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La présente invention est relative à des procédés pour souder l'aluminium à l'aluminium, ou l'aluminium à d'autres métaux , aux joints ainsi produits et aux matériaux de soudage contenant pour être utilisés dans ces procédés',
Le soudage de l'aluminium diffère du soudage de beaucoup de métaux ordinaires tels que le cuivre, en ce que l'aluminium forme un oxyde réfractaire plus tenace. Comme dans le soudage d'autres métaux habituels, puisqu'un bon joint de soudure ne peut' être fait à un revêtement d'oxyde, il est nécessaire d'abord d'enlever ce revêtement.
Dans le cas de cuivre, on enlève facilement ce revêtement en utilisant un quelconque des nombreux flux disponibles dans le commerce, dont beaucoup ne sont pas corrosifs ou ne sont que modérément corrosifs, en sorte que leur enlèvement ne pose pas de problème sérieux.
L'enlèvement de,l'oxyde d'aluminium dans la prépara- tion de l'aluminium pour le soudage nécessite pourtant un flux beaucoup plus actif , spécialement lorsqu'on fait usage des soudures à point de fusion plus élevé utilisé habituelle- ment avec l'aluminium. Un tel flux peut contenir un chlorure ou un fluorure d'un métal lourd.
Bien que de tels flux soient modérément efficaces pour l'enlèvement d'oxyde d'aluminium, une réaction subséquenJ te avecl'aluminium métallique s'accompagne de la formation de quantités copieuses de chlorure d'aluminium ou de fluorure d'aluminium qui sont extrêmement nuisibles et qu'il faut as- pirer.
La difficulté de former un joint de soudure avec l'aluminium a entraîné des études considérables dans cette technique et on a développé beaucoup de techniques et de compo,.
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-sitions de soudage. En général, .Ces compositions de soudage utilisées dans ces techniques peuvent se diviser en trois groupes : les soudures dites à basse température fondant en dessous de 500 F représentées par l'eutectique étain-zinc, les soudures à point de fusion intermédiaire fondant entre
500 et 720 F représentées par la composition de 70 parties d'étain pour 30 parties de zinc, et les soudures à haut point de fusion fondant au-dessus de 720 F , contenant géné- ralment 90% ou plus de zinc pur et de petites quantités de -- certains éléments d'alliages désignés pour abaisser le point de fusion et améliorer les caractéristiques d'écoule- ment.
En général, les joints de oudure à l'aluminium, pour être raisonnablement résistant à la corrosion, doivent être faits avec l'une des soudures à température élevée. Malheureu- sement, des soudures de ce groupe nécessitent l'emploi de - flux de sels métalliques corrosifs dont il a été question plus haut.
Comme on reconnaissait la difficulté dans l'emploi des flux corrosifs et les effets délétères des résidus qui empêchaient l'usage de ces soudures à point de fusion élevé spécialement dans le soudage de matières minces, quelque publicité a été faite au procédé sans flux connu sous le nom de soudage ultra-sonique.
Suivant ce procédé, la cavitation produite dans un bain de soudure entre la pointe d'un fer ul- tra sonique et la surface d'aluminium qu'on soude brise l'oxyde et permet à la soudure de mouiller l'aluminium. Bien que l'on ait espéré que ce procédé viendrait à bout des dif- ficultés du soudage avec flux ordinaire, la limitation de l'action de mouillage à la zone située sous la pointe du fer, de fréquents ponts de régions non fouillées donnant l'appa- rence d'une surface complètement étamée, et le manque de con fiance que l'on pouvait donner au joint ainsi produit ainsi
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que des frais initiaux élevés pour acheter l'appareillage nécessaire ont empêché cette méthode de prendre de l'extension
Par, la pratique de la présente inention,
on peut produire de manière simple et sure, sans utiliser un appa- reillage spécial, des soudure solidesde l'aluminium à l'alu- nium, ou de l'aluminium à un autre métal avec des joints ay- ant une résistance à la traction comparable à celle des matières jointes ou la dépassant. Les procédés ici décrits utilisent tous des matières de joint qui sont soit des sou- dures à haut point de fusion bien connues ou qui sont des compositions qu'on n'utilisait pas jusqu'à présent dans la formation de joints de soudure mais qui sont néanmoins classées convenablement comme soudures à point de fusion élevé.
L'excellente résistance à la corrosion des matières de soudage utilisées'dans les présents procédés sont bien connues des spécialistes du soudage et des techniques de travail des métaux qui s'y rapportent. le procédas suivant nt la présenteinvention ne nécessitE/PAS l'usage d'une matière de flux quelconque et sont en fait généralement gênés par l'emploi d'un tel agent. Par conséquent, l'enlèvement des fumées formées pendant le soudage et l'enlèvement d'un résidu corrosif sont supprimés. Ces procédés conviennent pour l'usa- ge du soudage , aussi bien de grandes pièces que de petits détails.
En général, des joints produits par ces procédés sont satisfaisants chaque fois que la résistance mécanique et la résistance à la corrosion de l'aluminium ou d'un allia- ge d'aluminium sont convenables.
Suivant les procédés de la présente invention, une pièce d'aluminium à souder est étamée avec une soudure au zinc à haut point de fusion en élevant la température de la . région de l'aluminium qui doit être soudé au point de fusion de la soudure, en tirant ou en frottant doucement la soudur
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solide contre 'la surface ainsi chauffée, la matiére de soudage fondu mouillant ainsi la surface d'aluminium, en faisant flotter la couche d'oxyde à la partie supérieure du corps fondu, et ensuite en agitant ou en puddant le corps fondu de la soudure en sorte de disperser la couche d'oxyde en même temps que tout oxyde supplémentaire flottant à sa sur- . face.
On peut permettre alors au corps d'aluminium de se re- froidir. Une pièce de matière première ainsi étamée peut être soudée à un autre corps d'aluminium qui a été traité de cette manière ou à un corps de tout autre métal par l'emploi, dans le cas d'une soudure aluminium à aluminium, de la même matiè- re de soudage ou, dans ce dernier cas, en utilisant toute soudure ordinaire qui mouille le second m(tal.Comme les matières de soudage utilisées ici sont rendues fondues seu- lement à des températures dépassant environ 720 F.
ces procé- dés ne se prêtent pas facilement à l'emploi d'un fer à souder mais sont exécutés aisément en utilisant une flamme de gaz telle qu'une flamme de propane, d'acétylène ou une torche oxhy- drique.
Les dessins annexés montrent les étapes du procédé utilisé en produisant une surface étamée d'un joint de soudure suivant les procédés de l'invention.
La figure 1 est une vue en perspective d'un corps d'aluminium à étamer; - la figure 2 est une vue en perspective d'une barre de matière de soudage en contact avec ce corps; - la figure 3 est une vue en perspective en partie en coupe d'une phase intermédiaire d'un procédé de l'invention dans lequel un corps fondu de cette matière a mouillé la surfa. ce de l'aluminium et a écarté par .flottement une couche dtoxy- de d'aluminium; - la figure 4 est une vue es plan de la phase inter.
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médiaire de la figure 3 ; - la figure 5 est une coupe transversale d'un tel corps d'aluminium montrant la barre de soudure au contact, une région fondue de cette soudure mouillant la surface de l'aluminium et une couche d'oxyde d'aluminium flottant sur la région fondue;
- la figure 6 est une vue en perspective montrant l'opération de puddlage par laquelle la couche d'oxyde d'alù- de minium ainsi que/tout oxyde de soudure est/dispersée, mettant ainsi à nu la région de la soudure, et- - la figure 7 est une vue en perspective/mentrant la formation d'un joint en té faite à une surface d'alumi- nium ainsi étamée.
En se reportant encore aux figures, le corps de matière 1 montré à là figure 1 est un corps d'aluminium pur ou d'un alliage où cette matière domine tel que par exemple un quelconque des alliages portant des numéros de désignation d'alliage de l'Association pour l'Aluminium (voir"Alloy
Designation System for Wrought Aluminum" Juillet 1954
The aluminum Association, 420 Lexington Avenue, N.Y., N.Y.)
Des exemples sont les numéros 1100, 2024, 5052, 6063, 7072 et 2017.
Les procédés de l'invention sont précieux pour la formation de joints à de l'aluminium et à des alliages d'au- luminium contenant 85% ou plus d'aluminium en poids. Ceci semble se rapporter à tous les alliages commerciaux générale- ment indiqués sous le nom de "Alliages d'aluminium!!. L'usage du mot "aluminium" ici est destiné à comprendre ces alliages.
La figur 2 montre une barre 2 de soudure à' haut point de fusion contenant du zinc telle que par exemple l'alliage de coulée connu sous le nom de "Zamak-3". en contact avec le corps d'aluminium 1.
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A la figure 3, la flamme de gaz 3 qui peut être par
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exemple o,h:Ydrlqu ,émanant de la torche à chauffé la surfa- ce 5 supérieure du corps 1 au point de fusion du corps de soudure
2 en sorte de produire la formation de la région fondue 5 de la composition de soudage. Comme montré à cette figure, les conditions thermiques et la légère pression appliquée sont telles qu'il en résulte qu'une surface solide 6 de la barre de soudure 2 est en contact avec la surface supérieure du corps d'aluminium 1. Dans ces conditions, la région fondue
5 mouille la matière d'aluminium de la barre 1, éliminant ain si la couche flottante d'oxyde d'aluminium 7 de la surface supérieure du corps 1.
Suivant la vue en plan de la figure 4, qui est une vue de la même phase d'opération que montrée à la figure 3, on voit que la région 5 de soudure fondue s'est étendue laté- 'paiement au dela des limites de la surface supérieure du corpd
1 touchée à tout moment par la barre de soudure 2 en sorte que l'aire mouillée dépasse l'aire qui était en contact avec la matière solide de la barre 2. Une certaine partie de l'oxyde d'aluminium a été tirée le long de la surface de la région de soudure 5 par la barre 2. Pour la simplicité, le moyen de chauffage n'a pas été représenté dans cette vue.
La figure 5 est une vue en coupe de la phase de l'opération montrée à la figure 4. Suivant cette vue, une couche d'oxyde 7, exagérée en épaisseur, est montrée comme comprenant en dessous d'elle la région fondue 5 qui mouille le corps d'aluminium 1. On voit aussi la barre de soudure 2, la flamme de gaz 3 et le moyen de chauffage 4.
La figure 6 montre une opération de puddlage dans laquelle le revêtement d'oxyde 7 est en train de se casser et d'être dispersé sur la surface de la soudure fondue 5 @
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qui mouille le corps d'alumini1!mi 1, 'l'0tJIJ, oJt-saaES'
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formé est également dispersé par cette opération. L'opération de puddlage est exécutée avec la pièce 8 qui peut être la barre'de soudure, une pièce de bois ou tout autre matière qui n'introduit pas dans la soudure des impuretés indésira- bles. Les matières désirables à ce point de vue ressortiront avec évidence de la discussion des limites désirables de l'im- pureté de la matière de soudure comme exposé dans cette des- cription.
Suivant les dimensions et le contenu calorifique ducorps de soudure ?, il peut être désirable de maintenir la surface du corps d'aluminium 1 à l'état chauffé en utilisant un moyen de chauffage tel que la torche 4 montrée à la, vue précédente. Le puddlage est une opération très rapide et peut être réalisé simplement en tirant un outil de puddlage : tel que la pièce 8 , à travers la surface supérieure de la soudure fendue. Tout 'ce qui est nécessaire, c'est de briser la couche d'oxyde 7. Il n'est pas nécessaire que cette couche soit enlevée complètement.
Après l'opération de puddlage de la figure 6, le corps d'aluminium 1 est étamé et on peut y faire un joint de soudure par l'emploi de toute soudure connue pour mouiller le second corps de métal à y fixer. Lorsque, le second corps est de l'aluminium ou un alliage contenant de l'aluminium, ou si c'est un alliage contenant surtout du zinc ou un corps revêtu de zinc, tel qu'un corps galvanisé, la soudure de joint est de préférence l'une des compositions de la présente invention.
A la figure 7, on a montré l'étape finale du procédé pour faire un joint en té entre un corps d'alwni.. nium étamé, tel qu'un corps 1 montré placé horizontalement, et une seconde pièce telle que la pièce 9 qui peut être aussi , un corps d'aluminium. Dans l'étape montrée, des raccorde- ments 10 d'une composition de soudure à haut point de fusion-
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dont question ici ont été produits entre les corps 1 et 9 en utilisant une barre de soudure' 11 qu'on montre tirée en travers des surfaces contiguës des corps 1 et 9, lesquelles surfaces sont maintenues au point de fusion de la matière de soudure de la barre 11 en utilisant une torche à gaz 4 pro- duisantla flamme 3.
En formant un joint en té, tel que celui montré à la figure 7, il est généralement préférable d'étamer d'abord le corps 9. Si le corps 9 est une matière contenant de l'alu- minium, les opérations d'étamage sont identiques à celles montrées aux figures 1 à 6. Si l'on utilise quelqu'autre matière, l'étamage est exécuté de la manière prescrite par les conventions de la technique.
Bien qu'il soit généralement préférable d'étamer ainsi la pièce verticale 9 avant de la réunir à l'autre comme montré à la figure 7, on peut se dispenser de cette étape si l'on¯a pris soin initialement de promener la barre de soudure 11 en travers de la surface verticale la plus basse de la pièce 9 à réunir, permettant ains. à la couche d'oxyde de flotter à la partie supérieure du raccordement.
Si l'on ne prend pas cette précaution, en sorte que le mouillage initial de la surface verticale du corps .- à réunir se produit à une distance sensible de la surface horizontale contiguë de la pièce 1, il est possible qu'un peu d'oxyde soit emprisonné sous la partie inférieure du raccordement, affaiblissant ainsi le joint. a titre d'autres exemples, on donne ci-après des données expérimentales relatives à la résistance à la traction de joints en té préparés sur un certain nombre d'alliages d'a- luminium et utilisant trois compositions de soudage suivant
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l'invetitioit.--Le"prôcessus suivi dans tous les exemples était le même. Les deux pièces ont été étamées de la manière décrire
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dans la description des figures 1 à. 7.
Dans chacun des exemples, la pièce horizontale correspondant au corps 1 des figures est dont question ici comme "corps" du joint était une feuille de matière de dimensions 2,54 cm sur 5,08 cm sur 0,152 cm d'épaisseur. La dimension de 5,08 cm était parallè- le au joint. La pièce verticale correspondant au corps 9 de la figure 7 avait les dimensions de 10,16 cm x 2,54 cm x 0,081 cm d'épaisseur avec la plus petite dimension parallèle au joint.
La pièce verticale est dite ici "tige". La région étamée du corps avait environ 0,95 cm sur 3,le cm. La tige était éta- niée aux deux surfaces verticales parallèles au joint à.une hauteur de 0,16 cm à 0,32 cm au-dessus de l'extrémité butant contre le corps. Une dimension plus grande de matière était utilisée pour la pièce du corps en sorte d'empêcher un cisail lement en dessous du joint qui aurait rendu les données d'essai de peu de signification. Les données présentées dans chacun des exemples sont des moyennes.de ces données mesurées sur six échantillons préparés de la même manière.
En répro- duisant les exemple, on s'est référé à trois désignations d'aluminium bien connues de là Association de l'Aluminium.
Par commodité, les ingrédients intervenant dans ces alliages sont mis en tableau :
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<tb> Alliages <SEP> Ingrédients
<tb>
<tb>
<tb> 1.100 <SEP> 99,0 <SEP> % <SEP> A1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2.024 <SEP> 4,5 <SEP> % <SEP> Cu
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1,5% <SEP> mG
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,6 <SEP> % <SEP> Mn <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bal. <SEP> Al <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5.052 <SEP> 2,5% <SEP> mG
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,25 <SEP> % <SEP> cR
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bal.Al
<tb>
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La tension de rupture à la traction des trois alliages dans l'ordre,présenté dans le tableau est de 17.700, de 64.500 et de 35.900 livres par pouce carré.
Par suite, la tension de rupture à la traction d'une section transversale de 2,54 cm sur 0,08 cm des mêmes alliages correspondant à l'aire d'aboutement de la tige des joints est de 546. 2066 et 1150 livres. Comme on peut s'y attendre, on remarquera des exemples que le traitement à la chaleur venant du procès' sus de soudure a pour effet un certain affaiblissement de la mat ière .
EXEMPLE 1. -
Un joint en té a été fait comme ci-dessus en uti- lisant un matériau de coulée désigné sous le nom de "Zamak 3" .comme matière de soudure et de l'aluminium 1100. La composi- tion du"Zamak 3" est donnée plus bas. Les raccordements résul- tants étaient uniformes et réguliers et de dimensions d'en- viron 0,32 cm verticalement et 0,48 cm horizontalement. Lors- qu'on la soumettait à la fatigue de traction, la tige se brisait dans une région limitée par le haut du raccordement et une hauteur supplémentaire d'environ 1,27 cm sous une fati- gue appliquée de 370 livres.
EXEMPLE 2. -
Un joint en té a été fait en utilisant du "Zamak 3' et de l'aluminium 2024. Les dimensions de raccordement étaient les mêmes qu'à l'exemple 1. Trois de ces joints se brisèrent à travers les raccordements et trois se brisèrent dans la ma- tière de la tige immédiatement au-dessus des raccordementn.
La séparation se produisait pour une charge appliquée de 1250 livres.
ESEMPELE 3. -
Deux morceaux d'aluminium d'aluminium 5052 étaient soudés en utilisant du "Zamak 3". Le specimen s'est-
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brisé à une distance de 0,32 cm au-dessus des raccordements.
La charge de rupture était 870 livres. Les dimensions du raccordement étaient les mêmes que dans les exemples précé- dents.
EXEMPLE 4.- à
Deux pièces d'aluminium 1100 étaient soudées ensem- ble en utilisant de la soudure de zinc à 4% d'aluminium Le specimen s'est rompu immédiatement au-desus du joint sous une charge appliquée de 390 livres. Les dimensions de raccor- dement étaient les mêmes que ci-dessus.
EXEMPLE 5.-
Un joint de zinc à 4% d'aluminium était fait entre deux pièces d'aluminium 2024. Le specimen s'est rompu immédia- tement au-dessus du joint sous une charge appliquée de 1220 @ ' livres. Les dimensions de raccordement et l'aspect étaient: comme ci-dessus.
EXEMPLE 6.-
Deux pièces d'aluminium 2024 étaient d'abord éta- mées avec du "Zamak 3" après quoi les surfaces étamées étaient réunies en utilisant une soudure à 60 parties d'étain et 40 parties de plomb. La soudure étain-plomb mouillait facilement les surfaces revêtues de "Zamak"3" pour produire un joint en té ayant une apparence et des dimensions de raccordement com- me dans les exemples précédents. Tous les six specimens préparés de cette manière se séparèrent au joint sous une charge moyenne de 410 livres.
EXEMPLE 7.-
Un joint a été fait entre deux pièces d'aluminium 2024 en utilisant du zinc à 4% de magnésium. L'apparence et les dimensions des raccordements étaient comme ci-dessus.
La séparation s'est produite à travers le joint sous une char- ge appliquée de 1000 livres.
Beaucoup de compositions de soudage sont utilisables
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dans la pratique de l'invention. Toutes ces compositions de soudage contiennent au moins 90% de zinc et peuvent en outre contenir de petites quantités d'autres ingrédients ajou- tés pour améliorer lespropriétés de manipulation de la soudu- re, sa résistance mécanique et la résistance à la corrosion du joint résistant. Comme il est bien connu dans les techni- ques des travaux métalliques, les propriétés du zinc et des alliages où le zinc est en proportion prédominante, peuvent être sérieusement affectées par l'inclusion de quantités relativement petites de certaines impuretés.
Par exemple, des matières telles que le plomb, l'étain et le cadmium Ont'pour effet de promouvoir une corrosion intergranulaire.
Les limites d'impureté tolérables d'un tel point de vue sont bien connues des spécialistes de la coulée et ces limites ne seront pas données ici.
Pour le but de l'invention, on préfère que le zinc inclus dans l'une des compositions de soudage ait une pureté de 99,99%. Une telle matière mise sur le marché par la New Jersey Inc. Cy, est connue comme zinc de pureté spéciale ment élevée (Spécial High. Grade Zinc). On comprendra que les considératbns quant à ces limites des impuretés sont de première importance seulement en ce qui concerne le vieilli sement du joint . Là où, par la nature de l'objectif particu- lier, le vieillissement n'a pas une importance essentielle, les limites d'impureté peuvent être dépassées sans affecter substantiellement la travaillibilité de la soudure ou l'aspe± immédiat ou la résistance du joint de soudure.
Des soudures à titre d'exemple convenant pour l'u- sage dans ces procédés, comprennent du zinc à 99.99% sans ingrédient ajouté, des soudures zinc-aluminium contenant jusqu'à 10% d'aluminium mais de préférence pas plus qu'en- viron 6% d'aluminium, dont des types sont le zinc à 4% d'alu-
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minium des exemples 4 et 5. L'addition de petites quantités de ,magnésium aux matériaux contenant du zinc a un effet stabilisant connu en ralentissant la transformation bêta, la corrosion et le développement. 1 En général, la quantité de cette addition de magnésium ne sera pas plus grande qu'envi- ron 0,2% parce que de plus grandes quantités affectent la @ propriété de travaillibilit de la soudure.
Un exemple d'une telle soudure est le zinc à 0,1% de magnésium de l'exemple 7.
Deux métaux de coulée bien connus à quantité prédo- ' minante de zinc et ayant d'excellentes propriétés. de vieillis- sement sont des matières de soudure préférées pour la. pratique de l'invention. Ces matières sont désignées sous le nom de "Zamak 3" et "Zamak 5". Les. compositions limites de "Zamak 3" 'spécifiées par A.S.T.N. dans la spécifiqation B 86 sont les suivantes : Ingrédients ajoutés Aluminium 3,5 à 4,3% Magnésium 0,03 à 0,08% Impuretés Cuivre 0,1% max.
Plomb 0,007% max.
Cadmium 0,005% max.
Etain 0,005 % max.
Fer 0,100 5 max.
Le reste de la composition est du zinc.
Le "Zamak 5" diffère du "Zamak 3" en ce qu'il contient 1% de cuivre , ce qui est à peu près la solubilité solide du cuivre dans 4 parties d'aluminium-96 de zinc. La composition nominale contient 0,03% de 'magnésium plut8t que 0,04%. Les limites d'impuretés étaient les mêmes.
Des exemples 1, 2 et 3, on voit que les joints de "Zamak 5" sont d'une résistance à la traction généralement
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plus grande que celle des matériaux joints, le joint se sé- parant environ 505 des fois seulement lorsque l'on utilisait un alliage d'alliage d'aluminium de 64,500 psi,
L'invention a été décrite en ce qui concerne la préparation d'un joint en té. Ce joint a été choisi par ce qu'il est considéré généralement le plus difficile à faire des joints ordinaires. Les étapes spécifiques discutées au sujet des figures se rapportent toutes à la fabrication d'un tel joint et peuvent n'être pas directement'applicables à d'autres types de joints.
L'invention n'est pas limitée à la séquence spécifique des étapes montrées ni à la prépara- tion d'un joint en té, ni à la préparation de tout autre joint. Dans un sens large, les procédés de la présenteinven- tion peuvent être considérés comme des procédés d'étamage plutôt que des techniques de soudage puisqu'on a réalisé - seulement le processus d'étamage, la jonction subséquente pouvant être faite de toute manière habituelle et utilisant toute soudure convenable pour la matière à réunir à la surface étamée. Spécifiquement, bien qu'il soit nécessaire pour ces procédés que la couche d'oxyde flottant au sommet du corps fondu de la soudure soit dispersée après la réunion, une pièce de puddlage séparée, telle que celle montrée à la figure 6, peut n'être pas nécessaire.
Par exemple, lorsqu'il faut former un joint en té, ce puddlage peut être réalisé en déplaçant la tige du té en travers de la surface de la sou dure fondue en sorte de produire le même effet.
Bien que la technique ait été décrite spécifique- ment au sujet du contact d'une surface à évamer avec une barre de soudure et du chauffage de la surface à étamer, cette séquence est sans importance pourvu que la surface à étamer soit au point de fusion ou au-dessus du point de fusion de la soudure lorsqu'on promène la soudure solide ou qu'on l'étiré autrement 1 en travers de la surface.
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The present invention relates to processes for welding aluminum to aluminum, or aluminum to other metals, to joints thus produced and to welding materials containing for use in these processes.
Welding aluminum differs from welding many ordinary metals such as copper in that aluminum forms a more tenacious refractory oxide. As in welding other conventional metals, since a good solder joint cannot be made to an oxide coating, it is necessary to remove this coating first.
In the case of copper, this coating is easily removed using any of the many commercially available fluxes, many of which are not corrosive or are only moderately corrosive, so their removal is not a serious problem.
The removal of aluminum oxide in the preparation of aluminum for welding, however, requires a much more active flux, especially when using the higher melting point welds commonly used with. aluminum. Such a flux can contain a chloride or a fluoride of a heavy metal.
Although such fluxes are moderately effective in removing aluminum oxide, subsequent reaction with metallic aluminum is accompanied by the formation of copious amounts of aluminum chloride or aluminum fluoride which are extremely. harmful and must be vacuumed up.
The difficulty of forming a weld joint with aluminum has led to considerable studies in this technique and many techniques and components have been developed.
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- welding situations. In general, these welding compositions used in these techniques can be divided into three groups: the so-called low temperature welds melting below 500 F represented by the tin-zinc eutectic, the welds with an intermediate melting point melting between
500 and 720 F represented by the composition of 70 parts of tin to 30 parts of zinc, and high melting point solders melting above 720 F, usually containing 90% or more of pure zinc and small amounts of - certain alloying elements designated to lower the melting point and improve flow characteristics.
In general, aluminum welds, to be reasonably resistant to corrosion, must be made with one of the high temperature welds. Unfortunately, welds in this group require the use of the corrosive metal salt fluxes discussed above.
As the difficulty in the use of corrosive fluxes and the deleterious effects of residues which precluded the use of these high melting point welds especially in the welding of thin materials was recognized, some publicity was given to the fluxless process known as the name of ultra-sonic welding.
In this process, the cavitation produced in a solder bath between the tip of an ultrasonic iron and the aluminum surface being soldered breaks up the oxide and allows the solder to wet the aluminum. Although it was hoped that this process would overcome the difficulties of welding with ordinary flux, limiting the wetting action to the area below the tip of the iron, frequent bridging of unexcavated regions giving the 'appearance of a completely tinned surface, and the lack of confidence which could be given to the joint thus produced in this way
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that high upfront costs to purchase the necessary equipment prevented this method from expanding
By, the practice of the present inention,
solid welds from aluminum to aluminum or aluminum to another metal can be produced simply and safely, without using special equipment, with joints having tensile strength. comparable to or exceeding that of the attached materials. The methods described herein all utilize jointing materials which are either well known high melting point welds or which are compositions heretofore not used in the formation of weld seams but which are. however, properly classified as high melting point welds.
The excellent corrosion resistance of the welding materials used in the present processes are well known to those skilled in welding and related metalworking techniques. the procedure according to the present invention does / NOT require the use of any flux material and is in fact generally hampered by the use of such an agent. Therefore, the removal of fumes formed during welding and the removal of a corrosive residue are suppressed. These processes are suitable for welding use, both large parts and small details.
In general, seals produced by these methods are satisfactory wherever the strength and corrosion resistance of aluminum or an aluminum alloy are suitable.
According to the methods of the present invention, a piece of aluminum to be welded is tinned with a high melting point zinc solder by raising the temperature of the. region of the aluminum which is to be welded at the melting point of the weld, by gently pulling or rubbing the weld
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solid against the surface thus heated, the molten solder material thereby wetting the aluminum surface, floating the oxide layer at the top of the molten body, and then stirring or puddling the molten body of the solder so as to disperse the oxide layer at the same time as any additional oxide floating at its surface. face.
The aluminum body can then be allowed to cool. A piece of raw material thus tinned can be welded to another body of aluminum which has been treated in this way or to a body of any other metal by the use, in the case of aluminum to aluminum welding, of the same welding material or, in the latter case, using any ordinary weld which wets the second metal. As the welding materials used here are melted only at temperatures in excess of about 720 F.
these methods do not readily lend themselves to the use of a soldering iron, but are easily performed using a gas flame such as a propane, acetylene flame or an oxyhydrogen torch.
The accompanying drawings show the process steps used in producing a tinned surface of a solder joint according to the methods of the invention.
Figure 1 is a perspective view of an aluminum body to be tinned; - Figure 2 is a perspective view of a bar of welding material in contact with this body; - Figure 3 is a perspective view partly in section of an intermediate phase of a process of the invention in which a molten body of this material has wetted the surface. that of aluminum and floated away a layer of aluminum oxide; - Figure 4 is a plan view of the inter phase.
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medial of Figure 3; FIG. 5 is a cross section of such an aluminum body showing the solder bar in contact, a molten region of this solder wetting the surface of the aluminum and a layer of aluminum oxide floating on the region fondue;
FIG. 6 is a perspective view showing the puddling operation by which the layer of aluminum oxide as well as / any solder oxide is / dispersed, thus exposing the region of the solder, and FIG. 7 is a perspective view showing the formation of a tee joint made to a surface of aluminum thus tinned.
Referring still to the figures, the body of material 1 shown in Figure 1 is a body of pure aluminum or an alloy where this material dominates such as for example any of the alloys bearing alloy designation numbers of. the Aluminum Association (see "Alloy
Designation System for Wrought Aluminum "July 1954
The aluminum Association, 420 Lexington Avenue, N.Y., N.Y.)
Examples are the numbers 1100, 2024, 5052, 6063, 7072 and 2017.
The methods of the invention are valuable for forming joints to aluminum and to aluminum alloys containing 85% or more aluminum by weight. This appears to relate to all commercial alloys generally referred to as "Aluminum alloys !!. Use of the word" aluminum "herein is intended to include these alloys.
Figure 2 shows a high melting point solder bar 2 containing zinc such as for example the casting alloy known as "Zamak-3". in contact with the aluminum body 1.
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In figure 3, the gas flame 3 which can be by
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example o, h: Ydrlqu, emanating from the torch to heated the upper surface 5 of the body 1 to the melting point of the weld body
2 so as to produce the formation of the molten region 5 of the solder composition. As shown in this figure, the thermal conditions and the light pressure applied are such that a solid surface 6 of the sealing bar 2 is in contact with the upper surface of the aluminum body 1. Under these conditions , the fondue region
5 wets the aluminum material of the bar 1, thereby removing the floating aluminum oxide layer 7 from the upper surface of the body 1.
Following the plan view of Figure 4, which is a view of the same phase of operation as shown in Figure 3, it is seen that the region 5 of molten solder has extended laterally beyond the limits of. the upper surface of the corpd
1 touched at all times by the seal bar 2 so that the wetted area exceeds the area which was in contact with the solid material of the bar 2. Some of the aluminum oxide has been pulled along of the surface of the weld region 5 by the bar 2. For simplicity, the heating means has not been shown in this view.
Figure 5 is a sectional view of the phase of the operation shown in Figure 4. According to this view, an oxide layer 7, exaggerated in thickness, is shown as comprising below it the molten region 5 which The aluminum body 1 wets. We also see the sealing bar 2, the gas flame 3 and the heating means 4.
Figure 6 shows a puddling operation in which the oxide coating 7 is breaking and being dispersed on the surface of the molten solder 5 @
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which wets the body of alumini1! mi 1, 'l'0tJIJ, oJt-saaES'
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formed is also dispersed by this operation. The puddling operation is carried out with the part 8 which may be the sealing bar, a piece of wood or any other material which does not introduce undesirable impurities into the weld. Desirable materials in this regard will be evident from the discussion of the desirable limits of the purity of the weld material as set forth in this specification.
Depending on the size and heat content of the solder body, it may be desirable to maintain the surface of the aluminum body 1 in a heated state by using heating means such as the torch 4 shown in the previous view. Puddling is a very quick operation and can be done by simply pulling a puddling tool: such as part 8, through the top surface of the split weld. All that is necessary is to break up the oxide layer 7. This layer does not need to be completely removed.
After the puddling operation of FIG. 6, the aluminum body 1 is tinned and a solder joint can be made there by using any known solder to wet the second metal body to be fixed therein. When, the second body is aluminum or an alloy containing aluminum, or if it is an alloy containing mostly zinc or a zinc coated body, such as a galvanized body, the joint weld is preferably one of the compositions of the present invention.
In Figure 7, the final step of the process has been shown for making a tee joint between a body of tinned aluminum, such as body 1 shown placed horizontally, and a second part such as part 9. which can also be an aluminum body. In the step shown, connections 10 of a high melting point solder composition
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referred to here were produced between bodies 1 and 9 using a seal bar 11 shown pulled across the adjoining surfaces of bodies 1 and 9 which surfaces are maintained at the melting point of the solder material of bar 11 using a gas torch 4 producing flame 3.
In forming a tee joint, such as that shown in Fig. 7, it is generally preferable to tin body 9 first. If body 9 is an aluminum-containing material, the tinning operations are identical to those shown in Figures 1 to 6. If any other material is used, the tinning is carried out in the manner prescribed by the conventions of the art.
Although it is generally preferable to tin the vertical part 9 in this way before joining it to the other as shown in figure 7, this step can be dispensed with if care was taken initially to move the bar. welding 11 across the lowest vertical surface of the part 9 to be joined, thus allowing. to the oxide layer to float at the top of the connection.
If this precaution is not taken, so that the initial wetting of the vertical surface of the body to be reunited occurs at a substantial distance from the contiguous horizontal surface of the part 1, it is possible that a little d The oxide is trapped under the bottom of the connection, weakening the seal. As further examples, the following is experimental data relating to the tensile strength of tee joints prepared on a number of aluminum alloys and using the following three welding compositions.
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invetitioit .-- The "prôcessus followed in all the examples was the same. Both parts were tinned as described
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in the description of Figures 1 to. 7.
In each of the examples, the horizontal piece corresponding to the body 1 of the figures is referred to here as the "body" of the seal was a sheet of material measuring 2.54 cm by 5.08 cm by 0.152 cm in thickness. The 5.08 cm dimension was parallel to the joint. The vertical piece corresponding to the body 9 of figure 7 had the dimensions of 10.16 cm x 2.54 cm x 0.081 cm thick with the smaller dimension parallel to the joint.
The vertical part is called here "rod". The tinned region of the body was approximately 0.95 cm by 3 cm. The rod was leveled at two vertical surfaces parallel to the joint at a height of 0.16 cm to 0.32 cm above the end butting against the body. A larger dimension of material was used for the body part in order to prevent shearing below the joint which would have made the test data of little significance. The data shown in each of the examples are averages of these data measured on six samples prepared in the same manner.
In reproducing the examples, reference is made to three well known aluminum designations of the Aluminum Association.
For convenience, the ingredients involved in these alloys are tabulated:
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<tb> Alloys <SEP> Ingredients
<tb>
<tb>
<tb> 1.100 <SEP> 99.0 <SEP>% <SEP> A1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2.024 <SEP> 4.5 <SEP>% <SEP> Cu
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1.5% <SEP> mG
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.6 <SEP>% <SEP> Mn <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bal. <SEP> Al <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5.052 <SEP> 2.5% <SEP> mG
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.25 <SEP>% <SEP> cR
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bal.Al
<tb>
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The tensile strengths of the three alloys in the order shown in the table are 17,700, 64,500 and 35,900 pounds per square inch.
As a result, the ultimate tensile stress of a 2.54 cm by 0.08 cm cross section of the same alloys corresponding to the butt joint area of the joints is 546.2066 and 1150 pounds. As might be expected, it will be noted from examples that the heat treatment from the soldering process results in some weakening of the material.
EXAMPLE 1. -
A tee joint was made as above using a casting material referred to as "Zamak 3" as the solder material and aluminum 1100. The composition of "Zamak 3" is given below. The resulting connections were uniform and regular and approximately 0.32 cm vertically and 0.48 cm horizontally. When subjected to tensile fatigue, the rod broke in an area limited by the top of the connection and an additional height of about 1.27 cm under an applied fatigue of 370 pounds.
EXAMPLE 2. -
A tee joint was made using "Zamak 3 'and 2024 aluminum. The connection dimensions were the same as in Example 1. Three of these joints broke through the connections and three broke. in the material of the rod immediately above the connectionsn.
The separation occurred at an applied load of 1250 pounds.
ESEMPELE 3. -
Two pieces of aluminum 5052 aluminum were welded using "Zamak 3". The specimen was-
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broken at a distance of 0.32 cm above the connections.
The breaking load was 870 pounds. The dimensions of the connection were the same as in the previous examples.
EXAMPLE 4.- to
Two pieces of 1100 aluminum were welded together using 4% aluminum zinc solder. The specimen failed immediately above the joint under an applied load of 390 pounds. The connection dimensions were the same as above.
EXAMPLE 5.-
A 4% aluminum zinc seal was made between two pieces of 2024 aluminum. The specimen ruptured immediately above the seal under an applied load of 1220 lbs. The connection dimensions and appearance were: as above.
EXAMPLE 6.-
Two pieces of 2024 aluminum were first tinned with "Zamak 3" after which the tinned surfaces were joined using a solder of 60 parts tin and 40 parts lead. The tin-lead solder readily wetted the "Zamak" 3 "coated surfaces to produce a tee joint having a connection appearance and dimensions as in the previous examples. All six specimens prepared in this manner separated at the joint. under an average load of 410 pounds.
EXAMPLE 7.-
A joint was made between two pieces of 2024 aluminum using 4% magnesium zinc. The appearance and dimensions of the connections were as above.
Separation occurred across the joint under an applied load of 1000 pounds.
Many welding compositions can be used
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in the practice of the invention. All of these welding compositions contain at least 90% zinc and may further contain small amounts of other ingredients added to improve the handling properties of the weld, its mechanical strength and the corrosion resistance of the strong joint. . As is well known in the metalworking art, the properties of zinc and of alloys in which zinc is predominantly proportioned can be seriously affected by the inclusion of relatively small amounts of certain impurities.
For example, materials such as lead, tin and cadmium have the effect of promoting intergranular corrosion.
The limits of impurity tolerable from such a point of view are well known to those skilled in the art and these limits will not be given here.
For the purpose of the invention, it is preferred that the zinc included in one of the soldering compositions has a purity of 99.99%. Such a material, marketed by New Jersey Inc. Cy, is known as zinc of specially high purity (Special High. Grade Zinc). It will be understood that considerations of these limits of impurities are of primary importance only with regard to the aging of the seal. Where, by the nature of the particular purpose, aging is not of essential importance, the impurity limits can be exceeded without substantially affecting the workability of the weld or the immediate ± asp or the strength of the weld. solder joint.
Exemplary welds suitable for use in these processes include 99.99% zinc with no added ingredient, zinc-aluminum welds containing up to 10% aluminum but preferably not more than. - about 6% aluminum, of which types are zinc 4% aluminum
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Minimum of Examples 4 and 5. The addition of small amounts of magnesium to zinc-containing materials has a known stabilizing effect by slowing down beta transformation, corrosion and development. In general, the amount of this addition of magnesium will not be greater than about 0.2% because larger amounts affect the workability of the weld.
An example of such a weld is the 0.1% magnesium zinc of Example 7.
Two well known casting metals predominantly of zinc and having excellent properties. welding materials are preferred solder materials for the process. practice of the invention. These materials are referred to as "Zamak 3" and "Zamak 5". The. limit compositions of "Zamak 3" 'specified by A.S.T.N. in specification B 86 are as follows: Added ingredients Aluminum 3.5 to 4.3% Magnesium 0.03 to 0.08% Impurities Copper 0.1% max.
Lead 0.007% max.
Cadmium 0.005% max.
Tin 0.005% max.
Iron 0.100 5 max.
The rest of the composition is zinc.
"Zamak 5" differs from "Zamak 3" in that it contains 1% copper, which is roughly the solid solubility of copper in 4 parts aluminum-96 zinc. The nominal composition contains 0.03% magnesium rather than 0.04%. The impurity limits were the same.
From Examples 1, 2 and 3, it can be seen that the joints of "Zamak 5" are generally of a tensile strength.
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larger than that of the joined materials, the gasket separating about 505 times only when using a 64,500 psi aluminum alloy alloy,
The invention has been described with regard to the preparation of a tee joint. This joint was chosen because it is generally considered the most difficult to make ordinary joints. The specific steps discussed in connection with the figures all relate to the manufacture of such a seal and may not be directly applicable to other types of seals.
The invention is not limited to the specific sequence of steps shown or to the preparation of a tee joint, or to the preparation of any other joint. In a broad sense, the processes of the present invention can be considered as tinning processes rather than soldering techniques since only the tinning process has been achieved, the subsequent joining can be made in any usual manner. and using any solder suitable for the material to be joined to the tinned surface. Specifically, although it is necessary for these processes that the oxide layer floating on top of the solder melt is dispersed after joining, a separate piece of puddling, such as that shown in Figure 6, may not be required. be not necessary.
For example, when it is necessary to form a tee joint, this puddling can be accomplished by moving the stem of the tee across the surface of the molten hard pore to produce the same effect.
Although the technique has been described specifically with respect to contacting a surface to be tinned with a seal bar and heating the surface to be tinned, this sequence is irrelevant as long as the surface to be tinned is at the melting point. or above the melting point of the weld when driving the solid weld or otherwise stretching 1 across the surface.