de métal d'apport R.
On a représenté schématiquement sur les figs. 9 et 10 Inapplication du principe de l'invention à la soudure en bout de plaques a et b. Dans ce cas, on taille les bords des plaques à souder en biseaux comme montré en j et k, et on les amène en contact en appliquant de part et d'autre des bandes Pl et Pz venant recouvrir les extrémités en contact de
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ces plaques. On fait alors passer le courant en exerçant sur les plaques a et b des forces F et F' dirigées l'une vers l'autre, pour réaliser la soudure comme indiqué précédemment et pour obtenir suivant la fig. 9 une soudure autogène et suivant la fig. 10 une soudure avec métal d'apport.
Suivant une variante de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, on favorise l'échauffement au voisinage de l'intersurface entre les extrémités de deux conducteurs ou éléments métalliques à souder par un chauffage extérieur, par exemple de la manière montrée sur la fig, 11.
Pour faciliter la soudure d'un conducteur en aluminium v avec un conducteur en cuivre u serrés dans des pinces M1 et IL et dont les extrémités j et k sont logées dans un manchon protecteur c, avec interposition d'une pastille p d'un alliage d'étain ou d'étain entre l'arête j du conducteur en aluminium v @ et la pointe k prévue à l'extrémité du conducteur en cuivre u pour assurer la soudure suivant une section théorique L, on chauffe le manchon c au moyen d'une flamme f pendant le passage @ du courant électrique de soudure, tout en exerçant sur les co ducteurs u et v des forces P1 et P2 dirigées l'une vers l'autre, l'une de ces forces pouvant être remplacée par une butée fixe.
On comprendra aisément que la chaleur supplémen- taire fournie par la flamme f va activer l'échauffement des parties extrêmes des conducteurs et par suite leur fusion et la formation de la soudure.
Suivant une autre variante encore, on dispose autour du manchon: une résistance électrique r1 r2 alimentée en courant par des conducteurs s et e , et on fait passer le courant dans cette résistance en même temps que dans les con-
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ducteurs u et v pour obtenir une chaleur supplémentaire facili. tant la fusion des métaux et par suite leur soudure.
Pour faciliter la mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention.,, on peut utiliser pour assembler par soudure en bout des conducteurs électriques, des barres, des tubes ou des éléments analogues, des manchons préparés à l'avance . Pour effectuer une soudure avec métal d'apport, on pourra par exemple fixer solidement par compression la pastille de métal ou d'alliage d'apport dans le manchon à la distance voulue de sa base, et recouvrir ensuite tout ou partie de l'intérieur dudit manchon et la pastille d'un décapant convenable, sous forme de vernis par exemple. 11 est ainsi possible de disposer à l'avance de toute une série de manchons de formes et calibres différents suivant les soudures à effectuer.
On a représenté sur la fig. 12 un manchon de ce type désigné d'une façon générale par mL et renfermant une pastille de métal ou d'alliage d'apport Pl fixée dans ce manchon par pression. Un vernis décapant v est appliqué ici d'un seul côté de la pastille de métal d'apport P1 et sur une partie seulement de la face interne du manchon.
Dans la variante de la fig.13 . on utilise un manchon m2 renfermant une pastille de métal ou d'alliage d'apport P2 de part et d'autre de laquelle on a appliqué un vernis décapant vl ,v2 qui recouvre ainsi les deux faces de cette pastille et toute la surface interne du manchon m2
Les manchons utilisés à cet effet et munis de vernis décapant pourront être de toute nature convenable et par exemple en laiton, fer, nickel, matière réfractaire, etc..
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Pour l'utilisation d'un manchon m de ce type, on introduit ce dernier comme montré sur la fig. 14 sur une extrémité d'un conducteur ou autre élément métallique U, pour amener l'arête extrême de celui-ci en contact avec la pastille p, puis l'autre élément métallique à souder V de l'autre côté du manchon, cet élément V étant taillé en pointe par exemple et pénétrant dans la partie du manchon m recouverte par le vernis décapant v 11 suffit alors de faire passer le courant dans ces élé ments métalliques en exerçant sur chaque élément une pression P1 P2 dirigée vers le manchon pour assurer la soudure.
'Il va de soi que,.sans sortir du cadre de l'invention, on peut apporter des modifications aux modes de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits.
REVENDICATIONS
1. Procédé de soudure électrique en bout autogène ou avec métal ou alliage d'apport de fils, câbles, tubes, plaques ou autres éléments métalliques, notamment de métaux volatils ou oxydables, consistant à tailler en pointe ou en biseau l'un au moins des éléments à souder pour former une arête, à maintenir les extrémités des éléments à souder en contact l'une avec l'autre, à protéger les parties extrêmes de ces éléments à souder du contact de l'air extérieur, et à faire passer dans ces éléments un courant électrique de tension réduite pendant le temps nécessaire tout en exerçant une certaine pression entre les éléments métalliques à souder.