FR2771038A1 - Procede de fabrication d'une electrode de soudage par resistance par points et electrode de soudage obtenue - Google Patents
Procede de fabrication d'une electrode de soudage par resistance par points et electrode de soudage obtenue Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une électrode de soudage par résistance par points en alliage à base de cuivre, dans lequel on réalise un barreau dudit alliage et on usine l'électrode dans ce barreau, caractérisé en ce que l'on effectue un traitement thermique de mise en solution de tous les précipités des éléments de l'alliage autres que le cuivre et l'on effectue un traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du barreau. L'invention a également pour objet une électrode de soudage par résistance par points obtenue par ce procédé.
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'UNE ELECTRODE DE SOUDAGE PAR
RESISTANCE PAR POINTS ET ELECTRODE DE SOUDAGE OBTENUE.
RESISTANCE PAR POINTS ET ELECTRODE DE SOUDAGE OBTENUE.
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une électrode de soudage par résistance par points et une électrode de soudage obtenue par ce procédé.
Dans de nombreuses applications, comme par exemple dans l'industrie automobile ou l'électroménager, des tôles sont soudées entre elles par un procédé de soudage par résistance par points.
A cet effet, au moins deux tôles sont mises en contact, pressées par un effort déterminé entre deux organes d'amenée de courant qui sont généralement constitués par des électrodes. Au contact de ces pièces à souder, le courant électrique circule d'une électrode à l'autre en passant par lesdites tôles à souder. Un échauffement se produit, par effet Joule, à l'interface entre les tôles à souder insérées entre les deux électrodes, en particulier au niveau du contact entre les tôles à souder au droit des électrodes où la résistance ohmique est la plus faible. Ce chauffage des tôles à souder au niveau de leurs surfaces de contact permet de fondre le métal et de créer un point soudé après coupure du courant.
D'une manière générale, les électrodes de soudage par résistance par points se différencient entre elles, par leur dureté, leur charge à la rupture et leur conductibilité thermique et électrique, en jouant sur les nuances des alliages composant ces électrodes.
La plupart des électrodes de soudage par points utilisées jusqu'à présent sont à base de cuivre ou d'alliage de cuivre.
Selon les caractéristiques à obtenir, on connaît différents types d'électrodes, comme par exemple des électrodes en alliage de cuivrechrome-zirconium, ou en alliage de cuivre-argent, ou encore en alliage de tungstène-cuivre.
Les principales caractéristiques de ces différents types d'électrodes sont résumées dans le tableau 1 ci dessous.
<tb> ELECTRODES <SEP> COMPOSITION <SEP> DURETE <SEP> HB <SEP> CHARGE <SEP> A <SEP> LA <SEP> CONDUCTIBILITE
<tb> <SEP> NOMINALE <SEP> RUPTURE <SEP> Rm <SEP> ELECTRIQUE
<tb> <SEP> (%) <SEP> (N/mm) <SEP> (% <SEP> IACS)
<tb> <SEP> Type <SEP> 1 <SEP> Cr <SEP> : <SEP> 0,65 <SEP> 155à175 <SEP> 490 <SEP> à <SEP> 640 <SEP> 76 <SEP> à <SEP> 86
<tb> <SEP> Cu-Cr-Zr <SEP> Zr <SEP> : <SEP> 0,08 <SEP>
<tb> <SEP> Cu <SEP> : <SEP> reste
<tb> <SEP> Type <SEP> 2 <SEP> Cr: <SEP> 0,65 <SEP> 130 <SEP> à <SEP> 155 <SEP> 370 <SEP> à <SEP> 440 <SEP> 81 <SEP> à <SEP> 90
<tb> <SEP> Cu-Cr-Zr <SEP> Zr <SEP> : <SEP> 0,05 <SEP>
<tb> <SEP> Cu <SEP> : <SEP> reste
<tb> <SEP> Type <SEP> 3 <SEP> Ag: <SEP> 0,09 <SEP> 100 <SEP> à <SEP> 140 <SEP> > <SEP> 290 <SEP> 95 <SEP> à <SEP> 100
<tb> <SEP> Cu <SEP> - <SEP> Ag <SEP> Cu <SEP> : <SEP> reste
<tb> <SEP> Type <SEP> 4 <SEP> :80 <SEP> 80 <SEP> 210 <SEP> à <SEP> 230 <SEP> > <SEP> 500 <SEP> 27 <SEP> à <SEP> 31
<tb> <SEP> W-Cu <SEP> Cu <SEP> : <SEP> 20 <SEP>
<tb>
Tableau i
Les éléments additionnés au cuivre ont pour principale caractéristique d'améliorer les propriétés mécaniques du cuivre pur à la température de fonctionnement, en ne consentant qu'une réduction relativement faible de sa conductibilité électrique et thermique.
<tb> <SEP> NOMINALE <SEP> RUPTURE <SEP> Rm <SEP> ELECTRIQUE
<tb> <SEP> (%) <SEP> (N/mm) <SEP> (% <SEP> IACS)
<tb> <SEP> Type <SEP> 1 <SEP> Cr <SEP> : <SEP> 0,65 <SEP> 155à175 <SEP> 490 <SEP> à <SEP> 640 <SEP> 76 <SEP> à <SEP> 86
<tb> <SEP> Cu-Cr-Zr <SEP> Zr <SEP> : <SEP> 0,08 <SEP>
<tb> <SEP> Cu <SEP> : <SEP> reste
<tb> <SEP> Type <SEP> 2 <SEP> Cr: <SEP> 0,65 <SEP> 130 <SEP> à <SEP> 155 <SEP> 370 <SEP> à <SEP> 440 <SEP> 81 <SEP> à <SEP> 90
<tb> <SEP> Cu-Cr-Zr <SEP> Zr <SEP> : <SEP> 0,05 <SEP>
<tb> <SEP> Cu <SEP> : <SEP> reste
<tb> <SEP> Type <SEP> 3 <SEP> Ag: <SEP> 0,09 <SEP> 100 <SEP> à <SEP> 140 <SEP> > <SEP> 290 <SEP> 95 <SEP> à <SEP> 100
<tb> <SEP> Cu <SEP> - <SEP> Ag <SEP> Cu <SEP> : <SEP> reste
<tb> <SEP> Type <SEP> 4 <SEP> :80 <SEP> 80 <SEP> 210 <SEP> à <SEP> 230 <SEP> > <SEP> 500 <SEP> 27 <SEP> à <SEP> 31
<tb> <SEP> W-Cu <SEP> Cu <SEP> : <SEP> 20 <SEP>
<tb>
Tableau i
Les éléments additionnés au cuivre ont pour principale caractéristique d'améliorer les propriétés mécaniques du cuivre pur à la température de fonctionnement, en ne consentant qu'une réduction relativement faible de sa conductibilité électrique et thermique.
Comme cela apparaît dans le tableau 1, ces électrodes ont des caractéristiques différentes.
En effet, une électrode de type 1 possède une bonne dureté et une bonne conductibilité électrique, alors qu'une électrode de type 2 possède une moins bonne dureté et une très bonne conductibilité électrique. En revanche, I'électrode de type 3 possède une faible dureté et une très bonne conductibilité électrique, tandis que l'électrode de type 4 possède une très bonne dureté mais une très faible conductibilité électrique.
Par conséquent, on voit que, d'une manière générale, si on augmente la dureté, on diminue la conductibilité électrique, si bien qu'il est nécessaire pour obtenir le soudage d'augmenter l'intensité du courant de soudage.
Un autre problème qui se pose avec ce type d'électrodes à base de cuivre est sa durée d'utilisation.
Pour déterminer la durée maximale d'utilisation des électrodes, les fabriquants se basent sur la norme NF A87-001. Cette norme stipule que la durée maximale d'utilisation d'une électrode est déterminée en calculant le nombre de points soudés jusqu'à la limite de condition d'expulsion du noyau fondu avec des paramètres constants, c'est à dire une intensité, une force d'application des électrodes et un temps de passage du courant constants pendant toute la durée du test.
Ainsi, le nombre de points soudés avec des électrodes classiques de type 1 ou de type 2 du tableau 1 dans le cas de soudage de tôles galvanisées ne dépasse pas 500 points, tandis qu'il est de l'ordre de 600 points pour des tôles électrozinguées.
La durée d'utilisation des électrodes de soudage par points est donc variable et diminue lors du soudage de tôles revêtues et en particulier de tôles revêtues à base de zinc.
En effet, dans le cas du soudage de tôles revêtues d'une couche de revêtement de zinc ou d'alliage de zinc, le zinc présent à l'interface tôle-électrode se liquéfie sous l'effet de la température atteinte à la surface de contact de l'électrode, et s'allie au cuivre de l'électrode de soudage.
Sous l'effet du courant électrique dont l'intensité est généralement de 5 à 30 kA, on crée à l'interface tôle-tôle une fusion du métal qui atteint alors plus de 1400"C. Du fait de la convexion des calories de l'interface tôle-tôle, on atteint au niveau de l'interface tôle-électrode des températures de l'ordre de 800"C, qui sont supérieures à la température de fusion du zinc. Par conséquent, le zinc fond et s'allie au cuivre de l'électrode pour former du laiton au niveau de cette électrode.
Sous l'effet des efforts de soudage exercée sur l'électrode, qui sont de l'ordre de 200 à 230 daN pour des épaisseurs de tôles à souder de l'ordre de 0,7 à 1 mm, la face active de l'électrode, en contact avec la tôle, s'écrase car les caractéristiques mécaniques du laiton sont inférieures à celles de l'alliage constitutif de l'électrode.
Ainsi, du fait de l'augmentation de la surface de contact tôleélectrode, à intensité de courant égale, la densité de courant diminue, ce qui entraîne un développement moindre du noyau fondu à l'interface tôle-tôle, et de ce fait un moins bon soudage, ce qui provoque des problèmes de tenue mécanique des points soudés.
De plus, I'écrasement de la surface active de l'électrode du fait de la présence de laiton au niveau de cette surface active, provoque la formation de cratères dans cette surface active et par conséquent une diminution de la conductibilité électrique.
Ces phénomènes nécessitent de remplacer à intervalles réguliers les électrodes de soudage ou bien de les réagréer au moyen de dispositifs d'usinage spécifiques, ce qui augmente le coût du soudage par points.
Pour augmenter arbitrairement la durée de vie des électrodes, il est connu d'augmenter l'intensité du courant de soudage en fonction du nombre de points réalisés, ou de nettoyer les électrodes tous les 250 à 500 points.
Mais ces solutions ne donnent pas entière satisfaction car les installations de nettoyage des électrodes sont complexes et coûteuses et on ne peut nettoyer les électrodes qu'une vingtaine de fois.
Une autre solution connue consiste à placer sur la partie de l'électrode destinée à être en contact avec la tôle à souder, une pastille réalisée en un matériau conducteur électrique ayant une température de fusion supérieure à 1000"C et chimiquement inerte à l'égard du ou de chaque matériau composant les tôles à souder. Cette pastille est par exemple en nitrure de titane ou en molybdène.
Mais ce type d'électrodes a pour inconvénient de posséder une conductibilité électrique moyenne et d'être particulièrement onéreux.
De plus, les électrodes de soudage par résistance par points utilisées jusqu'à présent présentent une diminution significative de dureté à partir d'une certaine température.
A titre d'exemple, les électrodes au cuivre-chrome-zirconium présentent une chute de leur dureté entre 450"C et 500"C, suivant leur teneur en zirconium, et les électrodes au cuivre-argent présentent une chute de leur dureté à environ 350"C.
Cette diminution de la dureté entraîne également une augmentation de la surface active des électrodes, et par conséquent une diminution de la durée de vie des électrodes.
L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication d'une électrode de soudage par résistance par points permettant d'obtenir une électrode qui présente une conductibilité thermique et une conductibilité électrique élevées jusqu'à des températures aussi hautes que possible, des caractéristiques mécaniques élevées pour des hautes températures et une bonne résistance à la diffusion du revêtement des tôles à souder.
Par conséquent, le but recherché par le procédé selon l'invention est d'augmenter les caractéristiques mécaniques à froid et à chaud de l'électrode, tout en optimisant la ductilité, la résilience, et surtout la conductibilité thermique et électrique à froid et à chaud, et de réduire le coût de soudage.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une électrode de soudage par résistance par points en alliage à base de cuivre, dans lequel on réalise un barreau dudit alliage et on usine l'électrode dans ce barreau, caractérisé en ce que l'on effectue un traitement thermique de mise en solution de tous les précipités des éléments de l'alliage autres que le cuivre et on effectue un traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du barreau.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention
- le traitement thermique de mise en solution consiste à chauffer le barreau à une température comprise entre la température de recristallisation de l'alliage et la température de fusion dudit alliage, suivi d'un refroidissement rapide,
- après avoir effectué le traitement thermique de mise en solution des précipités, on effectue le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du barreau et l'on effectue un traitement thermique de vieillissement de la structure obtenue,
- après avoir effectué le traitement thermique de mise en solution des précipités, on effectue le traitement thermique de mise en solution, puis on effectue un traitement thermique de vieillissement de la structure obtenue, puis on effectue un traitement mécanique de grande déformation plastique de cisaillement à froid du barreau, et on effectue un traitement thermique de relaxation des contraintes,
- le traitement thermique de vieillissement est réalisé à une température comprise entre 380 et 500"C, de préférence entre 380 et 420"C, pendant une durée comprise entre 3 et 10 heures, de préférence entre 3 et 5 heures, pour obtenir de très fins précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre, disposés de manière homogène dans toute la structure avec une taille de grains desdits précipités inférieure à 0,5 micromètres,
- le traitement thermique de vieillissement est réalisé à une température comprise entre 450 et 650"C, de préférence entre 450 et 500"C, pendant une duurée comprise entre 10 et 20 heures, pour obtenir des précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre, dispersés de manière homogène dans toute la structure avec une taille de grain desdits précipités comprise entre 0,5 et 10 micromètres,
- le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid consiste à faire passer le barreau au moins une fois à travers un tunnel de section égale à celle du barreau, comportant deux tronçons continus et formant entre-eux un angle déterminé pour obtenir des grains de cuivre de taille comprise entre 0,1 et 0,4 micromètres,
- la structure métallographique du barreau après le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid est du type lamellaire
- la structure métallographique du barreau après le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid est du type équiaxe.
- le traitement thermique de mise en solution consiste à chauffer le barreau à une température comprise entre la température de recristallisation de l'alliage et la température de fusion dudit alliage, suivi d'un refroidissement rapide,
- après avoir effectué le traitement thermique de mise en solution des précipités, on effectue le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du barreau et l'on effectue un traitement thermique de vieillissement de la structure obtenue,
- après avoir effectué le traitement thermique de mise en solution des précipités, on effectue le traitement thermique de mise en solution, puis on effectue un traitement thermique de vieillissement de la structure obtenue, puis on effectue un traitement mécanique de grande déformation plastique de cisaillement à froid du barreau, et on effectue un traitement thermique de relaxation des contraintes,
- le traitement thermique de vieillissement est réalisé à une température comprise entre 380 et 500"C, de préférence entre 380 et 420"C, pendant une durée comprise entre 3 et 10 heures, de préférence entre 3 et 5 heures, pour obtenir de très fins précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre, disposés de manière homogène dans toute la structure avec une taille de grains desdits précipités inférieure à 0,5 micromètres,
- le traitement thermique de vieillissement est réalisé à une température comprise entre 450 et 650"C, de préférence entre 450 et 500"C, pendant une duurée comprise entre 10 et 20 heures, pour obtenir des précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre, dispersés de manière homogène dans toute la structure avec une taille de grain desdits précipités comprise entre 0,5 et 10 micromètres,
- le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid consiste à faire passer le barreau au moins une fois à travers un tunnel de section égale à celle du barreau, comportant deux tronçons continus et formant entre-eux un angle déterminé pour obtenir des grains de cuivre de taille comprise entre 0,1 et 0,4 micromètres,
- la structure métallographique du barreau après le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid est du type lamellaire
- la structure métallographique du barreau après le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid est du type équiaxe.
- le traitement thermique de relaxation des contraintes est réalisé à une température comprise entre 200 et 300"C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 1 heure 30.
L'invention a également pour objet une électrode de soudage par résistance par points en alliage à base de cuivre, caractérisée en ce qu'elle présente une structure comportant des grains de cuivre de taille comprise entre 0,1 et 0,4 micromètres et des précipités des éléments d'alliage de taille inférieure à 0,5 micromètres et présents entre les grains de cuivre.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la structure de l'électrode est du type lamellaire, ou du type équiaxe.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- les figures 1 à 7 sont des coupes successives d'une électrode montrant l'évolution de la structure métallographique de cette électrode au cours des différentes étapes du procédé de fabrication selon l'invention,
- la figure 8 est une vue schématique illustrant l'étape de traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du procédé selon l'invention.
- les figures 1 à 7 sont des coupes successives d'une électrode montrant l'évolution de la structure métallographique de cette électrode au cours des différentes étapes du procédé de fabrication selon l'invention,
- la figure 8 est une vue schématique illustrant l'étape de traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du procédé selon l'invention.
Dans ce qui suit, la description est faite pour une électrode de soudage par résistance par points du type cuivre-chrome-zirconium. Le procédé selon l'invention peut bien évidemment être appliqué pour d'autres types d'électrodes.
D'une manière générale, le procédé de fabrication selon l'invention d'une électrode de soudage par résistance par points en alliage à base de cuivre, consiste à:
- réaliser un barreau dudit alliage,
- effectuer un traitement thermique de mise en solution de tous les précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre,
- effectuer un traitement mécanique de déformation plastique par cisaillement à froid du barreau, puis un traitement thermique de vieillissement servant à optimiser la taille et la dispersion des précipités susceptibles de se former dans l'alliage constitutif de l'électrode, ou bien effectuer d'abord un traitement thermique de vieillissement servant à optimiser la taille et la dispersion des précipités susceptibles de se former dans l'alliage constitutif de l'électrode, suivi d'un traitement mécanique de déformation plastique par cisaillement à froid du barreau,
- éventuellement effectuer un traitement thermique de relaxation des contraintes,
- et à usiner l'électrode dans ce barreau.
- réaliser un barreau dudit alliage,
- effectuer un traitement thermique de mise en solution de tous les précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre,
- effectuer un traitement mécanique de déformation plastique par cisaillement à froid du barreau, puis un traitement thermique de vieillissement servant à optimiser la taille et la dispersion des précipités susceptibles de se former dans l'alliage constitutif de l'électrode, ou bien effectuer d'abord un traitement thermique de vieillissement servant à optimiser la taille et la dispersion des précipités susceptibles de se former dans l'alliage constitutif de l'électrode, suivi d'un traitement mécanique de déformation plastique par cisaillement à froid du barreau,
- éventuellement effectuer un traitement thermique de relaxation des contraintes,
- et à usiner l'électrode dans ce barreau.
Le traitement thermique de mise en solution de tous les précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre, consiste à chauffer le barreau à une température comprise entre la température de recristallisation de l'alliage et la température de fusion de cet alliage, suivi d'un refroidissement rapide.
Ce refroidissement rapide, qui peut être une trempe, permet de figer la structure obtenue.
Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, ces traitements permettent de passer d'une première structure métallographique du barreau, représentée sur la figure 1, dans laquelle les grains de cuivre 1 sont lamellaires et les précipités 2 de chrome et de zirconium sont répartis entre les grains de cuivre, vers une nouvelle structure métallographique, représentée sur la figure 2, dans laquelle les grains de cuivre 1 ont grossis et sont devenus sensiblement équiaxes, et les précipités 2 à base de zirconium et de chrome sont en solution aussi bien à l'intérieur de ces grains de cuivre que dans les joints de grains.
Selon une première variante de réalisation du procédé selon l'invention, on réalise d'abord un traitement thermique de vieillissement, puis un traitement mécanique de déformation plastique par cisaillement à froid.
La description qui suit et qui fait références aux figures 3 et 4 concerne cette première variante de réalisation du procédé.
Le traitement thermique de vieillissement a pour but d'optimiser la taille et la répartition des précipités 2 de chrome et de zirconium, pour que ces précipités aient une taille moyenne inférieure à 0,5 micromètres.
Comme on peut le voir sur la figure 3, on obtient après ce traitement thermique de vieillisssement accéléré de très fins précipités 2 de chrome et de zirconium, dispersés de manière homogène dans toute la structure en dehors des grains de cuivre.
Cette dispersion homogène dans toute la structure des précipités 2 de chrome et de zirconium favorise l'augmentation des caractéristiques mécaniques et notamment induisent un durcissement du barreau.
Selon un premier mode de réalisation préférenciel du traitement thermique de vieillissement, celui-ci est réalisé, sous atmosphère purifiée d'argon pour éviter les oxydations en surface, à une température comprise entre 380"C et 500"C, pendant une durée comprise entre 3 et 10 heures.
Pour des raisons de coût du traitement, il est tout à fait possible de réaliser le traitement thermique entre 380"C et 420"C pendant 3 à 5 heures, sans nuire aux effets de ce traitement.
Dans l'exemple de réalisation qui a été effectué, ce traitement thermique a été effectué à 400"C pendant 4 heures.
Ce premier mode de réalisation permet d'obtenir de très petits précipités, de taille moyenne inférieure à 0,5 micromètres, dispersés de manière très homogène dans la structure, ce qui procure un effet de durcissement maximal.
Selon un second mode de rélisation du traitement thermique de vieillissement, celui-ci est effectué à une température comprise entre 450"C et 650"C pendant une durée comprise entre 10 et 20 heures, de préférence entre 450"C et 500"C. Dans l'exemple de réalisation qui a été effectué, ce traitement thermique a été effectué à 480"C pendant 16 heures.
Ce second mode de réalisation du traitement thermique de vieillissement permet d'obtenir des précipités 2 un peu plus gros qu'avec le premier mode de réalisation, d'une taille moyenne comprise entre 0,5 et 1 micromètres, légèrement moins bien répartis. L'effet de durcissement est donc moindre, mais ce mode de réalisation facilite le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid.
Le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du barreau consiste à forcer par une presse ledit barreau à passer au moins une fois à travers un tunnel de section égale à celle du barreau et comportant deux tronçons continus 3, 4. Ces deux tronçons forment entre eux un angle déterminé.
Ainsi, la tranche de matériau située dans le plan d'intersection des deux tronçons du tunnel, est déformée par cisaillement simple.
Au fur et à mesure de l'avancement du barreau dans le tunnel, I'ensemble du matériau est, tranche par tranche, uniformément déformé, comme on peut le voir schématiquiement sur la figure 8.
Le nombre de passes successives du barreau dans le tunnel et l'angle entre les deux tronçons 3, 4 de ce tunnel sont déterminés en fonction de la forme et de la taille des grains de cuivre que l'on désire obtenir.
Après chaque passage du barreau dans le tunnel, la structure métallographique de ce barreau est modifiée, la taille des grains de cuivre étant réduite par grandes déformations plastiques par cisaillement.
Dans le cas où le passage du barreau dans le tunnel de déformation à froid est réalisée toujours dans le même sens d'introduction du barreau, les grains de cuivre présentent une structure de type lamellaire, comme représenté sur la figure 4.
Dans le cas où le sens d'introduction du barreau dans le tunnel de déformation à froid est inversée à chaque passage du barreau, les grains de cuivre présentent une structure de type équiaxe, comme représenté sur la figure 5.
Après le traitement mécanique de déformation plastique par cisaillement à froid, les grains 1 de cuivre ont une taille généralement comprise entre 0,1 et 0,4 micromètres.
Après avoir réalisé ce traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid, on réalise un traitement thermique de relaxation des contraintes.
Ce traitement thermique de relaxation des contraintes est réalisé à une température comprise entre 200"C et 300"C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 1 heure 30. Il permet outre la relaxation des contraintes induites dans le barreau par le traitement mécanique précédent, d'augmenter sensiblement la conductibilité électrique.
Pour résumer cette première variante de réalisation du procédé de fabrication selon l'invention d'une électrode, celui ci consiste:
- à effectuer un traitement thermique de mise en solution des précipités 2 de chrome et de zirconium aussi bien à l'intérieur des grains 1 de cuivre que dans les joints de grains et d'augmentation importante de la taille de ces grains de cuivre,
- à effectuer un traitement thermique de vieillissement ayant un effet durcissant et qui permet d'obtenir une répartition homogène de très fins précipités 2 de chrome et de zirconium dans la structure, en dehors des grains 2 de cuivre,
- à effectuer un traitement de grande déformation plastique par cisaillement à froid réduisant la taille des grains de cuivre,
- à réaliser un traitement thermique de relaxation des contraintes,
- et à usiner l'électrode.
- à effectuer un traitement thermique de mise en solution des précipités 2 de chrome et de zirconium aussi bien à l'intérieur des grains 1 de cuivre que dans les joints de grains et d'augmentation importante de la taille de ces grains de cuivre,
- à effectuer un traitement thermique de vieillissement ayant un effet durcissant et qui permet d'obtenir une répartition homogène de très fins précipités 2 de chrome et de zirconium dans la structure, en dehors des grains 2 de cuivre,
- à effectuer un traitement de grande déformation plastique par cisaillement à froid réduisant la taille des grains de cuivre,
- à réaliser un traitement thermique de relaxation des contraintes,
- et à usiner l'électrode.
Selon une seconde variante de réalisation du procédé selon l'invention, on réalise d'abord un traitement mécanique de déformation plastique par cisaillement à froid, puis un traitement thermique de vieillissement.
La description qui suit et qui fait référence aux figures 6 et 7 concerne cette seconde variante de réalisation du procédé.
Selon cette seconde variante de réalisation du procédé, après avoir réalisé le traitement thermique de mise en solution de tous les précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre, et qui aboutit à la structure métallographique représentée sur la figure 2, on réalise un traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du barreau.
Ce traitement mécanique est identique à celui de la première variante de réalisation et la structure métallographique du barreau après ce traitement, représentée sur la figure 6, présente des précipités 2 de chrome et de zirconium en solution, c'est à dire aussi bien dans les grains 1 de cuivre que dans les joints de grains.
Cette structure métallographique est soit équiaxe, soit lamellaire en fonction des conditions opératoires du traitement mécanique.
On réalise ensuite un traitement thermique de vieillissement accéléré, identique à celui de la première variante de réalisation du procédé, qui a pour but de sortir les précipités 2 de chrome et de zirconium des grains 1 de cuivre et ainsi d'obtenir un durcissement maximum.
Selon cette variante de réalisation, le traitement thermique de relaxation des contraintes nécessaire selon la première variante de réalisation du procédé, n'est pas nécessaire, car les contraintes générées au cours du traitement mécanique sont relaxées au cours du traitement de vieillissement.
Ainsi, le procédé de fabrication selon l'invention, dans ses deux variantes de réalisation, permet d'optimiser les propriétés mécaniques et électriques de l'électrode.
Les propriétés mécaniques sont augmentées à la fois par durcissement par précipitation et par affinage des grains.
Le durcissement par précipitation est obtenu par le traitement thermique de mise en solution et le traitement thermique de vieillissement. En effet, la réduction de la taille des précipités et l'homogénéité de leur dispersion favorisent l'augmentation des caractéristiques mécaniques.
Le durcissement par affinement des grains est obtenu par le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid. Grâce à ce traitement mécanique, le matériau obtenu possède des caractéristiques mécaniques accrues, c est à dire une limite d'élasticité et une résistance à la traction plus élevées ainsi qu'une meilleure dureté.
Par ailleurs, la ductilité et la résilience du matériau constituant l'électrode sont améliorées.
Par exemple, pour une électrode ayant la composition suivante:
- chrome: 0165%
- zirconium: 0,05%
- cuivre: reste et possédant une dureté comprise entre 130 et 155 et une charge à la rupture comprise entre 370 et 440 N/mm2 (type 2 dans le tableau 1), le procédé selon l'invention permet d'obtenir une dureté supérieure à 160 et une charge à la rupture supérieure à 500 N/mm2
Concernant l'optimisation des propriétés électriques par le procédé selon l'invention, deux facteurs y contribuent.
- chrome: 0165%
- zirconium: 0,05%
- cuivre: reste et possédant une dureté comprise entre 130 et 155 et une charge à la rupture comprise entre 370 et 440 N/mm2 (type 2 dans le tableau 1), le procédé selon l'invention permet d'obtenir une dureté supérieure à 160 et une charge à la rupture supérieure à 500 N/mm2
Concernant l'optimisation des propriétés électriques par le procédé selon l'invention, deux facteurs y contribuent.
Ces facteurs sont le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid et le traitement thermique de relaxation des contraintes.
La très fine microstructure obtenue lors de la grande déformation plastique par cisaillement favorise la conductibilité électrique par rapport aux structures plus grossières obtenue selon les procédés de fabrication des éléctrodes de l'état de la technique, par des niveaux de déformation moins élevés. Ceci est du à la présence d'un volume plus important de joints de grains dans la microstructure obtenue.
Le traitement de relaxation des contraintes augmente la conductibilité électrique par une réduction des dislocations qui migrent au joints de grains et par un rééquilibrage thermodynamique de ces joints de grains.
D'autre part, deux facteurs contribuent au maintien des propriétés de l'électrode à haute température.
Ces deux facteurs sont le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid, et le traitement thermique de vieillissement.
Le traitement mécanique de grande déformation plastique permet d'obtenir une très fine structure et par conséquent de retarder la recristallisation.
Le traitement thermique de vieillissement permet également de retarder la recristallisation.
En effet, les précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre, comme ils sont très fins, se mettent aux joints des grains de cuivre et bloquent ainsi leurs mouvements et leur croissance.
Enfin, le traitement thermique de vieillissement et le traitement mécanique de déformation à froid contribuent à la réduction de la diffusion du revêtement des tôles à souder dans la matière de l'électrode.
Cette électrode de soudage par résistance par points présente une structure comportant des grains de cuivre de taille comprise entre 0,1 et 0,4 micromètres et des précipités des éléments d'alliage de taille inférieure à 0,5 micromètres et présents entre les grains de cuivre.
Cette structure est lamellaire ou équiaxe.
Le procédé de fabrication selon l'invention permet donc d'augmenter les caractéristiques mécaniques à froid du matériau constituant l'électrode par action combinée d'un durcissement par précipitation et surtout d'un affinement des grains, d'optimiser la ductilité et la résilience à froid du matériau, et d'optimiser la conductibilité électrique et thermique à froid de ce matériau, ce qui réduit les risques de fissuration lors du soudage et augmente la durée de vie des électrodes d'environ 30 % dans le cas des électrodes de type 2 en cuivre-chrome-zirconium.
Ce procédé permet également d'élargir d'un facteur 2 le domaine de soudabilité pour une électrode de même composition, à conditions de soudage identiques.
Claims (13)
1 - Procédé de fabrication d'une électrode de soudage par résistance par points en alliage à base de cuivre, dans lequel on réalise un barreau dudit alliage et on usine l'électrode dans ce barreau, caractérisé en ce que l'on effectue un traitement thermique de mise en solution de tous les précipités des éléments de l'alliage autres que le cuivre et l'on effectue un traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du barreau.
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique de mise en solution consiste à chauffer le barreau à une température comprise entre la température de recristallisation de l'alliage et la température de fusion dudit alliage, suivi d'un refroidissement rapide.
3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que après avoir effectué le traitement thermique de mise en solution des précipités, on effectue le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid du barreau et on effectue un traitement thermique de vieillissement de la structure obtenue.
4 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que après avoir effectué le traitement thermique de mise en solution des précipités, on effectue un traitement thermique de vieillissement de la structure obtenue, puis on effectue un traitement mécanique de grande déformation plastique de cisaillement à froid du barreau, et on effectue un traitement thermique de relaxation des contraintes.
5 - Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le traitement thermique de vieillissement est réalisé à une température comprise entre 380 et 500"C, de préférence entre 380 et 420"C, pendant une durée comprise entre 3 et 10 heures, de préférence entre 3 et 5 heures, pour obtenir de très fins précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre, disposés de manière homogène dans toute la structure avec une taille de grains desdits précipités inférieure à 0,5 micromètres.
6 - Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le traitement thermique de vieillissement est réalisé à une température comprise entre 450 et 650"C, de préférence entre 450 et 500"C, pendant une durée comprise entre 10 et 20 heures, pour obtenir des précipités des éléments d'alliage autres que le cuivre, dispersés de manière homogène dans toute la structure avec une taille de grain desdits précipités comprise entre 0,5 et 10 micromètres.
7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid consiste à faire passer le barreau au moins une fois à travers un tunnel de section égale à celle du barreau, comportant deux tronçons continus et formant entre-eux un angle déterminé pour obtenir des grains de cuivre de taille comprise entre 0,1 et 0,4 micromètres.
8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la structure métallographique du barreau après le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid est du type lamellaire.
9 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la structure métallographique du barreau après le traitement mécanique de grande déformation plastique par cisaillement à froid est du type équiaxe.
10 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le traitement thermique de relaxation des contraintes est réalisé à une température comprise entre 200 et 300"C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 1 heure 30.
11 - Electrode de soudage par résistance par points en alliage à base de cuivre, caractérisé en ce qu'elle présente structure comportant des grains de cuivre de taille comprise entre 0,1 et 0,4 micromètres et des précipités des éléments d'alliage de taille inférieure à 0,5 micromètres et présents entre les grains de cuivre.
12 - Electrode selon la revendication 11, caractérisée en ce que la structure de l'électrode est du type lamellaire.
13 - Electrode selon la revendication 11, caractérisée en ce que la structure de l'électrode est du type équiaxe.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1997
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