Procédé de soudage par ultrasons L'objet de la présente invention est un procédé de soudage, par ultrasons, de deux pièces métalliques faites de métaux différents et incompatibles.
On sait que le soudage par ultrasons permet d'as sembler des pièces métalliques sans apport extérieur de chaleur. Ce procédé peut être utilisé dans de nom breux cas où les procédés de soudage usuels sont in applicables, notamment pour assembler certaines pièces faites de métaux différents.
Toutefois, on a constaté que certains métaux sont incompatibles et ne peuvent pas être soudés ensemble par ultrasons selon les procédés usuels. C'est ainsi notamment que si on tente de souder une pièce en acier avec une pièce en laiton en pressant ces pièces l'une contre l'autre, l'une d'elles étant appuyée contre un support fixe et l'autre étant en contact avec une sonotrode à fréquence ultrasonore, selon une méthode connue, aucune liaison ne s'établit entre ces deux pièces. Au contraire, il se forme entre elles un résidu métal lique pulvérulent dont la matière provient en général de celui des deux métaux en contact qui est le plus ten dre.
On peut expliquer la formation de ce résidu en supposant que les aspérités de celui des deux métaux en présence qui est le plus dur ou qui présente la plus grande cohésion, en vibrant par rapport à l'autre métal, le labourent et de cette façon le désagrègent alors que, lorsque ce sont deux métaux compatibles qui sont en présence, les aspérités des surfaces métalliques en contact subissent, sous l'effet des vibrations, de petites déformations élastiques périodiques, de même fré quence que les vibrations, sans que ces déformations ne conduisent à des ruptures de ces aspérités. L'énergie émise par la sonotrode dans l'une des pièces, en pro voquant un échauffement extrêmement localisé des zones de contact, réalise alors le soudage de ces pièces.
Selon les expériences qui ont été faites, la compati bilité ou l'incompatibilité de deux métaux à être soudés directement par ultrasons dépend notamment de leur dureté. Toutefois, cette caractéristique n'est pas la seule qui entre en ligne de compte. La résistance et l'élasticité jouent aussi un rôle non négligeable, de même que la constitution des métaux en présence. On a remarqué par exemple que certains alliages de décolletage et certains métaux durcis sont incompa tibles entre eux. Ainsi, l'acier qui est compatible pour le soudage par ultrasons avec le nickel, les alliages nickel-cuivre, l'or et les alliages or-cuivre notamment, est incompatible avec le laiton.
Ce dernier métal, de son côté, est compatible avec le cuivre, le nickel et les alliages de ces deux métaux ensemble.
Le but de la présente invention est de créer un procédé permettant d'éviter la formation du résidu mentionné ci-dessus et d'assembler deux pièces de métaux différents, par soudage aux ultrasons, même si ces deux métaux sont incompatibles.
Pour cela, dans le procédé selon l'invention, on solidarise de l'une desdites pièces un métal différent de celui de cette pièce et compatible avec celui de l'autre et on met la dite autre pièce en contact avec le dit métal.
Un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention ainsi que quelques variantes sont décrits en détails ci-dessous.
Selon cet exemple, pour souder une pièce en acier à une pièce en laiton par le moyen des ultrasons, on procède comme suit: Sur la pièce de laiton, on dépose par traitement galvanique une couche mince de nickel. Le traitement galvanique est effectué de telle façon que l'épaisseur de la couche de nickel soit d'environ 5 microns. Il n'est pas nécessaire que la couche de nickel ainsi déposée couvre toute la surface de la pièce; il suffit que la zone destinée à être mise en contact avec la pièce en acier pour le soudage soit entièrement recouverte. En outre, il faut que le dépôt adhère parfaitement à la surface de la pièce en laiton, sinon l'opération de soudage ultérieure ne provoque qu'un arrachement et une des truction de ce dépôt, sans réaliser l'assemblage désiré.
Au lieu d'effectuer ce dépôt par voie galvanique, on pourrait aussi, dans une variante, plaquer à chaud sur la pièce en laiton, une mince feuille de nickel de l'épaisseur mentionnée ci-dessus. On pourrait aussi, dans d'autres variantes, obtenir cette couche mince de nickel par évaporation sous vide selon un procédé connu en soi ou en faisant agir sur la surface de la pièce en laiton une combinaison chimique à base de nickel, en solution liquide, ou sous forme gazeuse, cette combinaison se décomposant en présence du lai ton et libérant le nickel de façon à le déposer sur la surface du laiton.
Il suffit ensuite de placer les deux pièces l'une contre l'autre, de telle façon qu'une zone de la surface de la pièce en laiton qui est recouverte par la couche de nickel soit en contact avec la pièce en acier et de sou mettre ces pièces à une opération de soudage aux ultra sons selon un procédé connu. Ainsi, on place l'une des pièces sur un support rigide, tandis que l'autre est pressée contre la première par la pointe d'une sono- trode capable de produire dans cette pièce des vibra tions ultrasonores. Comme dans les procédés de sou dage usuels, on utilise des vibrations d'une fréquence de l'ordre de 20 000 à 40 000 cycles et d'une amplitude de l'ordre de 1 centième de millimètre.
Ainsi l'ampli tude des vibrations est environ le double de l'épaisseur de la couche de nickel déposée sur la pièce en laiton. Après avoir laissé agir les vibrations ultrasonores pen dant une durée de 2 à 5 secondes, le soudage est ter miné. On constate que le nickel qui formait la couche mince déposée sur la surface du laiton a entièrement diffusé dans le laiton et dans l'acier, de sorte que cette couche ne peut plus être décelée et que l'acier et le laiton sont effectivement soudés l'un à l'autre.
Le point de soudure ainsi obtenu présente une résis tance mécanique supérieure à celle de celui des deux métaux qui est le moins résistant. Ainsi un essai de rupture du point de soudure provoque un arrachement d'une zone de la pièce en laiton qui entoure le point de soudure, cette zone restant solidaire de la pièce en acier.
Le procédé décrit permet de réaliser facilement des soudures de qualité parfaite entre des pièces faites de métaux qui sont incompatibles pour le soudage par ultrasons selon les procédés connus. II peut être appliqué pour le soudage de n'importe quelle paire de métaux incompatibles. Selon les cas, le métal que l'on solidarise à l'une des pièces à assembler, au lieu d'être du nickel, peut aussi être du cuivre ou un alliage de cuivre, de l'or ou un alliage d'or, ou encore un alliage du groupe fer-nickel-cobalt par exemple. Ce peut aussi être du titane pur ou allié ou du zirconium pur ou allié.
Ultrasonic Welding Method The object of the present invention is a method of ultrasonic welding of two metal parts made of different and incompatible metals.
It is known that ultrasonic welding makes it possible to look like metal parts without external heat input. This process can be used in many cases where the usual welding processes are inapplicable, in particular for assembling certain parts made of different metals.
However, it has been found that certain metals are incompatible and cannot be welded together by ultrasound according to the usual methods. It is thus in particular that if one tries to weld a steel part with a brass part by pressing these parts one against the other, one of them being pressed against a fixed support and the other being in contact with a sonotrode at ultrasonic frequency, according to a known method, no connection is established between these two parts. On the contrary, a powdery lique metal residue forms between them, the material of which generally comes from that of the two metals in contact which is the most tender.
We can explain the formation of this residue by supposing that the roughness of the one of the two metals present which is the hardest or which presents the greatest cohesion, by vibrating with respect to the other metal, plows it and in this way the disintegrate while, when two compatible metals are present, the roughness of the metal surfaces in contact undergo, under the effect of vibrations, small periodic elastic deformations, of the same frequency as the vibrations, without these deformations not being lead to ruptures of these asperities. The energy emitted by the sonotrode in one of the parts, by causing extremely localized heating of the contact areas, then welds these parts.
According to the experiments which have been carried out, the compatibility or the incompatibility of two metals to be welded directly by ultrasound depends in particular on their hardness. However, this characteristic is not the only one that comes into play. Resistance and elasticity also play a significant role, as does the constitution of the metals involved. For example, it has been observed that certain free-cutting alloys and certain hardened metals are incompatible with each other. Thus, the steel which is compatible for ultrasonic welding with nickel, nickel-copper alloys, gold and gold-copper alloys in particular, is incompatible with brass.
The latter metal, on the other hand, is compatible with copper, nickel and the alloys of these two metals together.
The aim of the present invention is to create a process which makes it possible to avoid the formation of the residue mentioned above and to assemble two pieces of different metals, by ultrasonic welding, even if these two metals are incompatible.
For this, in the method according to the invention, a metal different from that of this part and compatible with that of the other part is joined to one of said parts and said other part is brought into contact with said metal.
An example of implementation of the method according to the invention as well as some variants are described in detail below.
According to this example, to weld a steel part to a brass part by means of ultrasound, the procedure is as follows: On the brass part, a thin layer of nickel is deposited by galvanic treatment. The galvanic treatment is carried out such that the thickness of the nickel layer is approximately 5 microns. It is not necessary for the layer of nickel thus deposited to cover the entire surface of the part; it suffices that the zone intended to be brought into contact with the steel part for welding is entirely covered. In addition, the deposit must adhere perfectly to the surface of the brass part, otherwise the subsequent welding operation only causes tearing and one of the truction of this deposit, without achieving the desired assembly.
Instead of carrying out this galvanic deposition, one could also, in a variant, hot-plate on the brass part, a thin sheet of nickel of the thickness mentioned above. We could also, in other variants, obtain this thin layer of nickel by vacuum evaporation according to a process known per se or by causing a chemical combination based on nickel to act on the surface of the brass part, in liquid solution, or in gaseous form, this combination decomposing in the presence of the brass and releasing the nickel so as to deposit it on the surface of the brass.
It is then sufficient to place the two pieces against each other, such that an area of the surface of the brass piece which is covered by the layer of nickel is in contact with the steel piece and put these parts to an ultrasonic welding operation according to a known process. Thus, one of the parts is placed on a rigid support, while the other is pressed against the first by the tip of a sonotrode capable of producing ultrasonic vibrations in this part. As in the usual soldering processes, vibrations are used with a frequency of the order of 20,000 to 40,000 cycles and an amplitude of the order of 1 hundredth of a millimeter.
Thus the amplitude of the vibrations is approximately twice the thickness of the nickel layer deposited on the brass part. After allowing the ultrasonic vibrations to act for a period of 2 to 5 seconds, the welding is finished. It can be seen that the nickel which formed the thin layer deposited on the surface of the brass has completely diffused into the brass and the steel, so that this layer can no longer be detected and that the steel and the brass are effectively welded. 'to one another.
The weld point thus obtained has a mechanical strength greater than that of the two metals which is the least resistant. Thus a weld point break test causes a tearing of a zone of the brass part which surrounds the weld point, this zone remaining integral with the steel part.
The method described makes it easy to achieve perfect quality welds between parts made of metals which are incompatible for ultrasonic welding according to known methods. It can be applied for welding any pair of incompatible metals. Depending on the case, the metal which is secured to one of the parts to be assembled, instead of being nickel, can also be copper or a copper alloy, gold or a gold alloy, or an alloy of the iron-nickel-cobalt group, for example. It can also be pure or alloyed titanium or pure or alloyed zirconium.