WO2019141916A1 - Electrode de soudage pour tôles en aluminium ou acier et procede d'obtention de l'electrode - Google Patents

Electrode de soudage pour tôles en aluminium ou acier et procede d'obtention de l'electrode Download PDF

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WO2019141916A1
WO2019141916A1 PCT/FR2019/000007 FR2019000007W WO2019141916A1 WO 2019141916 A1 WO2019141916 A1 WO 2019141916A1 FR 2019000007 W FR2019000007 W FR 2019000007W WO 2019141916 A1 WO2019141916 A1 WO 2019141916A1
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electrode
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temperature
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François PRIMAUX
Thierry SOREAU
Samuel DETREZ
Alain BOUYER
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Lebronze Alloys
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    • B22D11/001—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths of specific alloys
    • B22D11/004—Copper alloys

Definitions

  • the present invention relates to the field of welding electrodes.
  • the invention is more particularly related to copper resistance welding electrodes.
  • the electrodes according to the invention will be particularly interesting especially for welding aluminum sheets together.
  • the electrodes according to the invention can also be used for welding steel sheets.
  • aluminum sheets in the rest of the description refers to sheets made from alloys comprising aluminum, in particular AlMgSi (aluminum-magnesium-silicon) alloy sheets, or AlMgMn alloy (aluminum-magnesium-manganese).
  • the clamping force between said two sheets to be assembled is increased.
  • current is passed between two electrodes which are arranged on either side of said sheets.
  • the passage of the current between the two electrodes causes an increase in the temperature in the area concerned of the sheets, to the melting point between the two sheets, which creates, after solidification, a welding point at the sheet metal interface. -Sheet metal.
  • the clamping force reduces the contact resistance between the sheet and the electrode.
  • the pressure maintains contact between the electrode and the sheet assembly.
  • a clamp plate the assembly with copper electrodes a material both excellent conductor of electricity and heat. This choice reduces the heated area, which is limited to the contact area between the two sheets to be welded.
  • the pressure is maintained, and the electrical current is stopped to cool the welding point before separating the electrodes from the assembled plates and then proceed to the next welding point.
  • the welding parameters are therefore dependent, in particular, on the electrical resistance of the sheets, the interface resistance between the sheets and the electrode, the total thickness of the assembly and the diameter of the electrodes.
  • Such a method is for example commonly used in the assembly of steel sheets having a small thickness.
  • This method can also be implemented, but less commonly, for aluminum sheets.
  • a welding electrode for steel sheets including sheets having an anticorrosion coating, and whose base composition consists of an alloy of copper, chromium and zirconium, and further comprising phosphorus and / or magnesium.
  • the proportion of chromium in the alloy is between 0.4 and 0.8% by weight, that of zirconium is between 0.02 and 0.09% and the total proportion of phosphorus and magnesium is greater than 0.005% in bulk, with a magnesium content of less than 0.1% by weight and a proportion of phosphorus of less than 0.03% by weight.
  • the remainder of the composition consists of copper.
  • the metallurgical structure of this electrode is particular and comprises incoherent chromium precipitates of which more than 90% have a projected area less than Imth 2 , said incoherent chromium precipitates having dimensions included between 10 and 50 nm.
  • said electrode has a fiber structure.
  • the electrical conductivity of such an electrode for welding steel sheets is greater than 85% IACS.
  • Such electrodes are particularly advantageous for welding steel sheets, in particular because they are more resistant to the phenomenon of corrosion than the usual electrodes. This corrosion phenomenon results from the chemical reaction of the copper of the electrode and the zinc of the coating with the iron of the steel sheet, and leads to a degradation of the surface layer of the electrode, requiring a regular withdrawal of the corrosion layer, or even change electrode.
  • the temperature at the welding point reaches a value of 1560 ° C and, when in contact with the surface of the steel sheet, the surface of the electrode goes reach a temperature above 700 ° C.
  • the electrode as described in the international application WO 2016/203122 thus allows an improvement in the creep resistance at temperatures above 700 ° C, and can in some cases reach 800 ° C, when welding steel sheets together. .
  • Another advantage in the use of aluminum sheets is improved resistance to corrosion, rendering unnecessary the presence of zinc-based anticorrosion coating required for steel sheets.
  • the welding point requires reaching a contact temperature between the two sheets of 660 ° C, substantially lower than the temperature of 1560 ° C reached at the point of welding of two steel sheets.
  • the surface temperature of the sheet in contact with the electrode will be therefore also lower than that observed when welding steel.
  • the energy dissipated in the electrode is proportional to the square of the intensity, the electrical resistance of the electrode, and the welding time. Specifically, this dissipated energy is 2.4 times higher in an electrode used for welding aluminum sheets compared to an electrode for steel.
  • the electrical resistance being inversely proportional to the electrical conductivity, it is necessary, for welding aluminum, to have an electrode having an electrical conductivity greater than 90% IACS (for International Annealed Copper Standard), while a higher conductivity at 75% IACS is required for welding steel.
  • IACS International Annealed Copper Standard
  • the chemical reaction is the result of hot contact between the aluminum of the sheet and the copper of the electrode, which forms a layer of oxygen alloy, aluminum and copper.
  • This layer is substantially more resistive than the layer of copper and zinc alloy that forms on the surface of the electrode during the welding of two steel sheets coated with corrosion protection of zinc.
  • the surface layer of the electrode, during the welding of aluminum sheets, is therefore much more likely to heat up under the effect of the resistance and the applied intensity than the matrix of this same electrode. to promote the fusion bonding of oxidized aluminum to the surface of the electrode, which should be avoided.
  • the surface temperature of an electrode during the welding of aluminum is between 500 and 550 ° C., whereas this same temperature is greater than 700 ° C. during steel welding.
  • the temperature difference between the surface of the electrode and the temperature of the metal to be welded is much greater in the case of welding of the steel, compared to the welding of aluminum sheets.
  • the contact temperature between the two sheets when they are steel must reach 1550 - 1560 ° C for there to be melting, while the surface temperature of the The electrode is greater than 700 ° C, which results in a temperature difference of the order of 750-850 ° C.
  • the contact temperature between the two sheets must reach 660 ° C. while the surface of the electrode has a temperature of the order of 500 to 550 ° C., which results in a maximum temperature difference of the order of 160 ° C.
  • the zinc surface layer protects the steel from the sheet during hot welding against corrosion.
  • the zinc layer blocks the heating of the sheet by the effect of the latent heat of melting of the zinc and prevents direct contact of the iron of the steel with the air.
  • Such a zinc surface layer does not exist on aluminum sheets. Therefore, no protection is provided in the case of welding of aluminum sheets.
  • the alloy layer comprising oxygen, aluminum and highly resistive copper, which accumulates on the surface of the electrode at each welding of two aluminum sheets together, will increase this resistive effect and increase the contact temperature between the electrode and the aluminum sheet, until the melting temperature of aluminum.
  • the welded spot is ejected, that is, ejection of molten metal at the outer face of the sheets, and the quality of the welded spot is degraded.
  • thermodynamic reaction when the surface of the electrode is contacted with an aluminum or steel sheet, this results, on the one hand, from the hot flow of the surface of the electrode during welding, under the effect of the clamping force exerted by the welding clamp, and, on the other hand, the surface tearing of the electrode under the effect of the force of opening the clamp at the end welding.
  • the contact surface of the electrode will expand, resulting in a reduction in current density and less and less localized heating at equal welding intensity.
  • the diameter of the welded point is reduced, and becomes insufficient to ensure the assembly of the two sheets.
  • an electrode having in all cases an improved electrical conductivity, in particular for the welding of aluminum-based sheets, but also for the welding of steel sheets, and which makes it possible to reduce the resistance contact between the sheet and the electrode thus avoiding heating to the contact surface of the electrode and the disadvantages thereof.
  • the present invention relates to an electrode made of copper, chromium, zirconium and phosphor alloy for welding metal sheets made of steel and aluminum or aluminum alloys, characterized in that the alloy consists of chromium in a proportion greater than or equal to 0.1% and less than 0.4% by mass, of zirconium in a proportion of between 0.02 and 0.04% by mass, of phosphorus in a proportion of less than 0.015% in bulk, the remainder of the composition being copper and unavoidable impurities in a proportion of less than 0.1% by weight, and the electrical conductivity of said electrode being greater than or equal to 90% IACS (International Annealed Copper Standard).
  • IACS International Annealed Copper Standard
  • the structure of the electrode comprises incoherent chromium precipitates of which more than 90% have a projected area of less than 1 ⁇ m 2 , said incoherent chromium precipitates having dimensions of at least between 10 and 50 nm, said electrode having in addition, a fiber-reinforced structure, visible in a transverse section of the active face of said electrode after surfacing and etching, said structure being constituted, on the one hand, of a plurality of radial fibers, said fibers having a thickness of less than 1 mm and, secondly, a substantially central zone without fiberization having a diameter less than 5 mm.
  • said electrode when it is used in the case of welding of aluminum or aluminum alloy sheets, is capable of allowing the maintenance of a specific pressure greater than or equal to 120 MPa when welding between they two aluminum sheets, to limit the contact resistance between said electrode and the outer surface of one of two aluminum sheets.
  • the electrode according to the present invention is particularly interesting and suitable in particular for use in the welding of aluminum or aluminum alloy sheets, but also for the welding of steel sheets, in particular particular because of the particularly high electrical conductivity it has.
  • the proportion of chromium is between 0.2 and 0.3% by weight.
  • the proportion of zirconium is between 0.03 and 0.04% by weight.
  • the proportion of phosphorus is less than 0.01% by weight.
  • the proportion of unavoidable impurities is less than 0.05% by weight.
  • a weighting coefficient is assigned to each chemical element likely to be present as an impurity in the alloy, as a function of the effect of said chemical element on the electrical conductivity; the sum of the weighted proportions of each of said chemical elements, in part per million, being less than 5000.
  • the sum of the weighted proportions of each of said chemical elements, in parts per million, is less than 2000.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing a welding electrode according to the invention, by continuous casting, from an alloy consisting of chromium in a proportion greater than or equal to 0.1% and less than 0.4. % by weight, of zirconium in a proportion of between 0.02 and 0.04% by weight, of phosphorus in a proportion of less than 0.015% by weight, the remainder of the composition being copper and unavoidable impurities in a lower proportion; at 0.1% by weight, said process comprising at least the following steps: a) melting the various components of the alloy, namely copper, chromium, zirconium and phosphorus and / or magnesium at a higher temperature or equal to 1200 ° C;
  • said method comprising at least one aging treatment step or income before and / or after the step e) shaping the electrode, and wherein the metallurgical structure of the active surface of said electrode process comprises precipitates incoherent chromium of which more than 90% have a projected area of less than 1 ⁇ m 2 , said incoherent chromium precipitates having dimensions of at least 10 to 50 nm, said electrode further having a fiber structure, visible in a cross-section of the active face of said electrode after surfacing and etching, said structure being constituted, on the one hand, of a plurality of radial fibers, said fibers having a thickness of less than 1 mm, and, on the other hand, of a zone substantially fiber-free core having a diameter of less than 3 mm, and the electrical conductivity of said electrode being greater than or equal to 90% IACS (for International Annealed Copper Standard).
  • IACS for International Annealed Copper Standard
  • the melting of the various components of the alloy of step a) is carried out at a temperature of between 1200 ° C. and 1300 ° C.
  • step b this is advantageously carried out with the maintenance of a temperature of the liquid metal in the casting furnace between 1150 and 1250 ° C.
  • the cooling of said bar of step c) can be carried out at a cooling rate of at least 30 ° C./s for temperatures below 900 ° C., until the bar is cooled to a temperature at more than 100 ° C.
  • the aging treatment may, in a first embodiment of the method, be carried out before the step e) of shaping the electrode and consist of a precipitation treatment carried out at a temperature between 450 and 480 ° C for a period of 1 to 2 hours.
  • the precipitation treatment is carried out at a temperature of between 450 and 480 ° C. for a period of 1 to 2 hours, according to the step e) of shaping the electrode.
  • the diameter d of the die is preferably between 20 and 70 mm, preferably between 20 and 40 mm.
  • step d) cold deformation an external machining operation, less than 0.5 mm thick is advantageously carried out to eliminate the surface defects generated in step c) solidification.
  • the present invention has many advantages.
  • the electrical conductivity of the latter is particularly high, typically greater than or equal to 90% IACS. This improved conductivity makes it possible to overcome the decrease in electrical resistance of aluminum, compared to that of steel.
  • the electrode of the invention has a substantially improved resistance to the creep phenomenon, and this compared to the CuZr electrodes currently used for welding aluminum sheets in the automotive industry. This improved creep resistance results from high hardness preserved despite the heating generated in the electrode and on its surface during welding.
  • the contact surface of the electrode with the sheet will be less subject to expansion under the effect of the clamping force exerted by the welding clamp and thus the bonding of the electrode on the sheet will be limited . Therefore, when opening the clamp, less micro-surface tearing will occur at the electrode.
  • This creep resistance makes it possible to reduce the effect of broadening the contact surface which is usually capable of causing a decrease in the current density and a reduction in the diameter of the welded spot, which would become insufficient to guarantee the assembly of the two sheets.
  • this creep resistance makes it possible to maintain a high specific pressure and to reduce the contact resistance.
  • poor contact resistance favors diffusion of aluminum into the copper at the surface of the electrode and transfer of aluminum oxide to the surface of the electrode. the electrode.
  • the contact resistance results from the formation of a highly resistive oxygen, aluminum and copper alloy layer which accumulates on the surface of the electrode at each welding.
  • the electrode of the invention makes it possible to maintain a specific pressure greater than 120 MPa during the welding of aluminum sheets without generating a rapid widening of the surface of the electrode by a large creep.
  • the electrode of the invention can be used for a higher number of cycles before the mechanical stripping operation is necessary to restore the quality. of the surface of said electrode, resulting in a significant gain in terms of productivity.
  • Other features and advantages of the invention will emerge from the following detailed description of non-limiting embodiments of the invention, with reference to the single appended figure illustrating, on the left, an electrode according to the invention and, on the right, an electrode made of copper and zirconium alloy, containing 0.15% by weight of zirconium, and currently used by car manufacturers for welding aluminum sheets.
  • the gray portion visible at the rounded end of each of the two electrodes represents the amount of material to be removed, by mechanical etching, to maintain an optimum quality of the welded spot, after welding having applied identical parameters to the two electrodes in terms of, for example, the number of soldered points, the applied electrical current, the welding time, etc.
  • the subject of the present invention is in particular an electrode made of an alloy consisting of:
  • chromium in a proportion greater than or equal to 0.1% and less than 0.4% by weight, advantageously between 0.2 and 0.3% by weight,
  • zirconium in a proportion of between 0.02 and 0.04% by weight, more preferably between 0.03 and 0.04% (ie between 300 and 400 ppm, 1 ppm corresponding to 1 mg / kg),
  • the remainder of the composition being copper and unavoidable impurities in a proportion of less than 0.1% by weight, given that, more preferably still, the proportion of impurities is less than 0.05%, ie less than 500 ppm.
  • the presence of impurities in an alloy is inherent in the process of producing this alloy.
  • the total proportion of all the impurities in the alloy used for the manufacture of the electrode of the invention must not, however, exceed 0.1% by weight in order not to have a negative effect on the characteristics of said electrode, especially on her particularly high electrical conductivity, greater than or equal to 90% IACS (International Annealed Copper Standard).
  • the unavoidable impurities result from the elaboration of the alloy and include all the elements, other than those coming into the composition of the alloy, which are likely to affect the conductivity, with the exception, however, of silver.
  • the silver will therefore not be counted in the impurities and may be added up to a proportion of 500 ppm without affecting the characteristics of the electrode according to the invention.
  • impurities present do not reduce the electrical conductivity.
  • some elements considered here as impurities act more on reducing the electrical conductivity than others.
  • Table 1 Weighting coefficient value according to the chemical element The sum of the proportion of each impurity in weighted ppm of the coefficient shall not exceed the value of 5000.
  • the weighted sum of the impurities does not exceed 2000.
  • impurities in the proportions indicated, 100 ppm of silicon (Si), 100 ppm iron (Fe), 50 ppm tin (Sn), 50 ppm aluminum (Al), 50 ppm zinc (Zn), 20 ppm sulfur (S) and 100 ppm d Other impurities, the total proportion of impurities is 470 ppm.
  • weighted sum of impurities it is calculated as follows by multiplying the proportions, in ppm, of each impurity present by their respective weighting coefficients, and summing the weighted proportions.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing a resistance welding electrode from an alloy whose composition consists of copper, chromium, zirconium and phosphorus, in the proportions indicated in particular below. above.
  • the method of manufacturing the electrode is a continuous casting process and it comprises at least the following steps: a) the various components of the alloy are fused at a temperature above 1200.degree. C., preferably between 1200.degree. 1300 ° C;
  • This casting may be performed at a holding temperature of the liquid metal in the casting furnace of between 1100 and 1300 ° C, preferably between 1150 and 1250 ° C.
  • said bar is solidified and cooled, preferably at a defined cooling rate to a temperature below 100 ° C, the cooling rate being at least 10 ° C / s until a temperature is reached of the bar of 1060 ° C, then at least 15 ° C / s between 1060 and 1040 ° C, then at least 20 ° C / s between 1040 and 1030 ° C, then at least equal to 25 ° C / s between 1030 and 1000 ° C, then at least equal to 30 ° C between 1000 and 900 ° C, then at least equal to 20 ° C / s for temperatures below 900 ° C, until the bar is cooled to a temperature not higher than 100 ° C.
  • the cooling rate is therefore at least 20 ° C / s until it reaches at least a bar temperature of 100 ° C.
  • the cooling rate is at least 30 ° C / s for temperatures below 900 ° C, until the bar is cooled to a temperature of at most 100 ° C.
  • the cooling of said bar of step c) is carried out at a cooling rate always at least equal to 30 ° C / s for temperatures below 700 ° C.
  • This solidification and cooling step does not include a specific heat treatment, the dissolution can be done from the end of the solidification at 1060 ° C.
  • At least one aging treatment, or income treatment is carried out. This step takes place before and / or after the step e) of shaping the electrode.
  • This aging treatment consists of a heat treatment that can be carried out in different ways.
  • it is a precipitation treatment carried out at a temperature of between 450 and 480 ° C. for a period of between 1 h and 2 h.
  • this precipitation treatment is carried out according to step e) of shaping the electrode, as the only aging treatment of the process.
  • the implementation of a precipitation treatment at the end of the process, after step e), has the advantage of providing greater stability of the mechanical characteristics of the electrode.
  • Two precipitation treatments under the aforementioned conditions of time and temperature can also be conducted, one before step e), and the second following this step e) shaping the electrode.
  • the diameter d of the continuous casting cylindrical die is less than 70 mm.
  • said diameter d is between 20 and 70 mm and, more preferably still, this diameter is between 20 and 40 mm.
  • step c) of the process is particularly important, resulting in rapid solidification and extremely powerful peripheral cooling.
  • the cooling rate is also variable as a function of the temperature of said bar.
  • said cooling rate is advantageously at least 10 ° C./s when the bar has a temperature greater than 1060 ° C. and then at least 15 ° C./s when the temperature is between 1060 and 10 ° C. 1040 ° C, then at least 20 ° C / s when the temperature is between 1040 and 1030 ° C, then at least equal to 25 ° C / s when the temperature is between 1030 and 1000 ° C, then at less than 30 ° C / s between 900 and 1000 ° C.
  • the cooling is preferably carried out at a speed of at least 20 ° C / s.
  • the cooling rate can be at least 30 ° C / s for temperatures below 900 ° C.
  • the cooling is not applied to a solid but to a liquid and starts from the solidus, that is to say at a temperature of the order of 1070 ° C.
  • a temperature range between 1060 and 900 ° C, for an improvement of the dissolution with a minimum cooling rate which was repeated above in the definition of the process.
  • These cooling conditions which are furthermore applied to a cylindrical mold having a reduced diameter of between 20 and 70 mm, preferably between 20 and 40 mm, contribute to obtaining a bar with a columnar solidification texture orientated in such a way radial. This texture is visible by making a cross section of said bar, and on 1 'the entire volume of the latter.
  • the die or mold having a cylindrical shape, is preferably surrounded by an envelope in which circulates either an oil or a refrigerant gas, or water, so as to allow solidification and cooling.
  • Another advantage of the process according to the invention lies in the fact that it makes it possible to avoid dynamic recrystallization when hot, due to reheating and simultaneous deformation. As a result, the interesting precipitates and textures resulting from the implementation of the process of the invention are preserved.
  • a chromium content in a proportion of greater than or equal to 0.1% and less than 0.4% by weight. proportion being preferably between 0.2 and 0.3%.
  • incoherent precipitates of chromium that is to say particles without crystallographic relationship with the matrix, are in excess of solubility limit.
  • the application of the quenching treatment from the solidification of the alloy which is complete at a temperature of the order of 1070 ° C., makes it possible to maximize the solubility of the chromium in the copper and maintain the eutectic copper chromium at the grain boundaries.
  • the very fine columnar solidification texture obtained by the implementation of the process of the invention, makes it particularly advantageous to distribute the heterogeneity of chromium composition (chromium in solid solution, eutectic chromium and chromium metal) homogeneously in the entire volume of the welding electrode obtained by said method.
  • chromium precipitates are at the origin of the improvement of the welding performance of the electrode, increasing the resistance of the latter to hot creep.
  • these precipitates have the function of delaying or blocking the diffusion of iron and zinc which are at the origin of the chemical corrosion of the active face of said electrode.
  • the method of the invention also promotes a homogeneous distribution of coherent precipitates of chromium, that is to say the precipitates having a continuity with the crystallographic structure of the matrix.
  • the electrode obtained also has a fiber structure, due to the presence of copper precipitates, or grains, which themselves have a very fiber-like shape.
  • the fibers are comparable to the spokes of a wheel whose hub, corresponding to the central zone of the electrode without distinctive fiber has a diameter less than 5 mm, preferably less than 3 mm.
  • the fine radial fibers have a thickness advantageously less than 1 mm, and more preferably less than 0.5 mm.
  • This fiber texture very characteristic of the electrode obtained by implementing the method of the invention, is a direct consequence of the metallurgical structure obtained after step c) of said process, and is very different from the fine and homogeneous structure some traditional electrodes.
  • the fiberization of the electrode obtained by the present method makes it possible to improve the resistance to thermomechanical stress fields, including the field of deformation and the temperature field of the active face of said electrode during welding.
  • the fibering of the electrode of the invention promotes, during the welding of the steel or aluminum sheets, a heat dissipation radially and longitudinally, from the central zone of the electrode, where the temperature is maximum, to the cold areas, that is to say the inner face and the periphery of the electrode. Consequently, the electrode of the invention is more resistant in particular to the creep phenomenon.
  • composition of the base alloy to obtain said electrode of the invention comprises copper and chromium, the latter component being present in the alloy in a proportion greater than or equal to 0.1% and less than 0.4%.
  • the alloy according to the invention also comprises zirconium in a proportion of preferably between 0.02 and 0.04% by weight. Such a proportion advantageously makes it possible to avoid generating precipitates which could promote cold cracking of the material.
  • the proportion of zirconium is, still more advantageously, between 300 and 400 ppm, ie between 0.03 and 0.04%.
  • the base alloy prefferably contains phosphorus in a proportion of less than 0.015% by weight, this proportion preferably being less than 100 ppm.
  • This element which is both more deoxidizing than chromium and less than zirconium, facilitates a good control of the residual zirconium content when large quantities of production are envisaged.
  • the present invention also relates to an electrode capable of being obtained by the method described above.
  • said electrodes of the invention have original microscopic properties compared to traditional electrodes.
  • Transmission microscopy analyzes of the structure of the material of the electrodes of the invention, before and after welding, made it possible to demonstrate differences with respect to the microscopic structure of the traditional CuZr electrodes, and in particular on the morphology of the crystalline grains. as well as the dimensions and distribution of chromium precipitates.
  • the material of the electrode according to the invention comprises more than 90% of incoherent chromium precipitates which have a projected area of less than lpm 2 .
  • the layer b of the chemical reaction layer is furthest from the surface of the electrode. It is a yellow zinc diffusion layer in copper, at 40% zinc.
  • the chemical reaction layer comprises an iron-rich layer, typically 25%, which forms when the steel sheet is bonded to the surface of the electrode at a temperature above 850 ° C.
  • the iron-rich layer typically 25%, which forms when the steel sheet is bonded to the surface of the electrode at a temperature above 850 ° C.
  • layer b and the iron-rich layer is the 55% zinc layer.
  • the creep of the active face of a traditional electrode becomes sensitive, during the welding operation, at a temperature of the order of 700 ° C. Indeed, with the surface softening of the electrode, there is creep of the surface and cracking of the layer y, which promotes a diffusion of iron in the layer y and in the layer b in the form of FeZn precipitates.
  • the layer b becomes resistive, and heats up above 850 ° C, causing the layer g to disappear.
  • the material of said conventional electrode will begin to tear as welding points are made, resulting in rapid degradation of the weld spot.
  • this creep temperature is of the order of 800 ° C., which makes it possible to delay the mechanical stressing of the layer g, thus favoring the protective maintenance of said layer g at the active face of said electrode.
  • the electrodes obtained by implementing the present method have in particular an increased life and improved welding performance.
  • the Brinell hardness (HB hardness) was measured at the surface and at least 3 mm from the surface of a CuZr electrode currently used by car manufacturers and an electrode according to the invention, before and after a heat treatment of 500 ° C applied for a period of 8 hours.
  • the% IACS conductivity was also measured for these two electrodes, before and after heat treatment.
  • composition of the alloy that was used to make the electrode that was tested is as follows:
  • the traditional CuZr electrode will heat up more significantly and withstand thermal softening less well, which results in a drop in hardness after heat treatment at 100 HB against 140 HB for the electrode of 1 invention.
  • the Brinell hardness was measured at the surface and at least 3 mm from the surface of a CuZr electrode currently used by car manufacturers and an electrode according to the invention, before welding ("new" electrode ) and after welding ("end of welding”). For the electrode according to the invention only, the HB hardness was also measured after 30 welding points.
  • the% IACS conductivity was also measured for these two electrodes, before and after welding, and after 30 welding points for the electrode of the invention.
  • the electrode of the invention operates, throughout its operating cycle, on the one hand with a higher conductivity (between 90 and 92 against 86-88) and on the other hand with a better resistance to softening. Indeed, the electrode according to the invention still has an HB surface hardness of 150 at the end of welding while the usual electrode has, at the end of welding, a hardness of 125 HB.
  • the results obtained show that the loss of softening on CuZr electrodes is localized on the surface. Indeed, the hardness at least 3 mm from the surface remains substantially constant, of the order of 140-150HB, and the conductivity is not raised to 94. Despite this, the surface creep of the CuZr electrode leads to widening of the contact face and an insufficient weld point diameter.
  • the electrode of the invention operates in a field where it retains its mechanical characteristics.
  • the electrode of the invention retains a hardness at a high level, despite the heating generated in the electrode during welding, and the creep resistance is thus increased.
  • said electrode deforms less during welding, allowing the user to gain productivity because the frequency of mechanical stripping decreases.
  • the third test is to compare the welding performance between a CuZr electrode usually implemented by the manufacturers and an electrode of the invention.
  • the amount of material that is removed during the mechanical etching operation of the electrode of the invention 1 corresponds to the gray portion of Figure 1 attached. This amount of material that must be removed is lower for the electrode of the invention 1, compared with the conventional electrode CuZr 2, the latter undergoing a large creep resulting in an enlargement of its end, as shown in FIG. figure 1.
  • One cycle corresponds to the number of welded points before carrying out the mechanical stripping operation.
  • the electrode of the invention therefore makes it possible to improve the productivity of the order of 27%, without changing the welding parameters.
  • the electrode of the invention has a very high stability during welding cycles on aluminum sheet, by implementing the welding parameters defined specifically for optimal use of CuZr electrodes.

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Abstract

L'invention concerne une électrode pour souder des tôles acier ou aluminium, de conductibilité supérieure ou égale à 90% IACS et fabriquée en un alliage constitué, en masse par rapport à la masse totale de l'alliage, de chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4%, entre 0,02 et 0,04% de zirconium, de moins de 0,015% de phosphore, le reste étant du cuivre et moins de 0,1% d'impuretés inévitables, la structure de 1 ' électrode comportant avantageusement des précipités de chrome incohérents dont plus de 90% ont une surface projetée inférieure à lum2, lesdits précipités présentant des dimensions entre 10 et 50 nm, ladite électrode présentant une structure fibrée constituée de fibres radiales présentant une épaisseur inférieure à 1 mm et une zone sensiblement centrale sans fibrage de diamètre inférieur à 5 mm. L'invention est également relative à un procédé d'obtention de ladite électrode.

Description

DESCRIPTION
Titre : ELECTRODE DE SOUDAGE POUR TOLES EN ALUMINIUM OU ACIER ET PROCEDE D'OBTENTION DE L'ELECTRODE
La présente invention concerne le domaine des électrodes de soudage .
L'invention est plus particulièrement relative à des électrodes de soudage par résistance en cuivre .
Les électrodes selon l'invention seront particulièrement intéressantes notamment pour le soudage de tôles en aluminium entre elles .
Les électrodes selon l'invention peuvent également être mises en œuvre pour le soudage de tôles en acier .
A titre de remarque préliminaire, on entend, dans la suite de la description, par « tôles aluminium » des tôles fabriquées à partir d'alliages comportant de l' aluminium, notamment des tôles en alliage AlMgSi (aluminium-magnésium-silicium) ou en alliage AlMgMn (aluminium-magnésium-manganèse) .
Ces tôles en aluminium, une fois soudées et assemblées, présentent une application notamment dans le domaine de 1 ' industrie automobile .
Traditionnellement, le soudage de deux tôles est réalisé par la combinaison d'une forte intensité électrique et d'une pression ponctuelle, également appelée « effort de serrage ».
Plus particulièrement, dans un premier temps, on augmente l'effort de serrage entre lesdites deux tôles à assembler. Ensuite, au cours d'une deuxième phase, et une fois les deux tôles serrées, on fait passer du courant entre deux électrodes qui sont disposées de part et d'autre desdites tôles.
Le passage du courant entre les deux électrodes entraîne une augmentation de la température au niveau de la zone concernée des tôles, jusqu'au point de fusion entre les deux tôles, ce qui crée, après solidification, un point de soudage à l'interface tôle-tôle.
Dans le cas du soudage de l'aluminium, l'effort de serrage réduit la résistance de contact entre la tôle et l'électrode. La pression maintient le contact entre l'électrode et l'assemblage de tôles. Pour souder, une pince plaque l'assemblage avec des électrodes en cuivre, matière à la fois excellente conductrice de 1 ' électricité et de la chaleur . Ce choix permet de réduire la zone chauffée, qui se trouve limitée à la zone de contact entre les deux tôles à souder.
Une fois le point de fusion atteint, la pression est maintenue, et l'intensité électrique est arrêtée pour refroidir le point de soudage avant de séparer les électrodes des tôles assemblées puis de procéder au point de soudage suivant .
Les paramètres de soudage sont donc dépendants, notamment, de la résistance électrique des tôles, de la résistance d'interface entre les tôles et l'électrode, de l'épaisseur totale de l'assemblage et du diamètre des électrodes.
Un tel procédé est par exemple couramment utilisé dans l'assemblage de tôles acier présentant une faible épaisseur.
Ce procédé peut également être mis en œuvre, de manière moins courante cependant, pour les tôles aluminium.
En ce qui concerne l'électrode en elle-même, on connaît, par le document WO 2016/203122 de l'état de la technique, une électrode de soudage pour tôles en acier, notamment les tôles présentant un revêtement anticorrosion, et dont la composition de base consiste en un alliage de cuivre, de chrome et de zirconium, et comportant en outre du phosphore et/ou du magnésium.
La proportion de chrome dans l'alliage est comprise entre 0,4 et 0,8% en masse, celle de zirconium est comprise entre 0,02 et 0,09% et la proportion totale en phosphore et en magnésium est supérieure à 0,005% en masse, avec une teneur en magnésium inférieure à 0,1% en masse et une proportion en phosphore inférieure à 0,03% en masse. Le restant de la composition consiste en du cuivre .
La structure métallurgique de cette électrode est particulière et comporte des précipités de chrome incohérents dont plus de 90% ont une surface projetée inférieure à Imth2 , lesdits précipités de chrome incohérents ayant des dimensions comprises entre 10 et 50 nm. En outre, ladite électrode présente une structure fibrée .
La conductibilité électrique d' une telle électrode pour le soudage de tôles en acier est supérieure à 85% IACS .
De telles électrodes sont particulièrement intéressantes pour le soudage des tôles acier, notamment car elles résistent mieux au phénomène de corrosion que les électrodes habituelles . Ce phénomène de corrosion résulte de la réaction chimique du cuivre de l'électrode et du zinc du revêtement avec le fer de la tôle en acier, et conduit à une dégradation de la couche de surface de l'électrode, nécessitant un retrait régulier de la couche de corrosion, voire même de changer d'électrode.
Quoiqu'il en soit, dans le cas du soudage de tôles en acier, la température au point de soudage atteint une valeur de 1560°C et, lors du contact avec la surface de la tôle en acier, la surface de l'électrode va atteindre une température supérieure à 700°C.
Or, à de tels niveaux de température, d'une part, la réaction chimique qui conduit à la corrosion de la surface de l'électrode est accélérée mais, en plus, la matière même de l'électrode va se déformer par un phénomène d'usure dénommé « fluage à chaud » aboutissant à un détachement latéral de la couche de surface de l'électrode et donc à un élargissement de ses extrémités.
En conséquence, la surface de contact entre l'électrode et la tôle est agrandie, et il est alors nécessaire d'augmenter la densité de courant pour maintenir une qualité du point de soudage des tôles. Toutefois, une augmentation de surface et une augmentation de courant signifient une corrosion encore plus étendue .
L'électrode telle que décrite dans la demande internationale WO 2016/203122 permet ainsi une amélioration dans la résistance au fluage à des températures supérieures à 700°C, et pouvant atteindre dans certains cas 800°C, lors du soudage de tôles acier entre elles .
Cependant, la conductibilité de telles électrodes peut encore être améliorée . En outre, il est également à noter que, pour diminuer le poids des carrosseries automobiles, dans le but de limiter la consommation d'essence, de plus en plus de constructeurs automobiles remplacent aujourd'hui les tôles en acier par des tôles en aluminium, notamment en alliage d' aluminium de type alliage AlMgSi (aluminium-magnésium-silicium) ou alliage AlMgMn (aluminium-magnésium-manganèse) .
En effet, l'aluminium présente une densité à 35% de la densité des tôles acier utilisées jusqu'alors.
Il est à noter également que la tendance de remplacer les tôles en acier par celles en alliage d' aluminium est encore amplifiée par le développement des voitures électriques et la nécessité d'améliorer l'autonomie des batteries de ces dernières.
Un autre avantage dans l'utilisation de tôles aluminium est une résistance améliorée à la corrosion, rendant inutile la présence de revêtement anticorrosion à base de zinc, nécessaire aux tôles acier.
En outre, il s'est avéré qu'il est tout à fait possible, pour les constructeurs automobiles, d'utiliser des lignes d'assemblage de carrosseries tôle acier avec des robots de soudage par résistance pour assembler des carrosseries tôle aluminium. Il s'agit là d'un réel avantage pour les entreprises, étant donné qu'il n'est pas nécessaire d'effectuer des investissements dans une technique d'assemblage dédiée (collage, clinchage, rivetage, laser, etc.) .
A l'heure actuelle, les constructeurs d'automobiles utilisent, par exemple, des électrodes en alliage de Cuivre- Zirconium (0,15%) pour le soudage résistif de tôles en aluminium pour les carrosseries automobiles, ces électrodes étant également mises en œuvre de manière courante dans le soudage de tôles acier .
Dans le cas de tôles aluminium, le point de soudage nécessite d' atteindre une température de contact entre les deux tôles de 660°C, substantiellement inférieure à la température de 1560°C qui est atteinte au point de soudage de deux tôles acier . La température de surface de la tôle en contact avec l'électrode sera donc également inférieure à celle observée lors du soudage de l' acier.
En effet, la bien meilleure conductivité électrique de l'aluminium en comparaison avec celle de l'acier (4 à 5 fois plus élevée), réduit considérablement l' échauffement résistif qui permet d'atteindre la fusion au point de soudage.
Par conséquent, dans des conditions similaires de soudage, il est nécessaire, pour souder deux tôles aluminium, d'augmenter sensiblement l'intensité appliquée, typiquement de 120% en comparaison avec l'intensité mise en œuvre pour le soudage de tôles acier, en réduisant simultanément le temps de soudage, ce dernier devant typiquement être divisé par deux par rapport à celui de l'acier.
L'énergie dissipée dans l'électrode est proportionnelle au carré de l'intensité, à la résistance électrique de l'électrode, et au temps de soudage. Concrètement, cette énergie dissipée est 2,4 fois plus élevée dans une électrode utilisée pour le soudage de tôles aluminium par rapport à une électrode pour l'acier.
La résistance électrique étant inversement proportionnelle à la conductivité électrique, il est nécessaire, pour souder de 1' aluminium, d'avoir une électrode présentant une conductivité électrique supérieure à 90% IACS (pour International Annealed Copper Standard), alors qu'une conductivité supérieure à 75% IACS est requise pour le soudage de l'acier.
En outre, afin d'avoir une durée de vie acceptable des électrodes de soudage des tôles aluminium, il faut également tenir compte des réactions, chimique et thermomécanique, qui se déroulent pendant ce soudage, lors du contact de la surface de l'électrode avec la tôle aluminium.
La réaction chimique est le résultat du contact à chaud entre l'aluminium de la tôle et le cuivre de l'électrode, qui forme une couche d'alliage oxygène, aluminium et cuivre. Cette couche est substantiellement plus résistive que la couche d' alliage de cuivre et zinc qui se forme à la surface de l'électrode lors du soudage de deux tôles d'acier revêtues d'une protection anticorrosion de zinc . La couche de surface de l'électrode, lors du soudage de tôles aluminium, est donc beaucoup plus susceptible de s'échauffer, sous l'effet de la résistance et de l'intensité appliquée, que la matrice de cette même électrode, et ce jusqu'à favoriser le collage, par fusion, d'aluminium oxydé à la surface de l'électrode, ce qu'il convient d'éviter.
Typiquement, la température de surface d'une électrode lors du soudage de l'aluminium est située entre 500 et 550°C, alors que cette même température est supérieure à 700°C lors du soudage acier .
Ainsi, l'écart de température entre la surface de l'électrode et la température du métal à souder est très supérieur dans le cas du soudage de l'acier, par rapport au soudage de tôles aluminium.
En effet, comme déjà mentionné plus haut dans la description, la température de contact entre les deux tôles lorsque celles-ci sont en acier doit atteindre 1550 - 1560°C pour qu'il y ait fusion, tandis que la température de surface de l'électrode est supérieure à 700°C, ce qui aboutit à un écart de température de l'ordre de 750-850°C.
Dans le cas du soudage de 1' aluminium, la température de contact entre les deux tôles doit atteindre 660°C tandis que la surface de l'électrode présente une température de l'ordre de 500 à 550°C, ce qui aboutit à un écart de température maximal de l'ordre de 160°C.
D'autant que, dans le cas du soudage de tôles en acier, la couche de surface en zinc protège l'acier de la tôle, pendant le soudage à chaud, contre la corrosion. La couche de zinc bloque l' échauffement de la tôle par l'effet de la chaleur latente de fusion du zinc et empêche un contact direct du fer de l'acier avec 1' air .
Une telle couche de surface en zinc n'existe pas sur les tôles en aluminium. Par conséquent, aucune protection n'est apportée dans le cas du soudage de tôles aluminium. Ainsi, la couche d'alliage comportant de l'oxygène, de l' aluminium et du cuivre très résistive, et qui s'accumule à la surface de l'électrode à chaque soudage de deux tôles aluminium entre elles, va augmenter cet effet résistif et augmenter la température de contact entre l'électrode et la tôle d'aluminium, jusqu'à atteindre la température de fusion de l'aluminium.
A ce moment-là, il y a expulsion du point soudé, autrement dit éjection de métal fondu au niveau de la face extérieure des tôles , et la qualité du point soudé s ' en trouve dégradée .
En ce qui concerne la réaction thermodynamique lors du contact de la surface de l'électrode avec une tôle aluminium ou acier, celle-ci résulte, d'une part, du fluage à chaud de la surface de l'électrode pendant le soudage, sous l'effet de l'effort de serrage exercé par la pince de soudage, et, d'autre part, de l'arrachement de surface de l'électrode sous l'effet de l'effort d'ouverture de la pince à la fin du soudage.
Sous l'effort de serrage, la surface de contact de l'électrode va s'élargir, entraînant, à intensité de soudage égale une diminution de la densité de courant et un échauffement de moins en moins localisé. Le diamètre du point soudé s'en trouve réduit, et devient insuffisant pour garantir l'assemblage des deux tôles.
Dans le cas du soudage de l'acier, sous l'effort d'ouverture, plus l'électrode est collée à la tôle, plus de micro-arrachements se produisent et dégradent la surface de contact de l'électrode.
Pour en revenir au soudage de l' aluminium, il est impératif d'éviter l'expulsion du point soudé lorsqu' est atteinte une température de surface de l'électrode proche de la température de fusion de l' aluminium.
Dans ce but, il peut s'avérer intéressant d'augmenter l'effort de serrage. En effet, plus l'effort de serrage est élevé, meilleur est le contact entre la tôle et l'électrode, plus la résistance de contact est faible et moins il y a d' échauffement à la surface de contact de l'électrode, et, plus la température est basse, moins il y a oxydation de l'aluminium et de transfert d'oxyde d'aluminium à la surface de l'électrode.
Toutefois, avec l'élargissement de la surface de contact, résultant de l'effort de serrage notamment, il est nécessaire d'augmenter le courant de soudage afin de maintenir une qualité de point soudé satisfaisante, ce qui a pour conséquence une dégradation encore plus importante de l'électrode.
Lorsque la dégradation de la surface de l'électrode est trop importante, un décapage mécanique de cette surface est alors indispensable, et ce afin de garantir la qualité du point soudé.
Une telle opération de décapage présente toutefois l'inconvénient de nécessiter un arrêt du robot de soudage par résistance sur la ligne d'assemblage des tôles, entraînant inévitablement une diminution de la productivité, en particulier si la fréquence de décapage est importante .
Il apparaît donc nécessaire de proposer une électrode répondant notamment aux besoins du procédé de soudage par résistance de tôles en aluminium, présentant une conductibilité électrique optimale et une performance au soudage améliorée en comparaison avec les électrodes CuZr à 0,15% de zirconium habituellement utilisées pour ce procédé .
De manière plus générale, il convient de proposer une électrode présentant dans tous les cas une conductibilité électrique améliorée, en particulier pour le soudage de tôles à base d'aluminium, mais également pour le soudage de tôles acier, et qui permette de réduire la résistance de contact entre la tôle et l'électrode évitant ainsi l' échauffement à la surface de contact de l'électrode et les inconvénients qui en découlent.
A cet effet, la présente invention concerne une électrode en alliage de cuivre, de chrome, de zirconium et de phosphore pour le soudage de tôles métalliques en acier et en aluminium ou en alliages d'aluminium, caractérisée en ce que l'alliage est constitué de chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,04% en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,015% en masse, le reste de la composition étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse, et la conductibilité électrique de ladite électrode étant supérieure ou égale à 90% IACS (International Annealed Copper Standard) . De manière avantageuse, la structure de l'électrode comporte des précipités de chrome incohérents dont plus de 90% ont une surface projetée inférieure à lpm2 , lesdits précipités de chrome incohérents présentant des dimensions comprises au moins entre 10 et 50 nm, ladite électrode présentant en outre une structure fibrée, visible suivant une coupe transversale de la face active de ladite électrode après surfaçage et attaque chimique, ladite structure étant constituée, d'une part, d'une pluralité de fibres radiales, lesdites fibres présentant une épaisseur inférieure à 1 mm et, d'autre part d'une zone sensiblement centrale sans fibrage ayant un diamètre inférieur à 5 mm.
Tout préférentiellement, ladite électrode, lorsqu'elle est mise en œuvre dans le cas de soudage de tôles en aluminium ou en alliage d' aluminium, est apte à permettre le maintien d' une pression spécifique supérieure ou égale à 120 MPa lors du soudage entre elles de deux tôles en aluminium, pour limiter la résistance de contact entre ladite électrode et la surface extérieure de 1' une des deux tôles en aluminium.
La diminution de la teneur en chrome dans l'alliage de départ, en comparaison avec l'alliage CuCrZr comportant en outre du phosphore et/ou du magnésium utilisé pour la fabrication d' électrodes de soudage pour tôles acier dans la demande WO 2016/203122, permet une amélioration substantielle de la conductivité, celle-ci étant alors systématiquement supérieure ou égale à 90% IACS, comme cela sera démontré dans les exemples donnés ci-dessous .
En outre, une telle teneur réduite en chrome permet, contre toute attente, de conserver les précipités incohérents de chrome qui étaient déjà à l'origine de l'amélioration des performances de soudage de l'électrode pour tôles en acier décrite dans la demande internationale WO 2016/203122, en augmentant notamment la résistance de cette électrode au fluage à chaud.
Ainsi, l'électrode selon la présente invention est particulièrement intéressante et adaptée notamment pour une utilisation dans le soudage de tôles en aluminium ou en alliage d'aluminium, mais également pour le soudage de tôles acier, en particulier du fait de la conductibilité électrique particulièrement élevée qu'elle présente.
De manière avantageuse, la proportion de chrome est comprise entre 0,2 et 0,3% en masse.
Selon une autre particularité de l'invention, la proportion de zirconium est comprise entre 0,03 et 0,04% en masse.
De manière intéressante, la proportion de phosphore est inférieure à 0,01% en masse.
Préférentiellement, la proportion des impuretés inévitables est inférieure à 0,05% en masse.
De manière toute particulière, un coefficient de pondération est affecté à chaque élément chimique susceptible d' être présent en tant qu' impureté dans l'alliage, en fonction de l'effet dudit élément chimique sur la conductibilité électrique ; la somme des proportions pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en partie par million, étant inférieure à 5000.
Encore plus préférentiellement, la somme des proportions pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en parties par million, est inférieure à 2000.
La présente invention concerne encore un procédé de fabrication d'une électrode de soudage selon l'invention, par coulée continue, à partir d'un alliage constitué de chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,04% en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,015 % en masse, le reste de la composition étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse, ledit procédé comportant au moins les étapes suivantes : a) fusion des différents composants de l'alliage, à savoir le cuivre, le chrome, le zirconium et du phosphore et/ou du magnésium à une température supérieure ou égale à 1200°C ;
b) coulée continue à travers une filière cylindrique présentant un diamètre d permettant d'obtenir une barre d'un diamètre proche du diamètre d de la filière avec le maintien du métal liquide dans le four de coulée à une température comprise entre 1100 et 1300°C ; c) solidification de ladite barre et refroidissement jusqu'à une température inférieure à 100 °C, la vitesse de refroidissement étant au moins égale à 10°C/s jusqu'à atteindre une température de la barre de 1060°C, puis au moins égale à 15°C/s entre 1060 et 1040°C, puis au moins égale à 20°C/s entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C entre 1000 et 900°C, puis au moins égale à 20°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100 °C ; d) déformation à froid pour obtenir un barreau d' un diamètre inférieur à 20 mm ;
e) cisaillage dudit barreau afin d'obtenir des lopins puis poinçonnage ou usinage par enlèvement de matière afin de conférer à ladite électrode sa forme définitive,
ledit procédé comprenant au moins une étape de traitement de vieillissement ou de revenu avant et/ou après l'étape e) de mise en forme de l'électrode, et dans lequel procédé la structure métallurgique de la face active de ladite électrode comporte des précipités de chrome incohérents dont plus de 90% ont une surface projetée inférieure à lpm2 , lesdits précipités de chrome incohérents présentant des dimensions comprises au moins entre 10 et 50 nm, ladite électrode présentant en outre une structure fibrée, visible suivant une coupe transversale de la face active de ladite électrode après surfaçage et attaque chimique, ladite structure étant constituée, d'une part, d'une pluralité de fibres radiales, lesdites fibres présentant une épaisseur inférieure à 1 mm, et, d'autre part, d'une zone sensiblement centrale sans fibrage ayant un diamètre inférieur à 3 mm, et la conductibilité électrique de ladite électrode étant supérieure ou égale à 90% IACS (pour International Annealed Copper Standard) .
Préférentiellement, la fusion des différents composants de l'alliage de l'étape a) est effectuée à une température comprise entre 1200°C et 1300°C.
En ce qui concerne la coulée continue de l'étape b), celle- ci est, de manière avantageuse, réalisée avec le maintien d'une température du métal liquide dans le four de coulée comprise entre 1150 et 1250°C .
Le refroidissement de ladite barre de l'étape c) peut être effectué à une vitesse de refroidissement au moins égale à 30°C/s pour des températures inférieures à 900 °C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C.
Pour ce qui est du traitement de vieillissement, celui-ci peut, dans un premier mode de réalisation du procédé, être effectué avant l'étape e) de mise en forme de l'électrode et consister en un traitement de précipitation réalisé à une température comprise entre 450 et 480°C pendant une période de 1 à 2 h.
Dans un deuxième mode de réalisation, on procède au traitement de précipitation, réalisé à une température comprise entre 450 et 480°C pendant une période de 1 à 2 h, suivant l'étape e) de mise en forme de l'électrode.
Le diamètre d de la filière est de préférence compris entre 20 et 70 mm, de préférence entre 20 et 40 mm.
Au cours de l'étape d) de déformation à froid, une opération d'usinage extérieur, inférieure à 0,5 mm d'épaisseur est, de manière avantageuse, effectuée pour éliminer les défauts de surface générés lors de l'étape c) de solidification.
La présente invention comporte de nombreux avantages .
Premièrement, de par la composition de l'alliage de base utilisé pour la fabrication de l'électrode selon l'invention, la conductibilité électrique de cette dernière est particulièrement élevée, typiquement supérieure ou égale à 90% IACS . Cette conductibilité améliorée permet de pallier la diminution de résistance électrique de l'aluminium, par rapport à celle de l'acier.
En second lieu, l'électrode de l'invention présente une résistance substantiellement améliorée au phénomène de fluage, et ce comparativement aux électrodes CuZr utilisées actuellement pour le soudage de tôles aluminium en industrie automobile . Cette résistance améliorée au fluage résulte d'une dureté élevée conservée malgré l' échauffement généré dans l'électrode et à sa surface pendant le soudage .
Il en résulte que la surface de contact de l'électrode avec la tôle sera moins soumise à un élargissement sous l'effet de l'effort de serrage exercé par la pince de soudage et donc le collage de l'électrode sur la tôle sera limité. Par conséquent, lors de l'ouverture de la pince, moins de micro-arrachements de surface se produiront au niveau de l'électrode.
Cette résistance au fluage permet de réduire l'effet d' élargissement de la surface de contact qui est susceptible habituellement d' entraîner une diminution de la densité de courant et une réduction du diamètre du point soudé, qui deviendrait insuffisant pour garantir l'assemblage des deux tôles.
Troisièmement cette résistance au fluage permet de maintenir une pression spécifique élevée et de réduire la résistance de contact . Dans le cas du soudage de tôles en aluminium ou en alliage d' aluminium, une mauvaise résistance de contact favorise la diffusion d'aluminium dans le cuivre à la surface de l'électrode et le transfert d'oxyde d' aluminium sur la surface de l'électrode. La résistance de contact résulte de la formation d'une couche d'alliage oxygène, aluminium et cuivre très résistive qui s' accumule à la surface de l' électrode à chaque soudage .
Dans le cas du soudage de l'acier la pression spécifique est de l'ordre de 80 MPa, dans le cas de l'aluminium cette pression doit rester supérieure à 120 MPa pour éviter une résistance de contact trop élevée .
L'électrode de l'invention permet de maintenir une pression spécifique supérieure à 120 MPa lors du soudage de tôles en aluminium sans générer un élargissement rapide de la surface de l'électrode par un fluage à chaud important.
Finalement, il résulte, de ce qui précède que, par rapport aux électrodes CuZr actuelles, l'électrode de l'invention pourra être utilisée pendant un nombre de cycles plus élevé avant que l'opération de décapage mécanique ne soit nécessaire pour restaurer la qualité de la surface de ladite électrode, aboutissant à un gain non négligeable en termes de productivité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence à l'unique figure annexée illustrant, à gauche, une électrode selon l'invention et, à droite, une électrode en alliage de cuivre et zirconium, contenant 0,15% en masse de zirconium, et utilisée actuellement par les constructeurs automobiles pour le soudage de tôles aluminium.
La partie grisée visible au niveau de l'extrémité arrondie de chacune des deux électrodes représente la quantité de matière à éliminer, par décapage mécanique, pour maintenir une qualité optimale du point soudé, après avoir effectué un soudage en appliquant des paramètres identiques aux deux électrodes, en termes notamment de nombre de points soudés, d'intensité électrique appliquée, de temps de soudage, etc.
La présente invention a pour objet notamment une électrode fabriquée en un alliage constitué de :
- chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4% en masse, avantageusement entre 0,2 et 0,3% en masse,
- zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,04% en masse, plus préférentiellement entre 0,03 et 0,04% (soit entre 300 et 400 ppm, 1 ppm correspondant à 1 mg/kg) ,
- phosphore dans une proportion inférieure à 0,015 % en masse, de manière avantageuse inférieure à 0,01 % (inférieure à 100 ppm) ,
- le reste de la composition étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse, sachant que, plus préférentiellement encore, la proportion en impuretés est inférieure à 0,05%, soit inférieure à 500 ppm.
La présence d' impuretés dans un alliage est inhérente au procédé d' élaboration de cet alliage . La proportion totale de toutes les impuretés dans l'alliage utilisé pour la fabrication de l'électrode de l'invention ne doit cependant pas excéder 0,1% en masse pour ne pas influer de manière négative sur les caractéristiques de ladite électrode, notamment sur sa conductibilité électrique particulièrement élevée, supérieure ou égale à 90% IACS (International Annealed Copper Standard) .
Les impuretés inévitables résultent de l'élaboration de l'alliage et regroupent tous les éléments, autres que ceux entrant dans la composition de l'alliage, qui sont susceptible de nuire à la conductibilité, à l'exception toutefois de l'argent.
En effet, une addition jusqu'à 0,05 % en masse (500 ppm) d' argent est envisageable sans nuire à la performance de l'électrode .
L'argent ne sera, par conséquent, pas compté dans les impuretés et pourra être ajouté jusqu'à une proportion de 500 ppm sans que cela nuise aux caractéristiques de l'électrode selon l' invention.
Comme mentionné ci-dessus, il est important que les impuretés présentes ne réduisent la conductibilité électrique. Or, certains éléments considérés ici comme des impuretés agissent plus sur la réduction de la conductibilité électrique que d' autres .
Il convient donc de tenir compte de ce fait en affectant à chaque impureté un coefficient de pondération, comme indiqué dans le tableau 1 ci-dessous :
Figure imgf000016_0001
Tableau 1 : Valeur du coefficient de pondération suivant l'élément chimique La somme de la proportion de chaque impureté en ppm pondérée du coefficient ne doit pas dépasser la valeur de 5000.
De manière avantageuse, la somme pondérée des impuretés ne dépasse pas 2000.
Ainsi, par exemple, si dans l'alliage sont retrouvées, en tant qu' impuretés, dans les proportions indiquées, 100 ppm de silicium (Si), 100 ppm de fer (Fe) , 50 ppm d'étain (Sn) , 50 ppm d' aluminium (Al), 50 ppm de zinc (Zn) , 20 ppm de soufre (S) et 100 ppm d'autres impuretés, la proportion totale des impuretés est de 470 ppm.
En ce qui concerne la somme pondérée des impuretés, elle est calculée comme suit, en multipliant les proportions, en ppm, de chaque impureté présente par leur coefficient de pondération respectif, et en additionnant les proportions pondérées.
En reprenant les impuretés données dans l'exemple ci-dessus, leur somme pondérée est donc calculée comme suit
100 x 10 + 50 x 2 + 50 x 2 + 50 x 1 + 20 x 20 = 2650.
La présente invention a également pour objet un procédé pour la fabrication d' une électrode de soudage par résistance à partir d'un alliage dont la composition consiste en du cuivre, du chrome, du zirconium et du phosphore, dans les proportions indiquées notamment ci—dessus.
Le procédé de fabrication de l'électrode est un procédé de coulée continue et il comprend au moins les étapes suivantes : a) on fusionne les différents composants de l'alliage à une température supérieure à 1200°C, de préférence entre 1200°C et 1300°C ;
b) on effectue une coulée continue à travers une filière cylindrique, ou un moule cylindrique, présentant un diamètre d permettant d' obtenir une barre ;
Cette coulée peut être réalisée à une température de maintien du métal liquide dans le four de coulée comprise entre 1100 et 1300°C, de préférence entre 1150 et 1250°C.
c) on solidifie ladite barre et on la refroidit, de préférence à une vitesse de refroidissement définie jusqu'à une température inférieure à 100 °C, la vitesse de refroidissement étant au moins égale à 10°C/s jusqu'à atteindre une température de la barre de 1060°C, puis au moins égale à 15°C/s entre 1060 et 1040°C, puis au moins égale à 20°C/s entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C entre 1000 et 900°C, puis au moins égale à 20°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C.
La vitesse de refroidissement est donc d'au moins 20°C/s et ce jusqu'à atteindre au moins une température de barre de 100°C.
Préférentiellement, la vitesse de refroidissement est au moins égale à 30°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C.
Avantageusement, le refroidissement de ladite barre de l'étape c) est effectué à une vitesse de refroidissement toujours au moins égale à 30°C/s pour des températures inférieures à 700°C.
Cette étape de solidification et refroidissement n'inclut pas de traitement thermique spécifique, la mise en solution pouvant se faire dès la fin de la solidification à 1060°C.
d) on procède à une déformation à froid de ladite barre pour obtenir un barreau d'un diamètre inférieur à 20 mm, de préférence compris entre 12 et 19 mm ; de manière optionnelle, une opération d'usinage extérieure, avantageusement inférieure à 0,5 mm d'épaisseur, peut être effectuée de sorte à éliminer des défauts de surface éventuellement générés par l'étape précédente ; e) on effectue une mise en forme de l'électrode par cisaillage dudit barreau afin d'obtenir des lopins puis un poinçonnage ou un usinage par enlèvement de matière afin de conférer à ladite électrode sa forme définitive .
Au cours du procédé, on effectue au moins un traitement de vieillissement, ou traitement de revenu. Cette étape a lieu avant et/ou après l'étape e) de mise en forme de l'électrode.
Ce traitement de vieillissement consiste en un traitement thermique pouvant être réalisé de différentes manières .
De préférence, il s'agit d'un traitement de précipitation réalisé à une température comprise entre 450 et 480°C, pendant une durée comprise entre lh et 2h.
Il est par conséquent possible d'effectuer ce traitement de précipitation à une température comprise entre 450 et 480°C, pendant une durée comprise entre lh et 2h entre l'étape d) de déformation à froid et l'étape e) de mise en forme de l'électrode. Selon un autre mode de réalisation, le traitement de précipitation est réalisé suivant l'étape e) de mise en forme de l'électrode, en tant que seul traitement de vieillissement du procédé .
La mise en œuvre d'un traitement par précipitation en toute fin de procédé, après l'étape e) , présente l'avantage d'apporter une plus grande stabilité des caractéristiques mécaniques de l' électrode .
Deux traitements par précipitation dans les conditions susmentionnées de durée et de température peuvent également être conduits, l'un avant l'étape e) , et le second suivant cette étape e) de mise en forme de l'électrode.
De manière particulièrement avantageuse, dans l'étape b) du procédé de l'invention, le diamètre d de la filière cylindrique de coulée continue est inférieur à 70 mm.
De préférence, ledit diamètre d est compris entre 20 et 70 mm et, plus préférentiellement encore, ce diamètre est compris entre 20 et 40 mm.
En outre, la vitesse de refroidissement appliquée lors de l'étape c) du procédé et permettant la solidification de la barre puis le refroidissement solide, est particulièrement importante, entraînant une solidification rapide et un refroidissement périphérique extrêmement puissant.
Préférentiellement, la vitesse de refroidissement est également variable en fonction de la température de ladite barre .
Plus précisément, ladite vitesse de refroidissement est, avantageusement, au moins égale à 10°C/s lorsque la barre a une température supérieure à 1060°C, puis au moins égale à 15°C/s lorsque la température est comprise entre 1060 et 1040 °C, puis au moins égale à 20°C/s lorsque la température est comprise entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s lorsque la température est comprise entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C/s entre 900 et 1000°C. Pour des températures de barre inférieures à 900 °C, le refroidissement est préférentiellement effectué à une vitesse au moins égale à 20°C/s. La vitesse de refroidissement peut encore être au moins égale à 30°C/s pour des températures inférieures à 900°C.
De préférence, dans le procédé selon l'invention, le refroidissement n'est pas appliqué sur un solide mais sur un liquide et commence dès le solidus, c'est-à-dire à une température de l'ordre de 1070°C. En particulier, il a été mis en évidence un intervalle de température, entre 1060 et 900°C, pour une amélioration de la mise en solution avec une vitesse de refroidissement minimum qui a été reprise ci-dessus lors de la définition du procédé .
En dessous de 900°C la mise en solution est impossible, on s'assurera pour les températures inférieures à 900°C de poursuivre le refroidissement avec un minimum de 20°C/s pour ne pas générer un vieillissement non maîtrisé.
Plus précisément, la solidification et le refroidissement très rapides, jusqu'à une température où la diffusion des atomes de chrome est limitée, permet une répartition homogène des précipités cohérents et incohérents de chrome .
Ces conditions de refroidissement, qui sont en outre appliquées sur un moule cylindrique ayant un diamètre réduit entre 20 et 70 mm, de préférence entre 20 et 40 mm, participent à l'obtention d'une barre avec une texture de solidification colonnaire orientée de manière radiale . Cette texture est visible par réalisation d'une coupe transversale de ladite barre, et sur 1' ensemble du volume de cette dernière .
La filière ou le moule, présentant une forme cylindrique, est préférentiellement entourée d'une enveloppe au sein de laquelle circule soit une huile, soit un gaz réfrigérant, ou encore de l'eau, de sorte à permettre la solidification et le refroidissement.
Un autre avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait qu'il permet d'éviter une recristallisation dynamique à chaud, due à un réchauffage et une déformation simultanée. De ce fait, les précipités et textures intéressants issus de la mise en œuvre du procédé de l'invention sont conservés. Au sein de l'alliage de base utilisé pour la fabrication des électrodes de soudage innovantes, on retrouve, de préférence, une teneur en chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4% en masse, cette proportion étant préférentiellement comprise entre 0,2 et 0,3%.
Par le biais du procédé selon l'invention, des précipités incohérents de chrome, c'est-à-dire des particules sans relation cristallographique avec la matrice, sont en excès de limite de solubilité .
En effet, dans le procédé de l'invention, l'application du traitement de trempe dès la solidification de l'alliage, qui est complète à une température de l'ordre de 1070°C, permet de maximiser la solubilité du chrome dans le cuivre et de maintenir l'eutectique cuivre chrome aux joints de grain.
Il a pu être déterminé que, de manière particulièrement surprenante, une proportion de chrome supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4% permet de produire la précipitation de chrome recherchée .
Ainsi, contrairement à l'idée communément établie dans l'état de la technique, malgré une diminution de la proportion de chrome au sein de l'alliage, la combinaison des étapes du procédé mises en œuvre sur la composition de l'alliage décrite ici permet de conserver les précipités de chrome incohérents, et cela sans engendrer des précipités de chrome de taille trop importante, qui seraient susceptibles d' entraîner l'apparition de décohésions lors de l'étape d) de transformation à froid.
La texture de solidification colonnaire très fine, obtenue par la mise en œuvre du procédé de l'invention, permet de manière particulièrement avantageuse de répartir l'hétérogénéité de composition de chrome (chrome en solution solide, chrome eutectique et chrome métal) de manière homogène, et ce dans l'ensemble du volume de l'électrode de soudage obtenue par ledit procédé .
Ces précipités de chrome sont à l'origine de l'amélioration des performances de soudage de l'électrode, en augmentant la résistance de cette dernière au fluage à chaud. A titre de remarque, pour ce qui est du soudage de tôles acier avec un revêtement zinc, ces précipités ont pour fonction de retarder ou bloquer la diffusion du fer et du zinc qui sont à l'origine de la corrosion chimique de la face active de ladite électrode .
Le procédé de l'invention, et notamment l'application préférentielle du refroidissement dès le solidus, favorise également une répartition homogène des précipités cohérents de chrome, c'est—à—dire les précipités présentant une continuité avec la structure cristallographique de la matrice.
Par la mise en œuvre du procédé de l'invention, l'électrode obtenue présente également une structure fibrée, due à la présence de précipités de cuivre, ou grains, qui présentent eux—mêmes une forme très fibrée.
Suivant une coupe longitudinale d' une électrode de l'invention après poinçonnage (résultats non montrés), il apparait que le fibrage est symétrique droite gauche, les fibres partant de la face active, et à proximité de la face interne de refroidissement de l'électrode et se dirigeant en se resserrant vers la jupe de l'électrode.
Suivant une coupe transversale de cette même électrode, les fibres sont assimilables aux rayons d'une roue dont le moyeu, correspondant à la zone centrale de l'électrode sans fibrage distinctif présente un diamètre inférieur à 5 mm, de préférence inférieur à 3 mm. Les fibres radiales fines présentent quant à elles une épaisseur avantageusement inférieure à 1 mm, et, plus avantageusement encore, inférieure à 0,5 mm.
Cette texture fibrée, très caractéristique de l'électrode obtenue par mise en œuvre du procédé de l'invention, est la conséquence directe de la structure métallurgique obtenue après l'étape c) dudit procédé, et est très différente de la structure fine et homogène de certaines électrodes traditionnelles .
Le fibrage de l'électrode obtenue par le présent procédé, notamment dû à la présence de grains de cuivre en aiguille ayant une longueur importante, permet une amélioration de la résistance aux champs de sollicitations thermomécaniques, comprenant le champ de déformation et le champ de température, de la face active de ladite électrode lors du soudage.
Plus particulièrement, le fibrage de l'électrode de l'invention favorise, pendant le soudage des tôles acier ou aluminium, une évacuation des calories de manière radiale et longitudinale, depuis la zone centrale de l'électrode, où la température est maximale, vers les zones froides, c'est-à-dire la face interne et la périphérie de l'électrode. Par conséquent, l'électrode de l'invention est plus résistante notamment au phénomène de fluage .
Il a déjà été évoqué, précédemment, la composition de l'alliage de base pour obtenir ladite électrode de l'invention. Cet alliage comporte du cuivre et du chrome, ce dernier composant étant présent dans l'alliage dans une proportion supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4%.
Outre ces deux constituants, l'alliage selon l'invention comprend également du zirconium dans une proportion comprise de préférence entre 0,02 et 0,04% en masse. Une telle proportion permet avantageusement d' éviter de générer des précipités qui seraient susceptibles de favoriser une fissuration à froid du matériau .
La proportion de zirconium est, encore plus avantageusement, comprise entre 300 et 400 ppm, soit entre 0,03 et 0,04%.
Il est également avantageux que l'alliage de base comporte du phosphore dans une proportion inférieure à 0,015% en masse, cette proportion étant préférentiellement inférieure à 100 ppm.
Cet élément, qui est à la fois plus désoxydant que le chrome et moins que le zirconium, facilite une bonne maîtrise de la teneur en zirconium résiduel lorsque des grandes quantités de production sont envisagées .
La présente invention est également relative à une électrode susceptible d' être obtenue par le procédé décrit précédemment .
Comme déjà mentionné précédemment, lesdites électrodes de l'invention présentent des propriétés microscopiques originales par rapport aux électrodes traditionnelles . Des analyses par microscopie à transmission de la structure du matériau des électrodes de l'invention, avant et après soudage, ont permis de mettre en évidence des différences par rapport à la structure microscopique des électrodes CuZr traditionnelles, et notamment sur la morphologie des grains cristallins ainsi que sur les dimensions et la répartition des précipités de chrome.
En particulier, on observe à l'échelle microscopique que le matériau de l'électrode selon l'invention comporte plus de 90% des précipités incohérents de chrome qui présentent une surface projetée inférieure à lpm2.
En outre, à l'échelle nanométrique, on observe, en plus des précipités de chrome cohérents ayant des dimensions de l'ordre de 2 à 5 nm, une population de précipités de chrome incohérents avec des dimensions comprises entre 10 et 50 nm, et plus précisément entre 10 et 20 nm.
Ces précipités de chrome incohérents sont caractéristiques des électrodes de l'invention et ne sont pas visibles au niveau du matériau des électrodes CuZr traditionnelles .
En outre, il est à noter que les analyses effectuées ont également démontré une évolution dimensionnelle de ces précipités incohérents de chrome, pendant l'étape de soudage de tôles, en l'occurrence de tôles acier avec revêtement de zinc, au moyen de l'électrode de l'invention.
En effet, au cours du soudage de tôles acier revêtues de zinc, on observe une coalescence des précipités à l'approche de la face active de l'électrode et, plus précisément, des précipités nanométriques incohérents de 30 à 50 nm dans la couche b et de 100 à 150 nm dans la couche y.
Typiquement, la couche b de la couche de réaction chimique est la plus éloignée de la surface de l'électrode. C'est une couche jaune de diffusion du zinc dans le cuivre, à 40% de zinc. En surface, la couche de réaction chimique comporte une couche riche en fer, typiquement 25%, qui se forme lors du collage de la tôle acier sur la surface de l'électrode à une température supérieure à 850°C. Enfin, entre la couche b et la couche riche en fer se trouve la couche g à 55% de zinc. D'autres analyses menées sur les électrodes de l'invention ont montré que les précipités incohérents de chrome présents dans la couche g s'enrichissent en fer et, de ce fait, permettent de bloquer la diffusion du fer.
Enfin, des essais de caractérisation mécanique à chaud ont également été conduits sur des électrodes obtenues par le procédé de l'invention. Les résultats de ces essais ont montré que la température de fluage est augmentée de 100 °C avec les présentes électrodes, par rapport à la température de fluage de certaines électrodes traditionnelles .
Plus précisément dans le cas de soudage de tôles en acier, généralement, le fluage de la face active d'une électrode traditionnelle devient sensible, pendant l'opération de soudage, à une température de l'ordre de 700°C. En effet, avec l'adoucissement de surface de l'électrode, il y a fluage de la surface et fissuration de la couche y, ce qui favorise une diffusion du fer dans la couche y puis dans la couche b sous forme de précipités FeZn. La couche b devient résistive, et s'échauffe au-delà de 850°C, entraînant la disparition de la couche g. Par conséquent, la matière de ladite électrode traditionnelle va commencer à s'arracher au fur et à mesure des points de soudage, entraînant une dégradation rapide du point de soudure .
Au contraire, pour une électrode selon l'invention, dans le cas de soudage de tôles en acier, cette température de fluage est de l'ordre de 800°C, ce qui permet de retarder la sollicitation mécanique de la couche g, favorisant ainsi le maintien protecteur de ladite couche g au niveau de la face active de ladite électrode .
De de ce fait, les électrodes obtenues par la mise en œuvre du présent procédé présentent notamment une durée de vie augmentée et des performances au soudage améliorées .
Afin d'illustrer l'intérêt et les caractéristiques techniques de l'électrode selon l'invention pour le soudage résistif de tôles en aluminium, trois exemples comparant la performance de ladite électrode aux électrodes cuivre-zirconium (0,15%), utilisées actuellement par les constructeurs automobiles avec carrosserie aluminium, sont donnés ci-dessous. Exemple 1 : Essais comparatifs de caractérisation de la couche de 3 mm à la surface de l'électrode avant et après traitement thermique
La dureté Brinell (dureté HB) a été mesurée à la surface et à moins 3 mm de la surface d'une électrode CuZr utilisée actuellement par les constructeurs automobiles et d' une électrode selon l'invention, avant et après un traitement thermique de 500°C appliqué pendant une durée de 8h.
En outre, la conductivité %IACS a également été mesurée pour ces deux électrodes, avant et après traitement thermique.
La composition de l'alliage qui a été utilisé pour fabriquer l'électrode qui a été testée est la suivante :
- Cr : 0.2 à 0.3% ;
- Zr : 300 à 400 ppm ;
- P : 80 à 120 ppm ;
- Restant : cuivre et impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 300 ppm avec une somme pondérée < 2000.
Les résultats obtenus lors de ces essais comparatifs sont récapitulés dans le tableau 2 ci-après .
Figure imgf000026_0001
Tableau 2 : Comparaison des caractéristiques « dureté » et
« conductivité » entre une électrode usuelle CuZr et une électrode de l'invention avant et après traitement thermique
Les résultats présentés dans le tableau 2 montrent que, en comparaison avec l'électrode CuZr traditionnelle, les caractéristiques « dureté HB » et « conductivité %IACS » de l'électrode selon l'invention sont plus constantes entre avant et après le traitement thermique qui a été appliqué . En effet, la surface d'une électrode CuZr neuve, avant traitement thermique, est moins conductrice que la surface d'une électrode neuve selon l'invention, avec une conductivité %IACS de 86 contre 91.
Par conséquent, l'électrode traditionnelle CuZr va s'échauffer de manière plus importante et résister moins bien à l'adoucissement thermique, ce qui se traduit par une baisse de dureté après traitement thermique à 100 HB contre 140 HB pour 1' électrode de 1' invention .
Une telle différence dans la conductivité conduit finalement à un fluage de surface plus important pour l'électrode CuZr que pour l'électrode selon la présente invention.
Exemple 2 : Essais comparatifs de caractérisation de la couche de surface après soudage
La dureté Brinell (dureté HB) a été mesurée à la surface et à moins 3 mm de la surface d'une électrode CuZr utilisée actuellement par les constructeurs automobiles et d' une électrode selon l'invention, avant le soudage (électrode « neuve ») et après soudage (« fin de soudage ») . Pour l'électrode selon l'invention uniquement, la dureté HB a également été mesurée après 30 points de soudage .
En outre, la conductivité %IACS a également été mesurée pour ces deux électrodes, avant et après soudage, et après 30 points de soudage pour l'électrode de l'invention.
Les résultats obtenus lors de ces essais comparatifs sont récapitulés dans le tableau 3 ci-après .
Figure imgf000027_0001
Tableau 3 : Comparaison des caractéristiques « dureté » et « conductivité » entre une électrode usuelle CuZr et une électrode de l'invention avant et après soudage Les résultats récapitulés dans ce tableau démontrent également que l'électrode selon l'invention est beaucoup plus constante entre avant et après soudage.
L'électrode de l'invention travaille, dans tout son cycle de fonctionnement, d'une part avec une conductivité plus élevée (entre 90 et 92 contre 86-88) et d'autre part avec une meilleure résistance à l'adoucissement. En effet, l'électrode selon l'invention présente encore une dureté HB de surface de 150 en fin de soudage alors que l'électrode usuelle a, en fin de soudage, une dureté de 125 HB.
Les résultats obtenus montrent également que la perte d'adoucissement sur les électrodes CuZr est localisée en surface. En effet, la dureté à moins 3 mm de la surface reste sensiblement constante, de l'ordre de 140-150HB, et la conductivité n'est pas remontée à 94. Malgré cela, le fluage de surface de l'électrode CuZr conduit à l'élargissement de la face de contact et à un diamètre de point soudé insuffisant .
L'électrode de l'invention fonctionne dans un domaine où elle conserve ses caractéristiques mécaniques .
En particulier, l'électrode de l'invention conserve une dureté à un niveau élevé, malgré l' échauffement généré dans l'électrode pendant le soudage, et la résistance au fluage est ainsi accrue .
Par conséquent, ladite électrode se déforme moins lors du soudage, permettant à l'utilisateur de gagner en productivité car la fréquence des décapages mécaniques diminue .
Exemple 3 : Essais comparatifs de performances au soudage
Le troisième essai, en référence à la figure unique annexée, consiste à comparer la performance au soudage entre une électrode CuZr usuellement mise en œuvre par les constructeurs et une électrode de l'invention.
Du fait de la meilleure résistance au fluage lors du soudage, et tous paramètres égaux par ailleurs (en termes de paramètres de soudage : intensité, temps de serrage, refroidissement notamment) , lors du décapage mécanique pour remettre la surface de l'électrode à l'état initial, on retire 15% de matière en moins avec l'électrode de l'invention.
La quantité de matière qui est retirée, lors de l'opération de décapage mécanique, de l'électrode de l'invention 1 correspond à la partie grisée de la figure 1 ci-jointe. Cette quantité de matière qu'il convient de retirer est inférieure pour l'électrode de l'invention 1, en comparaison avec l'électrode classique CuZr 2, cette dernière subissant un fluage important aboutissant à un élargissement de son extrémité, comme illustré sur la figure 1.
Un cycle correspond au nombre de points soudés avant de réaliser l'opération de décapage mécanique.
Il est possible, avec l'électrode de l'invention, et sans changement des paramètres de soudage, d'une part d'augmenter le nombre de cycles de 15% et, d'autre part, d'augmenter le nombre de points par cycle de 10%, par rapport au nombre de cycles et au nombre de points par cycle moyens pouvant être effectués avec une électrode CuZr utilisée actuellement, avant qu'il soit nécessaire de procéder au décapage mécanique de ladite électrode de l'invention pour conserver une qualité optimale du point soudé.
L'électrode de l'invention permet, par conséquent, d'améliorer la productivité de l'ordre de 27%, sans changer les paramètres de soudage .
L'électrode de l'invention présente une très grande stabilité lors des cycles de soudage sur tôle en aluminium, en mettant en œuvre les paramètres de soudage définis spécifiquement pour une utilisation optimale des électrodes CuZr.
Cela implique que les paramètres de soudage, définis pour ces électrodes en CuZr, ne dégradent pas la surface de l'électrode de l'invention, malgré un nombre de points soudés accrus de 27% avec cette dernière .
Il semble par conséquent évident pour l'homme de l'art qu'une définition des paramètres de soudage propres à l'électrode de l'invention permettra une amélioration supplémentaire en termes de nombre de points soudés .

Claims

REVENDICATIONS
1. Electrode en alliage de cuivre, de chrome, de zirconium et de phosphore pour le soudage de tôles métalliques en acier et en aluminium ou en alliages d'aluminium, caractérisée en ce que l'alliage est constitué de chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,04% en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,015 % en masse, le reste de la composition étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse, et la conductibilité électrique de ladite électrode étant supérieure ou égale à 90% IACS (International Annealed Copper Standard) et en ce que la structure de ladite électrode comporte des précipités de chrome incohérents dont plus de 90% ont une surface projetée inférieure à Ipm2 , lesdits précipités de chrome incohérents présentant des dimensions comprises au moins entre 10 et 50 nm, ladite électrode présentant en outre une structure fibrée, visible suivant une coupe transversale de la face active de ladite électrode après surfaçage et attaque chimique, ladite structure étant constituée, d'une part, d'une pluralité de fibres radiales, lesdites fibres présentant une épaisseur inférieure à 1 mm et, d'autre part une zone sensiblement centrale sans fibrage ayant un diamètre inférieur à 5 mm.
2. Electrode en alliage de cuivre selon la revendication précédente pour le soudage de tôles métalliques en aluminium ou en alliages d' aluminium caractérisée en ce que ladite électrode est apte à maintenir une pression spécifique supérieure ou égale à 120 MPa lors du soudage entre elles de deux tôles en aluminium, pour limiter la résistance de contact entre ladite électrode et la surface extérieure de l'une des deux tôles .
3. Electrode en alliage de cuivre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la proportion de chrome est comprise entre 0,2 et 0,3% en masse.
4. Electrode en alliage de cuivre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la proportion de zirconium est comprise entre 0,03 et 0,04% en masse.
5. Electrode en alliage de cuivre selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la proportion de phosphore est inférieure à 0,01% en masse.
6. Electrode en alliage de cuivre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la proportion des impuretés inévitables est inférieure à 0,05% en masse .
7. Electrode en alliage de cuivre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un coefficient de pondération est affecté à chaque élément chimique susceptible d'être présent en tant qu' impureté dans l'alliage, en fonction de l'effet dudit élément chimique sur la conductibilité électrique ; la somme des proportions pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en partie par million, étant inférieure à 5000.
8. Electrode en alliage de cuivre selon la revendication précédente caractérisée en ce la somme des proportions pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en partie par million, est inférieure à 2000.
9. Procédé de fabrication d'une électrode de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes par coulée continue à partir d' un alliage constitué de chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,04% en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,015 % en masse, le reste de la composition étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse, ledit procédé comportant au moins les étapes suivantes : a) fusion des différents composants de l'alliage, à savoir le cuivre, le chrome, le zirconium et du phosphore à une température supérieure ou égale à 1200°C ;
b) coulée continue à travers une filière cylindrique présentant un diamètre d permettant d' obtenir une barre d'un diamètre proche du diamètre d de la filière avec le maintien du métal liquide dans le four de coulée à une température comprise entre 1100 et 1300°C;
c) solidification de ladite barre et refroidissement jusqu'à une température inférieure à 100°C, la vitesse de refroidissement étant au moins égale à 10°C/s jusqu'à atteindre une température de la barre de 1060°C, puis au moins égale à 15°C/s entre 1060 et 1040°C, puis au moins égale à 20°C/s entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C entre 1000 et 900°C, puis au moins égale à 20°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C ; d) déformation à froid pour obtenir un barreau d' un diamètre inférieur à 20 mm ;
e) cisaillage dudit barreau afin d'obtenir des lopins puis poinçonnage ou usinage par enlèvement de matière afin de conférer à ladite électrode sa forme définitive, ledit procédé comprenant au moins une étape de traitement de vieillissement ou de revenu avant et/ou après l'étape e) de mise en forme de l'électrode, et dans lequel procédé la structure métallurgique de la face active de ladite électrode comporte des précipités de chrome incohérents dont plus de 90% ont une surface projetée inférieure à lyim2 , lesdits précipités de chrome incohérents présentant des dimensions comprises au moins entre 10 et 50 nm, ladite électrode présentant en outre une structure fibrée, visible suivant une coupe transversale de la face active de ladite électrode après surfaçage et attaque chimique, ladite structure étant constituée, d'une part, d'une pluralité de fibres radiales, lesdites fibres présentant une épaisseur inférieure à 1 mm, et, d'autre part, d'une zone sensiblement centrale sans fibrage ayant un diamètre inférieur à 3 mm, et la conductibilité électrique de ladite électrode étant supérieure ou égale à 90% IACS (pour International Annealed Copper Standard) .
10. Procédé de fabrication d'une électrode de soudage selon la revendication précédente dans lequel la fusion des différents composants de l'alliage de l'étape a) est effectuée à une température comprise entre 1200°C et 1300°C.
11. Procédé de fabrication d'une électrode de soudage selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10 dans lequel la coulée continue de l'étape b) est réalisée avec le maintien d'une température du métal liquide dans le four de coulée comprise entre 1150 et 1250°C.
12. Procédé de fabrication d'une électrode de soudage selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 dans lequel le refroidissement de ladite barre de l'étape c) est effectué à une vitesse de refroidissement au moins égale à 30°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C.
13. Procédé de fabrication d'une électrode de soudage selon l'une quelconque des revendications 9 à 12 dans lequel le traitement de vieillissement est effectué avant l'étape e) de mise en forme de l'électrode et consiste en un traitement de précipitation réalisé à une température comprise entre 450 et 480°C pendant une période de 1 à 2 h.
14. Procédé de fabrication d'une électrode de soudage selon l'une quelconque des revendications 9 à 13 dans lequel, suivant l'étape e) de mise en forme de l'électrode, on procède à un traitement de précipitation réalisé à une température comprise entre 450 et 480°C pendant une période de 1 à 2 h.
15. Procédé de fabrication d'une électrode de soudage selon l'une quelconque des revendications 9 à 14 dans lequel ledit diamètre d de la filière est compris entre 20 et 70 mm, de préférence entre 20 et 40 mm.
16. Procédé de fabrication d'une électrode de soudage selon l'une quelconque des revendications 9 à 15 dans lequel, au cours de l'étape d) de déformation à froid, une opération d'usinage extérieur, inférieure à 0,5 mm d'épaisseur, est effectuée pour éliminer les défauts de surface générés lors de l'étape c) de solidification.
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