EP0297219B1 - Procédé de fabrication d'un câble électrique souple - Google Patents

Procédé de fabrication d'un câble électrique souple Download PDF

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EP0297219B1
EP0297219B1 EP88105170A EP88105170A EP0297219B1 EP 0297219 B1 EP0297219 B1 EP 0297219B1 EP 88105170 A EP88105170 A EP 88105170A EP 88105170 A EP88105170 A EP 88105170A EP 0297219 B1 EP0297219 B1 EP 0297219B1
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conductor
insulated
fine wires
aluminum
varnish
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Michel Maréchal
Alain Rageot
Michel Basly
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Filotex SA
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/02—Stranding-up
    • H01B13/0292—After-treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a flexible electric cable consisting of a stranded conductor formed of fine wires, of diameter less than 0.5 mm, made of aluminum or aluminum alloy, and coated with a polymer material, or made up of one or more insulated conductors, covered with an electrical screen formed of fine wires of diameter less than 0.5 mm, made of aluminum or aluminum alloy, wrapped or braided around them, this screen can be surrounded at least one insulating layer of polymer material.
  • Such cables are particularly used in the wiring of aircraft or spacecraft. They usually consist of a conductive core made of a strand of fine wires and an insulation formed from one or more layers of one or more polymeric materials. These materials can be either directly extruded on the conductive core, or previously shaped into ribbons which are then wound helically around the conductive core. This insulation is itself frequently coated with a layer of enamel obtained by firing a varnish.
  • the insulated conductor, or a bundle of insulated conductors can be coated with an electric screen produced using fine wires, either by wrapping or by braiding. This electrical screen is generally coated with an electrical insulator which can be extruded or taped and, optionally, covered with an enamel.
  • the insulating polymers and enamels used are frequently fluorinated resins or polyimides, or any other material retaining good mechanical and electrical insulation properties at operating temperatures above about 150 ° C.
  • Document FR-A-1281150 discloses a process for manufacturing plastic-insulated twisted wire, according to which successively twists its non-annealed elementary strands, moderate annealing by high-frequency heating of the resulting strand, then cooling of the strand and its sheathing in a plastic extruder.
  • Document DE-C-884833 also discloses a process for manufacturing a cable made of copper or aluminum wires, according to which these wires are twisted, they are annealed in a steam atmosphere and their assembly is carried out. final by rolling, hammering or stretching.
  • the object of the present invention is to enable the manufacture of flexible electrical cables comprising aluminum or aluminum alloy wires with a diameter of less than 0.5 mm, and which can go down to approximately 0.05 mm, by reducing to a very large extent the risk of breakage during stranding, braiding, covering or insulation operations.
  • the process of the invention applies particularly well to cables comprising fine wires of aluminum or aluminum alloy, covered with a layer of nickel, these wires being particularly appreciated by users when the conductor (s), or the screen, of the cables must be joined at their ends to electrical elements such as contacts or other cables, by crimping or soldering.
  • the nickel layer eliminates the bad contacts inherent in the surface oxidation of aluminum. It also makes it possible to obtain a good bonding of the soft solder with tin or silver.
  • the wires In the not fully annealed state, the wires have, as is known, mechanical properties, and in particular a tensile strength, greater than those presented by these same wires in the perfectly annealed state.
  • the annealing heat treatment necessary to obtain the best electrical conductivity and all the flexibility required by the cables, is carried out after the stranding and insulation of the conductor, or after the application of an insulator on the electrical screen. gimped or braided.
  • the annealed, semi-cold worked and cold worked metallurgical states have a variable definition depending on the suppliers of the wires and the countries. In France, for example, these states are defined for aluminum or aluminum alloy wires by standard NF A 02-006 and the guaranteed values of the mechanical characteristics are indicated for each state by the supplier. In any case, there are always for each aluminum or aluminum alloy wire several metallurgical states apart from the annealed state such that the value of the breaking stress is considerably greater than the value observed in the annealed condition.
  • the heat treatment which makes it possible to obtain a perfectly annealed wire depends on the purity of the metal or on the composition of the alloy. It also depends on the metallurgical states and the heat treatments that the metal underwent in the manufacturing phases which preceded the annealing.
  • This heat treatment is characterized by the temperature to which the wire must be brought and the duration of maintenance at this temperature. For aluminum and many alloys, the temperature must be at least 240 ° C and in this case the duration can be several hours. But if we use a higher temperature, for example higher at 350 ° C, the time can be reduced to a fraction of a second.
  • the insulators used in flexible cables are capable of withstanding such temperatures for periods which can range from a few seconds to several hours depending on the insulation material used.
  • the applicant has produced a stranded conductor made up of 19 wires having a diameter of 0.15 mm. These 131050 aluminum wires, defined by French standard NF A 02-104, were covered with a layer of nickel approximately 1 ⁇ m thick. They were stranded while they were in the work-hardened metallurgical state corresponding to the designation H 26 of the French standard NF A 02-006. In this state, the breaking stress was greater than 160 MPa and the elongation at break was approximately 1%.
  • the stranded conductor was isolated by two layers of polyimide tape sold under the Kapton brand by DUPONT de NEMOURS. These tapes were 25 ⁇ m thick.
  • This insulation was coated with a layer of varnish consisting of an aqueous emulsion of polytetrafluoroethylene.
  • the conductor thus coated then passed at a speed of 20 m / min in an enclosure heated to 450 ° C.
  • the residence time in the enclosure of each part of the insulated conductor was approximately 30 seconds.
  • two conductors thus produced were twisted together to form a pair.
  • This braid has been applied with a braid made up of 16 spindles of 3 wires of nickel-coated aluminimum 131050 as indicated above. The diameter of these wires was 0.12 mm. They were used in a partially hardened metallurgical state corresponding to the designation H 24 of the French standard NF A 02-006, the more hardened metallurgical state H26 not being favorable for the good constitution of a braid. In this state H 24, the breaking stress of each wire was between 140 and 150 MPa. The elongation at break was between 3 and 4%. The braid was then insulated with two layers of Kapton tape and a layer of fluoride varnish as indicated above.
  • the cable thus produced then passed through the same enclosure and with the same operating conditions as indicated above.
  • the tests carried out on threads extracted from the braid after this treatment have given the same results, that is to say a breaking stress of less than 130 MPa and an elongation at break of more than 12%, thus guaranteeing the flexibility and the required conductivity.
  • the value of the temperature and the duration of stay in the enclosure can vary within wide proportions and nevertheless make it possible to obtain annealing of the stranded conductor or of the screen. This allows among other things to choose these operating conditions taking into account other constraints related in particular to the characteristics of the insulating materials used.
  • the temperature of the enclosure was set at the high value imposed by the cooking of the fluorinated varnish.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un câble électrique souple constitué d'un conducteur toronné formé de fils fins, de diamètre inférieure à 0,5 mm, en aluminium ou alliage d'aluminium, et revêtu d'un matériau polymère, ou constitué d'un ou plusieurs conducteurs isolés, revêtus d'un écran électrique formé de fils fins de diamètre inférieur à 0,5 mm, en aluminium ou alliage d'aluminium, guipés ou tressés autour d'eux, cet écran pouvant être entouré d'au moins une couche isolante en matériau polymère.
  • De tels câbles sont particulièrement utilisés dans le câblage des aéronefs ou des engins spatiaux. Ils sont habituellement constitués d'une âme conductrice faite d'un toron de fils fins et d'une isolation formée d'une ou plusieurs couches d'un ou de plusieurs matériaux polymères. Ces matériaux peuvent être, soit directement extrudés sur l'âme conductrice, soit préalablement façonnés en rubans qui sont ensuite enroulés hélicoïdalement autour de l'âme conductrice. Cette isolation est elle-même fréquemment revêtue d'une couche d'émail obtenue par cuisson d'un vernis. Le conducteur isolé, ou un faisceau de conducteurs isolés, peut être revêtu d'un écran électrique réalisé à l'aide de fils fins,soit par guipage, soit par tressage. Cet écran électrique est généralement revêtu d'un isolant électrique qui peut être extrudé ou rubané et, éventuellement, recouvert d'un émail.
  • Les polymères isolants et les émaux utilisés sont fréquemment des résines fluorées ou des polyimides, ou tout autre matériau conservant de bonnes propriétés mécaniques et d'isolement électrique à des températures de service supérieures à environ 150°C.
  • Pour obtenir des câbles souples et la plus faible résistance électrique, il est essentiel que le métal des conducteurs soit convenablement recuit. Mais, dans le cas des conducteurs comportant des fils fins, de diamètre inférieur à 0, 5 mm, il est connu que les fils recuits d'aluminium ou d'alliage d'aluminium sont fragiles et supportent mal les variations brusques des efforts qui leur sont appliqués au cours des opérations de toronnage, d'isolation ou de tressage, variations brusques dont il n'est pas possible de s'affranchir entièrement malgré le soin apporté lors des opérations de toronnage, de tressage, de guipage ou d'isolation. Il en résulte de nombreuses casses des fils au cours du cycle de fabrication, casses d'autant plus gênantes que pour obtenir la meilleure souplesse des câbles, on s efforce d'augmenter le nombre des fils en diminuant leur diamètre.
  • On connaît par le document FR-A-1281150 un procédé de fabrication de fil torsadé à isolement plastique, selon lequel on effectue successivement le torsadage de ses brins élémentaires non recuits, le recuit modéré par chauffage à haute fréquence du toron résultant, puis le refroidissement du toron et son gainage dans une extrudeuse de matière plastique.
  • On connaît également par le document DE-C-884833 un procédé de fabrication d'un câble en fils de cuivre ou d'aluminium, selon lequel on torsade ces fils, on les recuit en atmosphère de vapeur d'eau et on réalise leur assemblage final par laminage, martelage ou étirage.
  • La présente invention a pour but de permettre la fabrication de câbles électriques souples comportant des fils d'aluminium ou d'alliage d'aluminium de diamètre inférieur à 0,5 mm, et pouvant descendre jusqu'à environ 0,05 mm, en réduisant dans une très large mesure les risques de casse lors des opérations de toronnage, de tressage, de guipage ou d'isolation.
  • Selon la présente invention, le procédé de fabrication d'un câble électrique souple:
    • constitué d'un conducteur toronné formé de fils fins, de diamètre inférieur à 0,5 mm, en aluminium, le conducteur étant revêtu d'un matériau polymère,
    • ou constitué d'un ou de plusieurs conducteurs isolés, revêtus d'un écran électrique formé de fils fins de diamètre inférieur à 0,5 mm, en aluminium, guipés ou tressés autour d'eux, cet écran pouvant être entouré d'au moins une couche isolante en matériau polymère,
      consiste à effectuer les opérations de toronnage des fils fins formant le conducteur, ou bien de guipage ou de tressage des fils entourant le ou les conducteurs isolés et formant l'écran électrique, en utilisant des fils fins non recuits ou seulement partiellement recuits, à appliquer un isolant sur le conducteur toronné ou sur l'écran électrique guipé ou tressé, ensuite à enrober le conducteur isolé ou l'écran électrique isolé d'une couche de vernis à base de matériau polymère, et finalement à soumettre le conducteur isolé ou l'écran électrique isolé, enrobé de vernis, à un traitement thermique assurant simultanément le recuit du conducteur ou de l'écran électrique et la cuisson du vernis.
  • Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes:
    • lorsque le vernis est à base de résines fluorées, on effectue simultanément le recuit du conducteur isolé ou de l'écran électrique isolé et la cuisson du vernis par passage dans une enceinte à 450°C pendant 30 secondes environ.
    • on effectue le recuit du conducteur isolé ou de l'écran électrique dans une enceinte dont la température est d'au moins 240°C.
  • Le procédé de l'invention s'applique particulièrement bien aux câbles comportant des fils fins d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, recouverts d'une couche de nickel, ces fils étant particulièrement appréciés des utilisateurs lorsque le ou les conducteurs, ou l'écran, des câbles doivent être réunis à leur extrémité à des éléments électriques tels que des contacts ou d'autres câbles, par sertissage ou brasage. La couche de nickel élimine les mauvais contacts inhérents à l'oxydation superficielle de l'aluminium. Elle permet aussi d'obtenir un bon accrochage des brasures tendres à l'étain ou à l'argent.
  • Dans l'état non entièrement recuit, les fils possèdent comme il est connu des propriétés mécaniques, et en particulier une contrainte à la rupture, supérieures à celles que présentent ces mêmes fils dans l'état parfaitement recuit. Le traitement thermique de recuit, nécessaire pour obtenir la meilleure conductivité électrique et toute la souplesse requise par les câbles, est pratiqué après les opérations de toronnage et d'isolation du conducteur, ou après l'application d'un isolant sur l'écran électrique guipé ou tressé.
  • Les états métallurgiques recuit, semi-écroui et écroui ont une définition variable selon les fournisseurs des fils et les pays. En France, par exemple, ces états sont définis pour les fils d'aluminium ou d'alliage d'aluminium par la norme NF A 02-006 et les valeurs garanties des caractéristiques mécaniques sont indiquées pour chaque état par le fournisseur. De toutes façons, il existe toujours pour chaque fil d'aluminium ou d'alliage d'aluminium plusieurs états métallurgiques en dehors de l'état recuit tels que la valeur de la contrainte à la rupture soit considérablement supérieure à la valeur observée dans l'état recuit.
  • Le traitement thermique qui permet d'obtenir un fil parfaitement recuit dépend de la pureté du métal ou de la composition de l'alliage. Il dépend aussi des états métallurgiques et des traitements thermiques qu'à subis le métal dans les phases de fabrication qui ont précédé le recuit. Ce traitement thermique est caractérisé par la température à laquelle doit être porté le fil et la durée de maintien à cette température. Pour l'aluminium et de nombreux alliages, la température doit être au moins égale à 240° C et dans ce cas la durée peut être de plusieurs heures. Mais si on utilise une température plus élevée, par exemple supérieure à 350° C, la durée peut être réduite à une fraction de seconde.
  • Les isolants utilisés dans les câbles souples, particulièrement ceux destinés aux industries aéronautiques et spaciales, sont capables de supporter de telles températures pendant des durées qui peuvent aller de quelques secondes à plusieurs heures selon le matériau d'isolation utilisé.
  • Ainsi il est possible de recuire le conducteur toronné et le guipage ou la tresse constituant l'écran lorsque ceux-ci sont revêtus de leur isolation. Ce recuit peut même être combiné avec l'opération de cuisson des vernis qui enduisent la ou les couches d'isolant.
  • A titre d'exemple, la demanderesse a réalisé un conducteur toronné constitué de 19 fils ayant un diamètre de 0,15 mm. Ces fils en aluminium 131050, défini par la norme française NF A 02-104, étaient recouverts d'une couche de nickel d'environ 1 µm d'épaisseur. Ils ont été toronnés alors qu'ils étaient dans l'état métallurgique écroui correspondant à la désignation H 26 de la norme française NF A 02-006. Dans cet état, la contrainte à la rupture était supérieure à 160 MPa et l'allongement à la rupture était d'environ 1 %. Le conducteur toronné a été isolé par deux couches de ruban polyimide vendu sous la marque Kapton par DUPONT de NEMOURS. Ces rubans avaient une épaisseur de 25 µm. Cette isolation a été revêtue d'une couche de vernis constitué d'une émulsion aqueuse de polytétrafluoroéthylène. Le conducteur ainsi revêtu a alors défilé à la vitesse de 20 m/mn dans une enceinte chauffée à 450° C. Le temps de séjour dans l'enceinte de chaque partie du conducteur isolé était d'environ 30 secondes. Ces conditions opératoires ont permis de cuire le vernis et de recuire les fils d'aluminium constituant le conducteur toronné. Après traitement les fils extraits du conducteur avaient un allongement à la rupture supérieur à 12 %. La contrainte à la rupture n'était pas supérieure à 130 MPa. Ces caractéristiques correspondent bien à un état métallurgique recuit garantissant la conductivité électrique et la souplesse requises.
  • Dans une autre réalisation, deux conducteurs ainsi réalisés ont été torsadés ensemble pour former une paire. Sur cette paire a été appliquée une tresse constituée de 16 fuseaux de 3 fils en aluminimum 131050 revêtu de nickel comme indiqué ci-dessus. Le diamètre de ces fils était de 0,12 mm. Ils ont été utilisés dans un état métallurgique partiellement écroui correspondant à la désignation H 24 de la norme française NF A 02-006, l'état métallurgique H26 plus écroui n'étant pas favorable à la bonne constitution d'une tresse. Dans cet état H 24, la contrainte à la rupture de chaque fil était comprise entre 140 et 150 MPa. L'allongement à la rupture était compris entre 3 et 4 %. La tresse a ensuite été isolée par deux couches de ruban en Kapton et une couche de vernis fluoré comme indiqué ci-dessus. Le câble ainsi réalisé a alors défilé dans la même enceinte et avec les mêmes conditions opératoires qu'indiquées ci-dessus. Les essais pratiqués sur des fils extraits de la tresse après ce traitement ont donné les mêmes résultats, c'est-à-dire une contrainte à la rupture inférieure à 130 MPa et un allongement à la rupture supérieur à 12 %, garantissant ainsi la souplesse et la conductivité requises.
  • Comme il a été indiqué plus haut, la valeur de la température et la durée de séjour dans l'enceinte peuvent varier dans de larges proportions et permettre néanmoins d'obtenir le recuit du conducteur toronné ou de l'écran. Ceci permet entre autres de choisir ces conditions opératoires en tenant compte d'autres contraintes liées en particulier aux caractéristiques des matériaux isolants utilisés. Dans les exemples ci-dessus, la température de l'enceinte a été fixée à la valeur élevée qu'imposait la cuisson du vernis fluoré.

Claims (4)

  1. Procédé de fabrication d'un câble électrique souple:
    - constitué d'un conducteur toronné formé de fils fins, de diamètre inférieur à 0,5 mm, en aluminium, le conducteur étant revêtu d'un matériau polymère,
    - ou constitué d'un ou de plusieurs conducteurs isolés, revêtus d'un écran électrique formé de fils fins de diamètre inférieur à 0,5 mm, en aluminium, guipés ou tressés autour d'eux, cet écran pouvant être entouré d'au moins une couche isolante en matériau polymère,
    dans lequel on effectue les opérations de toronnage des fils fins formant le conducteur, ou bien de guipage ou de tressage des fils entourant le ou les conducteurs isolés et formant l'écran électrique, en utilisant des fils fins non recuits ou seulement partiellement recuits, on applique un isolant sur le conducteur toronné ou sur l'écran électrique guipé ou tressé, ensuite on enrobe le conducteur isolé ou l'écran électrique isolé d'une couche de vernis à base de matériau polymère, et finalement on soumet le conducteur isolé ou l'écran électrique isolé, enrobé de vernis, à un traitement thermique assurant simultanément le recuit du conducteur ou de l'écran électrique et la cuisson du vernis.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le vernis est à base de résines fluorées, caractérisé en ce que le recuit du conducteur isolé ou de l'écran électrique isolé est effectué par passage dans une enceinte à 450°C pendant 30 secondes environ.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue le recuit des fils fins dans une enceinte dont la température est au moins 240°C.
  4. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 3 à la fabrication de câbles électriques souples facilement sertissables ou brasables à d'autres éléments électriques, comprenant des fils fins de diamètre inférieur à 0,5 mm, en aluminium ou alliage d'aluminium recouverts d'un couche de nickel.
EP88105170A 1987-04-03 1988-03-30 Procédé de fabrication d'un câble électrique souple Expired - Lifetime EP0297219B1 (fr)

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