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Procédé de placage par explosion et produit obtenu.
La présente invention concerne un nouveau procéda de placage des métaux. Plus précisément, l'invention concerne un pro- cédé pour plaquer des surfaces métalliques et en particulier pour plaquer sur une surface métallique une ou plusieurs couches du même métal ou d'un autre métal, ainsi que de nouveaux articles ouvrés ob- tenus par ce procédé.
L'utilisation de métaux plaqués ou composites comme matériaux de construction est devenue courante ces dernières années.
Ces métaux plaqués comprennent un métal de base, habituellement peu coûteux, sur la surface duquel est plaquée une couche d'un second métal qui possède certaines propriétés souhaitables, par exemple, une résistance à la corrosion ou à l'oxydation élevée, que ne possède pas le métal de base. Dans la plupart des cas, le métal de placage
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est beaucoup plus coûteux que le métal de base auquel il est appliqué. On peut ainsi réaliser des économies considérables en utilisant une couche mince plutôt qu'une couche épaisse du métal coûteux. Naturellement, l'économie augmente lortement lorsqu'on utilise des métaux plaqués dans la construction de grandes pié- ces d'équipement telles que des canalisations, des réservoirs de stockage et des cuves de traitement pour de grosses usines chimiques.
Une seconde particularité avantageuse résultant de l'u- allisation de métaux plaqués réside dans le fait que le 'létal qui possède la résistance à la corrosion désirée ou une autre proprié- té quelconque n'a pas la résistance à la traction, les proprié- tés thermiques ou la résistance à la compression nécessaire pour permettre de l'utiliser dans des applications où il est soumis à certaines contraintes. Ainsi, outre les économies réalisées lorsqu'on utilise le métal moins coûteux, la résistance et la ri- gidité structurelles que ce métal peut conférer à la stière com- posite représentent un facteur important et précieux dans des articles composites.
Outre les utilisations mentionnées plus haut pour les métaux plaqués ou composites, l'invention s'applique de façon spécifique entre autres, aux installations à rayons X, aux réci- pients de cuisson et aux garnitures décoratives pour automobiles et bâtiments. par exemple, dans beaucoup de cas, il est souhaita- ble de protéger des métaux tels que du molybdène, du tungstène, et leurs alliages, qui sont surtout utilisés pour des applications à haute température, par une couche d'une matière résistante à l'oxydation telle que le "Nichrome".
Un grand nombre de procédés existent pour plaquer d'un métal un autre métal de manière à former un article composite à couches multiples, cependant, chacun de ces procédés présente certains inconvénients qui les rendent désavantageux ou tout a fait inadéquats dans certains cas.
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Le procédé industriel le plus ancien pour appliquer une coucne d'un métal à un autre métal est celui habituellement dénoté "trempage à chaud", ou lorsqu'il s'agit de revêtements de zinc, "galvanisation". Ce procédé consiste essentiellement à immerger l'article à revêtir dans un bain de métal fondu pendant un court laps de temps. Pour obtenir un revêtement satisfaisant, il faut que les deux métaux s'allient au moins dans une certaine mesure.
Les inconvénients du procédé de trempage à chaud sont: (1) il est difficile de régler avec précision l'épaisseur de la canche extérieure ou sa répartition sur la surface ; et(2) cer- tains métaux ne s'allient pas aux autres, ou bien forment des phases cassantes nuisibles, ce qui rend impossible en pratique l'ob tention d'une couche continue avec des combinaisons -le ces métaux.
Par suite des difficultés associées à la manutention de grandes quantités de métaux fondus à point de fusion élevé, par exemple, du cuivre, du nickel, du tungstène et du cobalt, et de la possi- bilité de produire des changements thermiques indésirables dans le métal de base, le procédé de trempage à chaud a été sérieuse- ment limité aux métaux à point de fusion relativement bas.
Un autre procédé connu pour appliquer une couche d'un métal sur un autre est la galvanoplastie. Dans ce procédé, l'arti- cle à plaquer, après avoir été soigneusement nettoyé, est immergé dans une solution d'un composé du métal de placage, et on fait en- suite passer un cournnt électrique dans le solution, l'objet à pla- quer servant de cathode. En galvanoplastie, on peut obtenir des couches adhérentes dont l'épaisseur se règle facilement, et la couche déposée est généralement de haute puret4. Cependant, ce procédé est lent et coûteux, et de plus la porosité de la couche déposée et les problèmes posés par sa fragilité due à l'hydrogène produit imposent de sévères limitations à l'emploi de revêtements déposés par électrolyse pour un grand nombre d'applications.
De plus, le procédé ne se prête pas aisément au dépôt de revêtements d'alliages.
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Le dépôt par vaporisation est un troisième procédé pour appliquer une couche d'un métal sur un autre, mais cette technique n'a trouvé que des applications limitées par suite des processus spéciaux coûteux et de la précision des commandes requis. Les re- vêtements produits par ce procédé sont genéralement adhérents, souples et ont un degré de pureté élevé. Certains éléments tels que le silicium, le tellure, et le sélénium, qui sont difficiles à déposer par d'autres procédés, peuvent être déposés par vaporisa- tion.
Un quatrième procédé plus ccurant pour souder 'un métal par placage à un autre métal consiste à laminer directement un mé- tal sur un autre métal à chaud et sous pression. Quoique différen- tes variantes de cette technique de placage par laminage soient utilisées industriellement pour fabriquer des tôles, fils, feuil- ! lards et articles analogues plaqués, elles offrent toutes certains défauts sérieux. En premier lieu, le procédé est limité aux mé- taux susceptibles de former un placage efficace sous les condi- tions appropriées. En effet, il existe certaines combinaions de métaux, par exemple, du tungstène et du niobium, pour lesquelles aucun des procédés de placage connus actuellement n'est efficace.
En second lieu, sous les conditions de température extrêmes requi- ses pour réaliser un laminage à chaud efficace, des composés inter- métalliques cassants hautement indésirables sont souvent formés ou d'autres effets indésirables tels qu'une adsorption d'agents fra- gilisants provenant de l'atmosphère environnante se produisent sou- vent. De plus, le laminage direct a encore l'inconvénient de néces- siter des techniques coûteuses et difficiles, telles que la soudure dans un milieu étanche aux gaz, des atmosphères inertes ou le vi- de, et une installation de laminage compliquée.
Cela étant, la présente invention a notamment pour buts de procurer : un procédé pour souder des surfaces métalliques par placage ;
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un dispositif permettant de souder par placage deux ou plusieurs métaux du alliages de métaux quelconques de manière à former un article composite à couches multiples ; des articles métalliques plaqués dans lesquels le placage soit imperméable, uniforme et adhérent, par un procédé avantageux et économique; des articles plaqués de métaux qui jusqu'à présent ne pouvaient pas être efficacement soudés par placage l'un à l'autre-
D'autres buts ressortiront de la description de l'inven- tion donnée ci-après.
On a découvert que l'on atteint les buts précités en supportant une couche de métal de placage parallèlement à une face d'un métal à plaquer, la face intérieure du nétal de placage étant espacée de la face du métal à plaquer; on place sur la face exté- rieure du métal de placage une couche d'explosifs détonant, ayant une vitesse de détonation iniérieure à 120% de la vitesse du son dans le métal du futur article composite qui possède la vitesse sonique la plus élevée, et on allume ensuite la couche explosive.
Habituellement, il est souhaitable d'utiliser un explosif ayant une vitesse de détonation non supérieure à la vitesse du son dans le métal possédant la plus grande vitesse sonique, ce qui repré- sente la forme d'exécution préférée de l'invention. Les couches métalliques doivent être séparées l'une de l'autre d'une distance au moins suffisante pour permettre à la couche propulsée par l'ex- plosion d'atteindre une vitesse adéquate avant de irapper la cou- che immobile. Un intervalle de 0,001 pouce (0,025 mm) entre les faces des deux couches tournées l'une vers l'autre représente la distance minimum que l'on a trouvé adéquate. La distance maximum admissible dépend entièrement du freinage de la couche propulsée par l'air situé entre les couches.
En augmentant la charge explo- sive ou en faisant le vide dans l'intervalle séparant les deux couches, on peut utiliser des distances supérieures à 0,001 pouce - (0,025 mm). En général, cependant, une distance supérieure à 0,5 j
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pouce (1,27 cm) n'est ni avantageuse ni nécessaire.
Pour mieux comprendre la présente invention on seré- férera aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig. 1 est une coupe d'un sandwich qui peut être utilisé pour mettre en pratique la présente invention ; la F'ig. 2 est une microphotographie (grossissement de 450) d'un article bimétallique obtenu suivant la présente invention; la Fig. 3 est une vue schématique du phénomène que l'on croit se produire au cours du procédé de la présente invention ; la Fig. 4 représente un sandwich typique pour la fabri- cation d'articles à couches multiples.
Sur la Fig. 1, la couche de métal à plaquer est indi- quée en 1. La couche 1 est noyée dans un milieu de support 5 en un ciment de plâtre dur. La couche de placage 2 est supportée ou- dessus de la couche de base 1 par des petites gaufrures 4 ména- gées dans la surface du placage 2. On obtient ainsi l'intervalle requis entre les deux couches, indiqué par 6. Une couche d'un ex- plosif détonant 3 est placée au-dessus du placage 2 et est conti- guë à celui-ci, et un allunen 7 comportant des conducteurs 8 est attaché à un bord de la couche explosive.
Dans la microphotographie de la Fig. 2, A indique une couche de base en molybdène, B un placage en acier à basse teneur en carbone, et F la zone de soudure composée de matière des couches A et B.
Sur la Fig. 3, A représente la couche métallique de base, B le placage métallique, D la couche d'explosif avant déto- nation, D' les gaz produits par la détonation de la couche D, E un courant liquide aigu de matière composé de la couche A et de la couche B qui vient frapper la face inférieure de la couche B juste devant le point d'impact C, et F la matière immobilisée entre les couches A et B qui soude ces deux couches l'une à l'autre.
La Fig. 4 représente un sandwich servant à fabriquer des articles comportant plus de deux couches. La couche métalli-
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que 10 qui doit être plaquée des feuilles de métal 11 et 12 repose sur un support en contre-plaqué 13. Les couches métalliques 10, 11 et 12 sont séparées par un intervalle établi par de minuscules particules métalliques 14. Une couche de ruban en mousse de poly- styrène ou en une autre matière inerte 15 recouvre la face supé- rieure de la couche 12 afin de la protéger des effets directs de la couche explosive 16. L'explosif est allumé par l'allumeur 17 attaché à un de ses coins et comportant des conducteurs 18.
La couche explosive 16 peut s'étendre légèrement au delà du placage supérieur de manière à procurer une partie commode pour fixer l'allumeur et pour assurer que le front de la dé 'onation ait at- teint une vitesse maximum en arrivant au bord du placage.
Les exemples suivants représentent certaines des nom- breuses combinaisons de métaux qui peuvent être soudés par pla- cage par le procédé de la présente invention. Ils ne sont donnés qu'à titre d'exemple uniquement et ne limitent l'invention en aucune façon. On peut obtenir n'importe quel article métallique composite désiré en règlent convenablement les différents condi- tions nécessaires.
EXEMPLE 1.-
L'explosif utilisé dans cet exemple est une feuille mince et uniforme d'une composition explosive souple comprenant 20% de tétranitrate de pentaérythritol très fin (PETN), 70% de minium et, comme liant, 10% d'un mélange 50. 50 de caoutchouc de butyle et d'une résine terpène thermoplastique ± mélange de poly-
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mères de !3-plnène de iormule (CloH6)n ¯7, vendue dans le commerce sous le nom de "Piccolyte" S-10 (fabriquée par la Société Pennsylvania Industrial Chemical Corporation). La composition est aisément laminée en feuilles et détone à une vitesse d'environ 4100 mètres par seconde.
On pose une plaque d'acier doux; de 6 sur 9 pouces (15 sur 23 cm) et de 0,5 pouce (1,27 cm) d'épaisseur, sur une pla- que de contre-plaqué. Un place et on aligne une plaque d'acier
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inoxydable de 6 sur 9 pouces (15 sur 23 cm) et de 0,125 pouce d'épaisseur (3,2mm) au-dessus de la plaque d'acier doux, les deux plaques étant espacées l'une de l'autre de 0,125 pouce (3,2 mm) par des organes d'espacement rectangulaires en acier montés à chaque coin. On recouvre la face extérieure de cette plaque d'une couche de ruban de masquage qui protège la surface iinale de toute détérioration. On place une couche de dimensions équivalen- tes de l'explosif décrit plus haut ayant un poids par unité de surface de 15 g par pouce carré (6,45 cm) sur la couche de ruban de masquage.
On attache un générateur d'ondes linéaires industriel tel que décrit dans le brevet américain n 2. 943.571 du 5 juillet 1960 d'un c8té de la couche explosive rectangulaire et on excite ensuite le générateur. Après détonation de l'explosif, on constate que l'acier doux et l'acier inoxydable sont fermement et unifor- mément soudés l'un à Vautre et forment un article composite. Un examen microscopique, révèle une soudure excellente. Des essais réalisés suivant le procédé ASTM prescrit n A263-44T sur l'arti- cle composite pour déterminer la résistance au cisaillement de la soudure donnent une résistance au cisaillement moyenne de 73.500 livres/pouce carré (5.166 Kg/cm2).
La résistance au cisaillement minimum prescrite par les normes ASTM pour ce type de placage est de 20. 000 livres/pouce carré (1406 Kg/cm2) et les placages réali- sés par des moyens classiques présentent habituellement une résis- tance au cisaillement comprise entre 30.000 et 35.000 livres/pouce carré (2.108 à 2. 460 kg/cm2). L'article composite peut être plié à 1800 autour d'un mandrin de diamètre égal à l'épaisseur de l'ar- ticle sans se briser.
EXEMPLE 2.-
On place une plaque d'acier doux de 24 sur 24 sur 0,75 pouce (61 sur 61 sue 1,9 cm) sur un bloc de support en contre- plaqué. On recouvre une face d'une feuille d'acier inoxydable du type 304 de 24 sur 24 sur 0,0313 pouce (61 sur 61 sur 0,0795 cm) de ruban da masquage et on la place, côté masqué vers le haut, sur
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la plaque d'acier doux de façon qu'elle en soit espacée d'une distance de 0,0059 pouce (0,15 mm) par quelques particules de pou- dre de fer éparpillées qui ont été criblées de manière à traver- ser un crible n 100 mesh et a être retenues sur un crible n 200 mesh. On recouvre ensuite la surface du ruban complètement de grains de TNT à raison de 5,2 g par pouce carré (6,45 cm2) et à une densité de 0,8 g par cm3.
On allume l'explosif à l'aide d'un détonateur électrique n 6 fixé à un des coins de la couche ex- plosive. La couche de TNT en grains détone à une vitesse d'envi- ron 4. 200 mètres par seconde. Après détonation de la couche explo- sive, l'article composite d'acier doux plaqué d'acier inoxydable de 24 sur 24 pouces (61 sur 61 cm) résultante présente des proprié. tés métallurgiques comparaDles à celles de l'échantillon préparé dans l'exemple 1.
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E.JU!;!.1PLg "1.-
On applique une couche de nickel de 0,25 pouce d'épais- seur (6,35 mm) sur une plaque d'acier doux de 1 pouce d'épaisseur (2,54 cm) de la façon suivante. On place une plaque d'acier doux de 6 sur 9 pouces (15 sur 23 cm) sur un bloc de support en contre- plaqué. On place des particules de poudre de fer criblées comme dans l'exemple 2 à certains intervalles sur La face supérieure de la plaque d'acier doux de.manière à établir un intervalle de 0,0059 pouce (0,15 mm). On recouvre une face du placage en nickel d'une couche de protection de ruban de masquage de manière à pro- téger le nickel contre toute déformation mineure au marquage de sa surface par la force explosive.
On recouvre à son tour la couche de ruban d'une couche de la composition explosive décrite dans l'exemple 1, ayant un poids par unité de surface de 30 g par pouce carré (6,45 cm2), et on place le sandwich comprenant le nickel, le ruban et la couche explosive sur la plaque d'acier en les alignant correctement, le coté nickel tourné vers le bas. On attache un allumeur électrique n 6 à un coin de la couche explo- sive et on fait détour l'explosif. On obtient un article composite
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d'acier doux et de nickel dont les deux couches métalliques adhè- rent parfaitement l'une à l'autre.
EXEMPLE 4.-
On utilise la technique et la composition explosive de l'exemple 3 pour préparer un article composite d'acier inoxy- dable du type 304 plaqué de molybdène. L'épaisseur de la couche de molybdène est de U,040 pouce (1 mm) et celle de l'acier inoxy- dable de 0,0625 pouce (1,58 mm). Le poids par unité de surface de la couche explosive utilisée est de 15 g par pouce carré (6,45 cm2) et l'intervalle prévu est de 0,0059 pouce (0,15 mm). un obtient un excellent plaqué.
EXEMPLE 5. -
On plaque une couche de cuivre de 0,0625 pouce (1,58mm) sur une plaque d'acier doux de 0,5 pouce d'épaisseur (1,27 cm) de la façon suivante. On recouvre une face de la feuille de cuivre dont les dimensions sont de 3 sur 6 pouces (7,6 sur 15,2 cm) d'une couche de mousse de polystyrène de 1 pouce d'épaisseur (2,5 cm) et on recouvre la couche de polystyrène d'une couche de la composi- tion explosive de l'exemple 1 à raison de lu g par pouce carré (6,45 cm2). On scelle les bords au sandwich cuivre-polystyrène explosif de façon étanche à l'aide de ruban imperméable à l'eau, et on place le sandwich sur la plaque d'acier doux, la couche de cuivre étant espacée de 0,0138 pouce (0,35 mm) de la couche d'acier par des particules uniformes de poudre de fer.
Les particules de fer ont été criblées de façon à traverser un crible n 45 mesh et à être retenues sur un crible n 100 mesh. On scelle également les bords du sandwich achevé de façon étanche à l'aide de ruban, et on attache un allumeur électrique à un coin de la couche explosive.
On immerge ensuite le sandwich dans de l'eau et on allume l'explo- sif. On obtient une excellente adhérence du cuivre sur la plaque d'acier.
EXEMPLE 6. - On utilise le processus de l'exemple 5 pour plaquer du titane
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sur du cuivre. Les dimensions des feuilles sont de 3 pouces (7,6 cm) sur b pouces (15,2 cm); la couche de titane a une pais- seur de Douce (1,27 mm) et la couche ae cuivre a une épais- seur de 0,0625 pouce (1,58 mm). L'intervalle qui dans ce cas est fixé par des particules ne poudre ae titane criblées est de 0,0138 pouce (0,3( mm) et le poids de l'explosif est de 10 g par pouce carré (6,45 cm2). Après détonation de l'explosif, les feuilles de titane et de cuivre adhèrent fermement et uniformément l'une à l'autre.
EXEMPLE 7. -
On plaque une couche de titane de 0,050 pouce (1,27 sur une plaque d'acier doux de 0,5 pouce (1,27 cm) par le processus décrit dans l'exemple 5. Les dimensions des couches sont de 3 pouces (7,6 cm) sur 6 pouces (15,2 cm), le poids de @ l'explosif est de 15 g par pouce carré (6,45 cm2), et 1'intervalle est de 0,0017 pouce (0,04 mm) et est réalise par des particules uniformes de poudre de fer (traversant un crible n 325 '.iesh).
Le @ plaque obtenu est solide et uniforme.
EXEMPLE 8. -
On utilise à nouveau le processus de l'exemple 5 pour appliquer une tôle d'aluminium de 0,125 pouce (3,17 mm) sur une plaque de 0,5 pouce (1,27 cm) d'acier doux. La tôle et la plaque ont chacune 3 pouces, (7,6 cm) sur 6 pouces (15,2 cm), la réparti- tion de la couche explosive est de 15 g par pouce carré (6,35 cm2), et l'intervalle est de 0,0059 pouce (0,15 mm). Après la détonation de l'explosif, la couche d'aluminium est solidement sondée à l'acier' doux.
EXEMPLE 9. -
On plaque une feuille de 0,010 pouce (0,25 mm) de tantale sur une plaque d'acier doux de 4 sur 5 sur 0,5 pouce (10 x 12,5 x 1,27 cm) par le processus de l'exemple 5. Les condi- tions sont: 0,0059 pouce (0,15 mm) d'intervalle; 10 g par pouce carré (6,43 cm2) d'explosif. On obtient un excellent métal plaqué.
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EXEMPLE 10,-
On utilise le processus de l'exemple 5 pour préparer un article composite de 6 sur 9 pouces (15 sur 23 cm) composé
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d'une feuille de "Hastauoy Cn de 0,0625 pouce d'épaisseur (1,5g) plaquée sur une plaque d'acier doux de 0,5 pouce (1,27 cm). La feuille explosive est une version légèrement modifiée de la compo- sition de l'exemple 1 et présente un poids par unité de surface de 15 g par pouce carré (6,45 cm2); elle contient 72% de minium; 8% de liant et 20% de PETN et détone à une vitesse d'environ 4000 mètres par seconde. L'intervalle prévu entre le "Hastalloy C" et l'acier doux est de 0,0138 pouce (0,35 mm) et l'allumage de la feuille de la couche explosive est réalisé, dans ce cas, par un générateur d'ondes linéaires.
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EXEMPLE 11.-
On fabrique un article composite de 3 sur 6 pouces (7,6 sur 15,2 cm) du tantale plaqué sur cuivre en utilisant la technique de l'exemple 5. L'épaisseur de la couche de tantale est de 0,01 pouce (0,25 mm) et l'épaisseur de la couche de cuivre est de 0,0625 pouce (1,58 mm). Le poids de l'explosif est de 10 g par pouce carré (6,45 cm2) et l'intervalle prévu est de 0,059 pouce (0,15 mm).
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On plaque une feuille d'acier inoxydable de 48 sur 96 pouces (1,22 sur 2,44 m) sur de l'acier doux en utilisant la tech- nique de l'exemple 5. La composition explosive est celle utilisée dans l'exemple 10 et cet explosif est reparti à raison de 12,5 g par pouce carré (6,45 cm2). On utilise un intervalle de 0,0138 pouce (0,35 mm). Le placage a une épaisseur de 0,0313 pouce (0,795 mm) et la couche de base a une épaisseur de 0,75 pouce 19mm).
EXEMPLE 13.-
On utilise une composition explosive contenant 35; de PETN, 50% de minium, et 15% du liant de l'exemple 1 comprenant du caoutchouc de butyle et une résine terpène. Cette composition
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se laisse également aisément laminer en feuilles flexibles et a une vitesse de détonation d'environ 5.000 mètres par seconde. On noie une plaque d'acier doux de 10 sur 10 sur 0,050 pouce (25,4 sur 25,4 sur 0,127 cm) dans un bloc de ciment de plâtre dur.
Sur cette plaque, on aligne une plaque de magnésium de 10 sur 10 sur 0,050 pouce (25,4 sur 25,4 sur 0,127 cm); la plaque de magnésium comportant plusieurs rides superficielles uniformes qui servent à la supporter à une distance de 0,020 pouce (0,5 mm) au-dessus de la plaque d'acier. On place une couche de mêmes dimensions de l'ex- plosif mentionné plus haut contenant une charge explosive de 3 g/ pouce carré (6,45 cm2) sur la face supérieure de la plaque de ma- gnésium, et on attache un allumeur électrique industriel n 6 à un bord de cette couche explosive que l'on allume ensuite.
L'examen de la plaque composite obtenue, montre que les deux cou- ches sont fermement et uniformément soudées l'une à l'autre. Un ex?men microscopique ne révèle aucune fissure ou défaut dans la soudure, et des efforts visant à séparer les deux couches mécani- quement sont vains.
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EXt.l1PLF; 14. -
On utilise le processus, l'explosif et la quantité d'explosif décrits dans l'exemple 13 pour appliquer une couche de titane ae 0,uu3 pouce (0,076 mm) sur une feuille d'aluminium de 0,050 pouce (1,27 mm). Les dimensions des couches sont de 10 sur 10 pouces (25,4 sur 25,4 cm) et l'intervalle qui les sépare eqt
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de 0,015 pouce (0, .8 :nom). x.rLr 15. -
On fabrique une plaque composite d'acier doux plaqué d'Inconel en utilisant le processus et l'explosif ainsi que la quantité d'explosif de l'exemple 13. Les couches d'acier et D'Inconel ont 0,050 pouce d'épaisseur (1,27 mm) et leurs dimensions sont de 10 sur 10 pouces (25,4 sur 25,4 cm).
L'intervalle séparant les deux couches est de 0,U20 pouce (0,5 mm).
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F:XHaL, 16. -
On plaque solidement une couche de 0,001 pouce (0,025mm) de "Nichrome" sur une couche de base en tungstène en utilisant le processus de l'exemple 13. L'explosif et la quantité d'explosif utilisés sont ceux de l'exemple 10 et l'intervalle utilisé est de 0,003 pouce (0,076 mm). La couche de tungstène a une épaisseur de 0,050 pouce (1,27 mm).
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EXËXPLE 17. -
On plaque du molybdène sur du tungstène en utilisant le processus de l'exemple 16 mais en remplaçant la couche de tung- stène par une couche de 0,050 pouce (1,27 mm) de molybdène.
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ExFj4pLE -18 ,r-
On plaque un alliage de titane, d'aluminium et de vana- dium 90/6/4 de 0,003 pouce (0,076 mm) d'épaisseur sur un carré de tungstène de 1 sur 1 sur 0,050 pouce (2,54 sur 2,54 sur 0,127 cm) par le processus décrit dans l'exemple 13. L'intervalle est de 0,003 pouce (J,076 mm) et l'explosif ainsi que la quantité d'ex- plosif sont ceux de l'exemple 13. La soudure obtenue est excellente.
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E"KeLb 19.-
On plaque une couche de U,007 pouce (0,178 mm) d'un alliage de niobium, de titane et de molybdène 80/10/10 sur une feuille de molybdène de 1 sur 1 sur 0,050 pouce (2,54 sur 2,54 sur 0,127 cm) au moyen du processus et de l'explosif de l'exemple
13 avec un intervalle de 0,010 pouce (0,25 mm).
EXEMPLE 20. -
On place une plaque de molybdène de 0,100 pouce (2,5 mm) d'épaisseur et de 1 sur 4 pouces (2,5 sur 10 cm) sur une plaque d support en a cier. On supporte une feuille d'acier doux de 1 sur 4 sur 0,005 pouce (2,54 sur 10 x 0,0127 cm) directement au-dessus de la plaque de molybdène à une distance de 0,0025 pouce (0,635 mm) au moyen de rides ménagées dans les coins de la feuille d'acier.
On colle une couche de l'explosif de l'exemple 13 de 1 sur 4 pouces (2,54 sur 10 cm) comportant une charge d'explosif de 2 g/pouce - carré sur la face supérieure de la feuille d'acier. Après )
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avoir allumé un bord de la couche explosive, on constate que les deux métaux sont fermement soudés l'un à l'autre, aucune fissure ne pouvant être détectée.
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E.crYLE 2I. -
On roule une feuille de titane de 6 pouces de largeur (15,2 cm), 10 pouces de longueur (25,5 cm) et 0,008 pouce d'épais- seur (0,2 mm) autour d'un mandrin cylindrique en fer avec un re- couvrement d'environ 1 pouce. (2,54 cm). On ménage de petites en- tailles dans un bord de la feuille de façon que les deux bords qui s'intersectent soient séparés par un intervalle d'air. On plage une bande de l'explosif de l'exemple 13 de longueur égale à celle de la feuille près du bord de recouvrement de la feuille et on al- lume une extrémité de la bande. Le tube de titane ainsi totehu est uniforme et dépourvu de fissures ou d'autres défauts. La sou- dure possède une excellente résistance mécanique et un examen mé- tallurgique ne révèle aucune discontinuité.
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EXl!.L"Ü' 1.1'; 2 2. -
On applique une feuille d'acier inoxydable de U,029 pouce (0,74 mm) d'épaisseur sur des supports en molybdène et en tungstène au moyen du processus de l'exemple 13 en utilisant la composition explosive de l'exemple 1. L'intervalle est de 0,015 pouce (0,38 mm) dans chaque cas, les dimensions des couches métal- liques étant de 2 sur 2 pouces (5 sur 5 cm) et les épaisseurs des couches de molybdène et de tungstène étant de 0,039 pouce (0,99 mm) et de 0,021 pouce (0,53 mm) respectivement.
EXEMPLE 23.-
On plaque une couche de titane de 0,040 pouce (1 mm) sur de l'Inconel par le processus de l'exemple 22. La couche de base d'Inconel a une épaisseur de 0,055 pouce (1,40 mm). L'intervalle est de 0,015 pouce (0,38 mm) et les dimensions des couches de 2 sur 2 pouces (5 sur 5 cm). On obtient une excellente soudure.
Les exemples suivants 24 à 33 illustrent l'application du procédé de la présente invention à l'obtention de métaux plaqués
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à couches multiples ou du type "sandwich", c'est-à-dire conportant plus de deux couches. Dans chacun de ces exemples, la composition utilisée est la composition contenant 70% de minium, 20% de PETN et 10% de liant de l'exempl EXEMPLE 24.-
On place une plaque d'acier du type 1015 de 6 sur 9 sur 0,5 pouce (15 sur 23 sur 1,27 cm) sur un bloc de support en bois contre-plaqué. On place une couche de cuivre de 0,018 pouce (0,457 mm) de dimensions correspondantes sur la plaque d'acier et on la supporte à une distance de celle-ci de 0,0059 pouce (0,15 mm) au moyen de particules de fer.
On place ensuite une couche d'acier inoxydable de 0,0625 pouce (1,58 mm) sur la couche de cuivre et on l'espace également de celle-ci d'une distance de 0,0059 pouce (0,15 mm) à l'aide de particules de fer. On recouvre la face supérieure exposée de la couche d'acier inoxydable d'une couche protectrice de ruban et ensuite d'une feuille d'explosif ayant une répartition en poids de le g par pouce carré (6,45 cm2). On attache un allumeur électrique à un coin de la feuille explosive et on fait détoner l'explosif. L'examen de la plaque composite comprenant de l'acier inoxydable, du cuivre et de l'acier 1015 montre que l'on a obtenu une soudure métallurgique ferme aux deux interfaces. Aucune déformation ou distorsion superficielle ne peut être détectée.
EXEMPLE 25. -
On fabrique un article composite de 6 sur 9 pouces (15 sur 23 cm) d'acier inoxydable, de cuivre, d'acier doux et de laiton jaane de la façon décrite dans l'exemple 24 en utilisant un intervalle à chaque interface de 0,0059 pouce (0,15 mm) et une ré- partition de l'explosif' de 20 g par pouce carré (6,45 cm2). Les épaisseurs des couches d'acier inoxydables, de cuivre, d'acier doux et de laiton jaune sont respectivement de 0,0625 pouce (1,58 mm), 0,0625 pouce (1,58 mm), 0,0625 pouce (1,58 mm) et 0,125 pouce (3,17 mm).
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EXEMPLE 26. -
On fabrique un article composite de 6 sur 9 pouces (15 sur 23 cm) comprenant une feuille d'acier inoxydable de 0,0625 pouce (1,58 mm) plaquée sur une feuille d'aluminium de 0,0313 pouc (0,795 mm) elle-même plaquée sur une plaque d'acier doux de 0,5 pouce (1,27 cm) en utilisant le processus de l'exemple 24. L'in- tervalle prévu à chaque interface est de 0,0059 pouce (0,15 mm) et la répartition de l'explosif est de 15 g par pouce carré (6,45em' EXEMPLE 27. -
On fabrique un article composite de 6 sur 9 pouces (15 sur 23 cm) comprenant de l'acier inoxydable, de l'acier doux, du laiton, et de l'acier doux au moyen de la technique décrite dans l'exemple 24.
L'intervalle à chaque interface est de 0,0059 pouce (0,15 mm), la répartition de l'explosif est de 20 g par pouce carré (6,45 cm2) et les épaisseurs des couches d'acier ino- xydable, d'acier doux, de laiton et d'acier doux sont respective- ment de 0,0625 pouce (1,58 mm), 0,012 pouce (0,3 mm), 0,0313 pouce (0,795 mm) et 0,5 pouce (1,27 cm).
EXEMPLE 28. -
On fabrique un article ouvré composite de 6 sur 9 pouce: (15 sur 23 cm) composé de cinq couches comprenant respectivement de l'acier inoxydable, de l'acier doux, du cuivre, de l'acier doux et de l'acier inoxydable de la façon décrite dans l'exemple 24.
Les épaisseurs des couches sont: couches d'acier inoxydable 0,0625 pouce (1,58 mm); couches d'acier doux 0,012 pouce (0,3 mm); cuivre 0,0625 pouce (1,58 mm). L'intervalle entre les couches est de 0,0059 pouce (0,15 mm) et la répartition de l'explosif est de 20 g par pouce carré (6,45 cm2).
EXEMPLE 29, -
On fabrique un article composite ouvré de forme carrée et de 12 pouces (30,5 cm) de côté comprenant du titane, du cuivre et de l'acier inoxydable de la façon suivanté. On place une couche de cuivre de 0,0625 pouce (1,58 mm) sur une couche d'acier inoxy-
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dable de 0,008 pouce (0,2 mm) de façon qu'elle en soit espacée d'une distance de 0,029 pouce (0,07 mm) par des particules de poudre de fer (traversant un crible n 200.mesh et retenues sur un crible n 325 mesh). De mme, on place une couche de titane de 0,003 pouce.(0,076 mm) au dessus de la couche de cuivre à une dis- tance de 0,0029 pouce (0,07 mm) maintenue par des particules de fer.
On recouvre la face supérieure du titane d'une pellicule de téréphtalate de polyéthylène (pellicule de polyester "Myler" fa- briquée par E.I. du Pont de amours and Company) de 10 millièmes de pouce d'épaisseur (0,25 mm), et on scelle les bords du sand- wich de manière à les rendre étanches à l'eau en y appliquant du ruoan. On colle une feuille de l'explosif, réparti en poids à raison de 15 g par pouce carré (6,45 cm2) sur la face intérieure du fond d'une caissette ouverte conçue de façon à s'ajuster sur l'ensemble des couches métallique. La profondeur intérieure de la caissette est suffisante pour établir un intervalle de 3/4 pouce (19 mm) entre la couche explosive et la couche de titane lorsque la caissette est retournée et fermement fixée sur les couches mé- talliques.
On attache un allumeur à un coin de la feuille explo- sive, on place la caissette sur les couches métalliques, on immer- ge l'ensemble dans l'eau, et on fait détoner l'alluneur. On chauffe l'article composite formé à 550 C et on le maintient à cette tem- pérature pendant la minutes. Après refroidi sement dans l'air à température ambiante, on plie l'article composite à 90 autour d'un mandrin cylindrique. Aucune fissure ou déstratification ne se pro- duit.
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E,Y,L,4PLE 30. -
On utilise la technique de l'exemple 29 pour préparer un stratifié à 16 couches de 6 sur 6 pouces (15,2 sur 15,2 cm) composé de couches alternées de 0,005 pouce (0,1 mm) d'acier doux et de 0,005 pouce (0,1 mm) d'acier inoxydable austénitique. La ré- partition de l'explosif est de 10 g par pouce carré (6,45 cm2) et l'intervalle séparant chaque couche est de 0,0059 pouce (0,15 mm).
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On utilise une couche d'eau de 1 pouce (2,5 cm) d'épaisseur entre l'explosif et la couche métallique supérieure. Le stratifié ainsi obtenu est uniformément soudé, et aucune imperfection ou irrésula- rité ne peut être remarquée.
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E.X.t.."1.t>I..I:!..31.-
On fabrique un article ouvr composite de 3 sur 6 pouces (7,6 sur 15,2 cm) comprenant de l'aluminium sur du cuivre sur de l'acier doux en utilisant une couche explosive de 15 g par Douce carré (6,45 cm2) et un intervalle (fixé par des particules de pou-
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dre a fer Unitermes) entre chacune des couches métalliques de 0,0059 pouce (0,15 mm). Un protège la surface supérieure de l'alu- minium à l'aide d'une couche ae 1 pouce (2,5 cm) de polystyrène mousse, on scelle les nords du sandwich de façon étanche à l'aide d'un ruban, et on l'immerge dans l'eau après quoi on détone l'ex- plosif.
Les couches d'aluminium, de cuivre et d'acier doux ont respectivement une épaisseur de 0,125 pouce (3,17 mm), 0,0625 pouce (1,58 mm) et 0,5 pouce (1,27 cm).
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fxr.4PL1 32. -
On fabrique un article ouvré composite de 4 sur 5 pouces (10,1 sur 12,7 cm) comprenant du tantale sur du cuivre sur de l'acier doux en utilisant une couche protectrice de polystyrène mousse et en immergeant le sandwich dans de l'eau avant d'allumer l'explosif comme décrit dans l'exemple 31. L'intervalle utilisé est de 0,0138 pouce (0,35 mm) et le poids de 1-'explosif est ae 15 g par pouce carré (6,45 cm2). L'épaisseur des couches métalliques est respectivement: tantale O,ulO pouce (0,25 mm), cuivre 0,0625 pouce (1,58 mm) et acier doux 0,5 pouce (12,7 mm).
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EJ\.I!.1'1J:'.LE 33.-
On utilise la composition explosive de l'exemple 1 pour préparer un article composite de 3 sur 6 pouces (7,6 sur 15,2 cm) comprenant de l'argent sur de l'acier doux. La répartition de l'explosif est de 12,5 grains (810 mg) par pouce carré (6,45 cm2) et on utilise la technique décrite dans l'exemple 29 pour placer
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une coucne d'eau de 1/4 pouce (6,35 mm) entre la couche explosive et l'argent. Un établit un intervalle de 0,032g pouce (0,833 mm) entre l'acier et l'argent à l'aide de particules de poudre de fer (traversant un crible n 20 mesh et retenues sur un crible n 45) et on allume l'explosif à l'aide d'un générateur d'ondes linéaires.
Sans aucune intention de limiter la présente invention par une théorie de fonctionnement quelconque, on croit Que le phé- nomène de la soudure décrit plus haut peut être attribué à une action de "jet" qui se produit, comme la montre schématiquement la Fig. 3. Lorsque la couche explosive est allumée, la détonation . progresse dans tout le rstant de la couche explosive à la vitesse de détonation de la composition explosive. Les pressions produites par la détonation agissent ainsi progressivement sur la couche de placage pour la propulser vers la matière à plaquer.
Si le placage métallique est parallèle à la surface du métal à plaquer, la partie du placage la plus proche du ou des points d'allumage fait contact avec la surface du métal à plaquer pendant que d'autres parties sont soit immobiles soit en route vers la surface (voir Fig.3).
Si les conditions sont adéquates, on obtient un "jet" composé des couches de surface des deux métaux, ce jet étant dirigé dans l'in- tervalle encore inoccupé ménagé entre la couche du métal de placage et la surface du métal à plaquer. La matière formant jet est remise en circulation pour produire un mélange intime des deux métaux.
L'enlvement des couches métalliques de surface et la fusion sous haute pression de la couche de métal précédemment sous-jacente don- nent la soudure désirée.
On n'cotient pas une soudure efficace si le métal de placage frappe la surface du métal à plaquer en se déplaçant en gros dans une direction générale perpendiculaire à ce dernier.
Ces conditions règnent dans le cas de couches métalliques paral- lèles dans lesquelles une couche est chassée par un explosif qui est allumé en substance simultanément sur toute sa surface, par exemplepar un générateur d'ondes plane, ou si une charge
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explosive est placée à une distance substantielle, c'est-à-dire de plus de quelques centimètres de la couche de placage et que la pression est transmise par un agent relativement dense. Dans ce dernier cas, l'intervalle entre les couches a pour effet de rendre l'allumage approximativement simultané sur toute la surface.
Afin d'obtenir le résultat désiré, il faut allumer une couche ex- plosive de façon que la détonation se propage parallèlement à la couche de placage. Naturellement, les dimensions de la couche ex- plosive doivent correspondre aux dimensions de la surface que l'on désire plaquer.
Une particularité essentielle et critique de la présente invention est l'utilisation d'un explosif ayant une vitesse de détonation non supérieure à environ 120% de la vitesse du son dans le métal du système ayant la vitesse sonique lp plus élevée. Par "métal" dans l'exposé qui précède, on entend un élément métalli- que ou une couche du système de placage qui, dans n'importe quel cas, peut être un métal élémentaire ou un mélange de métaux élémen- taires, c'est-à-dire un alliage. Lorsque la vitesse de détonation de l'explosif dépasse cette limitation, des ondes de choc obliques se forment fréquemment qui éliminent le phénomène de "jet" mention- né plus haut et empêchent la formation d'une bonne soudure métal sur métal.
De même, dans les cas où un jet se forme, des effets secondaires prononcés se présentent souvents tels que la déforma- tion des plaques et la fissuration de la couche de placage.
Quoiqu'on ait mentionné plusieurs lois ci-dessus la "vitesse du son" et la "vitasse sonique" des métaux, les spécislis- tes savent bien que ces termes peuvent être interprétés de façon légèrement différentes suivant les circonstances. Par exemple, ces ternes ont une signification différente pour le physicien lorsqu'il' s'agit de phénomènes d'ondes de choc plastiques dans des solides par opposition aux phénomènes d'ondes de choc élastiques. Ce sont les premiers phénomènes auxquels a trait la présente invention.
Les; termes "vitesse du son" et "vitesse sonique" utilisés dans ce même!-
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re conjointement avec des métaux et des systèmes métalliques concer- nent la vitesse de l'onde de choc plastique qui se forme lorsqu'une contrainte qui est appliquée dépasse juste la limite élastique pour une compression unidimensionnelle du métal ou du système métallique particulier en question. La valeur de cette vitesse sonique peut être obtenue au moyen de la relation
EMI22.1
où "V" est la vitesse sonique en cm/seconde: "K" est le module de masse adiabatique en dynes/cm2; et "d" est la densité en g/cm3.
Les valeurs de "K" peuvent être obtenues à partir des valeurs du module de Young "E" et du rapport de boisson "#" au moyen de la relation
K = E/(1-2 #) Les valeurs de "d" et "K" ou de "E" et "# " peuvent être facile- ment trouvées dans la littérature (voir par exemple le "American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill, New York, 1957).
En variante, la vitesse sonique peut être calculée partir des valeurs publiées de la vitesse de l'onde de choc plas- tique-comme fonction de la vitesse des particules imprimée au métal par l'onde de choc de la façon décrite par R.G. McQueen et S.P. Marsh, Revue de Physique appliquée 31 (7), 1253 (1960).
Dans les cas où la littérature ne iournit aucune donnée, on peut obtenir des valeurs de "V" en réalisant des mesures d'ondes de choc décrites par R.G. McQueen et S.P. Marsh loc.cit.) et dans des références citées par eux. En variante, "V" peut être calculé à partir de la relation
EMI22.2
où "CL" est la vitesse des ondes de compression élastiques et "Cs"est la vitesse des ondes de cisaillement élastiques dans le métal. Les vitesses requises des ondes élastiques peuvent être mesurées par des procédés bien connus.
A des fins représentatives, les valeurs de la vitesse sonique utilisées dans ce mémoire pour certains métaux représentatifs sont données dans le tableau suivant:
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<tb> Métal <SEP> 1 = se <SEP> du <SEP> son <SEP> en <SEP> mètres <SEP> seconde
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Zinc <SEP> 3.000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> 4.000
<tb>
<tb>
<tb> Magnésium <SEP> 4. <SEP> 500
<tb>
<tb>
<tb> Niobium <SEP> 4.500
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Acier <SEP> inoxydable
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> austénitique <SEP> 4. <SEP> 500
<tb>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 4. <SEP> 700
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 4.800
<tb>
<tb>
<tb> Fer <SEP> 4.800
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 5.
<SEP> 200 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 5.500
<tb>
EMI23.2
En plus de la limitatirm iaximum imposée sur la vites- se de détonation de l'explosif utlls, on a constaté que ce der- nier doit avoir une vitesse de d4t=..tion mininum dlîu moins envi- ron 1200 mètres par seconde. Des clqpsitions explosives qui déto- nent à une vitesse inférieure à ce:--. #itesse minimum n'arrivent souvent pas à développer l'énergie n-:.-esssire pour t'orrser le "jet" postulé plus haut, et sont ainsi 4--,i-ables de souder fermement les métaux comme le veut la préseE'x invention.
Comme le montrent les yrents exemples, Ic nouveau procédé de soudure par placage est a-iliceble à une grande variété de métaux tels que de 1'ai,uminium =1'acier, du ier, du titane, du niobium, du chrome, au cobalt, =: '1ickel, du béryllium, du ma- gnésium, du molybdène, du tungstène ru tantale, du vanadium, du zirconium, de l'argent, du platiné, ai cuivre, de 1-$or et leurs alliages ainsi que d'autres m4taux+nt un grand nombre scnt dif- ficiles à souder par placage par 1* quelconque des techniques classiques. Chacune des différente: =ches peut être en un seul métal ou en des alliages de deux ne. re-- plusieurs métaux individuels ou l'une ou l'autre des couches pe5nVtre un ensemble composite de deux ou de plusieurs couches urf:;ies.
Le procédé convient non salement pour f-abriquer des plaques ou des tôles planes mais f-7---f-ment, comme le montre l'exem- ple 21, des tubes et d'autres artis à partir de matière diffi- cile à souder. Dans l'industrie, 1= zche de ase est habituelle- ment un élément d'équipement auaur-7 mie couche de placage doit être fixée. Généralement, la résis'srce de .La soudure par placage
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est supérieure à la resistance à la traction du métal plus faible.
La ductilité de la matière soudée par placage est également compa- rable à celle des couches non soudées et peut être souvent accrue par un traitement à chaud moyen.
Une particularité exceptionnallement surprenante et aven- tageuse des nouveaux systèmes plaqués de la présente invention est que la zone de soudure continue reliant les deux couches peut avoir une composition homogène dans toute son étendue. Dans des procèdes de placage classiques,la zone souàée se compose d'une suite @che- lonnée de compositions qui sont progressivement plus riches en mé- tal de la couche qui est la plus rapprochée et inversement, pro- gressivement plus pauvres en métal de la couche la plus loienée. l'exemple suivant illustre cet aspect de la présente invent.on.
EXEMPLE 34. -
On réalise une série de 26 métaux plaques nickel sur cuivre en utilisant l'explosif de l'exemple 1 à raison de 5 par pouce carré (6,45 cm2), l'intervalle entre les couches de nickel et de cuivre étant insensiblement modifié de 0,0017 à0,160 pouce (0,043 à 4 mm). La feuille d'explosif est espacée de 1/4 pouce (6,35 mm) de la couche de placage et l'intervalle est rempli d'eau suivant la technique décrite dans l'exemple 29. Les couches métal- liques mesurent 4 sur 4 sur 0,021 pouce (10 sur 10 sur 0,53 mm).
Des études de diffraction par rayons X ultérieures réalisées sur la zone jetée de chaque =étal plaqua montrent que dans chaque cas on obtient une structure cubique à faces centrées identiques. Le paramètre de structure obtenu pour la matière jetée est de 3,575 +- 0,003.A. indépendamment de l'intervalle utilisé et la partie de la zone jetée examinée. Une composition de cuivre et de nickel ayant un paramètre de structure de 3,575 A contient 33% de nickel et 67% de cuivre.
Le procédé utilisé pour établir l'intervalle requis entre les couches métalliques n'est pas critique. Comme le montrent les dessins, dt. minuscules particules de métal intercalées entre
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les couches donnent entière satisfaction. De même, ce petites saillies dans la surface de la couche supérieure ou sur la surface de la couche inférieure peuvent être utilisées. Le dispositif de support ne peut évidemment pas masquer de grandes zoes des sur- races des métaux si ces zones doivent être soudées par placage.
Il est souhaitable que les métaux soient relativement exempts d'impuretés superficielles. Lorsque les surfaces ne sont pas propres, un traitement de nettoyage superficiel à l'aide d'un abrasif moyen suivi par un lavage à l'aice d'un solvant convienne:: peur éliminer toutes les impuretés qui détruiraient l'adhérence ou produiraient des zones fragiles. Cependant, les opérations de net- toyage intenses et compliquées nécessaires pour d'autres procédés de placage ne sont pas requises pour le procédé de la présente invention.
Le dispositif de support rigide pour la couche de base n'est pas critique dans la pratique de la présente invention ; cependant, la présence d'un agent de support contribue à éviter la déformation de l'ensemble.formé. Le contre-plaqué, par suite de son prix de revient peu élevé, représente une matière de sup- port satisfaisante.
Comme on l'a montré dans les exemples qui précédente il est avantageux dans certains cas de prévoir une enuche de matiè- re inerte ou amortisseuse telle que des pellicules de polyester, de l'eau, ou une mince couche de ruban entre la couche explosive et la surf ace du métal de placage afin de contribuer à maintenir une surface lisse non contaminée.
La couche explosive peut être allumée par un dispositif allumeur classique quelconque, par exemple, un détonateur, une capsule détonante, des fils explosifs, etc.. L'emplacement de la source d'allumage sur la couche explosive n'est pas critique pour- vu que toute la couche ne soit pas allumée simultanément. Ainsi, la source d'allumage peut être située à un coin, ce qui est pré- férable par suite de la plus grande surface soudée qu'elle procure
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le long d'un bord, ou au centre de la couche explosive, ou en variante plusieurs sources d'allumage ou un générateur d'onde; linéaires peut être utilisé pour allumer un oord entier de la couche simultanément.
La quantité d'explosif utilisée n'est pas critique pourvu qu'une charge suffisante soit présente pour pro- pulser les couches avec une vitesse adéquate pour réaliser la sou- dure par placage désirée. La quantité et la charge particulières des explosifs appropriés dans un cas quelconque apparaîtront clai- rement aux spécialistes en considérant des facteurs tels que le type d'explosif, l'épaisseur de la couche métallique, etc.. Evi- demment un excès d'explosif produit une déformation indésirable et doit être évité.
Evidemment, si on le désire, afin de conserver la quantité d'explosif requise, on peut placer un ensemble de placage sur les deux faces de la couche explosive. Ainsi, deux métaux plaqués peuvent être ootenus en une seule opération.
Quoique l'invention ait été décrite de façon détaillée dans la description qui précède donnée, à titre d'exemple, avec référence aux exemples et aux dessins annexés, il est clair qu'elle n'y est en aucune façon limitée mais que de nomDreux changements et modifications peuvent y être apportés sans sortir de son cadre.
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Explosion plating process and product obtained.
The present invention relates to a new process for plating metals. More precisely, the invention relates to a process for plating metal surfaces and in particular for plating on a metal surface one or more layers of the same metal or of another metal, as well as new crafted articles obtained thereby. process.
The use of clad or composite metals as building materials has become common in recent years.
These plated metals comprise a base metal, usually inexpensive, on the surface of which is plated a layer of a second metal which has certain desirable properties, for example, high corrosion or oxidation resistance, which is not possessed by not the base metal. In most cases, the plating metal
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is much more expensive than the base metal to which it is applied. Considerable savings can thus be made by using a thin layer rather than a thick layer of the expensive metal. Of course, the economy increases dramatically when plated metals are used in the construction of large pieces of equipment such as pipelines, storage tanks and process vessels for large chemical plants.
A second advantageous feature resulting from the use of plated metals is that the lethal which possesses the desired corrosion resistance or some other property does not have the tensile strength, the properties. thermal tees or the compressive strength necessary to allow it to be used in applications where it is subjected to certain stresses. Thus, in addition to the savings realized when using the less expensive metal, the structural strength and stiffness which this metal can impart to the composite material is an important and valuable factor in composite articles.
In addition to the uses mentioned above for clad or composite metals, the invention applies specifically, inter alia, to X-ray installations, to cooking vessels and to decorative fittings for automobiles and buildings. for example, in many cases it is desirable to protect metals such as molybdenum, tungsten, and their alloys, which are primarily used for high temperature applications, with a layer of a heat resistant material. oxidation such as "Nichrome".
A large number of methods exist for plating from one metal to another metal so as to form a multi-layered composite article, however, each of these methods suffers from certain drawbacks which make them disadvantageous or altogether inadequate in some cases.
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The oldest industrial process for applying a layer of one metal to another metal is that usually referred to as "hot dipping", or in the case of zinc coatings, "galvanizing". This process essentially consists of immersing the article to be coated in a bath of molten metal for a short period of time. In order to obtain a satisfactory coating, the two metals must ally at least to some extent.
The disadvantages of the hot dipping process are: (1) it is difficult to precisely control the thickness of the outer shell or its distribution on the surface; and (2) some metals do not alloy with others, or else form deleterious brittle phases, making it practically impossible to obtain a continuous layer with combinations of these metals.
As a result of the difficulties associated with handling large quantities of high-melting molten metals, for example, copper, nickel, tungsten and cobalt, and the possibility of producing unwanted thermal changes in the metal Basically, the hot dipping process has been seriously limited to relatively low melting point metals.
Another known method of applying one layer of one metal to another is electroplating. In this process, the plated article, after having been thoroughly cleaned, is immersed in a solution of a compound of the plating metal, and then an electric current is passed through the solution, the object to be plated. plate serving as cathode. In electroplating, adherent layers can be obtained, the thickness of which can be easily adjusted, and the deposited layer is generally of high purity4. However, this process is slow and expensive, and in addition the porosity of the deposited layer and the problems posed by its fragility due to the hydrogen produced impose severe limitations on the use of coatings deposited by electrolysis for a large number of applications. applications.
In addition, the process does not readily lend itself to the deposition of alloy coatings.
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Spray deposition is a third method of applying one layer of one metal to another, but this technique has found only limited applications due to the expensive special processes and precision of controls required. The coatings produced by this process are generally tacky, flexible and have a high degree of purity. Certain elements such as silicon, tellurium, and selenium, which are difficult to deposit by other methods, can be deposited by vaporization.
A fourth more convenient method of plating one metal to another metal is to directly roll one metal onto another metal under hot pressure and pressure. Although different variants of this laminating cladding technique are used industrially to manufacture sheets, wires, foils! bacon and the like plated, all have some serious flaws. First, the process is limited to those metals capable of forming an effective plating under the appropriate conditions. Indeed, there are certain combinations of metals, for example, tungsten and niobium, for which none of the currently known plating processes are effective.
Second, under the extreme temperature conditions required to achieve effective hot rolling, highly undesirable brittle intermetallic compounds are often formed or other undesirable effects such as adsorption of fragilising agents from. of the surrounding atmosphere often occur. In addition, direct rolling still has the disadvantage of requiring expensive and difficult techniques, such as welding in a gas-tight environment, inert atmospheres or vacuum, and a complicated rolling plant.
This being the case, the object of the present invention is in particular to provide: a method for welding metal surfaces by plating;
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a device for plating two or more metals or metal alloys to form a multi-layered composite article; plated metal articles in which the plating is impermeable, uniform and adherent, by an advantageous and economical process; clad articles of metals which heretofore could not be effectively plating welded to each other -
Other objects will emerge from the description of the invention given below.
It has been found that the above objects are achieved by supporting a layer of plating metal parallel to a face of a metal to be plated, the inner face of the plating metal being spaced from the face of the metal to be plated; a layer of detonating explosives, having a detonation speed less than 120% of the speed of sound in the metal of the future composite article which has the highest sonic speed, is placed on the exterior face of the plating metal, and the explosive layer is then ignited.
Usually, it is desirable to use an explosive having a detonation speed not greater than the speed of sound in the metal having the highest sonic speed, which represents the preferred embodiment of the invention. The metal layers must be separated from each other at least sufficient distance to allow the layer propelled by the explosion to reach an adequate speed before overlapping the immobile layer. A 0.001 inch (0.025 mm) gap between the faces of the two layers facing each other represents the minimum distance which has been found to be adequate. The maximum allowable distance depends entirely on the braking of the layer propelled by the air located between the layers.
By increasing the explosive charge or by evacuating the gap between the two layers, distances greater than 0.001 inch - (0.025 mm) can be used. In general, however, a distance greater than 0.5 d
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inch (1.27 cm) is neither beneficial nor necessary.
In order to better understand the present invention, reference will be made to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a cross section of a sandwich which can be used to practice the present invention; the F'ig. 2 is a photomicrograph (450 magnification) of a bimetallic article obtained according to the present invention; Fig. 3 is a schematic view of the phenomenon believed to occur during the process of the present invention; Fig. 4 shows a typical sandwich for the manufacture of multilayer articles.
In Fig. 1, the metal layer to be plated is indicated as 1. Layer 1 is embedded in a support medium 5 of hard plaster cement. The veneer layer 2 is supported on top of the base layer 1 by small embossments 4 formed in the surface of the veneer 2. This provides the required gap between the two layers, indicated by 6. A layer d A detonating explosive 3 is placed on top of the plating 2 and is contiguous with it, and an allunen 7 having conductors 8 is attached to one edge of the explosive layer.
In the photomicrograph of Fig. 2, A indicates a molybdenum base layer, B a low carbon steel cladding, and F the weld area made up of material from layers A and B.
In Fig. 3, A represents the base metallic layer, B the metallic plating, D the explosive layer before detonation, D 'the gases produced by the detonation of the layer D, E a sharp liquid stream of material composed of the layer A and layer B which hits the underside of layer B just in front of the point of impact C, and F the material immobilized between layers A and B which welds these two layers together.
Fig. 4 shows a sandwich for making articles with more than two layers. The metallic layer
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that 10 which is to be clad with the metal sheets 11 and 12 rests on a plywood backing 13. The metal layers 10, 11 and 12 are separated by an interval established by tiny metal particles 14. A layer of foam tape of polystyrene or other inert material 15 covers the upper face of layer 12 in order to protect it from the direct effects of explosive layer 16. The explosive is ignited by igniter 17 attached to one of its corners. and having conductors 18.
The explosive layer 16 may extend slightly beyond the top plating so as to provide a convenient portion for securing the igniter and to ensure that the front of the deflection has reached maximum speed upon reaching the edge of the plating. .
The following examples represent some of the many combinations of metals which can be plating welded by the process of the present invention. They are given by way of example only and do not limit the invention in any way. Any desired composite metal article can be obtained by suitably adjusting the various conditions necessary.
EXAMPLE 1.-
The explosive used in this example is a thin and uniform sheet of a flexible explosive composition comprising 20% very fine pentaerythritol tetranitrate (PETN), 70% red and, as binder, 10% of a 50 mixture. 50 butyl rubber and thermoplastic terpene resin ± blend of poly-
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mothers of iormule (CloH6) 3-plnene # 7, sold commercially as "Piccolyte" S-10 (manufactured by the Pennsylvania Industrial Chemical Corporation). The composition is easily rolled into sheets and detonates at a rate of about 4,100 meters per second.
A mild steel plate is placed; 6 by 9 inches (15 by 23 cm) and 0.5 inch (1.27 cm) thick, on a plywood board. A place and we line up a steel plate
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6 by 9 inch (15 by 23 cm) stainless steel 0.125 inch thick (3.2mm) above the mild steel plate with the two plates spaced 0.125 inch apart from each other (3.2 mm) by rectangular steel spacers mounted at each corner. The outer face of this plate is covered with a layer of masking tape which protects the iinale surface from any deterioration. A layer of equivalent dimensions of the explosive described above having a weight per unit area of 15 g per square inch (6.45 cm) was placed on the layer of masking tape.
An industrial linear wave generator as described in US Pat. No. 2,943,571 of July 5, 1960 is attached to one side of the rectangular explosive layer and the generator is then energized. Upon detonation of the explosive, the mild steel and stainless steel were found to be firmly and evenly welded to each other and formed a composite article. A microscopic examination reveals an excellent weld. Tests performed according to ASTM Method Specified No. A263-44T on the composite article to determine the shear strength of the weld gave an average shear strength of 73,500 pounds / square inch (5.166 Kg / cm2).
The minimum shear strength prescribed by ASTM standards for this type of cladding is 20,000 pounds / square inch (1406 Kg / cm2) and cladding made by conventional means usually exhibits a shear strength of between 30,000 and 35,000 pounds / square inch (2,108 to 2,460 kg / cm2). The composite article can be bent 1800 around a mandrel of diameter equal to the thickness of the article without breaking.
EXAMPLE 2.-
A 24 x 24 x 0.75 inch (61 x 61 x 1.9 cm) mild steel plate was placed on a plywood support block. Cover one side of a 24 x 24 x 0.0313 inch (61 x 61 x 0.0795 cm) type 304 stainless steel sheet with masking tape and place it, masked side up, on top.
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the mild steel plate so that it is spaced a distance of 0.0059 inch (0.15 mm) from it by a few scattered iron powder particles which have been sifted through a n 100 mesh screen and to be retained on a n 200 mesh screen. The surface of the sliver was then completely covered with TNT grains at a rate of 5.2 g per square inch (6.45 cm 2) and at a density of 0.8 g per cm 3.
The explosive is ignited using a No. 6 electric detonator attached to one of the corners of the explosive layer. The granular TNT layer detonates at a speed of about 4,200 meters per second. Upon detonation of the explosive layer, the resulting 24 by 24 inch (61 by 61 cm) stainless steel clad mild steel composite article exhibited properties. metallurgical tees compared to those of the sample prepared in Example 1.
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E.JU!;!. 1PLg "1.-
A 0.25 inch thick (6.35 mm) layer of nickel was applied to a 1 inch thick (2.54 cm) mild steel plate as follows. A 6 by 9 inch (15 by 23 cm) mild steel plate was placed on a plywood support block. Sieve iron powder particles as in Example 2 were placed at certain intervals on the top face of the mild steel plate so as to establish a gap of 0.0059 inch (0.15 mm). One side of the nickel plating is covered with a protective layer of masking tape so as to protect the nickel from minor deformation to the marking of its surface by explosive force.
The tape layer was in turn covered with a layer of the explosive composition described in Example 1, having a weight per unit area of 30 g per square inch (6.45 cm 2), and the sandwich comprising the nickel, the tape and the explosive layer on the steel plate by aligning them correctly, the nickel side facing down. Attach a No. 6 electric igniter to a corner of the explosive layer and detour the explosive. We obtain a composite article
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mild steel and nickel, the two metal layers of which adhere perfectly to each other.
EXAMPLE 4.-
The technique and explosive composition of Example 3 was used to prepare a molybdenum-plated 304 type stainless steel composite article. The thickness of the molybdenum layer is U.040 inch (1 mm) and that of the stainless steel 0.0625 inch (1.58 mm). The weight per unit area of the explosive layer used is 15 g per square inch (6.45 cm2) and the interval provided is 0.0059 inch (0.15 mm). one gets an excellent tackle.
EXAMPLE 5. -
A 0.0625 inch (1.58mm) layer of copper was plated onto a 0.5 inch (1.27cm) thick mild steel plate as follows. Cover one side of the copper sheet measuring 3 by 6 inches (7.6 by 15.2 cm) with a layer of polystyrene foam 1 inch thick (2.5 cm) and cover the polystyrene layer with a layer of the explosive composition of Example 1 at a rate of 1 g per square inch (6.45 cm 2). The edges of the explosive copper-polystyrene sandwich were sealed with waterproof tape, and the sandwich was placed on the mild steel plate with the copper layer spaced 0.0138 inch apart ( 0.35 mm) of the steel layer by uniform particles of iron powder.
The iron particles were screened through a n 45 mesh screen and retained on an n 100 mesh screen. The edges of the completed sandwich are also sealed with tape, and an electric igniter is attached to a corner of the explosive layer.
The sandwich is then immersed in water and the explosive is ignited. Excellent adhesion of the copper to the steel plate is obtained.
EXAMPLE 6 - The process of Example 5 is used to plating titanium
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on copper. The dimensions of the sheets are 3 inches (7.6 cm) by b inches (15.2 cm); the titanium layer has a thickness of Soft (1.27 mm) and the copper layer has a thickness of 0.0625 inch (1.58 mm). The interval which in this case is set by the screened titanium powder particles is 0.0138 inch (0.3 (mm) and the weight of the explosive is 10 g per square inch (6.45 cm2). After detonation of the explosive, the titanium and copper sheets adhere firmly and uniformly to each other.
EXAMPLE 7. -
A 0.050 inch (1.27 cm) layer of titanium was plated onto a 0.5 inch (1.27 cm) mild steel plate by the process described in Example 5. The dimensions of the layers were 3 inches ( 7.6 cm) by 6 inches (15.2 cm), the weight of the explosive is 15 g per square inch (6.45 cm2), and the gap is 0.0017 inch (0.04 mm) and is produced by uniform particles of iron powder (passing through a n 325 '.iesh sieve).
The plate obtained is solid and uniform.
EXAMPLE 8. -
The process of Example 5 was again used to apply a 0.125 inch (3.17 mm) sheet of aluminum to a 0.5 inch (1.27 cm) plate of mild steel. The sheet and plate are each 3 inches, (7.6 cm) by 6 inches (15.2 cm), the distribution of the explosive layer is 15 g per square inch (6.35 cm2), and l The interval is 0.0059 inch (0.15 mm). After detonation of the explosive, the aluminum layer is solidly probed with mild steel.
EXAMPLE 9. -
A 0.010 inch (0.25 mm) sheet of tantalum was plated onto a 4 by 5 by 0.5 inch (10 x 12.5 x 1.27 cm) mild steel plate by the process of the example. 5. The conditions are: 0.0059 inch (0.15 mm) apart; 10 g per square inch (6.43 cm2) of explosive. An excellent plated metal is obtained.
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EXAMPLE 10, -
The process of Example 5 was used to prepare a 6 by 9 inch (15 by 23 cm) composite article composed of
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0.0625 inch thick (1.5g) sheet of "Hastauoy Cn clad to 0.5 inch (1.27cm) mild steel plate. The explosive sheet is a slightly modified version of the composition of Example 1 and has a weight per unit area of 15 g per square inch (6.45 cm2); it contains 72% minimum; 8% binder and 20% PETN and detonates at a speed of about 4000 meters per second The expected interval between the "Hastalloy C" and the mild steel is 0.0138 inch (0.35 mm) and the ignition of the sheet of the explosive layer is achieved, in this case, by a linear wave generator.
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EXAMPLE 11.-
A 3 by 6 inch (7.6 by 15.2 cm) composite article of the copper plated tantalum was made using the technique of Example 5. The thickness of the tantalum layer was 0.01 inch ( 0.25mm) and the thickness of the copper layer is 0.0625 inch (1.58mm). The weight of the explosive is 10 g per square inch (6.45 cm2) and the range provided is 0.059 inch (0.15 mm).
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Exr ;, THE AT2. =
A 48 by 96 inch (1.22 by 2.44 m) stainless steel sheet was plated onto mild steel using the technique of Example 5. The explosive composition was that used in. Example 10 and this explosive returned at a rate of 12.5 g per square inch (6.45 cm2). A 0.0138 inch (0.35 mm) gap is used. The veneer is 0.0313 inch (0.795mm) thick and the base layer is 0.75 inch (19mm) thick.
EXAMPLE 13.-
An explosive composition containing 35; of PETN, 50% of red, and 15% of the binder of Example 1 comprising butyl rubber and a terpene resin. This composition
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also easily rolls into flexible sheets and has a detonation speed of about 5,000 meters per second. A 10 by 10 by 0.050 inch (25.4 by 25.4 by 0.127 cm) mild steel plate was drowned in a block of hard plaster cement.
On this plate, a 10 by 10 by 0.050 inch (25.4 by 25.4 by 0.127 cm) magnesium plate is lined up; the magnesium plate having several uniform surface ridges which serve to support it at a distance of 0.020 inch (0.5 mm) above the steel plate. A layer of the same dimensions of the aforementioned explosive containing an explosive charge of 3 g / square inch (6.45 cm2) is placed on the upper face of the magnesium plate, and an electric igniter is attached. industrial n 6 on one edge of this explosive layer which is then ignited.
Examination of the resulting composite plate shows that the two layers are firmly and uniformly welded to each other. Microscopic examination does not reveal any cracks or defects in the weld, and efforts to separate the two layers mechanically are unsuccessful.
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EXt.l1PLF; 14. -
The process, explosive and amount of explosive described in Example 13 was used to apply a layer of 0.10 inch (0.076 mm) titanium to 0.050 inch (1.27 mm) aluminum foil. . The dimensions of the layers are 10 by 10 inches (25.4 by 25.4 cm) and the interval between them is eqt
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0.015 inch (0.8: nom). x.rLr 15. -
A composite plate of Inconel clad mild steel was made using the process and explosive and the amount of explosive from Example 13. The steel and Inconel layers were 0.050 inches thick ( 1.27 mm) and their dimensions are 10 by 10 inches (25.4 by 25.4 cm).
The interval between the two layers is 0.120 inch (0.5 mm).
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F: XHaL, 16. -
A 0.001 inch (0.025mm) layer of "Nichrome" was solidly plated onto a tungsten basecoat using the process of Example 13. The explosive and amount of explosive used was that of Example 10. and the interval used is 0.003 inch (0.076 mm). The tungsten layer is 0.050 inch (1.27 mm) thick.
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EXAMPLE 17. -
Molybdenum was plated onto tungsten using the procedure of Example 16 but replacing the tungsten layer with a 0.050 inch (1.27 mm) layer of molybdenum.
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ExFj4pLE -18, r-
A 0.003 inch (0.076 mm) thick 90/6/4 titanium, aluminum and vanadium alloy is plated onto a 1 in 1 by 0.050 inch (2.54 by 2.54 inch) square of tungsten. over 0.127 cm) by the process described in Example 13. The gap is 0.003 inch (J, 076 mm) and the explosive and amount of explosive are those of Example 13. The weld obtained is excellent.
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E "KeLb 19.-
A U. 007 inch (0.178 mm) layer of an 80/10/10 niobium, titanium, and molybdenum alloy was plated onto a 1 in 1 by 0.050 inch (2.54 by 2.54 inch) molybdenum sheet. over 0.127 cm) using the process and explosive of the example
13 with a 0.010 inch (0.25 mm) gap.
EXAMPLE 20. -
A 0.100 inch (2.5 mm) thick, 1 by 4 inch (2.5 by 10 cm) molybdenum plate is placed on a steel backing plate. A 1 in 4 by 0.005 inch (2.54 by 10 x 0.0127 cm) mild steel sheet is supported directly above the molybdenum plate at a distance of 0.0025 inch (0.635 mm) by means of wrinkles in the corners of the steel sheet.
A 1 by 4 inch (2.54 by 10 cm) layer of the explosive of Example 13 with an explosive charge of 2 g / inch - square was glued to the top face of the steel sheet. After)
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having ignited one edge of the explosive layer, it is found that the two metals are firmly welded to each other, no cracks can be detected.
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E.crYLE 2I. -
A sheet of titanium 6 inches wide (15.2 cm), 10 inches long (25.5 cm) and 0.008 inch thick (0.2 mm) is rolled around a cylindrical iron mandrel. with approximately 1 inch coverage. (2.54 cm). Small indentations are left in one edge of the sheet so that the two intersecting edges are separated by an air gap. A strip of the explosive of Example 13 equal in length to the foil was padded near the covering edge of the foil and one end of the tape was ignited. The titanium tube thus totehu is uniform and free from cracks or other defects. The weld has excellent mechanical strength and a metallurgical examination does not reveal any discontinuity.
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EXl! .L "Ü '1.1'; 2 2. -
A 0.029 inch (0.74 mm) thick stainless steel sheet was applied to molybdenum and tungsten supports by the process of Example 13 using the explosive composition of Example 1. The interval is 0.015 inch (0.38 mm) in each case, the dimensions of the metal layers being 2 by 2 inches (5 by 5 cm) and the thicknesses of the molybdenum and tungsten layers being 0.039 inch. (0.99mm) and 0.021 inch (0.53mm) respectively.
EXAMPLE 23.-
A 0.040 inch (1 mm) layer of titanium was plated over Inconel by the procedure of Example 22. The Inconel basecoat was 0.055 inch (1.40 mm) thick. The interval is 0.015 inch (0.38 mm) and the dimensions of the layers are 2 by 2 inches (5 by 5 cm). An excellent weld is obtained.
The following examples 24 to 33 illustrate the application of the process of the present invention to obtaining plated metals.
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multi-layered or of the "sandwich" type, that is to say having more than two layers. In each of these examples, the composition used is the composition containing 70% of minimum, 20% of PETN and 10% of binder of example EXAMPLE 24.-
A 6 by 9 by 0.5 inch (15 by 23 by 1.27 cm) Type 1015 steel plate was placed on a plywood support block. A 0.018 inch (0.457 mm) layer of copper of corresponding dimensions is placed on the steel plate and supported at a distance of 0.0059 inch (0.15 mm) from it by means of iron particles. .
Then place a 0.0625 inch (1.58 mm) layer of stainless steel over the copper layer and also space therefrom a distance of 0.0059 inch (0.15 mm) using iron particles. The exposed top side of the stainless steel layer was covered with a protective layer of tape and then a foil of explosive having a weight distribution of g per square inch (6.45 cm 2). Attach an electric igniter to a corner of the explosive sheet and detonate the explosive. Examination of the composite plate comprising stainless steel, copper and 1015 steel shows that a firm metallurgical weld has been obtained at both interfaces. No surface deformation or distortion can be detected.
EXAMPLE 25. -
A 6 by 9 inch (15 by 23 cm) composite article of stainless steel, copper, mild steel and jaane brass was fabricated as described in Example 24 using a gap at each interface of 0 , 0059 inch (0.15 mm) and an explosive distribution of 20 g per square inch (6.45 cm2). The thicknesses of the layers of stainless steel, copper, mild steel and yellow brass are 0.0625 inch (1.58 mm), 0.0625 inch (1.58 mm), 0.0625 inch ( 1.58mm) and 0.125 inch (3.17mm).
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EXAMPLE 26. -
A 6 by 9 inch (15 by 23 cm) composite article was made comprising 0.0625 inch (1.58 mm) stainless steel sheet clad to 0.0313 inch (0.795 mm) aluminum foil. itself plated onto a 0.5 inch (1.27 cm) mild steel plate using the process of Example 24. The gap provided at each interface is 0.0059 inch (0. 15 mm) and the distribution of the explosive is 15 g per square inch (6.45em 'EXAMPLE 27. -
A 6 by 9 inch (15 by 23 cm) composite article comprising stainless steel, mild steel, brass, and mild steel was fabricated using the technique described in Example 24.
The gap at each interface is 0.0059 inch (0.15 mm), the explosive distribution is 20 g per square inch (6.45 cm2) and the thickness of the layers of stainless steel, mild steel, brass and mild steel are respectively 0.0625 inch (1.58 mm), 0.012 inch (0.3 mm), 0.0313 inch (0.795 mm) and 0.5 inch (1.27 cm).
EXAMPLE 28. -
A 6 by 9 inch composite workpiece is fabricated: (15 by 23 cm) composed of five layers comprising respectively stainless steel, mild steel, copper, mild steel and stainless steel as described in Example 24.
The layer thicknesses are: 0.0625 inch (1.58 mm) stainless steel layers; layers of mild steel 0.012 inch (0.3 mm); copper 0.0625 inch (1.58 mm). The interval between coats is 0.0059 inch (0.15 mm) and the explosive distribution is 20 g per square inch (6.45 cm2).
EXAMPLE 29, -
A 12 inch (30.5 cm) square shaped composite fabricated article comprising titanium, copper and stainless steel was fabricated as follows. A 0.0625 inch (1.58 mm) layer of copper is placed over a layer of stainless steel.
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dable 0.008 inch (0.2 mm) so that it is spaced therefrom a distance of 0.029 inch (0.07 mm) by particles of iron powder (passing through a n 200.mesh screen and retained on a n 325 mesh screen). Likewise, a 0.003 inch (0.076 mm) layer of titanium is placed above the copper layer at a distance of 0.0029 inch (0.07 mm) maintained by iron particles.
The top face of the titanium was covered with a film of polyethylene terephthalate ("Myler" polyester film made by EI du Pont de Amours and Company) 10 thousandths of an inch thick (0.25 mm), and the edges of the sandwich are sealed so as to make them watertight by applying ruoan. A sheet of the explosive, distributed in weight at a rate of 15 g per square inch (6.45 cm2) is glued on the inside face of the bottom of an open box designed to fit over all the layers metallic. The interior depth of the box is sufficient to establish a 3/4 inch (19 mm) gap between the explosive layer and the titanium layer when the box is inverted and firmly attached to the metal layers.
An igniter is attached to a corner of the explosive sheet, the box is placed on the metal layers, the whole is immersed in water, and the alluner is detonated. The composite article formed was heated to 550 ° C. and maintained at this temperature for one minute. After cooling in air to room temperature, the composite article is folded 90 degrees around a cylindrical mandrel. No cracking or delamination occurs.
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The technique of Example 29 was used to prepare a 6 by 6 inch (15.2 by 15.2 cm) 16-layer laminate composed of alternating 0.005 inch (0.1 mm) layers of mild steel and 0.005 inch (0.1 mm) of austenitic stainless steel. The explosive distribution is 10 g per square inch (6.45 cm2) and the interval between each layer is 0.0059 inch (0.15 mm).
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A 1 inch (2.5 cm) thick layer of water is used between the explosive and the top metal layer. The laminate thus obtained is uniformly welded, and no imperfection or inconsistency can be noticed.
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A 3 by 6 inch (7.6 by 15.2 cm) composite workpiece comprising aluminum over copper over mild steel was fabricated using an explosive layer of 15 g per Soft Square (6.45 cm2) and an interval (fixed by particles of
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dre a fer Unitermes) between each of the 0.0059 inch (0.15 mm) metal layers. A protects the upper surface of the aluminum with a 1 inch (2.5 cm) layer of foam polystyrene, the edges of the sandwich are sealed with tape, and immersed in water after which the explosive is detonated.
The aluminum, copper and mild steel layers are 0.125 inch (3.17 mm), 0.0625 inch (1.58 mm), and 0.5 inch (1.27 cm) thick, respectively.
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A 4 by 5 inch (10.1 by 12.7 cm) composite workpiece comprising tantalum on copper on mild steel was fabricated by using a protective layer of foamed polystyrene and immersing the sandwich in foam. water before igniting the explosive as described in Example 31. The interval used is 0.0138 inch (0.35 mm) and the weight of the explosive is 15 g per square inch (6, 45 cm2). The thickness of the metal layers are respectively: tantalum 0, ulO inch (0.25 mm), copper 0.0625 inch (1.58 mm) and mild steel 0.5 inch (12.7 mm).
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EJ \ .I! .1'1J: '. LE 33.-
The explosive composition of Example 1 was used to prepare a 3 by 6 inch (7.6 by 15.2 cm) composite article comprising silver on mild steel. The explosive distribution is 12.5 grains (810 mg) per square inch (6.45 cm2) and the technique described in Example 29 is used to place
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a 1/4 inch (6.35 mm) layer of water between the explosive layer and the silver. A 0.032g inch (0.833mm) gap is established between the steel and the silver using iron powder particles (passing through a 20 mesh n screen and retained on a 45 n screen) and igniting the explosive using a linear wave generator.
Without any intention of limiting the present invention by any theory of operation, it is believed that the solder phenomenon described above can be attributed to a "jet" action which occurs, as shown schematically in FIG. 3. When the explosive layer is ignited, the detonation. progresses throughout the explosive layer at the rate of detonation of the explosive composition. The pressures produced by the detonation thus act progressively on the plating layer to propel it towards the material to be plated.
If the metal plating is parallel to the surface of the metal to be plated, the part of the plating closest to the ignition point (s) makes contact with the surface of the metal to be plated while other parts are either stationary or en route to. the surface (see Fig. 3).
If the conditions are suitable, a "jet" is obtained composed of the surface layers of the two metals, this jet being directed in the still unoccupied gap between the layer of the plating metal and the surface of the metal to be plated. The jet material is recirculated to produce an intimate mixture of the two metals.
Removal of the surface metal layers and high pressure melting of the previously underlying metal layer provides the desired weld.
An effective weld is not valued if the plating metal strikes the surface of the metal to be plated while moving roughly in a direction generally perpendicular to the latter.
These conditions prevail in the case of parallel metallic layers in which a layer is driven by an explosive which is ignited substantially simultaneously over its entire surface, for example by a plane wave generator, or if a charge
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explosive is placed at a substantial distance, that is, more than a few centimeters from the plating layer and the pressure is transmitted by a relatively dense agent. In the latter case, the interval between the layers has the effect of making the ignition approximately simultaneous over the entire surface.
In order to achieve the desired result, an explosive layer must be ignited so that the detonation propagates parallel to the plating layer. Of course, the dimensions of the explosive layer must correspond to the dimensions of the surface to be plated.
An essential and critical feature of the present invention is the use of an explosive having a detonation speed not greater than about 120% of the speed of sound in the metal of the system having the higher sonic speed 1p. By "metal" in the foregoing discussion is meant a metallic element or a layer of the plating system which, in any case, can be an elemental metal or a mixture of elemental metals, ie. that is, an alloy. When the rate of detonation of the explosive exceeds this limitation, oblique shock waves frequently form which eliminate the above-mentioned "jet" phenomenon and prevent the formation of a good metal-to-metal weld.
Likewise, in cases where a jet forms, pronounced side effects often arise such as deformation of the plates and cracking of the plating layer.
Although several laws have been mentioned above of the "speed of sound" and the "sonic speed" of metals, scholars are well aware that these terms can be interpreted in slightly different ways depending on the circumstances. For example, these dulls have a different meaning for the physicist when it comes to plastic shock wave phenomena in solids as opposed to elastic shock wave phenomena. These are the first phenomena to which the present invention relates.
The; terms "speed of sound" and "sonic speed" used in this same! -
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In conjunction with metals and metal systems, we are concerned with the speed of the plastic shock wave which is formed when a stress which is applied just exceeds the elastic limit for one-dimensional compression of the particular metal or metal system in question. The value of this sonic velocity can be obtained by means of the relation
EMI22.1
where "V" is the sonic speed in cm / second: "K" is the adiabatic mass modulus in dynes / cm2; and "d" is the density in g / cm3.
Values of "K" can be obtained from values of Young's modulus "E" and beverage ratio "#" by means of the relation
K = E / (1-2 #) The values of "d" and "K" or of "E" and "#" can be easily found in the literature (see for example the "American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill, New York, 1957).
Alternatively, the sonic velocity can be calculated from the published values of the plastic shock wave velocity - as a function of the particle velocity imparted to the metal by the shock wave as described by RG McQueen and SP Marsh, Journal of Applied Physics 31 (7), 1253 (1960).
In cases where the literature does not provide any data, values of "V" can be obtained by performing shock wave measurements described by R.G. McQueen and S.P. Marsh supra) and in references cited by them. Alternatively, "V" can be calculated from the relation
EMI22.2
where "CL" is the speed of elastic compression waves and "Cs" is the speed of elastic shear waves in metal. The required elastic wave speeds can be measured by well known methods.
For representative purposes, the sonic velocity values used in this brief for some representative metals are given in the following table:
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EMI23.1
<tb> Metal <SEP> 1 = se <SEP> of <SEP> sound <SEP> in <SEP> meters <SEP> seconds
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Zinc <SEP> 3.000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Copper <SEP> 4.000
<tb>
<tb>
<tb> Magnesium <SEP> 4. <SEP> 500
<tb>
<tb>
<tb> Niobium <SEP> 4.500
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Stainless steel <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> austenitic <SEP> 4. <SEP> 500
<tb>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 4. <SEP> 700
<tb>
<tb>
<tb> Titanium <SEP> 4.800
<tb>
<tb>
<tb> Iron <SEP> 4.800
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Molybdenum <SEP> 5.
<SEP> 200 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminum <SEP> 5.500
<tb>
EMI23.2
In addition to the maximum limit imposed on the rate of detonation of the explosive used, it has been found that the latter must have a minimum speed of d4t = .. tion of less than about 1200 meters per second. Explosive shots which detonate at a speed lower than: -. #minimum speed often does not manage to develop the energy n -: .- esssire to bend the "jet" postulated above, and are thus 4 -, i-able to firmly weld metals as required by present invention.
As the yrent examples show, is the new plating soldering process applicable to a wide variety of metals such as aluminum, uminium = steel, iron, titanium, niobium, chromium, copper, gold, copper cobalt, =: '1ickel, beryllium, magnesium, molybdenum, tungsten or tantalum, vanadium, zirconium, silver, platinum, copper, 1- $ gold and their alloys as well as other metals are very difficult to ply weld by any of the conventional techniques. Each of the different: = ches can be in a single metal or in alloys of two ne. re-- several individual metals or one or the other of the layers pe5nVtre a composite set of two or more urf:; ies.
The process is not suitable for fabricating plates or flat sheets, but rather, as shown in example 21, tubes and other articles from difficult material. welding. In industry, 1 = zche de ase is usually a piece of equipment where the plating layer has to be attached. Generally, the resistance of the plating weld
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is greater than the tensile strength of the lower metal.
The ductility of the plating welded material is also comparable to that of unwelded layers and can often be increased by medium heat treatment.
An exceptionally surprising and advantageous feature of the new clad systems of the present invention is that the continuous weld zone connecting the two layers can have a homogeneous composition throughout its extent. In conventional plating processes, the welded area consists of a series of layered compositions which are progressively richer in metal than the layer which is closest to each other and conversely, progressively lower in metal than. the furthest layer. the following example illustrates this aspect of the present invent.on.
EXAMPLE 34. -
A series of 26 nickel-on-copper plate metals was made using the explosive of Example 1 at a rate of 5 per square inch (6.45 cm2), the interval between the nickel and copper layers being imperceptibly modified by 0.0017 to 0.160 inch (0.043 to 4 mm). The explosive sheet is spaced 1/4 inch (6.35 mm) from the plating layer and the gap is filled with water according to the technique described in Example 29. Metal layers measure 4 by 4 by 0.021 inch (10 by 10 by 0.53 mm).
Subsequent X-ray diffraction studies carried out on the thrown area of each = plate show that in each case a cubic structure with identical centered faces is obtained. The structure parameter obtained for the discarded material is 3.575 + - 0.003.A. regardless of the interval used and the part of the discarded area examined. A composition of copper and nickel having a structure parameter of 3.575 A contains 33% nickel and 67% copper.
The method used to establish the required interval between metal layers is not critical. As the drawings show, dt. tiny metal particles interspersed between
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the layers give complete satisfaction. Likewise, this small protrusions in the surface of the upper layer or on the surface of the lower layer can be used. The support device obviously cannot mask large areas of the metal superstraces if these areas are to be welded by plating.
It is desirable that the metals be relatively free from surface impurities. When surfaces are not clean, a surface cleaning treatment with a medium abrasive followed by washing with a solvent is suitable: to remove any impurities which would destroy the adhesion or produce fragile areas. However, the intense and complicated cleaning operations required for other plating processes are not required for the process of the present invention.
The rigid support device for the base layer is not critical in the practice of the present invention; however, the presence of a support agent helps to avoid deformation of the shaped assembly. Plywood, owing to its low cost price, represents a satisfactory support material.
As has been shown in the foregoing examples, it is advantageous in certain cases to provide an inert or damping material such as polyester films, water, or a thin layer of tape between the explosive layer. and the surf ace of the plating metal to help maintain a smooth, uncontaminated surface.
The explosive layer can be ignited by any conventional igniting device, for example, a detonator, detonating capsule, explosive wires, etc. The location of the ignition source on the explosive layer is not critical for- since the whole layer is not lit simultaneously. Thus, the ignition source can be located at a corner, which is preferable because of the larger welded surface it provides.
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along one edge, or in the center of the explosive layer, or alternatively several ignition sources or a wave generator; Linear can be used to light an entire oord of the layer simultaneously.
The amount of explosive used is not critical as long as a sufficient charge is present to propel the layers at an adequate rate to achieve the desired plating weld. The particular amount and charge of the explosives suitable in any given case will be readily apparent to those skilled in the art by considering such factors as the type of explosive, the thickness of the metal layer, etc. Obviously, excess explosive. produces unwanted distortion and should be avoided.
Obviously, if desired, in order to conserve the required quantity of explosive, a plating assembly can be placed on both sides of the explosive layer. Thus, two plated metals can be ootained in a single operation.
Although the invention has been described in detail in the foregoing description given, by way of example, with reference to the examples and to the appended drawings, it is clear that it is in no way limited thereto but that many changes and modifications can be made without departing from its scope.