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PROCEDE ET OUTIL POUR LE SOUDAGE PAR COMPRESSION A FROID.
La présente invention concerne le soudage par compression à froid et plus particulièrement, mais non exclusivement, le soudage de contacts élec- triques sur des supports métalliques en forme de lames. Bien qu'il soit question ici de "soudage par compression à froid", il est entendu que l'inven- tion n'est pas limitée au soudage à température ambiante. Rien n'empêche d' utiliser un peu de chaleur pour le soudage.
Suivant un aspect de l'invention, dans un procédé de soudage par compression à froid d'une pièce à une autre, toutes deux en un métal pouvant être soudé par compression à froid, on utilise un ou des outils de soudage agencés de façon à donner à l'une ou à l'autre pièce ou aux deux, une ou des formes désirées. Le soudage est donc accompagné d'un forgeage ou matriçage à froid.
L'invention peut être appliquée à la fabrication d'un contact électrique dont la capacité de transporter le courant, et spécialement celle de la liaison entre le contact et le porte-contact, est fortement aug- mentée par rapport à celle de contacts de fabrication antérieure, dont le joint entre le contact et le porte-contact est résistant au point de ne pouvoir ê- tre brisé ni endommagé même dans les plus mauvaises conditions de rupture Et darc, et dont la liaison entre le contact et le porte-contact est mécanique- ment plus robuste quon ne pouvait le concevoir jusqu'ici pour des contacts analogues.
L'invention procure un procédé de soudage par compression à froid pour la fabrication d'un contact électrique entièrement nouveau, ca- ractérisé en ce aucune pièce de contact en un métal conduisant convenablement le courant, tel que 1-'argent., est fixée par soudage par compression à froid sur un bras porte-contact en une matière de connexion appropriée telle que le cuivre, de manière à rendre inutile tout emploi de matières étrangères tel-
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les que liants, décapants, soudures, etc. entre le contact et le porte-con- tact.
On obtient ainsi un contact parfaitement conducteur entre la piè- ce de contact et le bras de contact, aucune matière étrangère ne venant aug- menter la résistance de ce contact.
De plus on évite ainsi le dôucissement ou l'affaiblissement de la matière, ce qui était souvent le cas avec des procédés de soudage ou de brasa- ge antérieurs.
En utilisant la compression à froid pour souder une pièce de contact au bras porte-contact, non seulement on façonne la pièce de contact mais on durcit ou raffermit les parties jointes du contact et bras du porte- contact, ce qui augmente la solidité du contact ainsi que sa capacité de sup- porter les impacts d'opérations répétées d'enclenchement et de déclenchement.
On peut aussi donner la forme et la solidité voulues au bras porte-contact, en le forgeant pendant l'opération de soudage.
En technique de commutation et de coupe-circuit, on sait qu'à la fermeture d'un circuit les contacts doivent se joindre avec rapidité et net- teté.
Il s'ensuit que le bras porte-contact est souvent soumis à des efforts importants; et si le bras porte--contact et la pièce de contact elle- même ont été déforcés lors d'opérations de soudure ordinaires, il faut en tenir compte dans la construction en augmentant la section transversale ou en prévoyant d'autres.renforcements.
De même, il est essentiel qu'à l'ouverture d'un coupe-circuit, tout retard mécanique dans l'extinction de l'arc soit réduit au minimum ab- solu, et c'est pourquoi les bras porte-contacts sont attirés en position ou- verte par des ressorts puissants qui exercent à leur tour une force -dynamique extrêmement élevée sur le bras porte-contact quand celui-ci atteint sa butée en position ouverte.
Pour résister à cet impact à l'ouverture, quand les contacts et porte-contacts ont été soudés par des procédés de soudage ordinaires qui ré- duisent la dureté du bras porte-contact, celui-ci doit avoir une section beaucoup plus forte ou être renforcé par'd'autres moyens.
L'importance du choc au contact auquel l'interrupteur doit ré- sister sera mieux saisie si l'on songe que beaucoup de grands coupe-cir- cuits sont agencés de façon que le courant tombe à zéro en 0,016 seconde; c'est-à-dire qu'en ce temps extrêmement court le dispositif de déclenche- ment du coupe-circuit doit dégager un loquet, le ressort doit ouvrir le contact par traction sur le bras et l'arc doit être éteint. Comme dans beaucoup de grands coupe-circuits, la force d'ouverture exercée par les res- sorts s'exprime en centaines de kilogrammes, on peut se rendre compte à quel choc le bras porte-contact doit résister.
L'invention a donc pour but de produire un nouveau contact dont la pièce de contact proprement dite est fixée directement sur le bras porte-contact, sans aucune matière étrangère entre les deux.
L'invention a encore pour but de réaliser cette fixation du contact au bras porte-contact de façon que la dureté de la pièce de contact et du bras porte-contact soit augmentée au moins aux endroits où ils sont fixés l'un à l'autre.
Ces buts et d'autres encore ressortiront clairement de la des- cription suivante et des dessins annexés, dans lesquels :
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La figure 1 est une coupe verticale montrant, à titre d'exemple, une manière de réaliser un contact par le procédé conforme à l'invention, la pièce de contact et le bras porte-contact étant représentés avant soudage.
La figure 2 est une vue en plan d'une pièce de contact et d'un bras porte-contact soudés au moyen de l'appareillage de la figure 1.
La figure 3 est une coupe transversale suivant la ligne 3-3 de la figure 2, vue dans le sens des flèches.
La figure 4 est une vue en bout, d'une des faces de soudage d'un des. outils représentés à la figure 1.
La figure 5 est une coupe verticale montrant un autre moyen de réaliser un contact conformément à l'invention, le contact et le bras porte-contact étant représentés après soudage.
La figure 6 est une vue en bout du contact représenté à la figure 5.
Comme le montrent les figures 1, 2, 3 et 4, le-bras porte-contact 10 peut être fabriqué en toute matière convenable conductrice de courant tel- le que du cuivre, pouvant se trouver sous forme d'un alliage approprié ou ê- tre renforcée dautre manière pour résister aux efforts que subissent les bras de contact. La matière sera évidemment assez ductile pour pouvoir être soudée par compression à froid.
La pièce de contact 11 est un disque plat en argent que l'on pose sur la face supérieure du porte-contact 10 après que celle-ci et la face in- férieure du disque, constituant les faces jointives, ont été nettoyées à fond de manière à assurer un joint métal sur métal sans interposition aucune de particules étrangères ou de pellicules d'oxyde. Cet nettoyage peut con- sister simplement en un raclage à la brosse précédé, s'il le faut, d'un dé- capage chimique.
On descend ensuite sur la pièce de contact 11 un outil ou poinçon 12 muni de trois dents de soudage 13. Comme la figure 4 le montre clairement, les dents de soudage 13 sont des segments courbes à surface plane séparés par des rainures 14 et formant dans la pièce de contact 11 des gorges 15 en for- me d'arc. Le bras porte-contact 10 repose sur une enclume dacier à surface plane 16.
L'outil 12 est pourvu d'un creux 17 en son centre à 1-'intérieur des dents de soudage 13 et quand le poingon 12 est abaissé sur le disque ou contact 11, au lieu de fluer radialement vers l'extérieur, le métal du disque est refoulé dans le creux 17, subissant ainsi un forgeage ou matriçage.
L'opération de soudage par compression à froid donne ainsi sa forme au con- tact et la face 18 du contact en argent touche ainsi réellement un autre contact,dans la pratique. L'outil 12 est abaissé jusqu'à ce qu'il touche la face supérieure du bras porte-contact 10 par sa face plane ou épaulement 19 et, comme la figure 3 le montre, la pièce de contact est ainsi rigidement soudée sur et dans le bras porte-contact 10.
En fait, les parties soudées se trouvent plus bas que les gorges 15, et jusqu'à un certain point, plus bas que la face centrale 18. Pour donner une idée des dimensions relatives des outillages et des pièces, il suffit simplement de dire que pour souder un disque en argent d'un diamètre d'un quart de pouce (6,35 mm) et d'une é- paisseur de 0,04 pouce (1 mm) à du cuivre d'une épaisseur de 0,032 pouce (0, 8 mm), le diamètre du poinçon 12 est de 5/8 pouce (16 mm), la largeur radia- le des dents ou segments de soudage 13 étant de 0,035 pouce (environ 0,8 mm) et leur hauteur mesurée à partir de l'épaulement 19 étant de 0,031 pouce (0, 75 mm).- Comme les figures le montrent, les côtés des dents 13 sont inclinés d'un angle de 20 environ.
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On obtient ainsi finalement comme résultat aucune pièce de contact 11 en argent ou en toute autre matière de contact appropriée soudable à froid., peut être fixée directement sur un bras porte-contact 10 sans que l'on doive introduire entre les deux aucune matière étran- gère,tandis que le joint est en même temps durci ou écroui grâce au procédé de soudage qui écrouit les matériaux. L'opération de soudage donne sa forme définitive à la pièce de contact et augmente le dureté de l'argent et du cuivre.
Les figures 5 et'6 montrent comment on peut donner par forgea- ge leurs formes définitives à la fois à la pièce de contact et au bras porte- contact pendant l'opération de soudage., en donnant ainsi au bras la forme et la résistance voulues.
Le bras porte-contact 20 est ici en cuivre coulé et porte au dos une faible nervure ainsi qu'un moyeu 21 à forer ultérieurement pour 1,'introduction d'un pivot. La pièce coulée est logée dans une enclume à surface plane 22 convenablement évidée et l'opération donne à la nervure 23 sa forme défini- tive. La pièce de contact 24 est soudée sur le bras 20 au moyen d'un poin- çon plat 25 ayant une face de soudage 26 du même genre que celle représen- tée aux figures précédentes.
Comme il a été dite les surfaces à souder doivent être convena- blement nettoyées de manière à assurer un joint direct métal sur métal qui permet d'augmenter la densité de courant mais aussi de réussir le soudage à froid.
Toute pellicule d'oxyde qui se serait forméeparce que l'on au- rait tardé à joindre la pièce de contact et le porte-contact par l'opération de soudage à froid.. alors que les surfaces métalliques sont déjà, nettoyées, sera généralement très faible si 1-'on ne tarde que pendant quelques heures et sera dispersée par le fluage entre les surfaces et le contact métal sur métal sera toujours réalisé.
Comme la pression appliquée provoque un fluage du métal jusqu'à ce que les grains des deux métaux se soient soudés les uns aux autres, le procédé de soudage doit permettre un fluage entièrement libre du métal latéralement à partir de l'endroit du soudage; ceci est obtenu dans le pro- cédé décrit ici et, de plus, une fois formé,, le contact est amélioré mécani- quement et électriquement.
Malgré la diminution d'épaisseur à l'endroit du soudage., le métal est écroui de façon à avoir une résistance environ double de.la résistance initiale.
Ainsi., en adaptant convenablement les dimensions des éléments à souder.. on obtiendra finalement un ensemble pièce de contact - bras porte- contact au moins aussi résistant mécaniquement que le bras porte-contact ini- tial avant le soudage.
Cette dernière caractéristique est en soi un perfectionnement par- ticulier par rapport aux contacts d'ancienne fabrication dont le bras en- tisr devait être retravaillé après soudage pour lui rendre sa résistance ini- tiale; il était en effet impossible de durcir ou renforcer celui-ci à l'en- droit de la soudure ou des efforts, comme le permet la présente invention,.
Le procédé de forgeage ou de matrigage décrit peut évidemment s'appliquer à d'autres pièces que des contacts électriques. Par exemple., il peut être appliqué à la décoration d'objets métalliques ou à la soudure de conducteurs flexibles en cuivre. Ainsi, dans un cas expérimental., on a soudé ensemble plusieurs minces bandes de cuivre en utilisant deux outils de soudage associés en forme de bagues maintenus en position par un noyau coulis- sant dans les outils et passant par des trous pratiqués dans les bandes de cuivre. Au soudage, le métal refluait autour du noyau de part et d'autre, et
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en filetant la surface extérieure du noyau, on a pu obtenir un trou tarau- dé dans les bandes soudées.
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Procédé pour souder par compression à froid une pièce à une autre,chaque pièce étant en un métal ou alliage pouvant être soudé par com- pression à froid, caractérisé en ce que le ou les outils de soudage sont agencés de façon à donner à l'une et/ou à l'autre pièce, la ou les formes voulues.
2.- Outil de soudage par compression à froid comportant au moins une surface de compression servant à la soudure par compression à froid d'une pièce en'métal ou alliage à une autre,et latéralement par rapport à la dite surface, une partie agencée de façon à donner la forme voulue à la matière de la pièce qui a été déplacée par l'opération de soudure.
3.- Outil de soudage par compression à froid suivant la reven- dication 2 et servant à former une saillie sur la pièce comprimée par l'outil, comprenant une surface pratiquement plane, plusieurs dents de compression en forme de segments concentriques, espacées angulairement et faisant saillie sur la dite surface, et au centre, entre les dents, un creux servant à donner la forme voulue à la saillie précitée.
4.- Procédé pour souder par compression à froid une pièce à une autre,chaque pièce étant en un métal ou alliage pouvant être soudé par com- pression à froid, caractérisé en ce qu'on place les pièces sur une enclume avec les surfaces à joindre mises en contact et on applique sur les pièces à souder, dans la direction de l'enclume, une pression exercée par un poin- gon pourvu de plusieurs dents de soudage par compression en forme d'étroits segments concentriques espacés angulairement, pour provoquer une réduction partielle de l'épaisseur des pièces en-dessous des dents de compression et souder ainsi les pièces ensemble tout en refoulant le métal déplacé radiale- ment vers l'intérieur dans une direction généralement parallèle à la ligne de la pression appliquée et en lui donnant la forme voulue.
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METHOD AND TOOL FOR COLD COMPRESSION WELDING.
The present invention relates to cold compression welding and more particularly, but not exclusively, to the welding of electrical contacts to metal supports in the form of blades. Although referred to herein as "cold compression welding", it will be understood that the invention is not limited to welding at room temperature. There is nothing to prevent a little heat from being used for welding.
According to one aspect of the invention, in a method of cold compression welding from one part to another, both of a metal capable of being welded by cold compression, one or more welding tools are used, arranged so as to give one or the other piece or both, one or more desired shapes. Welding is therefore accompanied by forging or cold stamping.
The invention can be applied to the manufacture of an electrical contact whose capacity to carry current, and especially that of the connection between the contact and the contact carrier, is greatly increased compared to that of manufacturing contacts. front, of which the seal between the contact and the contact carrier is resistant to the point of not being able to be broken or damaged even in the worst breaking and arc conditions, and of which the connection between the contact and the contact carrier is mechanically more robust than previously conceivable for similar contacts.
The invention provides a cold compression welding process for the manufacture of an entirely new electrical contact, characterized in that no contact part of a suitable current conducting metal, such as silver, is attached. by cold compression welding to a contact carrier arm of a suitable connecting material such as copper, so as to eliminate the need for any foreign material such as
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as binders, strippers, welds, etc. between the contact and the contact carrier.
A perfectly conductive contact is thus obtained between the contact piece and the contact arm, no foreign matter increasing the resistance of this contact.
In addition, this prevents the hardening or weakening of the material, which was often the case with previous welding or brazing processes.
By using cold compression to weld a contact piece to the contact holder arm, not only is the contact piece shaped but also hardened or firmed the joint parts of the contact and contact holder arm, increasing the strength of the contact. as well as its ability to withstand the impacts of repeated engagement and release operations.
It is also possible to give the desired shape and strength to the contact support arm, by forging it during the welding operation.
In switching and circuit breaker technology, we know that when a circuit is closed, the contacts must join together quickly and neatly.
It follows that the contact carrier arm is often subjected to significant forces; and if the contact carrier arm and the contact piece itself have been strained during ordinary welding operations, this should be taken into account in the construction by increasing the cross section or providing other reinforcements.
Likewise, it is essential that upon opening a circuit breaker any mechanical delay in extinguishing the arc is reduced to the absolute minimum, and this is why the contact-carrying arms are attracted to in the open position by powerful springs which in turn exert an extremely high dynamic force on the contact support arm when the latter reaches its stop in the open position.
To resist this impact on opening, when the contacts and contact carriers have been welded by ordinary welding processes which reduce the hardness of the contact carrier arm, the latter must have a much larger section or be reinforced by other means.
The magnitude of the contact shock to which the switch must resist will be better understood if one considers that many large circuit breakers are arranged so that the current drops to zero in 0.016 seconds; that is, in this extremely short time, the circuit breaker release device must release a latch, the spring must open the contact by pulling on the arm and the arc must be extinguished. As in many large circuit breakers, the opening force exerted by the springs is expressed in hundreds of kilograms, you can see what impact the contact support arm must withstand.
The object of the invention is therefore to produce a new contact, the actual contact piece of which is fixed directly to the contact-carrying arm, without any foreign material between the two.
Another object of the invention is to achieve this fixing of the contact to the contact-carrying arm so that the hardness of the contact part and of the contact-carrying arm is increased at least at the places where they are fixed one to the other. other.
These and other objects will become clear from the following description and the accompanying drawings, in which:
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FIG. 1 is a vertical section showing, by way of example, one way of making a contact by the method according to the invention, the contact piece and the contact-carrying arm being shown before welding.
Figure 2 is a plan view of a contact piece and a contact carrier arm welded by means of the apparatus of Figure 1.
Figure 3 is a cross section taken on line 3-3 of Figure 2, viewed in the direction of the arrows.
FIG. 4 is an end view of one of the welding faces of one of the. tools shown in figure 1.
FIG. 5 is a vertical section showing another means of making a contact according to the invention, the contact and the contact holder arm being shown after welding.
Figure 6 is an end view of the contact shown in Figure 5.
As shown in Figures 1, 2, 3 and 4, the contact support arm 10 may be made of any suitable current-conducting material such as copper, which may be in the form of a suitable alloy or. be reinforced in another way to withstand the forces to which the contact arms are subjected. The material will obviously be ductile enough to be able to be welded by cold compression.
The contact piece 11 is a flat silver disc which is placed on the upper face of the contact holder 10 after the latter and the lower face of the disc, constituting the adjoining faces, have been thoroughly cleaned. so as to ensure a metal-to-metal seal without the interposition of any foreign particles or oxide films. This cleaning may consist simply of scraping with a brush preceded, if necessary, by chemical stripping.
A tool or punch 12 provided with three welding teeth 13 is then lowered onto the contact piece 11. As FIG. 4 clearly shows, the welding teeth 13 are curved segments with a flat surface separated by grooves 14 and forming in the contact piece 11 of the grooves 15 in the form of an arc. The contact support arm 10 rests on a steel anvil with a flat surface 16.
The tool 12 is provided with a recess 17 at its center within the welding teeth 13 and when the punch 12 is lowered onto the disc or contact 11, instead of flowing radially outwards, the metal of the disc is forced into the hollow 17, thus undergoing forging or stamping.
The cold compression welding operation thus shapes the contact and the face 18 of the silver contact thus actually touches another contact, in practice. The tool 12 is lowered until it touches the upper face of the contact carrier arm 10 by its flat face or shoulder 19 and, as Figure 3 shows, the contact piece is thus rigidly welded to and in the contact support arm 10.
In fact, the welded parts are found lower than the grooves 15, and to a certain point, lower than the central face 18. To give an idea of the relative dimensions of the tools and the parts, it suffices simply to say that for soldering a silver disc one quarter inch (6.35 mm) in diameter and 0.04 inch (1 mm) thick to 0.032 inch (0 mm) thick copper , 8 mm), the diameter of the punch 12 is 5/8 inch (16 mm), the radial width of the teeth or welding segments 13 being 0.035 inch (about 0.8 mm) and their height measured from of shoulder 19 being 0.031 inch (0.75 mm). As the figures show, the sides of teeth 13 are inclined at an angle of approximately 20.
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In this way, finally, as a result, no contact piece 11 of silver or any other suitable cold-weldable contact material is obtained, which can be attached directly to a contact support arm 10 without having to introduce any extraneous material between the two. - manages, while the joint is at the same time hardened or work hardened thanks to the welding process which work hardens the materials. The welding operation gives its final shape to the contact piece and increases the hardness of silver and copper.
Figures 5 and 6 show how both the contact piece and the contact support arm can be forged to their final shapes during the welding operation, thereby giving the arm shape and strength. wanted.
The contact carrier arm 20 is here made of cast copper and carries a small rib on the back as well as a hub 21 to be drilled subsequently for 1, the introduction of a pivot. The casting is housed in a suitably recessed planar surface anvil 22 and the operation gives the rib 23 its final shape. The contact piece 24 is welded to the arm 20 by means of a flat punch 25 having a welding face 26 of the same type as that shown in the preceding figures.
As has been said, the surfaces to be welded must be suitably cleaned so as to ensure a direct metal-to-metal seal which makes it possible to increase the current density but also to ensure successful cold welding.
Any oxide film which has formed due to the delay in joining the contact piece and the contact holder by the cold welding operation .. when the metal surfaces are already cleaned, will generally be very low if 1-'on is only delayed for a few hours and will be dispersed by creep between the surfaces and metal-to-metal contact will still be achieved.
Since the applied pressure causes the metal to flow until the grains of the two metals have welded to each other, the welding process must allow completely free flow of the metal laterally from the place of welding; this is achieved in the process described herein and, moreover, once formed, the contact is improved mechanically and electrically.
Despite the reduction in thickness at the place of welding, the metal is work hardened so as to have a resistance approximately twice the initial resistance.
Thus, by suitably adapting the dimensions of the elements to be welded, one will finally obtain a contact piece - contact support arm assembly at least as mechanically strong as the initial contact support arm before welding.
This last characteristic is in itself a particular improvement compared to contacts of old manufacture, the main arm of which had to be reworked after welding to restore its initial strength; it was in fact impossible to harden or reinforce it at the place of the weld or the forces, as the present invention allows.
The forging or stamping process described can obviously be applied to parts other than electrical contacts. For example, it can be applied to the decoration of metal objects or to the soldering of flexible copper conductors. Thus, in an experimental case, several thin copper strips were welded together using two associated ring-shaped soldering tools held in position by a core sliding in the tools and passing through holes in the strips of copper. copper. During welding, the metal flowed back around the core on either side, and
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by threading the outer surface of the core, it was possible to obtain a threaded hole in the welded strips.
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A method of cold compression welding one part to another, each part being of a metal or alloy capable of being cold compression welded, characterized in that the welding tool (s) are arranged so as to give the welding tool (s). one and / or the other part, the desired shape (s).
2.- Cold compression welding tool comprising at least one compression surface serving for cold compression welding of a piece of metal or alloy to another, and laterally with respect to said surface, a part arranged so as to give the desired shape to the material of the part which has been moved by the welding operation.
3.- Cold compression welding tool according to claim 2 and serving to form a projection on the part compressed by the tool, comprising a substantially planar surface, several compression teeth in the form of concentric segments, angularly spaced apart and projecting on said surface, and in the center, between the teeth, a hollow serving to give the desired shape to the aforementioned projection.
4.- Method for cold compression welding one part to another, each part being in a metal or alloy which can be welded by cold compression, characterized in that the parts are placed on an anvil with the surfaces to be the parts to be welded, in the direction of the anvil, a pressure exerted by a punch provided with several compression welding teeth in the form of narrow concentric segments spaced apart angularly, to cause a partial reduction of the thickness of the parts below the compression teeth and thus weld the parts together while forcing the displaced metal radially inward in a direction generally parallel to the line of applied pressure and giving it the desired shape.