BE623841A

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Publication number: BE623841A
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Description

Perfectionnements .aux procèdes et .appareils de soudage.

La présente invention concerne un procédé et un -appareil pour souder des articles .ainsi rue les articles soudés par ce procédé. L'invention s'applique en particulier à un procède dans lequel deux ou plusieurs organes à réunir sont misen contact sous pression et les surfaces de contact sont chauffées jusqu'à une température de soudage par la friction résultant d'un déplacement relatif.

Dans ces dernières ..années, le besoin de soudures plus résistantes que celles obtenues par les procédés existants ainsi que' de soudures entre des matières difficiles ou impossibles à souder par des techniques existantes s'est fait sentir. La présente inven- tion a peur but principal de souder des parties, comprimant

des parties de métaux ou métalloïdes dissemblables, au moyen d'une soudure qui ait la même résistance que les parties qu'elle réunit. ' L'invention .a également pour but de souder des parties présentant de grandes différences dans leurs diamètres atomiques, et ce but est -atteint suivant la présente invention en forçant les réseaux atomi- ques à s'encastrer les uns dans les-autres à une interface commune, dans des conditions appropriées de chaleur et de force.

Le procédé de la présente invention peut être facilement utilisé à peu de frais à poste fixe ou sur un appareil mobile pour souder des parties de petites ou grandes dimensions au moyen de moteurs classiques, électriques ou à pression de fluide.

Le procédé de la présente invention est semblable à un procédé de soudage par friction classique en ce que l'on utilise une chaleur de friction pour souder. La présente invention se distingue cependant du procédé de soudage par friction classique sous tous autres rapports, comme le montre clairement l'exposé suivant.

Le procédé de soudage par friction classique est un pro- cédé séquentiel dans lequel les parties à réunir sont d'abord abou- tées sous pression à une interface commune et mise en rotation l'une ' par rapport à l'autre pour amener l'interface à une certaine tempé- . rature et à certaines conditions de friction à glissement à l'inter- : face. La rotation est alors arrêtée aussi rapidement que possible, habituellement en freinant ou en inversant le couple appliqué par un moteur électrique, pour empêcher les masses tournantes de briser une soudure en partie formée.

Une force axiale .accrue est ensuite appli- quée pour produire une pression de refoulement capable d'exprimer une notable quantité de bavure à l'interface et de former la soudure lorsque les parties se refroidissent. Des moteurs puissants et lourds et leur équipement d'entraînement sont requis pour fournir la force motrice et.arrêter les parties. La chaleur est appliquée à une vitesse permettant à une notable quantité de chaleur de se perdre dans les parties situées au delà de la zone immédiate à souder. Cela <

-étant, il est difficile de former une soudure robuste sur une par- tie, telle qu'une tôle d'acier épaisse, ayant près de l'interface une grande masse pour évacuer rapidement la chaleur de l'interface.

Un certain temps est nécessaire pour amener la ou les parties en rotation .au repos avant d'appliquer la pression de refoulement et les parties doivent donc être chauffées au-dessus de la température de soudage requise pour tenir compte de leur refroidissement pendant l'arrêt de la rotation. Par suite de la vitesse à laquelle la chaleur est -appliqua et de. la quantité totale de chaleur four- nie, une section considérable de chaque partie est chauffée à un état plastique. La pression axiale nécessaire pour former la soudure repousse la matière plastique vers l'extérieur de l'interface et produit une grande quantité de bavure.

Ces déchets inévitables, in- hérents au procédé et nécessaires pour exprimer de la zone de soudu- re les oxydes produits par la période de chauffage relativement longue à des températures relativement élevées, rendent difficile le maintien d'une certaine précision des dimensions. La grande quantité de chaleur fournie provoque également une croissance de grain avec une perte résultante des propriétés mécaniques désirées dans la zone affectée par la chaleur.

Le procède de la présente invention est essentiellement une opération simple, continue. Deux ou plusieurs parties à souder sont pressées ensemble à une interface et sont déplacées l'une par rapport à 'autre tandis que la pression de contact est rapidement .accrue pour convertir l'énergie mécanique en chaleur à l'interface.

La vitesse d'accroissement de la pression et d'application de la cha- leur est si rapide que la chaleur est concentrée à l'interface avec un gradient de température abrupt de chaque côté de l'interface jusqu'à ce que la soudure soit forcée. La vitesse à laquelle la pres- sion est accrue et le temps requis pour former la soudure après que les surfaces aient été initialement sises en contact se mesurent en fractions de seconde. Aucun équipement de freinage, de mesure, de limitation ou de compensation ou dispositif de commande auxilitir- n'est requis.

Au contraire, une quantité d'énergie prédéterrinés

est rapidement transférée aux parties à souder et la friction produiteà l'interface arrête le déplacement relatif des parties aus- sitôt que l'apport d'énergie est coupé, et la soudure est formée à ' ce moment-la*
Dans la présente invention, une quantité de chaleur mini- : mum est concentrée à l'interface pour réduire au minimum l'étendue des zones chauffées à un état plastique et le temps de maintien @ à une température susceptible de provoquer une croissance des grains.;

On exclut en substance tout l'air, réduisant ainsi au minimum la for- Station d'oxydes dans l'interface. Les oxydes existants sont fragmen- tés et dispersés canis l'interface par les forces appliquées* L'inter-. face est chauffée uniformément à des températures Inférieures aux; températures susceptibles de produire une fusion limitrophe des grains ou de former la matière fondue. En chauffant ainsi la matière ! sous une pression élevée, on obtient une soudure à l'état solide, en ; substance exempte de microvides, dans des produits de la présente invention.

La quantité de matière exprimée en bavure est soigneuse- . ment déterminée et, dans beaucoup de cas, elle est insignifiante si pas entièrement éliminée. Cela permet à son tour une meilleure pré- cision des dimensions et diminue souvent ou même élimine la nécessité de tout usinage ultérieur.

Comme la chaleur est appliquée de façon à la concentrer à l'interface et à l'empêcher de se dissiper depuis l'interface jusqu'à ce que la soudure ait été forcée, le procédé de soudure de la présente invention ne dépend pas de la masse de la partie dis- ponible pour évacuer la chaleur de la .zone de soudage, de sorte eue des articles de formes variées peuvent être facilement soudés ensem- ble. Par exemple, un cetit goujon peut être facilement soudé à une plaque épaisse. Une soudure robuste entre deux articles de ce genre est très difficile à réaliser avec les procédés de soudure par fric- tion connus.

La présente intention permet de réunir facilement et éco-

nomiquement des matières dissemblables. Il est donc possible de fa- briquer des produits composites ayant des caractéristiques physiques spécifiques aux endroits particuliers désirés. ;
La zone affectée par la chaleur est non soulagent chauf- fée rapidement mais -aussi refroidie rapidement. On utilise la masse relativement importante de la région non chauffée pour évacuer la chaleur très rapidement de la petite masse de la zone affectée par la chaleur lorsque la soudure est formée. La masse non chauffée refroidit donc rapidement la région chauffée sans nécessiter des techniques de refroidissement auxiliaires.

Cela est particulièrement important dans le cas de matières allotropiques, telles rue le fer et l'acier, pour produire des structures possédant les propriétés mécaniques'-améliorées obtenues par refroidissement brusque.

Dans la présente invention, la matière participant à la soudure est travaillée d'une façon directe jusqu'au moment où elle est refroidie pour obtenir un produit soudé ayant une finesse de grain distincte dans la zone affectée par la chaleur. Aucun traite- ment thermique ultérieur n'est requis. La matière chauffée à l'état plastique est orientée pour obtenir des propriétés de ténacité et de résistance à la fatigue supérieures à celles obtenues par les techni- ques de soudage existantes. Un produit soudé obtenu par la présente invention comporte une étroite zone affectée par La chaleur, avec un grain affiné dans toute cette zone, et une transition abrupte entre la matière refoulée et non refoulée.

Dans une forme d'exécution de 1-4,appareil utilisé pour mettre en pratique la présente invention, une quantité d'énergie choisie est emmagasinée dans un volant d'inertie rotatif placé tout près de l'interface et rigidement relié à une partie à souder, pour chauffer l'interface et former la soudure en substance simultanément f.vec l'achèvement de la rotation du volant. Un procédé et un appa- ; reil utilisant un volant susceptible de fonctionner de cette façon ; pour produire les résultats décrits, constituent des buts de la. présente invention.

Ces buts et d'Autres encore de l'invention ressortiront

de la description détaillée donnée ci-aprbs, à titre d'exemple, avec référence aux dessins .annexés, dans lesquels la Fig. 1 est une vue en -élévation de face, en partie arrachée pour montrer des détails de construction, d'une forme d'exécution de l'appareil construit suivant la présente invention; la Fig. 2 est une vue en .élévation d'un volant d'inertie, en partie en coupe, utilise dans l'appareil de la Fig. 1; la Fig. 3 est une vue en élévation, en partie arrachée, d'une autre forme d'exécution de l'appareil suivant l'invention;

la Fig. 4 est un tableau comportant des données pour for- mer des soudures suivant l'invention avec les matières et les dimen- sions des parties citées; les Figs. 5A et 5B sont des vues extérieures de produits soudés par le procédé par friction.connu et le procède de la présen- te invention, respectivement; les Figs. 6A et 6B sont des vues extérieures des produits représentes sur les Figs. 5A et 5B respectivement., les bavures ayant cependant été enlevées et les soudures .ayant été décapées chimique- ment pour montrer la largeur relative des zones .affectées par la chaleur;

les Figs. 7A et 7B sont des coupes chimiquement atta- quées des produits représentés sur les Figs. 5A et 5B respectivement et montrent les zones -affectées par la chaleur; les Figs. SA et 8B sont des vues extérieures des produits représentes sur les Figs. 5A et 5B respectivement, les bavures -ayant été enlevées et les surfaces ayant été profondément décapées pour montrer la réorientation de La matière chauffée jusqu'à 1-*état plas.. tique pendant l'opération de soudage; les Figs. 9 et 10 sont des coupes de produits de la pré- sente invention décapés et montrent la progression de la soudure à l'interface;

les Figs. 11A à 11D sont des coupes de produits de l'in- vention décapés et montrent les résultats de variations de la vitesse

de rotation et de la pression appliquée pour effectuer la soudure; la Fig. 12 est une coupe d'un produit obtenu suivant l'invention décapé et montre les résultats de l'application d'un excès d'énergie sensible par rapport à celle requise pour forcer la ' soudure: les Figs. 13A et 13B sont des vues, agrandies six fois, de coupes de produits soudés par le procédé connu profondéaent décapes et-le procédé de la présente invention, respectivement, et montrent la zone affectée par la chaleur et la réorientation de la matière chauffée à l'état plastique;

la Fig. 14 est une microphotographie, agrandie septante cinq fois et prise suivant un plan faisant un angle de 10 avec le plan de l'interface, d'une coupe d'un produit soud4 suivant l'inven- tion profondément décapé et montre le brusque changement dans la direction des lignes d'écoulement) la Fig. 15A est une microphotographie .agrandie septante cinq fois, d'une coupe d'un produit soudé par le procède par fric- tion connu, décapé et montre la structure principale du grain dans La zone non affectée par la chaleur; la Fig. 15B est une microphotographie semblable à la Fig. - 15A mais prise dans la zone .affectée par la chaleur près de la limite extérieure de cette zone; la Fig. 15C est une microphotographie semblable à la Fig.

15A mais prise d'une partie de la zone affectée par la chaleur où une croissance du grain s'est produite; la Fig. 15D est une microphotographie semblable à la Fig.

15A mais prise à l'interface; la Fig. 16 est une microphotographie, agrandie septente cinq fois, d'une coupe d'un produit soudé suivant .L'invention décapé et montre la largeur de la zone affectée par la chaleur; la Fig. 17 est une microphotographie, agrandie quinze cents fois, d'une coupe d'un produit soudé par friction de façon

connue et décapé, prise près de la. limite de la zone affectée par la chaleur;
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la Fiv. 18 est une microphotographie, agrandie quinze cents fois d'une coupe d'un produit soude suivant l'invention et décape, prise ores de la limite de la zone affectée par la chaleur;
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le.

Fig. 19 est une microphotographie, agrandie quinze cents fois, d'une coupe d'un produit soudé par le procédé de sou-
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dure par friction cora-u et décapé,- prise près de l'interface; la Fiv. 20 est une microphotographie agrandie quinze cents fois, d'une coupe d'un produit soude suivant l'invention et décapé, prise ores de l'interface;

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les Figs. 21 et 22 sont des microphotographies, <agran- dies respectivement cent et cinq cents fois d'une coupe d'un produit j
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d'alliage d'acier SAE8630 (en sombre) - (en clair) soudé suivant l'invention et décapé, qui montient l'absence de matière fondue à la limite de l'état solide formée à l'interface; la Fig. 23 est une microphotographie, agrandie cent fois, montrant la soudure nette obtenue avec des matières fortement réac- tives (ici du titane) soudées suivant la présente invention;
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la Fig. 24 est une microphotographique, agrandie cinq cents fois, d'un produit d'acier et d'alliage aluminium-bronze souder suivant l'invention;

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les Figs. 25A à 25E sont des diagrammes comparant diffé- rents paramètres en regard du temps pour la technique connue (traits pointillés) et la présente invention (traits pleins);
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la F3 g. 26 est un diagramme des différents paramètres î représentas individuellement sur les Figs. 25A à 25E; la Fig. 27 est un diagramme, sur base d'une échelle de temps étalée, de différents paramètres en regard du temps pour le procédé de l'invention;
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la Fig. 28 es-, un diagramme couale-temps représentant, par la ligne en traits pointillés, l'effet obtenu en utilisant
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une technique à pattes de cisaillement lisitatrice de couple de l'in# vention;

la Fig. 29 est un diagramme de comparaison de température en regard de distance le long de l'axe longitudinal d'un produit soudé par le procédé par friction connu et d'un produit soudé par la présente invention; la Fig. 30 est une vue en perspective isométrique d'un produit obtenu en soudant des goujons à une plaque épaisse suivant l'invention; la Fig. 31 est une coupe fragmentaire d'une roue de tur- bine en alliage résistant aux hautes tempéra tares soudée à une ron- délie thermo-isolante qui est à son tour soudée à un .arbre en allia- ge ordinaire, suivant l'invention;

la Fig. 32 est une coupe de cote fragmentaire, à pus grande échelle, du joint entre la. roue de turbine, la rondelle et 1-*,arbre de la Fig. 31, avant que !-'arbre et la rondelle soient rectifiés .autour à leur diamètre extérieur final; la Fig. 33 est une vue fragmentaire, à plus grande échelle, d'une coupe de la rondelle thermo-isolante de faible résistance soudée à la roue de turbine à haute résistance de la Fig. 31 et décapée; la Fig. 34 est une vue en plan d'un piston d'aluminium comportant un tampon chaud en acier soudé suivant l'intention;

la Fig. 35 est une coupe fragmentaire suivant la ligne indiquée par les flèches 35-35 sur La. Fig. 34- et dans le sens de celles-ci; la Fig. 36 est une coupe fragmentaire montrant le procédé et l'appareil utilisés pour souder le tampon chaud au piston de la Fig. 34 ; la Fig. 37 est une vue en perspective isométrique d'un tampon chaud avant qu'il soit soudé au piston de la Fig. 34; la Fig. 38 est une coupe fragmentaire, à plus grande échelle, d'une partie du tampon chaud et contre la façon dont les pattes du tampon peuvent être entaillées pour se cisailler à un cer- tain couple pendant l'opération de soudage;

la Fig. 39 est une vue fragmentaire suivant la ligne indi- quée par les flèches 39-39 de la Fig. 36 et dans le sens de celles- ci; la Fig. 40 est une vue en élévation fragmentaire d'un suiveur flexible qui peut être utilisé dans l'appareil de la présen- te invention pour faciliter l'alignement des parties à souder; la Fig. 41 est une vue' fragmentaire en élévation, en par- tie en coupe arrachée, montrant l'utilisation d'une virole de céra- mique et d'un bouchon de céramique pour égaliser les bavures formées pendant l'opération de soudage; et, la Fig. 42 est une vue-en perspective isométrique d'un produit obtenu au moyen d'une virole et d'un bouchon de céramique représentes sur la Fig. 41.

Sur la Fig. 1, l'appareil construit suivant une forme d'exécution de la présente invention -a la forme d'une machine compor- tant un bâti semblable à celui d'un tour avec un banc 10 comportant ' une poupée fixe 11 à une extrémité et une poupée mobile ayant la forme de paliers espacés 12 et 13 à l'autre extrémité. Une broche 14 de poupée fixe est tourillonnée dans des roulements 16 et 17 et ports; un mandrin 18 à une extrémité. Le mandrin 18, qui dans ce cas-ci .a la forme d'une douille de serrage, peut être de n'importe quel type , approprié suivant la pièce à maintenir. Un moteur 19 entraîne la broche 14 par l'intermédiaire d'unetransmission à courroies et poulies classique comprenant une poulie 21 calée sur la broche.

Les paliers 12 et 13 de la poupée mobile supportent une broche 22 susceptible d'être déplacée en un mouvement de va-et-vient mais , clavetée dans un des paliers, comme indiqué en 23, de manière à ne pas pouvoir tourner. Cette broche porte un mandrin 24 qui est ici un mandrin de plateau ou à griffes qui peut à nouveau être de n'im- porte quel type approprié suivant la nature de la pièce à maintenir.

La'broche de la poupée mobile peut être avancée en direc- tion de la broche de la poupée fixe par un dispositif représenté ici sous forme d'un levier 26 articulé au banc de la machine en 27 ')et comportant une extrémité supérieure fourchue attaquant des

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ergots dont l'un est représente en bzz sur la broche. '.,v..rkceent de la broche de la poupée mobile peut être réalisé par un dispositif moteur appropria quelconque représente ici sous forme d'une roto-
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chftobre pneumatique 29 convenablement supportée en dessous du banc de la machine et susceptible d'Être actionnée d'une façon connue par des comandes (non représentées) qui la chargent d*.air sous pression depuis une source d'air comprimé appropriée.

La broche de la poupée fixe est pourvue d'un volant d'inertie indique d'une façon générale en 31 qui peut être formé
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de plusieurs poids discoïdes calés angulalreaent de faxon amovible sur la broche. Un exemple d'un de c ; ; Dids est représenta sur la Fig. 2 et comprend deux moitiés #='x.uït.a assemblées car ezen-ole par des vis à tête 32 et comportant une rainure de clavetage 33 destjf née à recevoir une clavette représentée en 34 sur la Ftg. 1 oui s,'.ajuste dans une rainure de clavette appropriée ménagée dans la brio- che de la poupes fixe.

Dans la mise en pratique de l'invention, une pièce à
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souder telle, que 35 est maintenue dans le mnndrb de la poupée fixe et une autre pièce 36 est maintenue dansle mandrin de la poupée
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mobile. Pour souder les pièces ensemble, on docmrre le moteur 19 pour .amener la broche 14 de la poupée fixe et son volant 31 à une vitesse de rotation prédéterminée dépendant de la dimension et de la
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forme des parties à souder, de leur composition et du oids du volant.

On .actionne ensuite la roto-chambre 29 pour amener la pièce fixe ?6 en contact avec la pièce rotative 35 avec suffisaient de force pour -amener les parties à leur température de soudure par friction -aux surfaces en contact et pour fournir la pression de refoulement au moment où le volant dépense son énergie et où la broche de la pourée
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fixe s'arrête. ! ce =orient, une soudure est forcée entre les rihc-z.-, la pression dans la roto-chacbre est éliminée et les pièces ::1"(,::,4 sont enlevées des mandrins.

Com-.e on ne cospte pas sur le Botcur pour .'.,y,"?â "..'='.T.' ;;ne-

rotetion une des pièces à souder pendant qu'elle soit en contact de friction cour pression avec l'autre, on peut obtenir une vitesse de rotation relativement élevée .avec un très petit moteur et c'est cette vitesse élevée des disques formant le volant d'inertie qui produit des températures de soudage en un laps de temps remarquable- ment court.

Par suite des variations de dimension et de nature de la matière ou des p&rties à souder, la vitesse de rotation, le poids du volant et la pression entre les parties sont calculées pour chaque type de soudure différent à réaliser. Voici un exemple des condi- tions produisant une soudure parfaite entre deux barres d'acier de 1 pnuce de diamètre (2,5 cm):

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<tb> Vitesse <SEP> 2000 <SEP> à <SEP> 3000 <SEP> tours/minute
<tb>
<tb> Pression <SEP> 8000 <SEP> à <SEP> 12000 <SEP> livres <SEP> pouce <SEP> carré
<tb> (560 <SEP> à <SEP> 840 <SEP> kg/cm2)
<tb>
<tb> Volant <SEP> 80 <SEP> livres <SEP> (36,3 <SEP> kg)
<tb>

La soudure formée suivant le procédé décrit plus haut et entre les extrémités de deux barres d'acier de 1 pouce (2,5 en) est réalisée approximativement après une seconde de contact à friction comparée aux trente secondes ou plus des procédés de soudure par friction connus.

Cette courte durée du cycle de chauffage diminue la déformation des parties soudées, et ainsi l'usinage ultérieur des bavures* Elle élimine égalassent la croissance des grains qui résulte - d'un cycle de chauffage prolongé. Par suite de la courte durée du cycle de chauffage, le temps nécessaire pour évacuer la chaleur de l'interface avant de former la soudure est si limite qu'il devient possible de souder par exemple une barre à une plaque ou à une autre partie étendue de n'importe quelle épaisseur.

De plus, on obtient une soudure nette parce que le cycle de chauffage limite et les pres- sions élevées utilisées réduisent au minimum l'oxydation ou les in- clusions dans le métal chauffé ce qui donne un minimum de bavures de sorte que la précision des dimensions est améliorée et les déchets sont réduits au minimum; L'utilisation de ce procède à inertie élimine également le dispositif de commande compliqué qui est nécessaire dans

les procèdes de soudure par friction connus pour régler et program- mer le temps de friction, pour modifier la pression de refoulement, débrayer l'accouplement et serrer le frein.

Dans le procède de la présente invention, il est égale- ment inutile d'arrêter le moteur nsrce qu'il se calerait sous l'ef- fet de la résistance de friction et la formation de la soudure. Il est cependant possible de désexciter le moteur automatiquement lors- que le volant atteint une vitesse désirée et d'autres dispositifs de commande automatiques peuvent être ajoutes à 1 appareil décrit sui- vant les dimensions et les types des parties soudées.

Quoique le volant soit représente comme comportant des parties susceptibles d'être séparées de la broche de la poupée fixe, il peut être formé par un seul poids fixe lorsqu'on utilise une -machine pour souder une seule combinaison de parties. Dans certains , cas, par exemple avec de petites parties, le poids de la broche et du mandrin peuvent suffire, et dans d'autres cas, un mandrin plus gros ou un mandrin lesté peut servir de volant.

Sur la Fig. 3, une autre forme d'exécution d'une machine construite suivant l'invention est indiquée d'une façon générale par le chiffre 46. Dans ce cas, la machine 46 est semblable à une presse classique et peut fonctionner d'une façon semi-automatique,
La machine 46 comprend quatre colonnes disposées en rectangle 47 qui se dressent sur un socle de machine 48 pour supporter une table
49 et une tête rigidement fixée 51. Une tête de presse mobile 52 est supportée à coulisse sur les colonnes 47 entre la table 49 et la tête supérieure 51.

La. machine 46 est représentée sur la Fig. 3 avec ses par- ties actives dans les positions qu'elles occupent juste avant l'ap- plication des forces de soudure aux parties à souder. Une pièce 53 est serrée dans un mandrin inférieur 56, après qu'un article fini ait été enlevé de ce mandrin à. la fin d'une opération da soudage précédente.

Un tirant 57 part du mandrin 56 et descend dans une ,broche 58 tourillonnée dans des roulements 59. L'extrémité inférieu-

re du tirant 57 est tourillonnée dans un bloc 61 qui est déplacé vers le haut et vers le bas par un vérin 62 par l'intermédiaire
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d'un levier 63. Leactionne.-tiont du vérin 62 dans un sens serre la pièce à souder 53 dans le mandrin 56 et dans l'autre sens libère
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cettf pièce à souder. Un micro-interrupteur 64 est placé de façon à être fermé lorsque le vurin 62 se rétracte.

La machina 46 comprend des moyens pour développer une quantité d'énergie limitée déterminée appliquée sous forme de chaleur.
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à l'interface des pièces u. souder,, et ces moyens comprennent un mo- teur hydraulique 66 entraînant la broche 58 par l'intermédiaire de pignons 67, ensemble avec des poids 68 rigidement fixés pour tourner , avec le mandrin 56 par des boulons 69. Il est également souhaitable
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que les poids 68 soient places tout nr,s de l'interface pour réduire au miniau-u les problèmes de torsion 41astique.

Une piècet souder 54 est serrée dans un mandrin supé- rieur 71 par un vérin 72 coaportant une tête élargie 73 jaunie d'une rampe inclinée 74 capable de soulever un galet 76 et un levier ; 77 autour de son pivot 78 lorsque le vérin 12 est étendu. Un micro-
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interrupteur 79 est monté près de la tête 73 et se ferzie lorsque le vérin 72 se rétracte,
Dans ce cas, le mandrin 71 est monté de façon à ne pas pouvoir tourner dans la tête mobile 52.

La position verticale de la
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tête 52 est cosisiùndëe par deux vérins en ligne rol et 82 qui, lors- Il qu'ils sont étendus comae décrit ci-après, servent de dispositif '# pour convertir l'énergie accuaulee dans les poids rotatifs 68 en chaleur à l'interface des pièces a souder 53 et 54.

La machine z.6 comprend des dispositifs pour coraiiander la durée d'application de la chaleur à l'interface pour foraer la son- dure en substance siaul tancent avec l'arrêt de l'apport de chaleur.

Ces dispositifs de commande comprennent un tachyaètre 33 pour de- tecter la vitesse de rotation du mandrin 56 et de la pièce à souder 53 et une valve régulatrice de pression 34 pour coaaraider la pression

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3.vcc laquelle les pièces à souder 53 et 54 sont engagées sous la CO!TI.'!1.<.u1'ie des vérins 81 et 32.

Plusieurs boutons de comna'îde 86, 87 et zig sont pladés
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près de la 'table de travail 49 et sont capables, en combinaison avec
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le régulateur de pression 84 et le tachymètre z3, de coordonner l'application -d'énergie emmagasinée dans les poids rotatifs 6$ avec la force axiale exercée par les vérins 81 et bzz.
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En fonctionnement, et avec les parties disposées les
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positions représentées sur la Fig. 3 la fin d'une opération de soudage, le préposa carence par introduire une pièce à souder 54 dans le vérin 71 et presse le bouton 3 pour étendre le vérin 72 et carrer la pièce dans le mandrin 71. L'actionne:;1<::nt djt bouton 78
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étend également le vérin 62 pour ouvrir le mandrin 56 d sorte que l'article coude pendant le cycle précédent peut être enleva de ce
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mandrin.

Le prépose place alors une pièce à souder 53 dans le nain- drain et presse le bouton 87 pourri trac ter le vorii 62 et serrer la nouvelle pièce à soude:? dans le mandrin* Le vérin 62 en se rétrac- tant ferae le micro-interrupteur 64 qui excite un solénolde (non représenta) envoyant du fluide zLa moteur 66 pour Acmnrrer la rota- tien de la broche 5p du mandrin 56, des poids 68 et de la pièce a. souder 53. La fermeture du ;nicl'v-in tf'l'I1lpteur 64 envoie écalezcnt du fluide au vérin supérieur al ou!.' l'étendre.

Lorsque le vt5ri:z '?1 est complètement étendu, les pièces à souder 53 et 54 sont écart2f:S
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d'environ 1/2 pouce (1,3 cm), .aussitôt que la broche 58 atteint une
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vitesse prédél;eminée correspondant à la quantité d'énergie désiré à transférer aux pièces à souder 53 et 54, le t2.Gtzyr.aèire 33 désexci- te le solénoide fournissant du fluide au moteur 66 et, à ce '1l0:1071t,
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le moteur 66 tourne en roue libre et envoie du fluide au vérin
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inférieur 32, qui presse ainsi les pièces à usiner l'une contrez l'au- tre sous la pression déterminée par 1 valve de aa,:ande 84.
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La soudure est forage entre les pièces 53 et 54 lorsque
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.La friction produit à l'interface convertit l'6nerrie f:'.:::.1.,-;''::C!t:' d2ns les poids rotatifs 'us en chaleur à cette interface.

LOrJ0C 1---'J

parties s'arrêtent à la fin de l'opération de soudage, le tachy-
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mètre 33 détecte l'arrêt de la broche 5d et actionne une valve pour rétracter le vérin 72. Cette action desserre le ncndrin 71 et fenae l'interrdoteur 79. La fermeture de l'interruptear 79 rétracte les vérins Si et 82 et renvoie les parties de la. machine 16 à la posi- tion représentée sur la Fig. 3 dans laquelle l'article soudé est serré dans le !1.<..nÓ.rin inférieur 56. Cette action achève un cycle d'opérations.

La :::a,ch7c 46 est rigitienent construite et est Jonc capa- ble d'une précision élevée. Ella fonctionne d'une façon r.en1.- #automatique .et est destinée à produire cn in.assn de:! articles soudés.

Il est clair que cette sachine peut 3tre facilcnont adaotée à un fonctionnement entièrement .auto'1.:itjq11e (n y incorporant une alimen- tation par magasin et une éjection <2.utojtiqu<; dans le cas où. se genre de fonctionnement est désiré.
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Quoique les machines représentées sur les FigS4 1 et soient toutes deux statiques, la présente invention s'applique éga- lement à des machines portatives susceptibles d'être alimentées par une source électrique ou pneumatique classique quelconque.

Ainsi, une machine construite suivant la présente invention peut avoir la forme d'une machine électrique portative légère utilisant un volant entraîne à grande vitesse pour accumuler suffisamment d'énergie pour souder des articles nécessitant des applications d'énergie thermique ; assez substantielles, par exemple des goujons sur une tôle épaisse.

Il faut également remarquer, et cette particularité res- sortira clairement de la description suivante, que la présente ,
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invention peut être rnise en pratique par des appareils autres que ceux qui utilisent des volants pour emmagasiner de l'énergie Dans ce cas, l'appareil doit comprendre un dispositif d'entraînement
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capable de transmettre une quantité d'énergie liBit.. choisie sous une pression croissante et dans un intervalle de te:

aps déterminé suffisamment court pour concentrer la chaleur à l'interface et en coordination avec une fores axiale capable de forcer une soudure en

substance simultanément avec l'arrêt de l'apport d'énergie.
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L'utilisation de volants a cependant l'avantage d'êcoi1Q- miser de la force motrice ce qui devient de plus en plus important à mesure que les dimensions des parties à souder aug;:ne:'1ten t. Ainsi, l'utilisation de volants d'inertie permet d'employer des moteurs peu puissants pour emmagasiner et accumuler la quantité d'énergie néces- saire pour qu'il y ait la soudure et évite la nécessité d'utiliser de
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gros moteurs coûteux- Le volant peraet également de régler facilement la quantité d'énergie transmise aux parties à souder et contribue ainsi à obtenir des résultats uniformes. Ce processus ns nécessite que peu d'habileté de la part du propose.

La quantité d'énergie re- quise peut être déterminée en fonction des matières à souder et des
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dimensions des parties et d'une combinaison vitesse/poids iopropriée choisie.

La Fig. 4 est un tableau de données représentatives basées sur des soudures formées dans les matières et avec les dimensions des
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parties indiquées. Les données de la Fig< 4 ont été obtenues à par- tir d'opérations de soudage dans lesquelles les pressions 'de soudage maximums appliquées sont en substance inférieures à la. moitié de la
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limite clastique des matières soudées* En travaillant plus pris de la liait?, d'élasticité, on obtient des soudures comportant des zones affectées par la chaleur plus petites et des intervalles de temps sensiblement inférieurs à. ceux de la Fig. 4.
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A remarquer aussi que l'utilisation de pressions en(sub5tan
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ce supérieures (proches de la limite d'élasticité de .la statiro} dimi- nue la température requise à l'interface pour produire une soudure très résistante.Cette particularité est surtout intéressante pour des salières de haute conductivité thermique dans lesquelles il est diffi.
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cile de retenir la température d'interfece élevée requise pour permettes la forn.atLon d'une soudure ti'3.a.'lte Ir.eC des pressons re.1.tlve.:

nent f'd.i bles. t 'u t1.. lisation de pressions relativement plus élevées produit également ies soudures de meilleure qualité entre des a #i =res dissemblables ayant des tpératur2s de fusion en substance différentes dans lesquelles

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il est difficile d'obtenir une t*npêrat-tii-c su'.\ les raa- tieres plus résistantes à. point de fusion plus élevé pour pro- duire une soudure satisfaisante avec des pression;: relativement faibles.

Dans le procédé de la présente invention, on applique
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une quantité de chaleur limitée prédéterminée à l'interface à une vitesse suffisamment élevée pour amener l'interface à une tempéra tu- re de soudage, la chaleur étant concentrée à l'interface et des gra- àients de température abrupts existant de part et d'autre de loin- teyface.

Les places à souder sont amenées en contact sous une près- sion axiale qui est appliquée en coordination avec l'application de la chaleur à l'interface et qui est augmentée suffisamment rapide-
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ment pour refouler de 13'interface la matière chauffée a l'état plas-i tique avant que la matière soit chauffée à l'état fondu par un excès d'énergie. La chaleur est ainsi maintenue concentrée à l'interface et empêche la matière de fondre à cet endroit.

Les forces appliquées sont capables de travailler toute la zone affectée par la chaleur
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continuellement pendant le te-ips oà li chaleur est appliquée et pen-' dant que les températures dans la zone affectée par la chaleur sont suffisamment élevées pour produire une recristallisation et une croît'
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sance des grains.

En d'autres termes, l'application et l'arrêt de l'apport de chaleur sont coordonnas avec les forces utilisées pour produire la chaleur et forcer la soudure afin d'affiner1, en dessous ' de ,Leurs dimensions de grains normales, toutes matières chauffées au-dessus de la température minimum de recris Ionisation et, en ou- t.,ie., de refroidir en dessous de la température de recristallisation le grain affiné par les parties des organes non affectées par la
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chaleur lors d'un refroidissement atmosphérique normul des pièces soudées.

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Les produits obtenus par le procédé de l'invention possé-' dent des propriétés mécaniques qui sont sensiblement supérieures aux propriétés mécaniques des produits obtenus par les procédés connus.

Cela est dû dans une grande aesure au fait que l'on applique une

élargie totale moindre plus rapidement et sous une pression plus éle-
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vée que préc4de:roMnt. Plu.slm1r!.> théories peuvent être élaborées pour expliquer les résultats améliorés dans les produits de l'invention comparés aux produits obtenus par des procédés connus. et les tech- niques d'analyse disponibles semblent justifier ces théories.

Ainsi, les forces appliquées suivant la présente invention produisent un échauffèrent uniforme de l'interface. L'échauffaient uniforme, en combinaison avec les pressions élevées appliquées, oblige les ré- seaux atomiques à s'encastrer les uns dans les autres en éliminait
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les derniers mifrovides existant à l'interface, Le court laps de tempo pendant lequel la chaleur est appliquée offre peu d'occasions pour la formation de produits de con-caciination par l'air pendant l'opération de soudage.

Le travail local intense pendant l'opération de soudage fragmente et disperse dans l'interface tous produits de contamination et toutesinclusions superficielle: d'oxydes qui exis- tent dans la zone de l'interface. Cornait? on le st.it fort bien pour
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des alliages d'alu.lliniu.'11, un travail local intense 2eiit provoquer des dislocations ou des inclusions fragmentées an nombres suffisants et suffisamment favorablement orientées pour produire un r:x ax= ment par dispersion au noyen de très petites particules .5 ull:11 (;1';:; to- piques.

Les pressions élevées appliquées et la rapidité de l'accrois. sèment de la pression jusqu'à la pression p.:.'3.xi.I1u'Jl déplacent tout.? matière chauffée à un état plastique avant qu'un état fondu se t: :-- veloppe à l'interface. Cette particularité sert il. deux; fins. Elle empêche le développement de teapsraturas auxquelles une fusion ü- mitrophe des grains (combustion) ou une fusion des inclusions non métalliques peut avoir lieu. On évite ainsi de détériorer le métal
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de façon permanente.

'Elle sert égaleront à concentrer la chaleur à l'interface, la température étant stabilisée en dessous du point de fusion, L'application d'une petite quantité de chaleur localise
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rapidement la zone chauffée à un état plastique, La quanti tî de Ma- tière qui est déplacée et réorientée est ainsi réduite au ."liai #. :, et la vitesse d'application ainsi que l'importance des forces uti -

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listes produisent une réorientation de la r.1ati(:!'e qui est déplacée, dans un sens favorisant la ductilité et la résistance à la fatigue.

Un forgeron essaie en général d'éviter une réorientation de la matiè-
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re pla.stique p::\r coulage des lignes, d'4c()u1!.:l{>nt flans un sens perpen. diculaire à une surface extérieure. Dans le procédé de la présente invention, la soudure est formée en marche, en ce qui. concerne la ré- orientation de la matière plastique, et non pas après l'arrêt des pièces à souder, comme cela. se pratique dans les procédés de soudure par friction connus. Cela étant, la matière qui est chauffée à un état plastique est entraînée dans un tourbillon circonférentiel au ,
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lieu d'être déplacée radialement coiane de.ns lo procédé connu.

La transition entre la m.'lt1re déplacée et non déplacée est nette par suite des gradients de température abrupts dans la zone chauffée, Le fait que la direction de la réorientation de la matière n'inter- ; secte pas perpendiculairement la surface extérieure, mais s'étend en
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substance parallèlement ou tangentiellenent à cette surface à son point de rencontre avec elle contribue a aulmenter la solidité et la résistance à une rupture par fatigue de l'article soudé. Finale- mente les grandes masses non chauffées situées tout près de l'in ter-! face et obtenues en concentrant la chaleur à 1* interface par 1 *opé- ! ration de soudage servent à refroidir rapidement la zone affectée
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par la chaleur après la soudure.

Le teaps de chauffage est si court et le refroidissement est si rapide que le grain est non seulement empêché de grossir mais est aussi fortement affiné dans toute la zone affectée par la chaleur. La rapidité avec laquelle la chaleur est appliquée et ensuite évacuée est très importante dans la trans- :

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forfaation aust-mite-s'Artensite de l'acier puisqu'un chauffage et un . refroidissement rapides produisent par une structure à grains fins et en fait superdurcie qui possède une dure-.
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té, une ténacité et résistance à la corrosion inhabituelles* L'iffinage des grains effectué par les forces appliquées se combine avec la structure à grains fins résultant d'un chauffage et d'un re- 4,'roi,-Iisse,nent rapides pour produire du grain à l'interface qui est presque indiscernable par les moyens métallocraphlques normaux Utt-

lises pour mesurer les dimensions des grains.

Les Figs. 21 et 22 montrent la soudure à l'état solide.et l'absence d'alliage ou de fusion entra les parties soudées suivant l'invention. La Fig. 21 est une microphotographie, agrandie c4nt fois, de l'interface entre une partie d'acier SA?, 8630 (matière at- taquée en sombre) et une partie d'alliage de nickel GMR 235 (matière non attaquée en clair) soudées suivant l'invention. La Fig. 22 est une microphotographie des mêmes parties mais agrandie cinq cents fois* Sur la Fig. 2le une certaine réorientation circonférentielle de l'acier SAE 8630 apparaît clairement.

Les effets de cette réorien- tation seront décrits de façon plus détaillée avec référence aux Figs. 13A et 13B. Sur la Fig. 22, on peut voir qu'un certain mélange mécanique des matières s'est produit à l'interface par suite du tra- vail mécanique subi pendant l'opération de soudage.

La Fig. 23 est une microphotographie, agrandie cent foi-i, de toute la zone affectée par la chaleur de deux parties de titane Soudées suivant l'invention. Cette microphotographie montra la sou- dure exceptionnellement nette obtenue dans des matières hautement réactives..

La Fig. 24 est une microphotographie, agrandie cinq cents fois, montrant l'interface entre une partie en bronze d'aluminium (partie claire) soudée à une partie d'acier SA?, 1045 (partie sombre) suivant l'invention. Cette microphotographie montre également l'ab- sence de matière fondue et la soudure à l'état solide réalisée entre des matières dissemblables dans les produits de la présente invention.

D'autres particularités de l'invantion apparaissent clai- rement par comparaison, avec le procédé de soudure par friction con- nu. Deux des différences les plus frappantes et les plus intéressan- tes entre la présente invention et le procédé de soudure par fric- tion connu résident dans la quantité d'énergie thermique utilisée et dans la vitesse à laquelle la chaleur est appliquée.

Sur la Fig. 27, plusieurs paramètres indiqué$ par des . légendes, sont reportés en regard d'une échelle de teaps pour deux

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barres d*acier SA?, 1045 de 1 pouce de diamètre (2e5 cm) soudées suivant la présente invention dans les conditions 4nttnér4e$ dans la ligne 3 du tableau de la Fig. 4.

Pour pouvoir être comparas au pro- cède de soudure par friction connu$ ces Marnes paramètres ont. été reportas individuellement avec les paramètres correspondants d' un procédé, de soudure par friction classique représentatif, mais en regard dune échelle de temps comprimée pour pouvoir inclure tout
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le procède de soudure par friction sur le diagramme, sur les Figs, Z5A à 2$E. La. Fig .26 st un diagramme combina de tous les para- mètres pour le procédé de la présente invention et le procédé" con" nu. Ces diagrsames montrent parfaitement les différences de base entra les deux procèdes.

Le- procédé de la présente invention utiii- se tioins de 1/10 de 1* énergie du procédé de soudure par friction connu et chauffe moins de 1/10 du volume des matières chauffées par le procédé de soudure par friction connu, Les économies des deux 'procèdes sont du même ordre de grandeur.

La Fig. 29 est un diagramme théorique de température en fonction de la distance de l'interface pour les matières identiques soudées par le procède de soudure par friction connu et par le pro- cédé de la présente invention. La ligne pointillés indiquée par la
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légende CT correspond à la température inférieure critique & la- quelle une recristallisation et une croissance des grains deviens nent sensibles dans les aciers.

Les lignes pointillées entre les floches A-A indiquent les limites de la zone affectée par la chaleur pour le procédé de soudure par friction connu, et les lignes poin*
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tiilées entre les flèches B-B indiquant les limites de la zone af- fccte par la chaleur pour la pimente invention.

La température supérieure pour le procédé de soudure par friction connu est approximative et varie suivant la mise en prati- que du procédé. La température représenta sur la Pigé 29 est celle qui existerait au cas où une couche fluide détectable serait formée
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pendant les opérations de soudage. Par suite de l'inclinaison Mia- . tivejiient modérée de la courbe du gradient thermique on peut voir

que le report d'une température maximum inférieure n'affecte pas de façon significative la largeur de la zone affectée par la chaleur.

Quoique le diagramme des températures sur la Fig. 29 soit théorique, la répartition, des températures représentées corres-. pond parfaitement à celle qui existe en pratique, comme on peut s rendre compte en se référant aux Figs. 5A à 20.

Les Figs. 5A et 5B sont des vues extérieures de barres d'acier SAE 1045 de 3/4 pouce de diamètre (19 mm) soudées respecti- vement par la technique de soudure par friction connus et par la technique de la présente invention. La bavure F produite par le pro-' cédé connu est d'environ vingt fois supérieure à celle produite par le procédé de l'invention. Des bandes d'échauffement HB donnent une indication grossière de l'étendue de la zone affectée par la chaleur dans chaque cas.

Sur les Figs. 6A et 6B, les bavures ont été enleva des échantillons représentes sur les Fies. 5A Et 5B respective!tent, et ces échantillons ont été décapés chimiquement pour contrer l'éten- due de la zone affectée par la. chaleur HZ dans chaque cas. Les FiES.

7A et 7B sont des coupes des échantillons représentas -sur les Figs.

./ SA et 5B respectivement, le tintai ayant été dérapé chimie tienent pour montrer les largeurs relatives des zones HZ affectées par la cha- leur le long d'un diamètre de l'interface.

Les Figs. SA et 8B sont des vues des échantillons repré- sentés sur les Figs. 5A et 5B respectivement, les bavures ayant été meulées et le métal ayant été profondément décapé pour montrer la réorientation de la matière chauffée à l'état plastique pendant l'o- pération de soudage. Dans ce cas, les échantillons contiennent des filets de sulfure de manganèse normalement parallèles à l'axe longi- tudinal des barres dans le sens dans lequel elles sont laminées.

L'acide chaud attaque les filets plus rapidement que le reste de l'acier et forme donc un dessin qui indique le sens des lignes d'é- coulement. Les piqûres profondes de l'échantillon soudé par fric tien représenté sur la Fig. 8A résultent des lignes d'écoulement FL ré orientées radialement par les bavures excessives résultant de l' ,ces de chaleur appliqué pendant le procédé de soudure par frottemend

De mime, le sillon creusé par l'acide à l'interface 1 est une indi-, cation qu'en dépit des bavures plus importantes produites dans le procèdede soudure ;ar friction classique, la soudure contient des
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imperfections raicleent l'intérieur de la bavure.

La surface de l'échantillon de la présente invention représenté sur la Fi±. 8B est décapa très léC8rr::ent en comparaison à 1'échantillon obtenu par le procédé de soudure par frictio.. classique. De plus, la réorienta a lieu dans un sens surtout circonférentlol, de sorte que les lignes d'écoulenent FL sont entraînées dans un tourbillon circonft'rentiel de manière à s'étendra en substance tareentiellc-cnt à la surface extérieure au lieu d'intersecter cette surface perpendiculairement.

Cette particularité a des conséquences importantes en ce qui concer- ne la ductilité et la résistance à la flexion et à la fatigue de l'article soudé, cornue décrit en détail ci-après.

Les Fics. 13A et 13B sont des coupes des produits repré- ' sentes sur les Fies. 5A et 5B respectivement mais agrandies six fois.

Les produits coupés ont à nouveau été profondément décapés pour mon-t
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trer les lignes d* écoulement et ainsi la réorientation de la mati- re. Dans le cas au produit obtenu par le procédé de soudure par fric-'
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tio n connu, les lignes d'écoulement axiales commencent à s'1ncur- ver xd,a:erent ou près de la limite B de la zone affectée par la chaleur HZ (lu région moins fortenent ombrée dans la partie centrale! de la figure ).

Dans le cas du produit de la Fig. 13B obtenu par le procédé de l'invention, la réorientation circonférentielle des lignes d'écoulement est limitée à une région très localisée située bien à l'intérieur des limites extérieures B de la zone affectée par' la chaleur HZ qui est elle-même très étroite.

La transition abrupte entre la matière déplacée et la ma- tière non déplacée dans des produits de la présente invention appa- rait clairement sur la Fig. 14. Cette figure montre une coupe d'un produit soudé suivant l'invention, prise suivant un plan faisant un angle de 10 avec le plan de l'interface. La photographie est agran- ;
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die septante cinq fois du sorte que 1 pouce (2,5 es) sur la\ photo- ;

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graphie ne représente que Z0023 pouce (0,06 nu) dans le sens x.i3, et la direction des lignes d'écoulement change déjà pour passer d'uni direction virtuellement axiale à une direction clrconférentielle sur cette courte distance de 1 pouce (2,5 cz).

Les effets de la cxa? r:::r ost des forces appliquées sur la structure granulaire des produite obtenus par la technique de sou- dure par friction connue et par le procédé de la présente inven- tion sont représentas dans les microphotographies des Figs. 15A à
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15D et sur la Fig. 16 respective .tant.

Ces figures r.1ontrnt le- grain des produits à l'ébat soud sans traitaient thermique ultérieur. , Chaque microphotographie est rigrandle septante cinq fois, et les z:-- tières (acier Caibleaent allit) et l'agent de décapage chimique ap- plique sont identiques, La Fig. 16 montre toute la zone E.f tec te par la chaleur d'un produit obtenu suivant la présente iaventic:.nl:!41s il a fallu prendre des échantillons de microphotographie pour le pro- duit obtenu par la technique de soudure par friction classique puis-
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qu'une vue continue nê.ae de la ';'l'oi tH de la zone affectée par la chaleur dans ce produit nécessiterait une longueur plusieurs fois supérieure à la hauteur de la planche de dessins.

Comme le montre la Fig. 16, dans des produits de la pré- ente invention, il existe une transition abrupte entre le grain non
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affecté par la chaleur a"'pli,-;u80 et le grain affiné par la chaleur appliquée juste à l'intérieur de la limite de la'sone affectée par la chaleur. Le grain à l'interface est extrêmement affiné au point qu' il est indiscernable dans la microphotographie agrandie septante cine fois et presque indiscernable par tout autre procédé classique
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pour déterminer la dimension des gr1.111s. Il est clair qu'aucun gros- sissement des grains ne s'est produit en un point iuelconque de la sone affectée par la chaleur.
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La Fig. 15A mon tr les dimensions des grains dans la zone non affectée par la chaleur d'une partie principale d'un produit
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obtenu par le procède de soudure par friction classique. La Fie. 1513 est prise juste à l'intérieur de la limite de la zone affectée par
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la chaleur et montre un certain affilage eu rain obtenu par recris-

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tallisation à une température juste supérieure à la température cri- tique. La Fig. 15 montre la croissance prononcée du grain qui se produit dans une partie substantielle de la zone affectée par la chaleur des produits obtenus par le procédé* de soudure par friction classique.

La Fig. 15D montre un certain affinage des grains à l'interface de ce produit particulier.
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Les Figs. 17 et 13 sont des m-terophotograplilques, agran- dies cin cents fois, de coupes de produits obtenus par le procédé de soudure par friction classique et par le procédé de la présente ! invention respectivement, montrant la comparaison entre la structure des grains juste à l'intérieur de la limite de la zone affectée par la chaleur dans chaque produit. La Fig. 17 montre le grain non affina
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existant dans la zone située entre les ribs. 15 et 15B qui a été
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chauffée entre les températures AC, et AC3.

Quoique la perlite (zones. sombres) soit amenée en solution yar ce chauffage, la ferrite (zones j claires) reste inaffectae par la chaleur et, par suite de la distance qui la sépare de l'interface, elle n'est pas affectée par le travail :
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du métal. La perlite qui entre en solution est transformée en pro- ! duits de transformation intermédiaires et en perlite par suite du refroidissement relativement lent de la partie. Commu le montre la
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' Fig. 18, la structure des grains dans la région situé*.1 juste à 1-lit- trieur de la zone affectée par la chaleur d'un produit de la présen- te invention est très complexe pour l'acier faiblement allie du pro- , duit.

Dans ce cas-ci, la matière est chauffée entre les températures '
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ACi et AC30 Ce chauffage transforme la perlite nais ne transforme pas la ferrite (zones claires). Les colonies de perlite entrent en
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partie en solution et sont transformes on aartensite et en produits . de transfornation intermédiaires -La ferrite n'est pas transformée nais les grains sont forte tent fragmentés par l'écrouissage à une
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dimension de A:,I 12 plus.

Les Figs. 19 et 20 sont des vues de comparaison, également agrandies cinq cents fois, de régions adjacentes à l'interface d'un ? produit obtenu par le procédé de soudure par friction classique et par le procédé de la présente invention, respective.sent. Dans lecas

du produit-obtenu par le procède de soudure par friction classique, les grains-ont tellement grossi que seule une partie d'un seul grain
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a pu être représentée dans le chaiip de la photographie. La croissance des grains résulte d'un chauffage de la tartie bien au-dessus de la température Agi pendant un laps de temps excessif.

Les Ricroconsti- tuants de cette région comprennent de la ferrite aciculaire et des produits de transformation intermédiaires. Les constituants de la région du produit obtenu par la présente invention représentée sur la Fig. 20 ne peuvent pas être facilement identifias pur des soyons
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métallo graphiques par suite de la finesse extrême de leur mierostrue- ture. Les courbes de temps, de température et de transrol-ntatlon inéit.- quent cependant que de la ferrite, des produits de transformation intermédiaires et de la martensite sont présents. Les comneiitiltes qui précèdent concernant les constituants spécifiques s'appliquent aux produits d'aciers à basse teneur en carbone comme aux produite
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représentas. Les microstructures ou autres ne,ti.res changent évidem- ment: avec la composition de la matière.

Les caractéristiques de la soudure de la. présente inve:7 ti w. ne dépendent pas entièrement de la quantité d'nt3rg1e appliquée mais également de la façon suivant laquelle cette énergie est appliquée.

Ainsi, la soudure de la présente invention peut être réalisée sur une partie de l'interface avec une çuantité d'énergie légèrement inférieure à celle qui serait normalement souhaitable pour assurer une soudure complète sur toute l'interface. La. soudure peut également être obtenue même si on applique aux parties à réunir une quantité d' énergie en substance supérieure à celle requise pour former une sou-
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dure optimum. Les F1;s. 9 à VA représentent cette possibilité. Ces figures sont des coupes de produits obtenus suivant la présente in- vention avec un agent de décapage appliqué pour montrer l'étendue 'le
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la zone HZ affectée par la chaleur.

La Fie. 9 contre les effets obte- nus lorsqu'on applique trop peu d'énergie pour former une soudure sur tonte l'interface. On peut voir que la soudure progresse v,-,r--. - 1- centre autour de l'interface. La Fig. 10 contre la soir4ure ab t ¯.<

lorsqu'on applique une quantité d'énergie suffisante à une vitesse d'accroissement de la pression suffisaient rapide pour chauffer toute l'interface et forcer une soudure complète dans des conditions de pression et de chaleur appropriées. Les Figs. 11A à 11D montrent chacune des barres d'acier SAE 1040 de 3/4 pouce (19 mm) soudées à une plaque d'acier SAE 1040 de 3/4 pouce (19 mm) sous les vitesses et pressions indiquées en dessous de chaque figure.

Sur la Fig. 12, la soudure entre la plaque et la barre supérieure est réalisée en appliquant une quantité d'énergie environ 2 1/2 fois supérieure à la quantité nornale tandis que la soudure formée entre la plaque et la barre inférieure est réalisée en appliquant une quantité d'énergie quatre fois supérieure à la noraale. Dans ce cas, la vitesse d'aug- mentation de la pression et la pression totale appliquée sont capa- bles de refouler la matière chauffée à l'état plastique avant qu'pu- :

cune matière fendue contribuant à la fusion puisse se former, et les caractéristiques de la soudure de la présente invention., comprenant la petite largeur de la zone affectée par la chaleur, restent in- changées. L'effet principal de l'excès d'énergie est d'augmenter la quantité de bavures F produites. Il est clair que le procédé de la ; présente invention permet une latitude assez grande en ce qui concert ne la quantité d'énergie appliquée, pourvu qu'on applique une grande quantité de chaleur suffisamment rapidement et dans les conditions de force appropriées pour obtenir la transition et la microstructure uniques dans la zone affectée par la chaleur produisant la soudure perfectionnée de la présente invention.

Des données comparatives obtenues à partir d'essais de résistance à la flexion et à la fatigue de produits de la présente invention et de la technique de soudure par friction connue confir- ment la supériorité des produits de la présente invention. Dans des essais de résistance à la flexion, dont la précision est limitée par des erreurs expérimentales éventuelles, les produits de la présente invention présentent une efficacité de joint de 100% tandis que les . produits des procédés de soudure par friction classiques se brisent -

à des efficacités allant de 46 à 85%.

Dans des essais de résistance ' à la fatigue, les données indiquent que les produits de la présente invention sont 33% plus résistants à la fatigue que les produits du procédé de soudure par friction classique.

Le produit de la présente invention est un article fabri- qué comprenant deux ou plusieurs parties réunies à une région limite commune comportant une structure unique et des propriétés mécaniques très désirables. Cette région commune, correspondant aux zones affec- tées par la chaleur produite pendant l'opération de soudage,-comprend une interface comportant une soudure à l'état solide dans laquelle les réseaux atomiques des différentes parties sont encastrés les uns dans les autres sans matière fondue détectable, Le grain dans toute la zone affectée par la chaleur est affiné par suite de la fa- çon suivant laquelle la chaleur et les forces de soudage sont appli- quées et de la vitesse à laquelle la chaleur est évacuée après sou- dage.

Le déplacement de s'altère produit par l'opération de soudage est très faible et le déplacement ou la réorientation existant dans le produit soudé contribue à améliorer les propriétés de solidité et de résistance & la fatigue du produit comparé aux produits obtenus par les procédés connus.

La présente invention procure donc un moyen pour assemble] deux ou plusieurs parties par une soudure à l'état solide forint dans une zone étroite dont le grain est fragments par le travail, cettezone se terminant en une transition abrupte avec le grain prin- cipal des parties existant avant l'opération de soudage et comprend , une zone intérieure de matière réorientée comportant également des limites de transition abrupte
Le produit de la présente invention peut prendre de nom- breuses formes et les Figs. 30 à 39 et 42 montrent certaines formes spécifiques.

Sur la Fig. 30, l'article indique d'une façon générale par le chiffre 91 comprend une série de goujons 92 soudés à une é- paisse plaque d'acier 93. La présente invention rend un article de ce genre possible puisqu'une soudure robuste peut être formée entre

les goujons et la plaque indépendamment de l'épaisseur de la plaque.

Autrefois, on montait des boulons sur une plaque, et il fallait découper des trous carrés dans la plaque pour loger les têtes car- rées des boulons, Les trous carres ont pour effet d'augmenter les tensions dans la plaque et posent des problèmes pour le traitement ; à chaud. Il est difficile d'obtenir une soudure satisfaisante entre des barres ou des goujons tels que les goujons 92 et une plaque d' acier épaisse avec le procède de soudure par frottement classique parce que la plaque refroidit l'interface si rapidement qu'une con- centration de chaleur appropriée ne peut pas être obtenue à cet en- droit.

Comme mentionna plus haut, des articles tels que 91 peuvent être facilement réalisas par une machine portative construite sui- vant l'invention pour exécuter la soudure sur place par exemple sur un chantier.

La présente Invention permet de fabriquer des produits ayant des caractéristiques physiques spécifiques à des endroits par-' ticuliers désirés, et un bon exemple d'un produit ainsi fabriqua est ' représenté sur les Figs. 31 à 33. Sur la Fig. 31, une roue de turbi-' ne à gaz d'échappement 93 est représenta tourillonnée dans une bâ- che 94. L'arbre d'entraînement 96 partant de la roue 93 de la turbi- ne tourne dans un palier 97. Le palier peut être refroidi par de l'huile amenée par unpassage 98-ménagé dans la bâche 94.

La roue 93 est chauffée à des températures élevées par les gaz d'échappé- ment qui 1:. font tourner et doit donc être fabriquée en un alliage résistant aux températures élevées. Pour diminuer le prix de revient,' il est souhaitable de fabriquer l'arbre 96 en acier au carbone or- dinaire moins coûteux. Autrefois, des problèmes se posaient pour forcer une soudure entre l'arbre et la roue de la turbine par suite de la différence de nature de leurs matières et des températures élevées auxquelles le joint était soumis. Les ensembles rotor-ar- bre étaient fabriqués en brasant à l'argent une extrémité conique d'un arbre dans une douille complémentaire ménagée dans la face ar- rière de la roue.

Ce procédé est cependant très peu souhaitable par- ce qu'il est très coûteux et parce què la brasure à l'argent lâche

fréquemment pendant le fonctionnement, ce qui a pour effet de détrui- re le rotor et la bâche. Le procédé de la présente invention permet
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de former, 'à peu de frais, une soudure très résistante directement entre la roue et l'arbre, surmontant ainsi le problème de rupture principal de la technique de soudure connue.

On risque également de surchauffer le palier 97 et le pro- cédé de la présente invention per.net d'obtenir un produit fabriqué de façon spécifique qui élimine efficacement ce risque. Ainsi, une rondelle en alliage de titane 99 de faible conductivit4 thermique peut être facilement soudée à la roue de turbine en super alliage et à l'arbre en acier au carbone ordinaire 96 malgré que les grandes
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différences dans leurs diamètres a toniques rendert une telle soudure difficile ou impossible à réaliser par les techniques de soudage classiques. Comme le passage de la chaleur dans la rondelle de tita- ne est lent, la chute de température entre la role de turbine 93 et l'extrémité adjacente de l'arbre 96 peut être réglée en modifiant 1' épaisseur de la rondelle.

Par exemple une chute de température sup-
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plémentaire de 350 F (194 C) peut être obtenue pour chaque huilier de pouce (3,2 mm) d'épaisseur suppicment-aire de la rondelle dans 1* application représentée sur la Flg. 31. Peur diminuer davarit-c Le le transfert de chaleur entre la roue de la turbine et l'arbre 9J les extrémités adjacentes de la roue et de l'arbre peuvent être évidée3 en 101 et 102 pour former une digue thermique.

La roue de turbine en alliage léger 93 est beaucoup plus résistante que la rondelle en alliage de titane 99 et pour empêcher un excès de bavure, il est préférable de surdimensionner légèrement les diamètres intérieur et extérieur de la rondelle pour étaler les forces appliquées dans une opération de soudage sur une plus grande
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surface de la rondelle. Lorsque l'opération de soudage est 3-cht:''f ,-. les parties peuvent être rectifiées autour des dimensions rep-rC-st---- tées sur la Fig. 32 aux dimensions finales représentées sur la Fit.

31. La Fiv. 33 est une coupe attaquée et à plus grande échelle L:..., trant l'étendue de la zone affectée par la chaleur HZ et la bavu produite entre la rondelle 99 et la roue de turbine 93. ,

Un autre exemple d'un produit de la présente invention fabriqué de manière à présenter des caractéristiques spécifiques à des endroits particuliers est représenté sur les Figs. 34 à 39.

La Fig. 34 représente le dessus ('un piston d'alliage d'aluminium 103 comportant un fanion chaud en acier inoxydable 104 soudé à une partie de sa surface qui est soumise à des températures sensi- blement supérieures au reste de la surface du piston, vant la pré- sente invention, il fallait attacher le tampon d'acier au piston par un boulon venu d'une pièce avec le tampon et monter le boulon par un trou ménagé dans la couronne du piston puisqu'une bonne sou- dure entre l'acier inoxydable et l'alliage d'aluminium ne pouvait pas être obtenue de façon satisfaisante par des techniques de sou- dage connues.

La fabrication de tampons comportant des boulons d'une pièce est coûteuse et la couronne du piston est affaiblie par le trou nécessaire pour installer le tampon chaud.

Comme le montrent les Figs. 37 et 38, le bouchon 104 est fabriqué en acier inoxydable plaqué d'aluminium dans lequel une couche d'aluminium 106 est plaquée sur la surface d'acier à souder ; au piston. Le tampon 104 est pourvu de pattes saillantes 107 qui sont introduites dans des encoches correspondantes 108 ménagées dans le diamètre intérieur d'un écrou 109 qui est à son tour vis- sé sur un mandrin 111. Pour souder le bouchon 104 au piston 103, on fait tourner le nundrln 111 tout en maintenant le piston 103 immobile. Les pactes 107 sont de préférence entaillées en 112 et constituent un dispositif servant à limiter automatiquement le couple appliqué au tampon 104 selon la friction développée à l'in- terface entre le tampon et le piston.

Lorsqu'elles sont ainsi en- taillées, les pattes 107 se cisaillent à un couple correspondant à un apport de chaleur suffisait pour former une soudure opti- mum entre le tampon et le piston. Dans ce cas, un tissu de Teflon 113 est placé entre le tampon chaud et le mandrin 111 pour empê- cher le mandrin, dese souder au tampon chaud après cisaillement des pattes 107.

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La Fie. 28 représente le Jibg:!'[j1'J1le eouple-ter.ps pour une construction limitatrice de couple à pattes de cisaillement sembla- ble à celle représentée sur les Figs. 36 à 38. Sur la Fig> 28p la zone située en dessous de la partie pointillé de la courbe cor- respond à la quantité de chaleur oui est empêchée d'entrer dans l'interface. La construction à pattes de cisaillement a également
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l'avantage qu'en disposant convenablemnt l'entpille 112, on peut éviter la nécessité d'un usinage ultérieur.

Dans certains cas, il peut être souhaitable de permettre une certaine flexion dans le montage des parties à souder pour
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aider à obtenir un contact int1n:c. n l'interface de soudure. La Fig. 40 représente une forme d'exécution de la machine dans la* quelle un mandrin. 114 est monté sur un support 116 comportant une partie 117 de diamètre diminua. Lorsque les pièces à souder Ils et 119 sont maintenues en contact sous une pression levée, la
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partie de diamètre diminué 117 per.r.et un certain auto-alignement entre les pièces à souder 118 et 119 pour assurer un contact par- ' fait et intime à l'interface.

. La quantité de bavure dans des produits de la présente invention est faible et il est donc possible dans beaucoup de cas d'égaliser la bavure au moment de sa formation pour éviter la né-
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cessit d'un usinnge ultérieur. Sur la Fig. 14, une forme d'ap- pareil est représenté pour obtenir ce résultat. Une douille de cé-
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raro1que 121 est serrée en place par une bague 22 qui est à son tour montée sur, un mandrin 123 par des vis à tête 124. Un bouchon de cé- ramicue 126 est égnlerient maintenu, dans la position représentée pour égaliser la bavure intérieure formée lorsque les pièces 127 et 128
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sont soudées ensemble.

En pratique, l'utilisation de bouchons et ce douilles de c':.rs.m1que élimine ainsi virtuellement les bavures intérieure et extérieure. La douille et le bouchon de céraxlque, qui peuvent être fabriquas en AL2C3 peuvent être réutilisas après l'opération de soudage.

La Fig. 42 montre la façon dont les bavures intérieure et

extérieure sont égalisées au moyen d'une douille et d'un bouchon comme montra sur la Fig. 41.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes d'exécution préférées décrites, de nombreux changements et modifications pouvant y être apportas Sans sortir de son cadre.

REVENDICATIONS.

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1.- Procédé pour souder des pièces à une interface commune en introduisant une quantité de chaleur déterminée à une vitesse déterminée dans les pièces à souder maintenues en contact de friction à l'interface, caractérisé en ce qu'on amène les pièces souder en contact sous une pression prédéterminée à l'interface tout en appliquant une quantité prédéterminée d'énergie par friction, suffisante pour chauffer l'interface à une température laquelle la soudure peut être tonale sous la pression appliquée, ;

et on règle la vitesse à laquelle l'énergie est appliquée à l'interface en coordination avec la quantité d'énergie appliquée pour concentrer la chaleur à l'interface et pour maintenir un gradient de température abrupt de part et d'autre de l'interface Jusqu'à ce que la soudure suit formée par la pression appliquée.

Claims

2.- Procède suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on applique une force aux pièces a souder dans un sens visant à produire la pression déterminée et dans une mesure visant à former la soudure avnt que la chaleur concentrée à l'interface soit dissipée dans les pièces à souder.

3.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité d'énergie prédéterminée est suffisante pour produire une température moyenne à l'interface située dans la gamme de soucure et la pression développée est suffisante pour refouler de l'interface la matière chauffée à l'état plastique avant qu'une quantité substantielle de la matière soit chauffée à fusion par un excès d'énergie quelconque appliqua à l'interface. <Desc/Clms Page number 35>

4.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on applique une première force aux pièces à souder dans un sens visant à développer une pression de butée maximum pré- déterminée entre les pièces à souder à l'interface, on applique Simultanément une seconde force aux pièces à souder dans un sens visant à produire de la chaleur par la résistance de friction au déplacement relatif des pièces à souder à l'interface, et en coordonne Inapplication de la première et de la seconde forces pour maintenir la chaleur concentrée à l'interface avec un gra- dient de température abrupt de part et d'autre de l'interface et pour former une soudure à l'état solide en substance simultané- ment avec l'arrêt de l'application de la seconde force.

5.- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé 'en ce qu'on arrête l'application de la seconde fcrce en réponse à une valeur choisie de la résistance de friction au déplace- ment relatif à l'interface.

6.- Procédé pour souder des pièces de métaux et métal- loides à une interface commune suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on applique une première force pour amener les pièces à souder en contact à l'interface en vue de développer la pression déterminée, on applique un!.:

seconde force pour pro- duire un déplacement relatif et une résistance de frictLon au déplacement relatif des pièces à souder à l'interface en'vue d'amener la température de l'interface dans la gamme de soudage à la pression déterminée et d'affiner le grain dans toute la zo- ne affectée par la chaleur, et on forme la soudure puis on re- froidit la zone affectée par la chaleur en dessous de la tempéra- ture de recristallisation avant que le grain affiné par la se- conde force ait pu grossir.

7.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisa en ce qu'on presse les pièces à souder ensemble à l'interface, on déplace une pièce par rapport à l'autre pour produire suffi- sagement de chaleur par friction pour porter l'interface à une <Desc/Clms Page number 36> température de soudage à la pression appliquée,

et on limite la chaleur focale produite tout en coordonnant l'apport de chaleur avec les forces utilisas pour prosuire la chaleur et forcer la soudure en vue d'affiner le grain de toute la matière chauf- fée au-dessus de la température de recristallisation minimum en dessous de ses dimensions normales et de refroidir le grain à l'état affina en dessous de la température de recrisballisa- tion par un refroidissement atmosphérique normal des pièces sou- dées.

8.- Procédé pour forcer une soudure à l'état solide suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit une température prédéterminée en dessous de la température de fusion ù laquelle une soudure à l'état solide peut être former à l'interface on amène les pièces à souder en contact;

' l'in- terface et on augmente la pression de contact pour obtenir une pression prédéterminée capable de former une soudure à l'état solide à la température prédéterminée, cette pression étant suffi- samment élevée pour refouler de l'interface la matière chauffée à l'état plastique !lais insuffisante pour amener la matière à cder élastiquement avant d'être chauffée à .L'état plastique,

on applique suffisaient de chaleur de friction à l'interface par un déplacement relatif entre les pièces à souder pour déve- lopper la température prédéterminée à l'interface et on limite la quantité totale de chaleur appliquée tout en l'appliquant suffisamment rapidement pour former la soudure à l'état solide avant que le gradient de température abrupt soit perdu par dis- sipation de la chaleur dans les pièces à souder, de sorte qu' une soudure puisse être forcée entre des pièces de farines et de masses variées, et en coordonne l'application de la chaleur et de la pression pour produire un affinage du grain dans toute la zone affectée par la chaleur du produit soude.

9.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on amène les pièces à souder en contact à l'interface <Desc/Clms Page number 37> et on augmente la pression de contact pour obtenir une pression prédéterminée capable de forcer une soudure à l'interface, on imprime rapidement une rotation relative choisie aux pièces à EMI37.1 souder tout en les .a.rzt:tant en contact sous pression à l'inter- face pour amener l'interface à une température de soudage & -a pression ;n":d6t(;

!r ain'a, la chaleur étant concentrée a l'inter- face et des gradients de température abrupts existait de part et d'autre de l'interface, on travaille continuellement la ma- tière dans la zone affectée par la chaleur pour affiner le grain dans la partie de la zone affectée par la chaleur où le grain est susceptible de grossir, on forne la soudure en substance simultanément avec l'arrêt de la rotation relative, le grain dans la zone étant à l'état affiné, et avant ue la chaleur concen- trée à l'interface se soit dissipée dans les pièces à souder, EMI37.2 et on refroidit le grain affina en dessous de la tr.?4rat1.,

re de recristallisation par conduction de la chaleur dans les parties non affectées par la chaleur des pièces soudées, après la sou- dure. EMI37.3

-1L?.- Procède suivant la revendication 1.. caractris en ce qu'on imprime une rotation relative choisie aux pièces à souder maintenues en contact sous pression à l'interface pour appli- quer une énergie moyenne supérieure à 15 chevaux-vapeur par pouce EMI37.4 carrr (6,/:, ça'') à l'interface et on forge la soudure en substance au moment d'arrêter la rotation relative. EMI37.5

11.- Proc.Sd4 suivant la revendication 1* caractérisa en ce qu'on i:3pri':te une rotation relative choisie aux pièces a souder maintenues en contact sous pression à l'interface pour appliquer EMI37.6 une énergie 1:1 rennt.> supérieure d 15 chevaux-vapeur par pouce carré (6,1,.5 cas) à l'interface, et on fore la soudure en moins de 3,0 secondes après avoir mis en contact les pièces soudées.

12.- Procédé pour souder des pigées de .létaux et de mé- EMI37.7 tal1o!dEcS suivant la revendication 1, caractérise en ce qu'on fait tourner une pièce par rapport). l'autre en .ces maintenant en contact <Desc/Clms Page number 38> EMI38.1 sous pression à l'interface, pour p..od.\1..1t'e- de la chaleur par friction, jusqu'à ce que la salière devienne plastique dans la zone de con- tact, et on coordonne la vitesse et la valeur d'application des forces qui produisent la rotation sous pression pour produire une zone étroite de Matièrerefoulée dans laquelle la réorientation EMI38.2 se foraie surtout clrCQnf.JrCl1tlellC':

lCl1t avec une transition brus- que entre ..La matière refoulée et non refoulée dans J'article soude. ! 13.- Procède suivant la revendication 1, caractérisa en ce qu'on applique une première force pour amener les pièces à sou- der en contact à l'interface sous la pression déterminée, on aug- EMI38.3 mente 'rogressiVI}'net1t la pression dûtervinsse à l'interface Jusqu'à une pression uiaxinm pr6ùétmnin'e 'en moins de 1,5 seconde, on applique une seconde force pour produire un déplacement relatif et une résistance de friction au déplacement relatif des pièces à EMI38.4 souder d l'interface pour convertir une -ruant! té choisie de force Mécanique en chaleur à l'interface,

cette quantité choisie étant EMI38.5 suffisante pour amener la te'1p6rature de l'interface dans la gazvne de soudaje u la pression maximum prédéterminée ;:1-1;: insuffisante pour amener la température moyenne de la Matière tout près de l'in EMI38.6 tertace au point de fusion sous la pression déter:nim'e, on travaille ' continuellement la matière dans la zone affectée par la chaleur pour affiner le grain dans toute la zone, et on for.ae la soudure ' en 1,5 seconde depuis le début de l'application combinée des pre- EMI38.7 i:ll#:,kS. et seco1e forces.

14..- Procédé pour souder des pièces d'acier suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on aribne les places à souder en contacta l'interface et on augmente la pression de contact jus- qu'à une valeur supérieure à 8000 livres/pouce carr '- (560 ',9/em 2 on, imprime par un déplacement relatif à ¯'interface une énergie de friction à une allure moyenne supérieure à5500 pieds livres/pouce EMI38.8 carre/seconde pour amener l'interface à une teapif rature à laquelle une soudure peut être 1'or:

nJe pwr la valeur prédéterminée de la pression, et on arrête l'apport d'énergie de friction en 5,0 se- <Desc/Clms Page number 39> condes pour concentrer la chaleur à l'interface avec un. gradient de température abrupt partant de l'interface, on forme la soudure pendant nue la chaleur est concentrée à l'interface et avant que le gradient de température abrupt se perde par dissipation de la chaleur dans les pièces à souder, 15.- Procédé pour souder deux pièces à une interface commune en introduisant une quantité de chaleur déterminée dans les pièces à souder par contact de friction des deux pièces à l'in- terface,

caractérisé en ce qu'on emmagasine une quantité prédéter- minée d'énergie d'inertie dans un volant d'inertie rotatif ri- gidement associe à une pièce à souder, on convertit l'énergie emmagasinée en chaleur à l'interface en amenant en contact les piè- ces à souder par friction, à l'interface, sous une pression doterai- née qui augmente jusqu'à atteindra une pression capable de former une soudure à l'interface et on forme la soudure en substance au moment où s'arrête l'apport d'énergie emmagasinée dans le volant.

16.- Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce qu'on combine la vitesse d'augmentation de la pression et la pression maximum à l'interface et la Quantité d'énergie emmagasi- née dans le volant pour produire une vitesse de transfert d'énergie à l'interface qui concentre la chaleur à l'interface et produit un gradient de température abrupt depuis l'interface jusqu'à ce que la soudure.soit formée.

17. Procédé autoréglable pour souder deux pièces métalliques suivant la revendication 15, baractérisé en ce qu' on travaille continuellement la matière dans la zone affectée par la chaleur pour produire un affinage prononcé du grain pen- dant oute l'opération de soudage,

et on règle la pression appli- quée à l'interface pour refouler la matière de l'interface à mesu- re qui sa température monte jusqu'àla gamme plastique et avant qu'elle soit chauffée à fusion de sorte que l'interface n'ab- sorbe que l'énergie requise pour Maintenir une température stabilisée dans la garnie plastique jusqu'à ce eue l'énergie <Desc/Clms Page number 40> emmagasinée dans le volant d'inertie devienne inférieure à celle qui est nécessaire pour surmonter la résistance de friction au déplacement relatif à l'interface et une soudure est formée car la pression appliquée, 18.- Procédé pour former un produit fabriqué comportant une zone Affectée par la chaleur délimitée par des transitions abruptes avec la matière non affectée par la chaleur,

et dans la- quelle tout le grain est affiné, caractérisé en ce qu'on amène les pièces à souder on contact à une Interface commune sous une pression déterminée, on déplace les pièces à souder l'une par rapnort à l'Autre à l'interface pour chauffer l'interface à une tempera turc de soudage à la pression appliquée, on concentre la chaleur à l'interface pour produire un gradient de température abrupt de part et d'autre de l'interface et pour maintenir une étroite zone affec- tée par la chaleur autour de l'interface,

et on travaille la matiè- re dans la zone affectée par la chaleur continuellement pour main- tenir le grain dans la zone affectée par la chaleur affiné jusqu'à ce que la soudure soit formée et que la matière dans cette zone soit refroidie en dessous de la température de recristallisation.

19.- Machine pour souder des pièces amenées en contact de friction à une interface commune sous pression pour chauffer l'interface à une température à laquellela soudure est formée sous la pression appliquée, caractérisée en ce qu'elle comprend un premier dispositif pour développer une quantité d'énergie limi- tée déterminée à appliquer sous forme de chaleur à l'interface, et un dispositif convertisseur d'énergie pour convertir l'énergie en chaleur à l'interface par la résistance de friction au déplace- ment relatif à l'interface, le convertisseur d'énergie comprenant.un mécanisme rapprochant les pièces à souder avec une pression suffi- sante pour former la soudure en substance simultanément avec l'arrêt de l'apport d'énergie thermique à l'interface.

20.- Machine suivant la revendication 19, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif limiteur sensible à la résis- <Desc/Clms Page number 41> tance de- friction à l'interface, pour limiter la quantité d'éner- gie appliquée à l'interface, 21.- Machine suivant la revendication 19, caractérisée en ce que le mécanisme servant à rapprocher les pièces à souder sous pression comprend un suiveur flexible facilitant l'alignement des pièces à souder pendant l'opération de soudage.

22.- Machine suivant la revendication 19, caractérisée en ce que le dispositif convertisseur d'énergie est capable, en combinaison avec le premier dispositif, d'affiner le grain. dans toutes les zones affectées par la chaleur des pièces à souder, un dispositif étant prévu pour commande!* la durée d'application de la chaleur à l'interface et étant capable, en combinaison avec le dispositif convertisseur d'énergie, de former la soudure en substance simultanément avec l'arrêt de l'apport d'énergie thermi- que à l'interface.

23. - Machine suivant la revendication 19, caractérisée en ce que le dispositif convertisseur d'énergie comprend un dis- positif applicateur de pression pour rapprocher les pièces à souder à l'interface sous une nression déterminée, le crémier dispositif comprenant-un dispositif rotatif pour faire tourner les pièces à souder d'un nombre de révolutions limité à l'interface sous la pres. sion déterminée pour chauffer l'interface par friction à une tempe rature de soudage sous la pression -appliquée et pour affiner le grain dans la zone affectée par la chaleur jusqu'au moment où la soudure est forage,

le dispositif rotatif étant capable de couper nettement l'apport d'une force rotative après le nombre limité de révolutions et l'inertie du dispositif rotatif est suffisaient fai- ble pour permettre au dispositif applicateur de pression de former la soudure en substance simultanément avec l'arrêt de l'apcort d'énergie rotative.

24.- Machine suivant la revendication 19, caractérisée en ce que le premier dispositif comprend un volant d'inertie de masse connue rigidement associé à une pièce à souder et un dis- positifd'entraînement pour faire tourner le volant à une vitesse prédéterminée pour emmagasiner une quantité d'énergie choisie <Desc/Clms Page number 42> dans le volant, le dispositif convertisseur d'énergie comprenant un dispositif applicateur de pression pour engager les pièces à souder sous pression à l'interface et pour former la soudure, la dimension et l'inertie des autres masses du dispositif rotatif étant suffisamment faibles, comparées aux dimensions et à l'inertie du volant, pour empêcher l'inertie des autres masses d'avoir un effet significatif sur la formation de la soudure.

25.- Machine suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le premier dispositif comprend un volant d'inertie de mas- se connue rigidement associé à une pièce à souder et un dispositif d'entrainement pour faire tourner le volant à une vitesse prédéter- minée pour emmagasiner une quantité d'énergie choisie dans le volant, le dispositif convertisseur d'énergie comprenant un disposi- tif applicateur de pression servant à rapprocher les pièces à souder sous pression à l'interface et à former la soudure, le volant étant placé près de l'interface pour réduire au minimum toute torsion élastique susceptible de retarder l'application de l'énergie emmaga- aînée sous forme de chaleur à l'interface ou de briser la soudure une fois celle-ci formée,

la dimension et l'inertie des autres unes du dispositif rotatif étant suffisamment faibles comoarées .aux dimensions et à l'inertie du volant pour empêcher l'inertie des autres masses d'Avoir un effet significatif sur la formation de la soudure., 26.- Produit caractériel en ce qu'il comprend deux pièce* soudées à un* interface commun* et comportant une zone continué de grain affiné qui part de l'interface et qui s'enfonce dans chaque pièce et se termine dans une zone d'Affinage prononcé, une transition Abrupte existant entre la zone d'affinage prononcé et le grain d'une pièce non affecté par la chaleur appliquée vendant la soudure.

27.- Produit suivant la revendication 26, caractérisé en ce que la soudure est une soudure à l'état solide sans fusion de ,matière. <Desc/Clms Page number 43>

28.- Produit suivant la revendication 26, caractérisé en ce que deux pièces sont soudées à une interface Commune par un procède dans lequel des pièces sont chauffées par friction, la quantité de chaleur produite et 1'arrêt de l'apport de chaleur étant commandés pour produire un.affinage du grain en travaillant dans les zones affectées par La chaleur des pièces et en refroidis- sant, en dessous de la température de recristallisation, le grain à l'état affiné au moyen des parties des pièces non affectées par la chaleur lors d'un refroidissement atmosphérique normal du produit soudé, la zone dont le grain a été affiné par le travail étant dé- pourvue de régions à gros grain.

29. - Produit suivant la revendication 26, caractérisé en ce que les deux pièces sont des pièces en acier réunies à une inter- face commune par une soudure formée par un procédé dans lequel une quantité déterminée d'énergie thermique est introduite dans les pièces par contact de friction à l'interface à une vitesse suffisam- ment rapide pour concentrer La chaleur à l'interface .avec un gra- dient de température abrupt partant de l'interface au moment où la soudure est formée et en une quantité suffisamment faible pour amener les forces utilisées pour produire la chaleur et former la soudure à affiner le grain dans la zone affectée par la chaleur,

le produit refroidi dans des conditions .atmosphériques normales comportant des ' grains près de l'interface de dimensions inférieures à ASTM 12, ces dimensions des grains à l'interface résultant du chauffage et du travail rapides par les forces appliquées pendant le processus de soudage et du refroidissement rapide assuré par la relation existant entre la faible quantité de chaleur introduite et la masse relative- ment importante des pièces disponible pour dissiper la chaleur après la soudure.

30.- Produit suivant la revendication 26, caractérisé en et que les deux pièces sont réunies à une interface commune par une soudure formée par un procédé dans lequel une quotité déterminée , d'énergie thermique est introduite dans les pièces par contact de <Desc/Clms Page number 44> friction à l'interface à une vitesse suffisamment rapide pour con- centrer la chaleur à l'interface avec un gradient de température abrupt partant de l'interface au Notent où la soudure est formée, et en une quantité suffisamment faible pour amener les forces utilisées pour produire la chaleur et forcer la soudure à affiner,

en dessous de ses dimensions tout grain porté au-dessus de la tempe- rature de recristallisation minimum par la chaleur Introduite à l'interface, le produit refroidi dans des conditions atmosphériques normales comportent une transition abrupte entre le grair en substan- ce identique ..au point de vue dimension et structure à celui des pièces avant soudure, qui n'a donc par été chauffe u-dessus de la température de recristallisation minimum par la chaleur produite pen- dant le processus de soudage, et le grain situe dans une zone affectée par la chaleur qui est affiné dans toute la zone par rap- port au grain des pièces avant soudure et qui, à l'interface,

est presque indiscernable par des procédas normaux de mesure des dimen- sions des grains, la transition brusque résultant du gradient de température abrupt dû à la quantité et au mode d'application de l'énergie thermique introduite par le procédé de soudage et des forces exercées sur le grain chauffé au-dessus dela température de recristallisation minimum par le procédé de soudage, 31.

- Produit suivant la revendication 26, caractérisé en ce qu'il comprend une zone étroite qui part de l'interface et qui s'enfonce dans chaque pièce et dans laquelle la matière, suivant un axe qui passe perpendiculairement par le centre de l'interface, est refoulée circonférentiellement mais très peu radialement par rapport à sa position dans les pièces avant soudure, une transition abrupte existant entre la zone dans laquelle la matière a été refou- lée et la partie d'une pièce dans laquelle la matière n'a pas été refoulée par le procédé de soudage.

32. - Produit suivant la revendication 26, caractérisé en ce que les deux pièces sont soudées à une interface commune par un procéda dans lequel les organes sont engagés sous pression à l'in- terface et sont chauffés par friction par une rotation relative <Desc/Clms Page number 45> à une température à laquelle une certaine quantité de la nature adjacente à l'interface atteint un état plastique sous la pression appliquée, une zone partent de l'interface et s'enfonçant dans chaque organe, cette zone s'étendant sur la même distance que les parties des pièces chauffées à l'état plastique pendant e procédé de soudage dans lequel la matière située le long de axe de rotation est refoulée cirdonférentiellement mais très peu radialement par rapport à sa position dans les pièces avant la sou- dure,

une transition abrupte existant entre la zone dans laquelle la matière a été refoulée et la partie d'une pièce dans laquelle la ma- tière n'a pas été refoulée par le processus de soudage. j 33.- Produit suivant la revendication 26, caractérisé en ce que les deux pièce?, qui comportent chacune des inclusions de lignes d'écoulement distinctes, sont soudées à une interface commune par un procédé dans lequel les pièces sont rapprochées sous près- sion à l'interface et sont chauffées par friction par rotation rela- tive à une température à laquelle une certaine quantité de matière adjacente à l'interface atteint un état plastique sous la pression appliquée, une zone partant de l'interface et s'enfonçant dans chaque pièce,

cette zone s'étendant sur la même distance que les par- ties des pièces chauffées à un état plastique pendant le processus de soudage dans lequel les lignes d'écoulement parallèles à l'axe de rotation sont entraînées dans un tourbillon circonférentiel mais ; ne sont que faiblement déplacées radialement par rapoort à leurs positions dans les organes avant la soudure, de manière à rencontrer toute surface cylindrique du produit dans la zone en substance tan- gentiellement, une transition abrupte existant entre la zone dans laquelle les lignes découlèrent ont été déplacées et la partie d'une pièce dans laquelle les lignes d'écoulement n'ont Das été déplacées par le procédé de soudage.

34.- Produit suivant la revendication 26, caractérisé en ce que les deux pièces, qui confortent chacune des inclusions de lignes d'écoulement distinctes, sont soudées à une interface commune <Desc/Clms Page number 46> par un procédé dans lequel: les pièces sont rapprochées sous pres- sion à l'interface et chauffées par friction par rotation relative à une température à laquelle une certaine quantité de la matière adjacente à l'interface atteint un état plastique sous la pression appliquée, et à une vitesse suffisamment rapide pour concentrer la chaleur à l'interface avec un gradient de température abrupt partant de l'interface au moment, ou la soudure est formée, une zone étroite partant de l'interface et s'enfonçant dans chaque pice,

cette zone s'étendant sur la même distance que les parties des Dièces chauffées à l'état plastique pendant le procédé de soudage dans lequel les lignes d'écoulement parallèles à .l'axe de rotation sont entraînées dans un tourbillon circonférentiel mais ne sont que faiblement dépla- cées radialement par rapport à leurs positions dans les pièces avant soudure, le grain dans la sone étroite étant affiné dsns toute la zone après un refroidissement atmosphérique normal suivant l'opé- ration de soudure, une transition abruote existant entre la zone dans laquelle les lignes d'écoulement ont été déplacées et la partie d'une pièce dans laquelle les lignes d'écoulement n'ont pas été déplacées par le procédé de soudage.

35.- Dispositif d'assemblage servant à fixer ensemble des métaux et des métalloïdes, caractérisé en ce qu'il comnrend, une soudure à l'état solide à une interface commune entre des piè- ces qui sont réunies et une zone étroite dont le grain a été affiné par le travail qui part de-l'interface et qui s'enfonce dans chaque pièce, cette zone se terminant en une transition abrupte avec le grain normal d'une pièce.

36.- Dispositif d'assemblage suivant la revendication 35, caractérisé en ce qu'il comprend une soudure à l'état solide ' sans fusion de matière à une interface commune entre les organes qui ' sont réunis, une première zone étroite qui part de chaque côté de l'interface et qui se termine dans une limite de transition abrupte ! située de part et d'autre de l'interface, le grain dans la zone étant fragmenté par le travail et présentant un -affinée distinct comparé :

<Desc/Clms Page number 47> .au grain normal situé à l'extérieur des limites de la première zone, une seconde zone étroite située dans la première zone qui s'étend de chaque côté de l'interface et qui se termine dans une limite de transition abrupte de part et d'autre de l'interface, la matière dans la seconde. zone étant refoulée circonférentiellement mais très peu radialement car rapport à sa position' dans les pièces avant la soudure.

37.- Dispositif d'assemblage servant à fixer ensemble des aciers faiblement alliés, caractérisa en ne qu'il comprend, une soudure à l'état solide sans fusion de matière à une interface com- mune entre les pièces Qui sont réunies, une première zone étroite qui part de chaque côté de l'interface et qui se termine en une limite de transition abrupte de part et d'autre de l'interface, la première zone ayant une teneur en ferrite élevée avec des grains fragmentés par le travail à une dimension inférieure à ASTM 12, une seconde zone étroite dans la première qui s'étend de part et d'autre de l'interface et qui se termina dans une limite de transition abrupte de part et d'autre de l'interface,

la matière dans la secon- de zone étant refoulée circonférentiellement mais très peu radiale- ment par rapport à sa position dans les pièces avant soudure, et une zone d'interface dans la seconde zone, les grains et les micro- constituants de la zone d'interface étant suffisamment fins nour être presque indiscernables par des moyens de détection métallo- graphiques.