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La présente invention concerne l'assemblage des matériaux et plus spécialement l'assemblage de matières réfractaires actives, conductrices de l'électricité; des matières réfractaires actives sont les métaux ou alliages consistant en ou contenant des proportions notables d'au moins un des éléments de la classe des titane, zirconium, hafnium, vanadium, molybdène, tantale, niobium et tungstène.
Les matières réfractaires, actives ont des points de fusion élevés et, en outre, quand elles sont portées à haute température, ces matières réagissent violemment avec les gaz de l'atmosphère comme l'azote, l'oxygène et l'hydrogène.
En essayant d'assembler ue partie d'une matière réfractaire active avec une autre matière qui peut être aussi une matière réfractaire active ou une matière d'un autre type, il a été constaté que même une très faible concentration d'un gaz de contamination fait que le joint n'est pas acceptable du point de vue industriel.
Suivant les techniques connues jusqu'ici, des précautions compliquées sont prises pour éviter cette contamination. La soudure de matières comme le titane ou le zirconium a souvent lieu dans un récipient hermétique sous la protection d'hélium ou d'argon gazeux extrêmement pur et très coûteux. Le brasage de métaux comme le titane conformément aux anciennes techniques typiquement déterminées dans le brevet américain n 2.768.271, se fait aussi dans une atmosphère constituée par un gaz inerte extrêmement pur.
Les précautions compliquées qui doivent être prises lors de la soudure de matières réfractaires actives, sont nécessairement coûteuses et provoquent une perte de temps, et la présente invention a pour but de procurer un procédé ne nécessitant pas ces précautions coûteuses et de longue exécution précitées, pour assembler des éléments dont un au moins est en une matière réfractaire active.
L'invention a aussi pour buts de procurer un procédé n'ayant pas recours aux précautions coûteuses et de longue exécution, pour la soudure d'éléments'dont un au moins est en une matière réfractaire active; un procédé n'ayant pas recours à ces précautions pour le brassage d'éléments dont un au moins est en une matière réfractaire active ; nouveau procédé d'assemblage de matières conductrices de l'électricité convenant spécialement pour l'assemblage de matières réfractaires actives mais pouvant aussi s'appliquer à d'autres matiè- res; - un nouveau procédé de nettoyage de la surfaces des matériaux convenant spécia- lement pour le nettoyage des surfaces de matériaux à souder ou à braser suivant la présente invention, mais qui est aussi d'application générale.
L'invention est basée sur l'adaptation de l'utilisation d'une décharge à arc électrique au nettoyage et à l'assemblage de matières, ce procédé par déchar- ge ayant des-propriétés convenant spécialement bien pour ces opérations. Cette décharge à arc électrique est dénommée ci-après "arc sous vide", quoiqu'il s'agis- se plus exactement d'un arc établi dans une atmosphère de vapeur métallique.
Pour comprendre l'expression "arc sous vide", il faut saisir la différence marquée qu'il y a entre cet arc sous vide et l'arc électrique couramment utilisé avant la présente invention.
L'arc sous vide est semblable à l'arc classique à la fois en ce qui concerne sa chute de tension et sa capacité en courant. La chute de tension de l'arc classique et de l'arc sous vide est-,faible et en substance constante dans une gamme étendue de courants d'arc; le courant d'arc, aussi bien de l'arc élec- trique conventionnel que de l'arc sous vide, peut être très intense, de l'ordre de milliers d'ampèreso L'arc sous vide est généralement amorcé de.la même façon que l'arc classique, c'est-à-dire en réunissant les électrodes entre lesquelles une tension à vide importante est appliquée.
L'arc sous vide diffère de l'arc classique en ce qui concerne l'atmos- phère dans laquelle il travaille et en ce qui concerne sa structure et sa forme.
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L'arc conventionnel peut travailler à la pression atmosphérique ou même une pres- sion plus élevée, ou sous un vide partiel. Quand l'arc conventionnel travaille sous des pressions atmosphériques ou plus élevées, la borne d'anode de l'arc reste relativement fixe tandis que la borne de cathode se déplace continuellement à grande vitesse dans une petite région. Quand la pression diminue, la surface ba- layée par la cathode augmente et, en outre, l'anode de l'arc commence à devenir instable au point de vus position, tendant à suivre l'extrémité cathodique conti- nuellement en mouvement, jusqu'au moment où la décharge d'arc entière peut se déplacer à une distance considérable de la position voulue ou désirée.
Cet arc à position instable a parfois été dénommé "décharge à lueur", quoique la tension et le courant de cet arc soient caractéristiques d'une véritable décharge par arc.
Une autre caractéristique distinguant l'arc sous vide de l'arc conventionnel ré- side en ce que l'arc sous vide concentre sa chaleur, en des points de superficie très réduite.
Le concept de l'arc sous vide provient de la découverte qu'à des pressions très faibles, un arc électrique présente des propriétés nettement différentes de celles de l'arc classique. Il a été découvert que, pour un courant d'arc donné, une décharge par arc électrique est diffuse et stable en position à la cathode quand la pression du gaz ou de la vapeur dans laquelle l'arc travaille tombe au-dessous d'une pression déterminée. La pression maximum, à laquelle les caractéristiques de stabilité de position et de diffusion sont maintenues, est une fonction du courant d'arc, et ce maximum est d'autant plus élevé que le courant est plus intense.
En observant un arc entre¯des électrodes en fer, la demanderesse a constaté que la stabilité de position de l'extrémité cathodique de l'arc se maintient à des pressions au-dessous d'environ 500 microns de mercure pour un courant de 1. 600 ampères et seulement au-dessous de 30 microns pour un courant de 600 ampères. A l'opposé de la répartition de chaleur dans l'arc conven- tionnel, la répartition de chaleur dans l'arc sous vide est uniforme sur des gran- des régions aussi bien de l'anode que de la cathode. On suppose que ceci est dû au manque d'étranglement magnétique de l'arc sous ces pressions basses, par opposition à l'étranglement important et à la forte intensité de l'arc convention- nel ou sous haute pression.
En outre, alors que l'arc conventionnel est stable en position à l'anode et naturellement instable en position à la cathode, l'arc sous vide est stable en position à la cathode et est donc ancré à celle-ci. L'expres- sion "arc sous vide" utilisée ici concerne donc une décharge d'arc sous faible pression probablement maintenue par de la vapeur métallique, c'est-à-dire stable en position et ancrée à la cathode, avec une répartition de chaleur ou d'énergie en substance uniforme sur toute l'anode et sur toute la cathode.
Suivant un de ses aspects, l'invention prpcure un procédé de soudage avec un arc sous video Dans la pratique de cet aspect' de l'invention, des pièces ou parties d'une matière conductrice de l'électricité; s'adaptant l'une à l'autre, sont chauffées par un arc sous vide, de façon que les surfaces fondent ou se plastifient au moins. Ces parties sont ensuite'appliquées l'une contre l'autre sous cette faible pression de gaz de manière à établir un joint. Ce procédé de soudure par arc sous vide est particulièrement important dans le cas de la soudure de matières réfractaires actives, parce que le vide dans lequel l'arc opère protège la matière soudée contre la contamination des gaz et facilite aussi le retrait des gaz de contamination qui pourraient être présents sur les surfaces des parties à assembler.
Par exemple, suivant la présente invention, la soudure peut s'effectuer sous une pression de 10 microns de mercure. Cette pression équi- vaut à une atmosphère de gaz inerte d'une pureté de 99,999%. La soudure a donc lieu dans une atmosphère inerte d'une pureté extrême.
Suivant les aspects plus larges de la présente invention, le soudage par arc sous vide peut se faire avec une électrode consumable ou une électrode non consumable. Dans le cas de soudure avec une électrode consumable, l'arc est établi entre les parties à souder et l'électrode consumable, celle-ci fondant et se déposant sur les parties à réunir. Dans le cas de la soudure avec une électro-
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de non consumable, l'arc sous vide est établi entre les parties à souder et une électrode, et les parties sont assemblées l'une à l'autre par la chaleur de l'arc.
Grâce à la diffusion de l'arc, la fusion peut être uniforme. Dans le cas de la soudure avec une électrode non consumable, on peut inclure une électrode de matière d'apport.
Suivant un autre de ses aspects, l'invention procure un nouveau procé- dé de brasagq-, de matériaux et spécialement de matières réfractaires actives.
Dans le brasage, il est primordial que les parties à réunir propres et l'importan- ce de la présente invention au point de vue brasage provient de la découverte qu'un arc sous vide est particulièrement efficace pour nettoyer une surface sur laquelle il est établi. Il est ainsi que---l'effet bien connu de "nettoyage cathodique" se combine à la capacité de retrait des impuretés dues au vide poussé. En étudiant cet aspect de l'invention, il a été observé que la décharge à hauteur de la cathode d'un arc sous vide semble se composer de deux parties': une zone chaude et un grand nombre de "spots cathodiques" lumineux se déplaçant très rapidement. La fusion de la cathode se produit dans la zone chauffée.
Les "spots cathodiques" se déplacent rapidement et l'échauffement produit par ces spots rapides n'est généralement pas suffisant pour provoquer la fusion. Il a été observé, au contraire;, que les "spots cathodiques" laissent invariablement derrière eux des traces brillantes et propres sur la surface de la cathode. Les extrémités de ces traces se trouvent souvent à une distance considérable (35 cen- timètres ou plus) de la zone chaude de la cathode. Plus près de la zone chaude, les traces laissées par les spots cathodiques se mélangeant de manière à constituer unet surface:; uniformément brillante et très propre, en fait tellement exempte d'impuretés qu'elle présente une résistance élevée à l'oxydation si on expose ces traces par après à de l'air humide, dans le cas du fer.
Les spots cathodiques de l'arc sous vide sont donc très efficaces pour enlever entièrement les pellicules d'oxyde et d'autres impuretés des surfaces des parties sur lesquelles l'arc se déplace, et ceci sans endommager pratiquement ces surfaces.
Le nettoyage cathodique est effectif sur les matières de tous types, qu'il s'agisse de matières réfractaires ou autres. En traitant une tige d'acier ayant été exposée à l'air à l'aide d'un arc sous vide, la tige faisant fonction de cathode, on constate que la lqngueur des traces des "spots cathodiques" est ini- tialement très courte, mais durant les premières secondes du traitement à l'arc sous vide, les longueurs des traces augmentent progressivement jusqu'à devenir très longues.
Les extrémités de ces traces se présentent sous la forme d'une onde frontale s'avançant en sens opposé de la zone chaude (c'est-à-dire la zone dans laquelle la décharge diffuse se produit) à l'extrémité de la cathode, ceci à une vitesse nettement décelableo Ce comportement est jugé dû à un retrait progressif des impuretés de surface de la cathode par les spots cathodiques de faible super- ficie et de grande rapidité.
Un aspect de la présente invention est le nettoyage à l'arc sous vide qui vient d'être décrit, dans lequel l'arc sous vide travaille à des niveaux d'- énergie insuffisants pour provoquer une fusion, mais uniquement suffisants pour le nettoyageo Quoique le nettoyage à l'arc sous vide soit particulièrement intéres- sant pour le brasage,-il est d'application générale.
Dans le cas du brasage à l'arc sous vide, les surfaces des pièces à réunir sont d'abord nettoyées. A cet effet, un arc sous'vide est établi sur cha- cune de ces surfaces;, la surface à nettoyer fonctionnant en cathode au moins pendant une partie notable de la durée de la décharge. La décharge est, de préfé- rence, du type à courant continu, la surface à nettoyer étant la cathode. Au cours ou à la fin du nettoyage d'au moins une des surfaces, cette surface est étamée à l'aide d'une matière de brasage comme, par exemple, de l'argent pur ou un alliage d'argent.
La surface étamée est ensuite appliquée, dans le vide, dans l'air ou dans une atmosphère spéciale, contre la surface de l'autre partie à braser, et les parties correspondantes sont chauffées de façon que la matière de brasage fonde
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et s'allie aux surfaces à réunie l'assemblage par brasage étant ainsi obtenu.
L'assemblage peut se ,faire à la pression réduite à laquelle le nettoyage et l'étamage ont été effectués. Dans certains cas, l'assemblage peut se faire après que les parties ont été retirées de la zone à faible pression. Par exemple, si la ou les parties en matières réfractaires actives à réunir sont argentées, les par- ties peuvent être retirées de la région à basse pression, le brasage s'effectu ant dans l'atmosphère. L'argent protège les surfaces à réunira Quand deux parties en matière réfractaire active doivent être assemblées et si une seulement est étamée, ces parties doivent être assemblées sous la pression réduite'afin d'évi- ter la contamination.
Un des avantages importants du procédé de brasage décrit est que le vide sert à protéger la matière à chauffer et à étamer contre les gaz de contami- nation d'une façon plus efficace qu'une atmosphère d'un gaz inerte extrêmement pur. Une décharge d'arc sous vide à une pression de 10 microns de mercure équi- vaut à une atmosphère d'un gaz inerte extrêmement pur et s'effectue plus rapide- ment et plus économiquement qu'avec la protection du gaz inerte. -
Un autre avantage du brasage par arc sous vide provient de ce que le vide permet le retrait'efficace des impuretés nocives des matières chauffées grâce à la décharge de nettoyage et à l'étamage. Le vide permet facilement la libération et le retrait des impuretés gazeuses contenues dans la matière, les molécules gazeuses ainsi formées diffusant rapidement hors de la matière en surface.
Un autre avantage important du brasage par arc sous vide consiste en la répartition extrêmement favorable de la chaleur dans l'arc sous vide. La chaleur de l'arc sous vide est très uniformément répartie sur de grandes surfaces des électrodes respectives. Avec l'arc sous vide seul, il est possible de chauffer en une fois une très grande superficie de la pièce à braser. A cet effet, le courant ou l'énergie d'arc peut être nettement plus grande (plusieurs fois) que le maximum admissible pour un brasage suivant les anciennes techniques, et ceci a pour résultat que l'opération de brasage- @ peut' être conduite sous une plus faible pression en une très petite fraction du temps requis précédem- ment.
Les aspects de brasage et de soudage de la présente invention trouvent un champ d'application particulièrement intéressant dans le brasage de matières réfractaires actives, mais, suivant son aspect plus large, l'invention n'est pas limitée à ces matières. Le procédé par arc sous vide peut être efficacement appliqué au brasage, au soudage et au nettoyage de toutes les matières conductri- ces de l'électricité ayant un point de fusion suffisamment élevé et la stabilité thermique voulue. Par exemple, l'assemblage d'un alliage de 95 % d'argent et 5 % de zirconium et de graphite par arc sous vide, peut se faire tirés économiquement et extrêmement rapidement.
L'invention ressortira clairement de la description donnée ci-après de plusieurs formes d'exécution représentées à titre d'exemple, aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est une vue schématique d'un appareil de soudure suivant l'invention.
La figure 2 est un graphique montrant une caractéristique importante de l'invention.
La figure 3 est une vue schématique d'un appareil de brasage suivant l'invention et
Les figures 4 et 5 représente.nt schématiquement des appareils de sou- dure à électrode suivant l'invention.
L'appareil représenté à la figure 1 comprend un récipient hermétique
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11 avec un couvercle amovible 13. Le récipient est fait en une matière hermétique et le couvercle est pourvu des scellements voulus (non représenté) pour que le récipient ,formé soit hermétique. Le couvercle 13 est pourvu d'une ouverture d'évacuation 15 à laquelle les dispositifs de pompage voulus 17 sont reliés.
Une des parties 19 à souder est fixée sur la base'21 du récipient.
L'autre partie 23 est suspendue à un porte-pièce 25 qui traverse une ouverture pratiquée dans le couvercle 13 du récipient 11. Le porte-pièce traverse un scelle- ment (non représenté) permettant le déplacement du porte-pièce mais rendant her- métique le joint entre le porte-pièoe et le couvercle. L'appareil comprend aussi une source d'énergie 27 qui peut être une source de courant continu, ayant la capacité-voulue et connectée aux parties à souder 19 et 23 par l'intermédiaire de balais ou contacts 29 et 31.
En ce qui concerne l'utilisation de l'appareil, les parties à souder 19 et 23 sont fixées respectivement au porte-pièce 25 et au support de la base 21, et'l'installation de pompage est mise en marche pour réduire la pression à 1 .intérieur du récipient à un niveau permettant d'établir un arc sous vide entre les parties.
Le niveau de pression auquel l'intérieur du récipient 11 doit être abaissé,dépendg dans chaque cas, du courant nécessaire pour la soudure. Ceci est représenté à la figure 2 qui est un graphique donnant le fonctionnement d'électro- des en fer et où la pression en microns de mercure est portée verticalement suivant une échelle logarithmique, tandis que le courant d'arc est porté horizon- talement. Des courbes semblables peuvent être préparées pour des électrodes en d'autres matières et spécialement pour des matières réfractaires actives.
Le fonctionnement de l'arc sous vide a lieu quand la pression et le courant cor- respondant aux données rqlatives à un point se trouvant plus bas que la courbe.
Par exemple, si le courant d'arc est de 10600 ampères, la pression doit être in- férieure à 500 microns.
Une fois la pression à l'intérieur de la chambre réduite à un niveau convenant pour l'arc sous vide, un arc est établi entre les parties à souder.
A cet effet, on déplace le porte-pièce de façon que la partie mobile 23 vienne toucher lapartie fixe 19 et on écarte ensuite la partie mobile de la partie fixe. L'arc établi est diffus et stable en position à la cathode. Le courant d'arc est capable de produire une fusion en surface de la matière.' En outre, des spots cathodiques provoquent une action de nettoyage. Quand les extrémités des deux parties sont rendues convenablement plastiques, le porte-pièce 25 est descendu de façon à réunir les deux extrémités qui constituent alors un joint soudé.
La polarité du potentiel appliqué entre les parties 19 et 23 dépend de la nature des parties à souder.Quand une partie est en une matière réfractai- re active et l'autre partie en une matière ordinaire, il est généralement sou- haitable que la matière réfractaire active constitue l'anode. Dans ces case--il peut être bon, afin d'avoir une action de nettoyage initiale, que la matière réfractaire active joue d'abord le rôle de cathode avec un courant plus faible que le courant de soudure, la matière réfractaire active travaillant ensuite en anode avec une intensité de courant correspondant à la gamme de soudure.
La soudure peut aussi s'effectuer avec du courant alternatif ou encore avec du courant alternatif sur lequel un courant continu variable est superposé, par exemple comme décrit dans le brevet américain n 2.727.972.
L'appareil décrit à la figure 1 contient, en fait, une atmosphère d' une extrême pureté dans laquelle une soudure saine peut être réalisée entre deux parties dont une au moins est en pne matière réfractaire active. Comme la sou- dure s'effectue à basse pression;, les gaz de contamination s'opposant à l'obten- tion de soudures saines avec des matières réfractaires actives dans d'autres mi- lieux;, sont rapidement évacués. En outre, le chauffage des matériaux est très uniforme et il en est donc de même du ramollissement de la matière et de la
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formation de la soudure qui se fait de façon uniforme sur les deux surfaces entières.
L'appareil représenté à la figure 3 comprend un récipient 41 semblable à celui représenté à la figure 1 et pouvant aussi être hermétique au vide- Une pièce à traiter 43 est placée à l'intérieur du récipient. Une électrode 45 est montée près de la surface de la pièce à traiter qui doit être préparée pour le brasage. Une tige ou fil 47 en une matière de brasage convenable est placée à l'intérieur du récipient et les mécanismes nécessaires (non représenté) sont prévus pour déplacer la tige relativement à l'électrode 43. La tige 47 est habituellement en argent, quoiqu'on puisse utiliser d'autres métaux et alliages.
Le récipient comprend aussi une conduite d'évacuation 49 à laquelle un dispositif de pompage convenable 51 est relié. L'appareil représenté à la figure 3 comprend aussi, de préférence, une source d'énergie 53 du type à courant continu; la sour- ce peut aussi être à courant alternatif. La source 53 est connectée entre l'élec- trode 45 et la pièce à traiter 43, celle-ci étant négative.
En ce qui concerne l'utilisation de l'appareil représenté à la figure 3, le dispositif de pompage est mis en marche de manière à réduire la pression à l'intérieur du récipient 41 au niveau voulu pour qu'un arc sous vide puisse s'établir avec l'intensité de courant d'arc voulue. Un arc sous vide est alors établi entre l'électrode 45 et la pièce à traiter 43. Le courant de cet arc est inférieur à la valeur nécessaire pour fondre la pièce à traiter. L'arc sous vide est diffus, s'étend sur toute la surface de la pièce à traiter 43 et comprend des spots cathodiques se déplaçant rapidement. Ces spots aident au nettoyage de la pièce à traiter. Pendant que la pièce 43 est nettoyée ou après son nettoyage, le fil ou tige en matière de brasage 47 est amené dans le voisinage de l'arc de manière à fondre, et la surface de la pièce à traiter s'étame.
Quand la surface a été étamée, la pièce traitée peut être enlevée du récipient 41 et mise en contact. sous pression avec la partie à laquelle elle doit être assemblée. La chaleur voulue est fournie pour fondre la matière de brasage et les deux parties s'assemblent.
L'appareil représenté à la figure 3 présente des facilités particuliè- rement intéressantes pour le brasage de matières réfractaires actives. Si les parties à réunir sont toutes deux en une matière réfractaire active, les deux doivent être nettoyées et étamées à l'intérieur du récipient comme représenté à la figure 3, avant de les retirer de celui-ci pour les assemblero Si une partie seulement est en une matière réfractaire active, il peut être nécessaire d'éta- mer uniquement cette partie avec la matière de brassage. L'assemblage des deux parties peut s'effectuer dans le récipient où l'étamage a eu lieuo A cet effet, les moyens voulus doivent être prévus pour le chauffage et la réunion des parties après étamage et, en particulier, pour le réchauffage des parties étamées avant le brasage final à l'aide de l'arc sous vide.
La figure 4 représente un appareil de soudure d'une pièce W à l'aide d'une électrode consumable BC et d'un arc sous vide. Dans ce cas, la décharge par arc sous vide s'établit entre l'électrode EG et'la pièce W, et l'électrode en fusion se dépose sur la pièce à l'endroit du joint. Après dépôt de la matière d' apport, on laisse l'électrode fondue et la pièce voisine se solidifier de manière à réunir les deux parties de la pièce.
La figure 5 représente un appareil semblable pour la soudure d'une pièce W à l'aide d'une électrode non consumable EN et d'une électrode de matière d'apport EF avec une décharge sous vide. La matière d'apport est fondue par la décharge et se dépose sur le joint.
REVENDICATIONS.
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