Procédé de soudure électrique en bout d'un conducteur en cuivre sur un conducteur en aluminium. La présente invention se rapporte à un procédé de soudure électrique en bout d'un conducteur en cuivre sur un conducteur en aluminium, en vue notamment de la fixation de pièces telles qu'embouts, raccords en cuivre sur des fils ou câbles en aluminium, procédé dans lequel on fait passer du cou rant de soudure dans les parties à souder, de manière à créer une zone de jonctionne- ment par soudure ayant une résistance mé canique accrue et n'engendrant pas dans le circuit électrique de résistance additionnelle.
C'est un fait bien connu que la soudure électrique en bout de métaux volatils et oxy dables, et notamment de l'aluminium, pré sente de grosses difficultés. Les applications industrielles d'un tel procédé de soudure sont toutefois très étendues, et le besoin de sou dures à la fois simples et rapides à effectuer tout en étant résistantes se fait très forte ment sentir. On sait par exemple que les conducteurs électriques en aluminium, soumis lors du pas sage du courant a de fortes variations d'in tensités, chauffent aux pinces ou aux prises assurant les branchements du circuit consi déré (prises de compteurs, de fusibles, de contacteurs, de boîtes de dérivation, etc.).
Ce phénomène d'échauffement est dû à la couche d'alumine naturelle qui enveloppe ces conducteurs en assurant leur inoxydabilité, et il se localise aux points d'application des vis ou des mâchoires des pinces ou des prises. Il peut en résulter à la. longue le desserrage des conducteurs et une mise hors d'usage des pinces, avec pyrogénation des isolants, et même une fusion des conducteurs au voisi nage des pinces, avec tous les inconvénients qui en résultent. Cet échauffement ne se pro duit plus au contraire lorsque le conducteur serré dans les pinces et les prises est en cuivre, en argent ou en un métal analogue. Les conducteurs nobles sont toutefois d'un prix de revient prohibitif et d'un poids trop élevé pour l'installation tout. entière de nombreux circuits.
On comprendra aisément que l'on pourra remédier à, ces inconvénients si l'on remplace simplement les tronçons conduc teurs en aluminium serrés dans les pinces ou les prises de contact par des éléments en cuivre, de façon à supprimer cet échauffe ment. Ce remplacement partiel des conduc teurs nécessite toutefois la réalisation d'une solidarisation en bout, qui ne peut être obte nue de façon simple que si l'on dispose d'un procédé de soudure rapide et donnant des points de soudure mécaniquement résistants.
Le but. de l'invention est. de créer un pro cédé de soudure électrique permettant. de réaliser cette solidarisation en bout. de conduc teurs de ce type. Le procédé faisant l'objet de l'invention est caractérisé en ce que les parties à souder sont préalablement taillées afin de réduire au minimum leur surface de contact, qu'on inter pose entre elles une pastille à base d'étain, et qu'on réalise ainsi, au passage du courant, une fusion locale déterminant la formation d'un alliage ternaire aluminium-étain-cuivre dont le point de fusion est plus élevé et la ténacité plus grande que l'aluminium de l'un des conducteurs.
On peut disposer autour des éléments à souder, dans la partie recouvrant la partie extrême, un manchon protecteur qui vient s'adapter sur ces éléments et empêche tout contact avec l'air extérieur. Suivant la nature des éléments à souder, ce manchon pourra avoir la forme d'une douille engagée sur les conducteurs ou les câbles, d'une douille double pouvant être appliquée sur les faces interne et externe des tubes, ou de bandes s'appli quant de part et d'autre des plaques à souder. Ce manchon protecteur sera en métal, en alliage ou en matière réfractaire, par exemple en silice, pour pouvoir être arraché ou brisé après la soudure.
Enfin, on peut accélérer le chauffage au voisinage de cette intersurface à l'aide d'une flamme dirigée sur les extrémités à souder, ou au moyen d'une résistance électrique entou rant lesdites extrémités. Dans ces deux cas, l'échauffement provoqué par le passage du courant est combiné à un chauffage extérieur.
Le dessin annexé représente, à. titre (l'exemple, différentes formes d'exécution du procédé faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique de la position des deux conducteurs coupés suivant des sections droites et dont on veut effectuer la soudure.
Les fig. 2 et 3 montrent, schématiquement, l'effet de l'échauffement lorsque l'un des con ducteurs est taillé en pointe.
La fig. 4 est une vue schématique d'une forme d'exécution du procédé.
La fig. 5 est une vue schématique mon trant les deux conducteurs soudés. La fig. 6 montre une forme d'exécution du procédé pour souder en bout deux tubes, par soudure autogène et avec un métal d'apport.
La fig. 7 est une vue schématique mon trant le procédé utilisé pour la soudure en bout de deux plaques, par soudure autogène et avec métal d'apport..
La fig. 8 montre une variante du procédé de soudure avec chauffage auxiliaire exté rieur.
La fig. 9 montre une autre position d'élé ments métalliques à souder.
Si l'on se reporte tout d'abord à. la fig. 1, on a représenté schématiquement deux pinces 1 et 2 dans lesquelles sont serrés un conduc teur en aluminium 3 et un conducteur en cuivre 4, ces conducteurs étant en contact l'un avec l'autre par l'ensemble de la surface de leur section droite extrême. On compren dra aisément que, si l'on fait passer un cou rant de tension relativement réduite dans ces conducteurs, il ne va. se produire sur l'inter- surface, entre leurs extrémités, aucun échauf fement particulier capable d'assurer la- sou dure.
Dans la fig. 2, l'extrémité du conducteur en cuivre 4 est taillée en pointe, comme mon tré en 5, et l'intersurface entre ces deux con ducteurs est alors réduite à la pointe 6. Si l'on fait passer un courant électrique dans ces conducteurs, on comprend que l'effet Joule va être localisé en ce point 6 et va pro voquer la. fusion de l'extrémité du conducteur en aluminium 3 et son épanouissement comme montré sur la fig. 3, ce phénomène s'aceoni- pagnant, comme indiqué plus haut, d'une pe tite explosion, conjointement à la vaporisation du métal et à la projection dans l'air ambiant de fines particules de métal liquide.
Dans le cas de l'aluminium considéré ici, il se pro duit en outre une oxydation de la partie extrême, tous ces phénomènes coopérant pour empêcher l'obtention d'une soudure mécani- , quement acceptable.
Dans la fig. 4, on a disposé, avant. de faire passer le courant et autour de la partie extrême des conducteurs, un manchon 8 qui vient s'adapter sur les parties extrêmes des conduc- teurs, et dans lequel ceux-ci pénètrent à Frottement doux. On remarquera, qu'une pas tille (le métal d'apport 9 à, base d'étain qui peut être formée d'une pâte est interposée entre 1a pointe en cuivre 5 et le conducteur d'aluminium 3, un décapant étant appliqué sur la pointe de cuivre 5 pour fixer l'étain de première fusion. Lors du passage du cou rant, la fusion de ce métal d'apport coopère à la soudure.
Il est évident que l'application (lu manchon sur les conducteurs n'a pas besoin d'être étanche à l'air, cette étanchéité étant obtenue de toute façon par dilatation de l'air lors de la chauffe du métal pendant la sou dure. La liaison ainsi obtenue entre les deux conducteurs 3 et 4 est montrée schématique ment sur la fig. 5, sur laquelle la pointe de contact, en cuivre par exemple, est représen tée en pointillé, la zone de soudure ainsi for mée correspondant à une zone d'interpénétra tion des particules des deux métaux. On a montré ici le conducteur en cuivre 4 serré dans une pince de contact 10. Comme indiqué précédemment, le contact, obtenu sur ce con ducteur en cuivre sera satisfaisant, et la plus (grande partie du circuit pourra être formée en fils d'aluminium 3.
Le manchon 8 formant L'enceinte protec trice permettant la réalisation de la soudure peut être en métal et demeurer sur la partie soudée des conducteurs, ou bien être par exemple en matière réfractaire céramique ou autre, que l'on peut casser une fois la sou dure réalisée pour permettre la séparation de ce manchon. Il restera alors simplement deux conducteurs soudés en bout et assemblés de façon résistante. On peut également dégager ce manchon en l'ouvrant suivant l'une de ses génératrices, puis en l'arrachant des conduc teurs soudés.
La tension utilisée dans cette opération sera de préférence de l'ordre de zéro à trois volts, (le façon à, obtenir une simple fusion du métal, et en aucun cas une vaporisation de celui-ci, et les intensités du courant utilisé pour cette soudure pourront varier de 1 à plusieurs centaines d'ampères par millimètre: carré suivant la nature des métaux.
Dans le cas de tubes, on procède comme montré sur la fig. 6. On considère ici deux tubes 11 et 12 qu'il s'agit de souder en bout. On taille alors les extrémités en regard de ces tubes en biseau, comme indiqué en 13 et 1.4. On applique sur la face externe des tubes, de part et d'autre de leur intersurface, un manchon externe 15, les parties en biseau 13 et 14 des tubes se trouvant approximativement dans la partie médiane de ce manchon. On introduit ensuite à l'intérieur des tubes 11 et 12 une douille interne 16 pénétrant à frotte ment doux dans ces tubes, et qui est solidaire d'une tige 18 permettant d'amener cette douille en position convenable à l'intérieur du manchon 15.
Comme montré sur la fig. 6, la longueur de la tige 18 sera étudiée pour faire saillie de l'extrémité de l'un des tubes, afin de permettre la commande de l'introduction et du dégagement de la douille 16.
On a interposé entre les arêtes 13 et 14 une pastille 20 de métal d'apport à base d'étain dont. la fusion va se faire en même temps que celle des extrémités des tubes, et qui va, coopérer à. leur soudure. Cette soudure s'effectue alors en-principe sur Fintersurface 19, entre l'arête 13 du tube 11 et la pastille de métal d'apport 20.
On a représenté schématiquement sur la fig. 7 la. soudure en bout de plaques 21 et 22 en cuivre et en aluminium. Dans ce cas, on taille les bords des plaques à souder en bi seaux, comme montré en 23 et 24, on inter pose une pastille à. base d'étain et on applique, de part et d'autre, des bandes 25 et 26 venant recouvrir les extrémités de ces plaques. On fait. alors passer le courant. en exerçant sur les plaques 21 et 22 des forces dirigées l'une vers l'autre, pour réaliser la soudure comme indiqué précédemment.
Suivant. une variante du procédé décrit, on favorise l'échauffement au voisinage de Fintersurface entre les extrémités de deux conducteurs ou éléments métalliques à souder par un chauffage extérieur, par exemple de la manière montrée sur la fig. 8, Pour faciliter la soudure d'un conducteur en aluminium 3 avec un conducteur en cuivre 4 serrés dans les pinces 1 et ? et dont les extrémités 27 et 28 sont logées dans un man chon protecteur 8, avec interposition d'une pastille 9 d'un alliage d'étain ou d'étain entre l'arête 28 du conducteur en aluminium 3 et la pointe 27 prévue à l'extrémité du conduc teur en cuivre 4 pour assurer la.
soudure sui vant une section théorique 19, on chauffe le manchon 8 au moyen d'une flamme 29 pen dant le passage du courant électrique de sou dure, tout en exerçant sur les conducteurs 3 et 4 des forces P1 et P2 dirigées l'une vers l'autre, l'une de ces forces pouvant être rem placée par une butée fixe. On comprendra aisément que la chaleur supplémentaire four nie par la flamme 29 va activer l'échauffement des parties extrêmes des conducteurs et, par suite, leur fusion et la formation de la sou dure.
Suivant une autre variante encore, on dis pose autour du manchon 8 une résistance électrique 30 alimentée en courant par des conducteurs 31 et 32, et on fait passer le cou rant dans cette résistance en même temps que dans les conducteurs 3 et 4 pour obtenir une chaleur supplémentaire facilitant la fusion des métaux et, par suite, leur soudure.
Pour faciliter la mise en ouvre du procédé décrit, on peut. utiliser pour assembler par soudure en bout des conducteurs, des barres, des tubes ou des éléments analogues, des man chons préparés à l'avance. Pour effectuer une soudure avec métal d'apport, on pourra par exemple fixer solidement par compression la pastille à base d'étain dans le manchon à la distance voulue de sa base, et recouvrir en suite tout ou partie de l'intérieur dudit man chon et la pastille d'un décapant convenable, sous forme de vernis par exemple. Il est ainsi possible de disposer à l'avance de toute une série de manchons de formes et calibres diffé rents suivant les soudures à effectuer.
Les manchons utilisés à cet effet et munis de vernis décapant pourront être de toute na ture convenable et par exemple en laiton, cuivre, fer, nickel, matière réfractaire, etc. Pour l'utilisation d'un manchon 8 de ce type, on introduit dans ce dernier, comme montré sur la fit,. 9, une extrémité d'un con ducteur 4, pour amener la tranche extrême de celui-ci en contact avec la pastille 9, puis l'autre élément à souder 3 de l'autre côté du manchon, cet- élément 3 étant taillé en pointe par exemple et pénétrant dans la partie du manchon 8 recouverte par le vernis décapant 33.
Il suffit alors de faire passer le courant dans ces éléments métalliques en exerçant sur chaque élément une pression F, Fa dirigée vers le manchon pour assurer la soudure.\ Dans toutes les formes d'exécution du pro cédé décrites, une fusion locale est réalisée. déterminent la formation d'un alliage ternaire aluminium-étain-cuivre dont le point de fu sion est plus élevé et la ténacité plus grande que l'aluminium de l'un des conducteurs.
A method of electrically butt welding a copper conductor onto an aluminum conductor. The present invention relates to a method of electrically soldering a copper conductor to an aluminum conductor at the end, in particular with a view to fixing parts such as ferrules, copper fittings on aluminum wires or cables, a method in which welding current is passed through the parts to be welded, so as to create a weld junction zone having increased mechanical resistance and not generating additional resistance in the electrical circuit.
It is a well-known fact that the electrical butt welding of volatile and oxidizable metals, and in particular aluminum, presents great difficulties. The industrial applications of such a welding process are however very extensive, and the need for welds which are both simple and quick to perform while being resistant is very much felt. We know, for example, that the aluminum electrical conductors, subjected during the passage of the current to strong variations in voltage, heat at the clamps or sockets ensuring the connections of the circuit in question (sockets for meters, fuses, contactors , junction boxes, etc.).
This heating phenomenon is due to the layer of natural alumina which surrounds these conductors while ensuring their rust-resistance, and it is localized at the points of application of the screws or the jaws of the clamps or sockets. It can result in the. long the loosening of the conductors and the putting out of use of the clamps, with pyrogenation of the insulators, and even a melting of the conductors in the vicinity of the clamps, with all the resulting inconveniences. On the contrary, this heating no longer occurs when the conductor clamped in the clamps and the sockets is made of copper, silver or a similar metal. The noble conductors are however prohibitively expensive and too heavy for the entire installation. entire many circuits.
It will easily be understood that these drawbacks can be remedied if we simply replace the aluminum conductor sections clamped in the clamps or the contact sockets with copper elements, so as to eliminate this heating. This partial replacement of the conductors, however, requires the realization of an end connection, which can only be obtained in a simple way if there is a rapid welding process and giving mechanically strong weld spots.
The goal. of the invention is. to create an electric welding process allowing. to achieve this solidarization at the end. of such conductors. The method forming the subject of the invention is characterized in that the parts to be welded are cut beforehand in order to reduce their contact surface to a minimum, that a tin-based pellet is interposed between them, and that in this way, when the current passes, a local melting is carried out determining the formation of a ternary aluminum-tin-copper alloy, the melting point of which is higher and the tenacity greater than the aluminum of one of the conductors.
A protective sleeve can be placed around the elements to be welded, in the part covering the end part, which fits onto these elements and prevents any contact with the outside air. Depending on the nature of the elements to be welded, this sleeve may have the form of a sleeve engaged on the conductors or cables, of a double sleeve that can be applied to the inner and outer faces of the tubes, or of bands that apply. on either side of the plates to be welded. This protective sleeve will be made of metal, an alloy or a refractory material, for example silica, so as to be able to be torn off or broken after welding.
Finally, the heating can be accelerated in the vicinity of this intersurface using a flame directed at the ends to be welded, or by means of an electrical resistance surrounding said ends. In these two cases, the heating caused by the passage of current is combined with external heating.
The accompanying drawing represents, to. title (the example, different embodiments of the method forming the subject of the invention.
Fig. 1 is a schematic view of the position of the two conductors cut along straight sections and for which it is desired to solder.
Figs. 2 and 3 show, schematically, the effect of heating when one of the conductors is cut to a point.
Fig. 4 is a schematic view of one embodiment of the method.
Fig. 5 is a schematic view showing the two soldered conductors. Fig. 6 shows an embodiment of the process for end-welding two tubes, by autogenous welding and with a filler metal.
Fig. 7 is a schematic view showing the process used for the end welding of two plates, by autogenous welding and with filler metal.
Fig. 8 shows a variant of the welding process with external auxiliary heating.
Fig. 9 shows another position of metal elements to be welded.
If we first refer to. fig. 1, there is schematically shown two clamps 1 and 2 in which are clamped an aluminum conductor 3 and a copper conductor 4, these conductors being in contact with each other through the entire surface of their section. extreme right. It will easily be understood that, if a relatively reduced voltage current is passed through these conductors, it will not. occur on the inter-surface, between their ends, no particular heating capable of ensuring the hard weld.
In fig. 2, the end of the copper conductor 4 is cut to a point, as shown in 5, and the intersurface between these two conductors is then reduced at the point 6. If an electric current is passed through these conductors , we understand that the Joule effect will be localized at this point 6 and will cause the. fusion of the end of the aluminum conductor 3 and its expansion as shown in fig. 3, this phenomenon is accompanied, as indicated above, by a small explosion, together with the vaporization of the metal and the projection into the ambient air of fine particles of liquid metal.
In the case of the aluminum considered here, there is also an oxidation of the end part, all these phenomena cooperating to prevent obtaining a mechanically acceptable weld.
In fig. 4, we have arranged, before. to pass the current and around the end part of the conductors, a sleeve 8 which fits onto the end parts of the conductors, and in which the latter penetrate with gentle friction. It will be noted that a small pitch (the tin-based filler metal 9 which may be formed from a paste is interposed between the copper tip 5 and the aluminum conductor 3, a stripper being applied to it. the copper point 5 to fix the primary tin In the passage of the current, the fusion of this filler metal cooperates with the solder.
It is obvious that the application (the sleeve on the conductors does not need to be airtight, this tightness being obtained in any case by expansion of the air during the heating of the metal during the welding. The connection thus obtained between the two conductors 3 and 4 is shown schematically in Fig. 5, on which the contact tip, made of copper for example, is shown in dotted lines, the weld zone thus formed corresponding to a zone of interpenetration of the particles of the two metals We have shown here the copper conductor 4 clamped in a contact clamp 10. As indicated previously, the contact obtained on this copper conductor will be satisfactory, and the greatest part of the circuit may be formed from aluminum wires 3.
The sleeve 8 forming the protective enclosure allowing the welding to be carried out can be made of metal and remain on the welded part of the conductors, or else be, for example, of ceramic or other refractory material, which can be broken once the sou hard made to allow the separation of this sleeve. There will then simply remain two conductors welded at the end and assembled in a resistant manner. This sleeve can also be released by opening it along one of its generators, then pulling it from the welded conductors.
The voltage used in this operation will preferably be of the order of zero to three volts, (the way to obtain a simple melting of the metal, and in no case a vaporization of it, and the intensities of the current used for this welding may vary from 1 to several hundred amperes per millimeter: square depending on the nature of the metals.
In the case of tubes, the procedure is as shown in FIG. 6. We consider here two tubes 11 and 12 that need to be butt welded. The ends are then cut opposite these beveled tubes, as indicated in 13 and 1.4. An external sleeve 15 is applied to the outer face of the tubes, on either side of their intersurface, the bevelled portions 13 and 14 of the tubes lying approximately in the middle part of this sleeve. An internal sleeve 16 is then introduced inside the tubes 11 and 12, penetrating gently into these tubes, and which is integral with a rod 18 making it possible to bring this sleeve into a suitable position inside the sleeve 15. .
As shown in fig. 6, the length of the rod 18 will be designed to protrude from the end of one of the tubes, in order to allow control of the introduction and release of the sleeve 16.
A pellet 20 of tin-based filler metal was interposed between the ridges 13 and 14, of which. the fusion will take place at the same time as that of the ends of the tubes, and which will cooperate. their welding. This welding is then carried out in principle on the intersurface 19, between the edge 13 of the tube 11 and the filler metal pellet 20.
Schematically shown in FIG. 7 the. butt welding of plates 21 and 22 in copper and aluminum. In this case, we cut the edges of the plates to be welded in two buckets, as shown at 23 and 24, we insert a pellet. tin base and is applied, on both sides, strips 25 and 26 covering the ends of these plates. We do. then pass the current. by exerting on the plates 21 and 22 forces directed towards one another, to perform the weld as indicated above.
Following. a variant of the method described, heating is promoted in the vicinity of the intersurface between the ends of two conductors or metal elements to be welded by an external heater, for example in the manner shown in FIG. 8, To facilitate the soldering of an aluminum conductor 3 with a copper conductor 4 clamped in the clamps 1 and? and whose ends 27 and 28 are housed in a protective sleeve 8, with the interposition of a pellet 9 of a tin or tin alloy between the edge 28 of the aluminum conductor 3 and the tip 27 provided at the end of the copper conductor 4 to ensure the.
welding following a theoretical section 19, the sleeve 8 is heated by means of a flame 29 during the passage of the hard solder electric current, while exerting on the conductors 3 and 4 forces P1 and P2 directed towards each other. the other, one of these forces being able to be replaced by a fixed stop. It will easily be understood that the additional heat supplied by the flame 29 will activate the heating of the end parts of the conductors and, consequently, their melting and the formation of hard solder.
According to yet another variant, an electrical resistance 30 supplied with current by conductors 31 and 32 is placed around the sleeve 8, and the current is passed through this resistance at the same time as in the conductors 3 and 4 to obtain a additional heat facilitating the melting of metals and, consequently, their welding.
To facilitate the implementation of the described method, one can. use to butt weld conductors, bars, tubes or the like, sleeves prepared in advance. To perform a weld with filler metal, it is possible for example to firmly fix the tin-based pellet by compression in the sleeve at the desired distance from its base, and then cover all or part of the inside of said sleeve. and the tablet of a suitable stripper, in the form of a varnish for example. It is thus possible to have in advance a whole series of sleeves of different shapes and sizes depending on the welds to be made.
The sleeves used for this purpose and provided with stripping varnish may be of any suitable nature and for example made of brass, copper, iron, nickel, refractory material, etc. To use a sleeve 8 of this type, it is introduced into the latter, as shown on the fit ,. 9, one end of a conductor 4, to bring the end edge of the latter into contact with the pad 9, then the other element 3 to be welded on the other side of the sleeve, this element 3 being cut in point for example and penetrating into the part of the sleeve 8 covered by the stripping varnish 33.
It is then sufficient to pass the current through these metal elements by exerting on each element a pressure F, Fa directed towards the sleeve to ensure the weld. In all the embodiments of the process described, local melting is carried out. determine the formation of a ternary aluminum-tin-copper alloy with a higher melting point and greater toughness than the aluminum of one of the conductors.