VIDE et ULTRA-VIDE

VIDE et ULTRA-VIDE
Par
Marc ALNOT
LPM - Vandoeuvre les nancy
et
Manuel ACOSTA
IPCMS -Strasbourg
Institut de Physique et Chimie
des Matériaux de Strasbourg
CNRS/ULP UMR 7504
Directeur : B. CARRIERE
Directeur adjoint : Marc Drillon
(180 personnes)
M.A.IPCMS 2002
GEMM
GONLO
Groupe d’Optique
Nonlinéaire et
d’Optroélectronique
60 personnes
Groupe d’Études
des Matériaux
Métalliques
40 personnes
GSI
Groupe
Surfaces-Interfaces
35 personnes
Services
Généraux
GMO
Groupe des
des Matériaux
Organiques
23 personnes
GMI
10 personnes
Groupe des
des Matériaux
Inorganiques
32 personnes
MA IPCMS 2002
Arrivés
-courants ~ / -thermocouple
Arrivé Azote
liquide
SPUTTERING
Platine Haute
RF
13,56Mhz
Arrivé-Retour EAU
Platine
Pompage différentiel
Vanne
Enceinte
800mm
PS chaud
20° à 800°C
Vide
PS froid
-196° à 150°C
Pompe
Cryo
M.A.IPCMS 2002
Responsable scientifique
Éric BEAUREPAIRE
Projet – POMME
Chambre de Gravure
Ionique
Ingénieur de Recherche
du projet
Jacek ARABSKI
Logiciel de Dessin
EUCLID
Dessiné par
Manuel ACOSTA
M.A. IPCMS 2002
Plan
1) Qu'est que le Vide et pourquoi faire ?
2) Pompage
Techniques
Conductance
Exemples
3) Mesure du Vide
Jauges
Spectromètre de masse
Détection de fuite
4) Matériaux pour le Vide
Matériaux
Traitement
Etuvage
5) Techniques d'assemblage pour le Vide
Soudures
Brides et Joints
Passages sous vide (électriques, fluides)
Mouvements (translation, rotation, transfert)
6) Présentation d'une installation MBE
IMPORTANT
Avant soudure le dégraissage doit être soigneusement
effectué. ( Voir : Méthode générale de nettoyage )
M.A.IPCMS 2002
¾ La soudure TIG peut être utilisée avec :
les aciers Inoxydables, l’aluminium, le nickel, le cuivre, et le titane .
¾ On peut réaliser par TIG des soudures combinant l’acier Inoxydable,
le Cuivre, le Nickel, et le Monel.
¾ Elle ne doit pas être utilisée pour le laiton ou certains alliages
d’aluminium ou d’aciers.
¾L’aluminium (pour le vide) est plus difficile à souder que l’acier
inoxydable, mais un bon soudeur y arrive .
M.A.IPCMS 2002
Courant continu
Courant
continus polarité
inversée
Polarité
inversée
Courant continu
C ou ran t c on tin u , p olarité n orm ale
Polarité normale
-
+
-
+
+
+
+
+
-
+
-
+
+
-
+
+
+
C C PN
CCPI
-
-
1 cycle
+
Zéro
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
Zéro
+
+
+
Alternance
négative
La couche d'oxyde éclate (lors de la polarité inverse). Le seul
inconvénient est que l'arc doit se réamorcer à chaque cycle ; pour cela,
on superpose à la tension à vide une tension très élevée à haute
fréquence.
M.A.IPCMS 2002
Influence du type de courant et de la polarité
Courant continu
Polarité normale
CCPN
Caractéristiques
de pénétration
Action nettoyante
des oxydes
Répartition
de la chaleur
dans l'arc
Pénétration
Courant
alternatif
~
CCPI
+
+
+
+
Courant continu
Polarité inversée
+
-
+
Nulle
+
+
+
-+
-
Oui, une fois
tous les demi-cycles
+
+
+
-
-
Oui
70 % à la pièce
50 % à la pièce
30 % à la pièce
30% à l'électrode
50 % à l'électrode
70% à l'électrode
Moyenne
Large et
peu profonde
Étroite et
Profonde
Acier inoxydable
¾L'argon produit un arc stable.
¾L'hélium est recommandé ( pour de forte épaisseur) on obtient une
meilleure pénétration.
¾Un mélange argon + 5 % hydrogène est idéal pour l'aspect et la
qualité de la soudure.
Alliages d'aluminium
¾L'argon avec courant alternatif à haute fréquence est préféré;
produit un arc stable et un bon effet de nettoyage.
¾Argon + hélium avec courant alternatif: produit un arc moins stable,
a une bonne action de nettoyage, permet une plus grande vitesse, produit
une meilleure pénétration.
¾ Hélium avec CCPN (Courant Continu Polarité Normal): produit un
arc stable, autorise une grande vitesse de soudage sur des matériaux
chimiquement propres.
M.A.IPCMS 2002
Soudure TIG sur l‘Aluminium pour
enceinte à Vide et « Ultra-Vide ! »
Les principaux problèmes de compacité sont la présence de soufflures
internes (porosités) ou parfois débouchantes (piqûres), des cratères
de terminaison avec fissuration en étoile et des inclusions de
tungstène pour le soudage
Choix de l’électrodes tungstène
¾ Pour la soudure (TIG) d’enceinte en aluminium destiné à
l’ ultra-vide.
¾ Il est important d’utiliser un tungstène :
réf. WZ8 de couleur blanc (0,7-0,9 % Zr O2)
¾ Ceci pour éliminer tous risques de projections
d’impuretés de tungstène et d’oxyde de thorium
¾ Ces inclusions d’impuretés seront la cause de fuites
ou de micro-fuites importantes .
M.A.IPCMS 2002
Origine probable des problèmes
Soudure TIG sur l‘Aluminium pour enceinte à Vide et Ultra-Vide
¾ La mauvaise étanchéité du circuit de protection gazeuse
(introduction d'air)
¾ La présence d'humidité par condensation
à la surface des pièces à souder
¾ Un mauvais nettoyage et grattage des bords à souder
(présence d'oxyde d'alumine)
¾ Une longueur d'arc trop importante
¾ Des paramètres de soudage inadaptés
¾ Une position de soudage peu favorable
au libre dégazage du bain de fusion ( plafond et corniche à éviter )
¾ Une vitesse de soudage inadaptée
¾ Le mauvais choix de l’électrodes de tungstène
M.A.IPCMS 2002
2017 A (AU4G)
Aluminium :
Bonnes caractéristiques mécaniques. Le plus utilisé en Mécanique
générale. Soudabilité et Anodisation difficiles.
5083 ( AG 4,5)
Aluminium
Principal alliage de mécanique soudable remplaçant du 5056 (AG5).
Bonnes caractéristiques mécaniques et résistance à la corrosion.
Soudabilité et anodisation excellentes.
5086 (AG 4 MC)
Aluminium Alliage voisin du 5083.
Meilleure tenue à la corrosion (Atmosphère saline.). Bonne résistance à
basse température. Soudabilité et anodisation excellentes.
L’addition de chrome dans ces deux derniers alliages améliore encore
leur soudabilité.
M.A.IPCMS 2002
Évanouissement de l'arc : Évite le cratère en fin de soudage et les risque
de fissuration (surtout sur alliages légers).
BAGUETTES D'APPORT
¾ Les pièces minces peuvent être soudées sans employer de baguette
d'apport.
¾ La composition chimique des baguettes doit généralement être
semblable à celle du métal de base afin de produire un cordon de soudure
d'apparence uniforme.
¾ La classification des baguettes indique la résistance à la traction,
la composition chimique et la résilience du métal déposé.
BRASAGE
Dans certaines conditions on peut utiliser la brasure sous vide .
Mais il faut disposer de fours spécialisés .
Il faut surtout choisir des pâtes de brasure (décapant) qui ne contiennent
ni cadmium, ni zinc, ni plomb .
M.A.IPCMS 2002
Pour souder avec du courant alternatif ou du courant continu
avec polarité inversée (CCPI), le bout de l'électrode doit être
hémisphérique.
Pour obtenir un tel profil, on utilise un branchement CCPI, on
amorce un arc sur une plaque assez épaisse pour absorber la chaleur
qui sera générée et on maintient une intensité assez élevée pour faire
fondre l'extrémité de l'électrode.
Avec une électrode au zirconium, la boule se forme
automatiquement lorsqu'on utilise du courant alternatif avec haute
fréquence. Une fois fondu, le bout de l'électrode conserve sa forme
hémisphérique, ce qui produit un arc stable.
CCPI : + à l’électrode.
CCPN : - à l’électrode
M.A.IPCMS 2002
.
L'affûtage de l'électrode infusible pour le soudage TIG :
L'affûtage de l'électrode est réalisé par un cône avec un angle
compris entre 30 et 60 degrés. Les stries d'usinage ou de
meulage doivent être dans le sens longitudinal de l'électrode.
Hauteur de la pointe 1,5 à 3 fois le diamètre de l’électrode.
La pointe d'extrémité du cône doit être adoucie pour
supporter les densités de courant
On peut parfois faire un petit méplat au bout de l'électrode, d'environ le
tiers du diamètre de l'électrode, pour augmenter son pouvoir émissif
(capacité d'émettre des électrons) et concentrer la colonne de l'arc.
L'affûtage est exécuté à l'aide d'une meuleuse à grain fin avec
récupération des poussières.
M.A.IPCMS 2002
Numéros de verres pour le
soudage avec le procédé TIG
N ° du verre teinté
Intensité du (A)
6
5 à 30
8
30 à 75
10
75 à 100
12
200 à 400
14
Plus de 400
.
Identification des
Bouteilles de Gaz
Inerte/Asphyxiant
.
Toxique/ corosif
.
Inflammable
.
Oxydant
Dans le cas d'enceinte à ultravide, il faut souder en TIG côté vide
La figure ci-dessous
présente quelques types de raccords par soudure utilisés en technique du VIDE
M.A.IPCMS 2002
Chambre de Gravure
sous ultra-Vide
Toutes les Soudures
sont réalisées à
l’intérieure
M.A. IPCMS-2002
Après Soudure
On fait une détection de fuite à l’hélium
Et si possible, on fait le test avant le montage sur site
M.A.IPCMS 2002
Composants KF
CF
Pour Vide moyen
-Grande souplesse d’utilisation
- Ils assurent une
étanchéité de haute qualité
KF
Composants CF pour « Ultra – Vide »
Bride CF
Bride inox amagnétique
316L et 316LN
Sont étuvables à 400°C
70°
ULTRA - VIDE
M.A.IPCMS 2002
Joints pour
Vide et ULTRA VIDE
Joints Cu OFHC « USA »
équivalent du Cu – c « Français »
Cu-c est le plus pur il est « désoxydé »
Cu-c1 = 99,95 % de Cu
Cu-c2 = 99,99 % de Cu
Le Cu-a et le Cu–b n’est pas recommandé pour le Vide
Joints pour ULTRA - VIDE
Joints pour VIDE moyen
Perbunan :
Viton :
-25 à 150°C
-35 à 200°- 250°C
Le plus utilisé est le Viton
10-8 à 5. 10-9
M.A.IPCMS 2002
Ra=0,4
X
d
Rapport de compression
Pour les joints Viton
X / d = 0,7
d
X
M.A.IPCMS 2002
Joint Hélicoflex
*Réunies une haute étanchéité “ ultra-vide ”
*Ultra-propreté
*Réduction des efforts de serrage
*Très bonne tenue : corrosion et température
Passages de mouvements
mécaniques
par soufflets métalliques
Pour Vide et Ultra-Vide
M.A.IPCMS 2002
A
B
A : Translation
B : Rotation
M.A.IPCMS 2002
Mouvement de translation « ultra-vide »
Rep. A
Joint
coussinet
Buté de fin course
Soufflet soudé
Joint
Orifice de test He
A-A
Porte échantillons
Anneau de
réglage
Vis percées
dégazage
Tige fileté
Bride CF
coussinet
Écrou
Volant
M.A.IPCMS 2002
Réalisation
d’un axe tournant
dans un vide moyen
10-8 mb
AXE tournant
~100 tr/min
Côté VIDE
A
Douille à aiguilles
B
Soudure A et B
TIG inox
Joints Torique
Viton
Soudure A et B
Pompage différentiel
Roulement
Roulement
Manipulateur 5 Axes
Z
Y
X
M.A.IPCMS 2002
Vannes Ultra- Vide
Micro-fuite
Vanne Tiroir Ultra-Vide
M.A.IPCMS 2002
Passage électrique
X=3.e
Y = 2,5 . e
Z=e
r = 2 mm
A
D-D
e
Y
Rep.D
r
X
Z
Soudure TIG
M.A.IPCMS 2002
Magnétrons
RF et DC
SPUTTERING
Platine basse
M.A.IPCMS 2002
Plan
1) Qu'est que le Vide et pourquoi faire ?
2) Pompage
Techniques
Conductance
Exemples
3) Mesure du Vide
Jauges
Spectromètre de masse
Détection de fuite
4) Matériaux pour le Vide
Matériaux
Traitement
Etuvage
5) Techniques d'assemblage pour le Vide
Soudures
Brides et Joints
Passages sous vide (électriques, fluides)
Mouvements (translation, rotation, transfert)
6) Présentation d'une installation MBE
Bibliographie
Site internet
Société Française du Vide
http://www.vide.org/
Livres
La technique du vide
A. Richard et I. Richard, IN FINE Edit.
Physique appliquée aux industries du vide et de l'électronique,
tomes 1 et 2
G.A. Boutry, Masson & Cie, édit.
Le vide, ses applications et obtention
P. Duval, SFV, Edit.
Notions de base en technique du vide
G. Rommel, SFV, Edit.
Cours de sciences et technique du vide, tomes 1 et 2
R.P. Henry, SFV, Edit.