FR2628997A1 - Prodn. of hermetic joint between ceramic insert and metal tube - using tie wire to maintain inward force on tubing applied by split rings of similar thermal expansion coefficient to that of insert - Google Patents
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Abstract
Description
"Procédé de scellement étanche céramique métal,
pour supporter des températures élevées"
L'invention a tria: à un procédé de scellement étanche, supportant des températures élevées, entre un tube métallique épais et une portée annulaire cylindrique métallisée d'une pièce en céramique, où l'on assemble en position la pièce en céramique dans le tube en garnissant l'interface d'un métal d'apport approprié, on insère autour du tube, à hauteur de la portée, un anneau de frette en métal à coefficient de dilatation accordé à celui de la céramique avec interposition d'une feuille mince de métal d'apport, et l'on porte l'assemblage dans une enceinte de brasage où il est chauffé en sorte que le métal d'apport entre en fusion et mouille les surfaces en contact."Waterproof ceramic metal sealing process,
to withstand high temperatures "
The invention has tria: a sealed sealing process, withstanding high temperatures, between a thick metal tube and a metallized cylindrical annular seat of a ceramic part, where the ceramic part is assembled in position in the tube by lining the interface with an appropriate filler metal, a metal hoop ring with expansion coefficient matched to that of ceramic is inserted around the tube, at the height of the span, with the interposition of a thin sheet of filler metal, and the assembly is carried in a soldering chamber where it is heated so that the filler metal melts and wets the surfaces in contact.
Pour obtenir des scellements étanches entre des isolants céramiques et des pièces métalliques, notamment pour permettre de faire passer des ccannexions électriques à travers les parois d'enceintes, soit sous haut vide, soit sous pressions élevées, avec une résistance mécanique élevée, il est courant d'exécuter un assemblage entre une pièce métallique tubulaire extérieure et une portée annulaire métallisée d'une pièce en céramique de diamètre approprié, et de braser la portée métallisée sur la surface intérieure de la pièce métallique tubulaire, à l'aide d'un métal d'apport approprié. To obtain tight seals between ceramic insulators and metal parts, in particular to allow electrical ccannexations to pass through the walls of enclosures, either under high vacuum or under high pressures, with high mechanical resistance, it is common to carry out an assembly between an external tubular metallic part and a metallized annular bearing of a ceramic part of suitable diameter, and to braze the metallized bearing on the internal surface of the tubular metallic part, using a metal of appropriate intake.
Etant donné que le brasage implique un chauffage à température élevée, et que l'assemblage doit subir, soit au montage et à l'achèvement de l'équipement pour lequel il est prévu, soit lors du fonctionnement de cet équipement, des variations de température notables, les coefficients de dilatation de la céramique et du métal qui constitue le tube doivent être accordés. On a mis au point des alliages, généralement à base de fer et de nickel, dont le coefficient de dilatation est ajusté sur celui des céramiques. Toutefois l'ajustement des coefficients de dilatation n'est réalisé qu'à l'intérieur de plages de température déterminées, où le coefficient de dilatation intrinsèque du métal est compensé par des modifications de structure. Since brazing involves heating at high temperature, and the assembly must undergo, either during assembly and completion of the equipment for which it is intended, or during the operation of this equipment, temperature variations noteworthy, the expansion coefficients of the ceramic and of the metal which constitutes the tube must be matched. Alloys, generally based on iron and nickel, have been developed, the coefficient of expansion of which is adjusted to that of ceramics. However, the adjustment of the expansion coefficients is only carried out within determined temperature ranges, where the intrinsic expansion coefficient of the metal is compensated for by structural modifications.
Les discordances, même faibles, entre coefficients de dilatation, mettent en péril l'étanchéité du joint de façon différente selon le sens des efforts qui se produisent sur l'élément faible du joint, en l'espèce l'interface céramique métal d'apport. Cette interface résiste mal aux et -ts en traction radiale, et fort bien aux efforts en compression radiale. Even small discrepancies between expansion coefficients jeopardize the sealing of the joint in different ways depending on the direction of the forces which occur on the weak element of the joint, in this case the ceramic filler metal interface. . This interface resists poorly to -ts in radial traction, and very well to efforts in radial compression.
Il y a donc lieu de choisir le coefficient de dilatation du tube métallique un peu supérieur à celui de la céramique, de façon que, le métal d'apport fondu s'étant placé entre céramique et tube extérieur, la couche formée soit mise en compression dès la solidification du métal d'apport jusqu'à la température ambiante, du fait que le tube métallique se rétracte plus que la céramique au cours du refroidissement. Le joint est donc fretté par le tube métallique en tension périphérique élastique. It is therefore necessary to choose the coefficient of expansion of the metal tube slightly higher than that of ceramic, so that, the molten filler metal being placed between ceramic and outer tube, the layer formed is put into compression from the solidification of the filler metal to room temperature, because the metal tube shrinks more than the ceramic during cooling. The joint is therefore hooped by the metal tube in elastic peripheral tension.
Cependant, on ne peut aller trop loin dans le frettage, car il ne faut pas dépasser la limite élastique du tube métallique sous peine de voir le tube s'allonger plastiquement suivant sa périphérie, et l'effet de frettage s'atténuer sérieusement. However, one cannot go too far in the hooping, because one should not exceed the elastic limit of the metal tube under penalty of seeing the tube elongate plastically along its periphery, and the hooping effect seriously attenuate.
Or, à la température de brasage, le tube métallique se recuit souvent. However, at the brazing temperature, the metal tube is often annealed.
Ainsi fréquemment le frettage ne se produit efficacement qu'en dessous d'une température où cesse la déformation plastique, inférieure à la température de solidification du métal d'apport. Frequently hooping does not occur effectively until a temperature at which plastic deformation ceases, below the solidification temperature of the filler metal.
Or il est fréquent que l'assemblage doive être porté ultérieurement à une température élevée ; si cette température est supérieure à la température de début de frettage évoquée ci-dessus, l'interface céramique métal est mise en traction, et l'étanchéité du joint est compromise. However it is frequent that the assembly must be brought later to a high temperature; if this temperature is higher than the hooping start temperature mentioned above, the ceramic metal interface is put in tension, and the sealing of the joint is compromised.
Ainsi, par exemple, si le scellement céramique métal est destiné à constituer un montage isolant pour une électrode d'un tube à vide poussé, tel qu'un montage cathodique de tube à rayons X, le tube métallique scellé autour de la pièce sol. te en céramique sera soudé à d'autres éléments de la paroi du tube, et par la suite, lors du pompage du tube, l'ensemble est soumis à un étuvage prolongé à une température qui peut dépasser 500'C. Thus, for example, if the metal ceramic seal is intended to constitute an insulating assembly for an electrode of a high vacuum tube, such as a cathode assembly of an X-ray tube, the metal tube sealed around the ground piece. te ceramic will be welded to other elements of the wall of the tube, and thereafter, when pumping the tube, the assembly is subjected to prolonged baking at a temperature which can exceed 500 ° C.
Par ailleurs, les alliages spéciaux pour soudage aux céramiques nécessitent une élaboration très soignée, tant pour la composition que pour les traitements nécessaires pour les amener à la structure physique qui assure le coefficient de dilatation voulu. Ils sont donc onéreux ; en outre les formes commercialement disponibles sont. limitées, et toute commande sous une forme inusuelle (telle qu'un tube épais à des cotes déterminées) n'est acceptée qu'à partir d'un tonnage élevé. Furthermore, special alloys for ceramic welding require very careful processing, both for the composition and for the treatments necessary to bring them to the physical structure which provides the desired coefficient of expansion. They are therefore expensive; furthermore the commercially available forms are. limited, and any order in an unusual form (such as a thick tube with determined dimensions) is accepted only from a high tonnage.
D'un autre côté, un alliage classique fer/nickel pour les scellements céramique métal, connu sous le nom de Dilver
P, est notablement en dehors de sa plage d'isodilatation par rapport à la céramique déjà à 600'C. On the other hand, a classic iron / nickel alloy for ceramic metal seals, known as Dilver
P, is notably outside its isodilation range compared to ceramic already at 600 ° C.
Pour un certain nombre de raisons, telles que moindre coût d'achat, usinabilité supérieure, résistance mécanique, facilité de se le procurer sous une forme demi-finie adéquate, résistance à l'oxydation et à la corrosion, il apparaissait souhaitable de substituer un acier inoxydable de type 18-8, par exemple, aux alliages dits soudables aux céramiques. For a number of reasons, such as lower purchase cost, higher machinability, mechanical strength, ease of obtaining it in a suitable semi-finished form, resistance to oxidation and corrosion, it appeared desirable to replace a stainless steel type 18-8, for example, with so-called weldable alloys for ceramics.
Cependant, l'obstacle majeur était la disparité des coefficients de dilatation, 0,65 x 10 5/K à 20'C pour la céramique d'alumine, 1,7 x 10 5/K pour un acier inoxydable 18-8. Avec de telles valeurs, pour un brasage avec un métal d'apport fondant vers 780-C (brasure cuivre argent), sur un diamètre de 30 mm l'écart de diamètre au brasage entre alumine et inox atteindrait environ 0,25 mm. Le remplissage d'un intervalle aussi important par du métal d'apport serait déjà très difficile, et les inconvénients commentés plus haut résultant de fluage seraient notablement considérables. However, the major obstacle was the disparity in the expansion coefficients, 0.65 x 10 5 / K at 20 ° C for alumina ceramic, 1.7 x 10 5 / K for 18-8 stainless steel. With such values, for brazing with a filler metal melting towards 780-C (silver copper brazing), on a diameter of 30 mm the difference in diameter when brazing between alumina and stainless steel would reach approximately 0.25 mm. Filling such a large gap with filler metal would already be very difficult, and the disadvantages discussed above resulting from creep would be considerably considerable.
On a proposé antérieurement de braser sur une portée cylindrique métallisée d'une pièce en céramique un tube d'épaisseur modérée (inférieure au millimètre) en acier inoxydable de type 18-8, en disposant un anneau de frette en titane autour du tube en acier inoxydable au droit de la portée, avec interpositicsn d'une feuille mince de métal d'apport. It has previously been proposed to braze on a metallized cylindrical surface of a ceramic piece a tube of moderate thickness (less than a millimeter) of stainless steel type 18-8, by placing a ring of titanium hoop around the steel tube stainless to the right of the scope, with interpositicsn of a thin sheet of filler metal.
Lors du chauffage pour amener à fusion, en atmosphère inerte s'entend, le métal d'apport, l'anneau en titane, dont le coefficient de dilatation est de 0,8 x 10 5/K, empêche la dilatation excessive du tube en acier inoxydable. When heating to bring to fusion, in an inert atmosphere is understood, the filler metal, the titanium ring, whose coefficient of expansion is 0.8 x 10 5 / K, prevents excessive expansion of the tube in stainless steel.
Pratiquement le tube en acier inoxydable voit ses déformations imposées par la frette en titane.In practice, the stainless steel tube has its deformations imposed by the titanium hoop.
On remarquera qu'il est nécessaire que la feuille mince (25 à 50 micromètres d'épaisseur) de métal d'apport garnisse toute l'interface entre tube d'acier inoxydable et anneau de frette en titane, car lors du chauffage pour brasage, le serrage est tel que le métal d'apport en fusion ne pourrait venir mouiller les surfaces en contact s'il n'était présent à l'avance. Note that it is necessary that the thin sheet (25 to 50 micrometers thick) of filler metal line the entire interface between the stainless steel tube and the titanium hoop ring, because during heating for brazing, the tightening is such that the molten filler metal could not come to wet the surfaces in contact if it were not present in advance.
On obtient ainsi des scellements étanches qui sont robustes mécaniquement, et supportent des élévations de température ultérieures déjà élevées. Mais les performances apparaissent insuffisantes au regard des demandes, pour les raisons suivantes
L'épaisseur de paroi du tube d'acier inoxydable doit être plus faible que celle de l'anneau de frette en titane pour que les déformations au cours des cycles de chauffage soient imposées par l'anneau de frette.This gives watertight seals which are mechanically robust, and withstand already already elevated temperature rises. However, the performance appears to be insufficient in relation to the requests, for the following reasons
The wall thickness of the stainless steel tube must be less than that of the titanium hoop ring so that deformations during heating cycles are imposed by the hoop ring.
Cet anneau de frette est en surépaisseur, ce qui peut être un inconvénient dans certains cas, par exemple si l'assemblage doit pouvoir coulisser dans un anneau ou un tube. This hoop ring is oversized, which can be a drawback in certain cases, for example if the assembly must be able to slide in a ring or a tube.
Il est nécessaire de garder un jeu entre tube et frette, pour introduire la feuille mince de métal d'apport ce jeu retarde le serrage de l'anneau de frette lors de l'élévation de température, et donc l'efficacité du frettage. It is necessary to keep a clearance between tube and hoop, to introduce the thin sheet of filler metal this clearance delays the tightening of the hoop ring during the rise in temperature, and therefore the effectiveness of hooping.
Le fluage du titane 3 la température de brasage, sous l'effort d'expansion du tube en acier inoxydable, n'est pas négligeable. Il en résulte un abaissement de la température de début de frettage, déjà évoquée plus haut, et qui apparaît comme la température maximale à laquelle le scellement peut être exposé sans risque ultérieurement. The creep of titanium 3 the brazing temperature, under the expansion force of the stainless steel tube, is not negligible. This results in a lowering of the temperature at the start of hooping, already mentioned above, and which appears as the maximum temperature to which the seal can be exposed without risk later.
L'invention a pour objectif un procédé de scellement étanche d'un tube métallique sur une portée circulaire d'une pièce en céramique, qui ne présente pas les inconvénients évoqués ci-dessus. The object of the invention is a method of sealing a metal tube tightly on a circular surface of a ceramic part, which does not have the drawbacks mentioned above.
A cet effet l'invention expose un procédé de scellement étanche, supportant des températures élevées, entre un tube métallique épais et une portée annulaire cylindrique métallisée d'une pièce en céramique, où l'on assemble en position la pièce en céramique dans le tube en garnissant l'interface d'un métal d'apport approprié, cn insère autour du tube, à hauteur de la portée, un anneau de frette en métal dont le coefficient de dilatation s'accorde avec celui de la céramique avec interposition d'une feuille mince de métal d'apport, et l'on porte l'assemblage dans une enceinte de brasage où il est chauffé en sorte que le métal d'apport entre en fusion et mouille les surfaces en contact, caractérisé en ce que l'on pratique, dans la surface extérieure du tube métallique, une gorge annulaire au droit de l'emplacement de la portée, on prépare deux anneaux de frette fendus de hauteur correspondant à celle de la gorge et aptes à s'y loger en superposition, l'un intérieur et l'autre extérieur, ce dernier à fleur de la surface extérieure du tube métallique, on dispose, outre la feuille de métal d'apport entre le fond de gorge et l'anneau intérieur, une feuille de métal d'apport entre les anneaux, disposés en sorte que les fentes ne soient pas en coincidence, on pose sur l'anneau extérieur une frette provisoire formée de quelques spires serrées d'un fil de molybdène, et on élimine la frette provisoire après exécution du scellement. To this end, the invention discloses a sealed sealing process, withstanding high temperatures, between a thick metal tube and a metallized cylindrical annular bearing surface of a ceramic part, where the ceramic part is assembled in position in the tube. by lining the interface with an appropriate filler metal, cn is inserted around the tube, at the height of the span, a metal hoop ring whose coefficient of expansion agrees with that of ceramic with the interposition of a thin sheet of filler metal, and the assembly is carried in a soldering chamber where it is heated so that the filler metal melts and wets the surfaces in contact, characterized in that practical, in the outer surface of the metal tube, an annular groove in line with the location of the bearing surface, two split hoop rings are prepared with a height corresponding to that of the groove and suitable for being accommodated therein, the one inside and the other outside, last flush with the outer surface of the metal tube, there is, in addition to the sheet of filler metal between the throat bottom and the inner ring, a sheet of filler metal between the rings, arranged so that the slots are not coincidental, a temporary hoop formed of a few tight turns of a molybdenum wire is placed on the outer ring, and the temporary hoop is eliminated after the sealing has been carried out.
Grâce à ces dispositions, le tube métallique peut avoir, au-delà de la zone brasée, une épaisseur suffisante pour être mécaniquement rigide et accepter des retouches d'usinage, tandis que dans la zone de brasage, il sera aminci, par l'usinage de la gorge, suffisamment pour que les forces de dilatation engendrées par les frettes l'emportent sur celles qu'engendre le tube métallique. Thanks to these provisions, the metal tube can have, beyond the brazed zone, a thickness sufficient to be mechanically rigid and to accept machining alterations, while in the brazing zone, it will be thinned, by machining. throat enough for the expansion forces generated by the hoops to outweigh those generated by the metal tube.
Les frettes étant logées entièrement dans la gorge, le tube ne présente pas de surépaisseur dans la zone de scellement Bien en outre, les fentes des frettes autorisent le passage de ces frettes autour du tube pour les engager dans la gorge ; les frettes sont toutefois actives en raison de leur liaison par brasage sur toute la surface sur laquelle elles reposent, les fentes étant en outre hors coïncidence radiale pour éviter un point faible. The hoops being housed entirely in the groove, the tube does not have any extra thickness in the sealing zone. In addition, the slots of the hoops allow the passage of these hoops around the tube to engage them in the groove; the hoops are however active due to their connection by brazing over the entire surface on which they rest, the slots also being out of radial coincidence to avoid a weak point.
Les anneaux de frette ne sont pas nécessairement en titane, et peuvent être en tout métal dont le coefficient de dilatation s'accorde avec celui de la céramique, et est, bien entendu, compatible avec le métal du tube, puisque la frette provisoire agit en serrage au moins jusqu'à une température où le métal de frette possède une limite élastique suffisamment élevée. The hoop rings are not necessarily made of titanium, and can be of any metal whose expansion coefficient agrees with that of ceramic, and is, of course, compatible with the metal of the tube, since the temporary hoop acts in tightening at least up to a temperature where the hoop metal has a sufficiently high elastic limit.
En outre la frette provisoire en molybdène a pour premier effet d'annihiler les jeux radiaux entre anneau extérieur et fond de gorge, et entre anneaux intérieur et extérieur ; ensuite, le molybdène présentant un coefficient de dilatation inférieur à celui du titane, et même à celui de la céramique (4,7 x 10 1K), va produire un serrage énergique des frettes, croissant avec la température, de sorte que tout fluage des frettes est prévenu ; en outre le molybdène présente encore, à la température de brasage, une limite élastique très élevée (le point de fusion du molybdène est de 2 610 C), de sorte que la frette provisoire ne s'allonge pratiquement pas de façon plastique, et reste active jusqu'après que les anneaux de frette soient devenus pleinement efficaces. In addition, the temporary molybdenum hoop has the first effect of annihilating the radial clearances between the outer ring and the bottom of the groove, and between the inner and outer rings; then, the molybdenum having a coefficient of expansion lower than that of titanium, and even that of ceramic (4.7 x 10 1K), will produce an energetic tightening of the frets, increasing with the temperature, so that any creep of the frets is warned; in addition, molybdenum still has a very high elastic limit at the brazing temperature (the mely point of molybdenum is 2 610 C), so that the temporary hoop practically does not elongate plastically, and remains active until after the hoop rings have become fully effective.
De façon préférée, 1. gorge s'étend en profondeur sur environ deux tiers de l'épaisseur du tube, les anneaux fendus de frette étant d'épaisseurs sensiblement égales, et égales par conséquent à l'épaisseur de paroi restante du tube métallique sous la gorge. On obtient une épaisseur totale de frette double de celle de la paroi de tube sous-jacente. Preferably, 1. groove extends in depth over about two thirds of the thickness of the tube, the split hoop rings being of substantially equal thicknesses, and therefore equal to the remaining wall thickness of the metal tube under the throat. A total hoop thickness double that of the underlying tube wall is obtained.
En disposition particulière, le tube métallique, avant assemblage, est constitué de deux tronçons qui s'accolent longitudinalement suivant une section droite à une hauteur intermédiaire de la gorge. In a particular arrangement, the metal tube, before assembly, consists of two sections which are joined longitudinally in a cross section at an intermediate height of the groove.
Cette disposition peut s'avérer ut.ile pour assurer la position exacte de la pièce de céramique dans le tube, crù lorsque les formes imposées du tube, de part et d'autre de la céramique, rendent l'usinage du tube en une pièce non souhaitable. Par ailleurs, l'exécution du tube en deux tronçons peut faciliter l'insertion des anneaux fendus de frette. De toute façon, les tronçons se trouvent brasés entre eux lors de l'opération générale de brasage de la zone de portée. En outre chaque tronçon se trouve brasé de façon indépendante à la céramique. La fiabilité d'étanchéité du scellement n'est pas altérée. This arrangement can prove useful for ensuring the exact position of the ceramic piece in the tube, believed when the imposed shapes of the tube, on either side of the ceramic, make the machining of the tube in one piece. not desirable. Furthermore, the execution of the tube in two sections can facilitate the insertion of the split hoop rings. In any case, the sections are brazed together during the general operation of brazing the range area. In addition, each section is brazed independently to the ceramic. The sealing reliability of the seal is not affected.
Des caractéristiques secondaires et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels
la figure 1 représente en coupe un scellement selon l'invention, avant exécution du brasage
la figure 2 représente, en perspective éclatée, les différents éléments qui constituent un scellement selon l'invention ;
la figure 3 est une vue perspective à échelle réduite du scellement dans le même état que dans la figure 1
la figure 4 représente une coupe à grande échelle d'un scellement selon l'inventic,n, terminé.Secondary characteristics and advantages of the invention will also emerge from the description which follows, by way of example, with reference to the accompanying drawings in which
Figure 1 shows in section a seal according to the invention, before performing brazing
Figure 2 shows, in exploded perspective, the different elements which constitute a seal according to the invention;
Figure 3 is a perspective view on a reduced scale of the seal in the same state as in Figure 1
4 shows a section on a large scale of a seal according to the inventic, n, completed.
Selon le mode d'exécutic > n représenté figures 1, 2 et 3, pour sceller un isolateur conique 1, en céramique d'alumine, tel qu'un porte-cathode de tube à rayons X, sur un tube 2 en inoxydable 304 L, de la famille des 18-8 d'épaisseur voisine de 1,5 mm et de diamètre 30 mm sensiblement, on a métallisé de façon connue, avec un alliage molybdène/manganèse, une portée cylindrique 10 de l'isolateur 1, qui entre dans l'alésage intérieur du tube 2. According to the execution mode> n shown in FIGS. 1, 2 and 3, to seal a conical insulator 1, made of alumina ceramic, such as an X-ray tube cathode holder, on a tube 2 made of 304 L stainless steel , of the family of 18-8 with a thickness close to 1.5 mm and a diameter of 30 mm substantially, a cylindrical bearing surface 10 of the insulator 1, which enters, is known in a known manner, with a molybdenum / manganese alloy in the inner bore of tube 2.
Entre la portée 10 et la face interne du tube 2, on a inséré un ruban d'une feuille mince (25 à 50 micromètres d'épaisseur) d'un métal d'apport, qui est un alliage de brasure eutectique argent cuivre classique, à point de fusion 780'C. Between the surface 10 and the internal face of the tube 2, a ribbon of a thin sheet (25 to 50 micrometers thick) of a filler metal, which is a conventional copper silver eutectic brazing alloy, has been inserted, at melting point 780'C.
Pour rendre plus claire la description, on désignera les éléments de structure en considérant le tube posé verticalement comme représenté sur les figures, tel qu'il se présentera à l'opération de brasage, bien que, dans sa destination, l'orientation du tube soit libre et quelconque par rapport à la verticale. To make the description clearer, designate the structural elements by considering the tube placed vertically as shown in the figures, as it will appear during the brazing operation, although, in its destination, the orientation of the tube be free and arbitrary with respect to the vertical.
Pour assurer un emplacement correct et reproductible de l'isolateur 1 dans le tube 2, ce dernier est suralésé, à sa partie inférieure, sur une profondeur de 0,5 mm environ, pour s'emboiter sur un calibre sensiblement cylindrique, qui présente un épaulement sur quoi vient buter l'angle 21 de suralésage, et une tranche supérieure, au dessus de l'épaulement, qui forme repos pour la tranche inférieure de l'isolateur 1. To ensure a correct and reproducible location of the insulator 1 in the tube 2, the latter is over-bored, at its lower part, to a depth of about 0.5 mm, to fit onto a substantially cylindrical caliber, which has a shoulder on which abuts the angle 21 of overbore, and an upper edge, above the shoulder, which forms rest for the lower edge of the insulator 1.
On a ménagé dans la surface extérieure du tube 2, une gorge 20, à fond cylindrique, dont la profondeur est de 1 mm, soit les deux tiers de l'épaisseur du tube 2, et dont la hauteur est ici de 6 mm environ, soit un peu plus que celle de la portée 10 (ici de 5 mm). Le bord inférieur de gorge est situé un peu au-dessus de l'angle 21 de suralésage, pour ne pas couper le tube 2. A groove 20, with a cylindrical bottom, the depth of which is 1 mm, or two thirds of the thickness of the tube 2, and the height of which is here approximately 6 mm, has been provided in the outer surface of the tube 2, a little more than that of staff 10 (here 5 mm). The lower edge of the groove is situated a little above the angle 21 of overbore, so as not to cut the tube 2.
On garnit le fond de la gorge 20 d'une feuille mince de métal d'apport, du meme genre que celui qui garnit l'interface portée 10-tube 2, laminé à une épaisseur de 25 à 50 jin, puis on introduit un premier anneau frette 3, comportant une fente 30 longitudinale dans la gorge 20. Le diamètre intérieur de l'anneau 3 est égal au diamètre du tube 2 en fond de gorge 20 et sa hauteur correspond à celle de cette gorge. Cet anneau frette est exécuté en titane TA6V et son épaisseur est sensiblement moitié de la profondeur de la gorge 20, soit, ici, 0,5 mm. La présence de la fente 30, jointe à l'élasticité du titane, permet d'enfiler l'anneau frette 3 par-dessus le tube 2. We fill the bottom of the groove 20 with a thin sheet of filler metal, of the same kind as that which lines the worn interface 10-tube 2, laminated to a thickness of 25 to 50 jin, then we introduce a first hoop ring 3, having a longitudinal slot 30 in the groove 20. The inside diameter of the ring 3 is equal to the diameter of the tube 2 at the bottom of the groove 20 and its height corresponds to that of this groove. This hoop ring is made of TA6V titanium and its thickness is substantially half the depth of the groove 20, that is, here, 0.5 mm. The presence of the slot 30, joined to the elasticity of the titanium, makes it possible to thread the hoop ring 3 over the tube 2.
Par-dessus l'anneau frette 3, on dispose une seconde feuille mince de métal d'apport, puis on engage un second anneau frette 4, muni également d'une fente 40, par-dessus l'anneau frette intérieur 3 et la feuille intercalaire de métal d'apport. Le diamètre intérieur de l'anneau frette 4 extérieur correspond au diamètre extérieur du premier 3, et son épaisseur est de meme sensiblement égale à la moitié de la profondeur de la gorge (ici donc 0,5 mm). La hauteur de l'anneau frette extérieur 4 est aussi égale à celle de la gorge 20. Over the hoop ring 3, there is a second thin sheet of filler metal, then a second hoop ring 4, also provided with a slot 40, is engaged, over the inner hoop ring 3 and the sheet filler metal interlayer. The inside diameter of the outer hoop ring 4 corresponds to the outside diameter of the first 3, and its thickness is likewise substantially equal to half the depth of the groove (here therefore 0.5 mm). The height of the outer hoop ring 4 is also equal to that of the groove 20.
On comprendra que les anneaux frettes peuvent etre exécutés par roulage d'une bande de titane de longueur et largeur appropriées. It will be understood that the hoop rings can be made by rolling a titanium strip of appropriate length and width.
On aura compris que les épaisseurs des anneaux frettes 3 et 4, égales, sont inférieures à la demi-profondeur de gorge de l'épaisseur de la feuille de métal d'apport, de façon que, les deux anneaux 3 et 4 et les deux feuilles de métal d'apporen place, la surface extérieure de l'anneau extérieur 4 ne dépasse celle du tube 2 que de la somme des jeux aux diverses interfaces. It will be understood that the thicknesses of the fret rings 3 and 4, which are equal, are less than the half-groove depth of the thickness of the sheet of filler metal, so that the two rings 3 and 4 and the two sheets of apporen metal in place, the outer surface of the outer ring 4 exceeds that of the tube 2 only by the sum of the clearances at the various interfaces.
Bien entendu, les fentes 30 et 40 sont disposées en opposition diamétrale approximativement. Of course, the slots 30 and 40 are arranged in diametrical opposition approximately.
Par-dessus l'anneau frette extérieur 4, on forme une frette provisoire en roulant un fil de molybdène 5, de 1 mm de diamètre pour former trois ou quatre spires serrées. On achève le serrage en torsadant ensemble les deux extrémités 50 du fil de molybdène. Over the outer hoop ring 4, a temporary hoop is formed by rolling a molybdenum wire 5, 1 mm in diameter to form three or four tight turns. The tightening is completed by twisting together the two ends 50 of the molybdenum wire.
On notera que le fil de molybdène utilisé pour constituer la frette provisoire doit avoir de préférence un diamètre compris entre 1,5 mm et 0,7 mm. Pour des diamètres supérieurs à 1,5 mm, le fil présente une raideur excessive, n'épouse pas facilement la surface extérieure de l'anneau de frette extérieur 4, et ne se prete pas efficacement au torsadage 50. A moins de 0,7 mm, le fil risque de se rompre sous tension , et le maintien serré de la torsade 50 devient aléatoire. It will be noted that the molybdenum wire used to constitute the temporary hoop must preferably have a diameter of between 1.5 mm and 0.7 mm. For diameters greater than 1.5 mm, the wire has excessive stiffness, does not easily marry the outer surface of the outer hoop ring 4, and does not lend itself effectively to twisting 50. Less than 0.7 mm, the wire may break under tension, and the tight maintenance of the twist 50 becomes random.
Dans l'enceinte de brasage, sous vide ou en atmosphère d'argon, l'assemblage est chauffé, au moins dans le tronçon où sont situées la portée 10 et la gorge 20, à une température d'environ 850 C. Cette opératic > n de chauffage est tout à fait classique. In the soldering enclosure, under vacuum or in an argon atmosphere, the assembly is heated, at least in the section where the bearing 10 and the groove 20 are located, to a temperature of around 850 C. This operatic> n heating is quite conventional.
Le métal d'apport entre en fusion ; d'une part, à l'interface tube 2-portée 10, on mouille tant la métallisation de cette portée 10 que la surface intérieure du tube 2 en regard. The filler metal melts; on the one hand, at the interface 2-bearing tube 10, both the metallization of this bearing 10 and the inner surface of the tube 2 are wetted.
D'autre part, dans la gorge 20, le fil de molybdène 5 s'est moins dilaté que les anneaux frettes 3 et 4, qui, de leur côté, se sont moins dilatés que le tube 2. Comme le tube 2, en fond de gorge 20, est relativement mince, et que la limite élastique de l'acier inoxydable à la température de brasage est relativement basse, le tube 2 compense par déformation plastique l'excès de dilatation qu'il subit. Les déformations par fluage des anneaux frettes 3 et 4 sont nettement plus limitées, de sorte que l'excès de dilatation de ces anneaux par rapport à la frette provisoire 5 en molybdène se traduit par une mise en tension élastique de la frette provisoire. Bien entendu la longueur périphérique des anneaux frettes 3 et 4 doit être telle qu'à aucun moment les lèvres des fentes 30 et 40 ne viennent en butée. On the other hand, in the groove 20, the molybdenum wire 5 has expanded less than the hoop rings 3 and 4, which, for their part, have expanded less than the tube 2. Like the tube 2, at the bottom throat 20, is relatively thin, and the elastic limit of stainless steel at the brazing temperature is relatively low, the tube 2 compensates by plastic deformation for the excess expansion which it undergoes. The deformations by creep of the hoop rings 3 and 4 are much more limited, so that the excess expansion of these rings relative to the temporary hoop 5 made of molybdenum results in an elastic tensioning of the temporary hoop. Of course, the peripheral length of the hoop rings 3 and 4 must be such that at no time do the lips of the slots 30 and 40 abut.
La fusion du métal d'apport dans la gorge, sous pression élevée en raison de la tension élastique de la frette provisoire, assure un contact intime du métal d'apport avec les faces en regard du fond de gorge 20, de l'anneau frette 3 et l'anreau frette 4, ainsi que dans les fentes 30 et 40. The fusion of the filler metal in the groove, under high pressure due to the elastic tension of the temporary hoop, ensures intimate contact of the filler metal with the opposite faces of the throat bottom 20, of the hoop ring 3 and the fret fret 4, as well as in the slots 30 and 40.
Comme l'effet de serrage de la frette provisoire 5 ne cesse de s'exercer depuis la température de brasage jusqu'à une température suffisamment proche de l'ambiante pour que le titane et l'acier inoxydable aient retrouvé leurs propriétés mécaniques normales, il n'existe pas de température de début de frettage inférieure à la température de brasage, de sorte que l'assemblage pourra supporter des températures allant jusqu'au ramollissement du métal d'apport sans risque de perte d'étanchéité. Comme, dans la gorge 20, le métal d'apport aura incorporé du titane diffusé, la température de ramollissement du métal d'apport aura augmenté. As the clamping effect of the temporary hoop 5 continues to be exerted from the brazing temperature to a temperature close enough to ambient for the titanium and stainless steel to have returned to their normal mechanical properties, it there is no hooping start temperature lower than the soldering temperature, so that the assembly will be able to withstand temperatures up to the softening of the filler metal without risk of loss of tightness. As, in the groove 20, the filler metal will have incorporated diffused titanium, the softening temperature of the filler metal will have increased.
Après exécution du brasage et refroidissement de l'assemblage, celui-ci est retiré de l'enceinte, débarrassé de sa frette provisoire, et nettoyé en surface pour éliminer des bavures de métal d'apport. After brazing and cooling the assembly, it is removed from the enclosure, stripped of its temporary hoop, and cleaned on the surface to remove burrs of filler metal.
On notera que, avant de porter l'assemblage dans l'enceinte de brasage, on peut déposer un jonc de métal d'apport entre le tube 2 et l'isolateur 1, juste au-dessus de la portée 10. On dispose ainsi d'une réserve de métal d'apport, pour nourrir un congé. It will be noted that, before carrying the assembly into the brazing enclosure, a rod of filler metal can be deposited between the tube 2 and the insulator 1, just above the span 10. This thus provides 'a reserve of filler metal, to feed a leave.
I1 est possible, d'ailleurs, de ne pas interposer une feuille de métal d'apport entre le tube 2 et la portée, et de nourrir la brasure avec seulement un jonc de métal d'apport. Néanmoins ce mode opératoire présente l'inconvénient que la pénétration par capillarité du métal d'apport entre la métallisation de la portée 10 et la surface intérieure du tube 2 peut être localement empêchée par le frettage. I1 is possible, moreover, not to interpose a sheet of filler metal between the tube 2 and the bearing, and to feed the solder with only a rod of filler metal. However, this procedure has the disadvantage that the penetration by capillarity of the filler metal between the metallization of the surface 10 and the inner surface of the tube 2 can be locally prevented by hooping.
Une coupe suivant un plan passant par l'axe du tube du scellement terminé est représentée schématiquement figure 4. On voit, de l'intérieur vers l'extérieur, l'isolateur en céramique 1, sa portée métallisée 10, une interface 11 de brasage argent cuivre, le tube 2 avec sa gorge 20, en fond de gorge une brasure 31 unissant. le tube 2 à la frette intérieure 3, et une brasure 41 entre la frette intérieure 3 et la frette extérieure 4, la surface externe de cette frette extérieure 4 venant à fleur de la surface extérieure du tube 2. A section along a plane passing through the axis of the tube of the finished seal is shown diagrammatically in FIG. 4. We see, from the inside to the outside, the ceramic insulator 1, its metallized surface 10, an interface 11 for soldering copper silver, the tube 2 with its groove 20, at the bottom of the groove a solder 31 uniting. the tube 2 at the inner hoop 3, and a solder 41 between the inner hoop 3 and the outer hoop 4, the outer surface of this outer hoop 4 coming flush with the outer surface of the tube 2.
On voit encore des brasures 22 et 23 entre les flancs supérieur et inférieur de la gorge 20 et les tranches d'extrémité des frettes 3 et 4. We can still see the solder 22 and 23 between the upper and lower sides of the groove 20 and the end edges of the hoops 3 and 4.
De façon analogue, une coupe perpendiculaire à l'axe du tube révélerait de la brasure dans les fentes 30 et 40. Similarly, a section perpendicular to the axis of the tube would reveal solder in the slots 30 and 40.
On remarquera que le processus de brasage s' inscrit dans la structure du scellement, telle qu'elle peut se révéler par des coupes métallographiques. On peut reconnaître l'effet de la frette provisoire 5 dans la minceur des brasures des fentes 30 et 40, car, si les anneaux de frettes fendus n'avaient pas été maintenus serrés jusqu'à consolidation des brasures, la dilatation non contrariée du tube 2 aurait entrainé un élargissement des fentes significatif. It will be noted that the brazing process is part of the sealing structure, as it can be revealed by metallographic sections. We can recognize the effect of the temporary hoop 5 in the thinness of the soldering of the slots 30 and 40, because, if the split fret rings had not been kept tight until the soldering consolidation, the uncontrolled expansion of the tube 2 would have resulted in a significant widening of the slots.
Jusqu'ici, on a considéré que le tube 2 était longitudinalement continu dans la zone de brasure. So far, it has been considered that the tube 2 is longitudinally continuous in the brazing zone.
Toutefois, on comprendra que le tube pourrait être constitué de deux tronçons qui s'accoleraient suivant une section droite 6 passant à l'intérieur de la gorge 20. Chaque tronçon serait brasé directement sur une zone correspondante de la portée 10, de façon étanche. Lors de l'opération de brasage, du métal d'apport pénétrant dans l'interface d'accolement lierait en bout les tronçons l'un à l'autre, tandis que les anneaux de frette consolideraient la liaison en bout.However, it will be understood that the tube could consist of two sections which would be joined in a straight section 6 passing inside the groove 20. Each section would be brazed directly on a corresponding area of the span 10, in a sealed manner. During the brazing operation, filler metal penetrating into the joining interface would bond the sections to each other at the end, while the hoop rings would consolidate the connection at the end.
La séparation en deux tronçons du tube 2 pourrait permettre de bloquer le rebord de portée 10 entre des épaulements ménagés dans les deux tronçons, pour obtenir un positionnement réciproque du tube 2 et de l'isolateur 1 encore plus précis et robuste. En outre C > n pourrait prévoir des évasements du tube 2 de part et d'autre de la zone de brasage, sans gêner la mise en place des anneaux de frette fendus 3 et 4, si ces évasements apparaissaient souhaitables. The separation into two sections of the tube 2 could make it possible to block the bearing rim 10 between shoulders formed in the two sections, in order to obtain a reciprocal positioning of the tube 2 and of the insulator 1 even more precise and robust. In addition C> n could provide flares of the tube 2 on either side of the brazing zone, without hindering the establishment of the split hoop rings 3 and 4, if these flares appeared desirable.
De façon analogue, si le tube 2 n'avait pas à dépasser l'isolateur 1, la gorge 20 se réduirait à un amincissement du tube 2 en bout, le flanc inférieur de gorge 2 étant supprimé. Similarly, if the tube 2 did not have to exceed the insulator 1, the groove 20 would be reduced to a thinning of the tube 2 at the end, the lower flank of the groove 2 being eliminated.
On comprendra d'ailleurs que, sur les figures 1 à 4, le tube 2 et l'isolateur en céramique 1 n'ont été représentés que dans leurs parties intéressant la zone de brasage, et que les pièces correspc,ndant au tube à rayons X présentent des particularités qui auraient été inutilement décrites. It will also be understood that, in FIGS. 1 to 4, the tube 2 and the ceramic insulator 1 have only been shown in their parts relating to the brazing zone, and that the corresponding parts, ndant to the ray tube X have peculiarities which would have been unnecessarily described.
Mais l'on précise que le pompage du tube terminé comporte un étuvage à 700'C, et que les pièces d'étude ont supporté des cycles de température avec des pointes à 750 C, sans détérioration de l'étanchéité du scellement métal céramique. However, it is specified that the pumping of the finished tube involves baking at 700 ° C., and that the study pieces withstood temperature cycles with peaks at 750 ° C., without deterioration of the sealing of the ceramic metal seal.
On appréciera que le procédé de l'invention permet d'exécuter des scellements étanches sur des isolateurs en céramique de diamètre très important, en supprimant les risques de mise en traction radiale de l'interface céramique tube ; l'épaisseur radiale de l'interface est sensiblement la même quel que soit le diamètre du scellement, tandis que les effets de dilatation différentielle sont proportionnels à ce diamètre. Accessoirement l'exécution des anneaux de frette par roulage d'une bande ne vient pas limiter la longueur périphérique de ces anneaux, ce qui ne serait pas le cas si les anneaux frettes étaient tirés dans la masse. It will be appreciated that the method of the invention makes it possible to execute leaktight seals on ceramic insulators of very large diameter, by eliminating the risks of radial tensioning of the ceramic tube interface; the radial thickness of the interface is substantially the same regardless of the diameter of the seal, while the effects of differential expansion are proportional to this diameter. Incidentally, the execution of the hoop rings by rolling a band does not limit the peripheral length of these rings, which would not be the case if the hoop rings were pulled in the mass.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux scellements alumine/acier inoxydable 18-8, mais englobe l'ensemble des céramiques soudables aux métaux, et des alliages utilisés dans l'exécution d'appareillages étanches; céramiques et alliages qui peuvent etre choisis en raison de leurs propriétés particulières, thermiques Cru magnétiques. It goes without saying that the invention is not limited to seals of alumina / stainless steel 18-8, but encompasses all of the ceramics which can be welded to metals, and of the alloys used in the execution of leaktight equipment; ceramics and alloys which can be chosen because of their particular properties, thermal Magnetic raw.
Par ailleurs, le molybdène est le métal type pour exécuter la frette provisoire, en raison de son faible coefficient de dilatation, de sa limite élastique élevée à la température de brasage, et sa capacité de se laisser mettre en forme convenable sans précautions particulières. Furthermore, molybdenum is the typical metal for executing the temporary hoop, because of its low coefficient of expansion, its high elastic limit at the brazing temperature, and its ability to allow itself to be shaped properly without any particular precautions.
Mais l'invention ne saurait être limitée strictement à l'application du molybdène à la constitution de la frette provisoire, si un autre métal ou alliage présentant des propriétés de coefficient de dilatation, de limite élastique et capacité de formage équivalentes, compte tenu des propriétés des composants particuliers du scellement envisagé. Par exemple certains alliages molybdène-tungstène seraient utilisables. However, the invention cannot be strictly limited to the application of molybdenum to the constitution of the provisional hoop, if another metal or alloy having equivalent coefficient of expansion, elastic limit and forming capacity properties, taking into account the properties particular components of the proposed seal. For example, some molybdenum-tungsten alloys could be used.
D'une façon générale, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution, dans le cadre des revendications. In general, the invention is not limited to the examples described, but embraces all the variant embodiments thereof, within the scope of the claims.
Claims (9)
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FR8803716A FR2628997B1 (en) | 1988-03-22 | 1988-03-22 | METAL CERAMIC WATERPROOF SEALING PROCESS FOR SUPPORTING HIGH TEMPERATURES |
Applications Claiming Priority (1)
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FR8803716A FR2628997B1 (en) | 1988-03-22 | 1988-03-22 | METAL CERAMIC WATERPROOF SEALING PROCESS FOR SUPPORTING HIGH TEMPERATURES |
Publications (2)
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FR2628997B1 FR2628997B1 (en) | 1990-12-28 |
Family
ID=9364509
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FR8803716A Expired - Lifetime FR2628997B1 (en) | 1988-03-22 | 1988-03-22 | METAL CERAMIC WATERPROOF SEALING PROCESS FOR SUPPORTING HIGH TEMPERATURES |
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FR2628997B1 (en) | 1990-12-28 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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TP | Transmission of property | ||
ST | Notification of lapse |