études et recherche l`assemblage de pièces au four sous vide

ÉTUDES ET RECHERCHE
L'ASSEMBLAGE DE PIÈCES AU FOUR
SOUS VIDE : PRINCIPES ET APPLICATIONS
EN BRASAGE-DIFFUSION
ET SOUDAGE-DIFFUSION
D. MACEL1
1. INTRODUCTION
Les choix technologiques pour assembler des
matériaux métalliques ou non métalliques sont
nombreux et offrent des perspectives diverses aux
industriels œuvrant aussi bien dans les secteurs
de pointe que dans les secteurs plus conventionnels. Nous trouvons principalement les
moyens d’assemblage par fusion ou à l’état solide
(soudage), mécaniques (sertissage, clinchage,
vissage…), par diffusion (brasage) ou encore par
collage. Ce choix sera guidé essentiellement par
la nature des matériaux en présence, par leurs
fonctionnalités, par leur milieu environnant de
service, par les caractéristiques mécaniques, et de
manière systématique, par le coût d’assemblage.
Il n’est aucunement question dans cet article de
détailler l’ensemble de ces procédés riches en
innovations techniques, mais une parenthèse
peut être ouverte en évoquant les singularités de
l’assemblage sous vide.
2. POURQUOI UTILISER
UN FOUR SOUS VIDE ?
Le four sous vide est une technologie appréciée dans
la réalisation des assemblages multimatériaux. De
par sa flexibilité, le four sous vide peut être utilisé
pour réaliser des assemblages par soudage diffusion ou par brasage diffusion grâce à l’utilisation
d’un vérin de plaquage. L’essence même de ces deux
techniques d’assemblage est d’assurer la continuité
métallurgique entre des matériaux de même nature
mais aussi et surtout entre des matériaux différents.
Dans de nombreuses applications industrielles, les
matériaux sont amenés à subir des températures de
plus en plus élevées en service pour obtenir de meilleurs rendements (cas des échangeurs de chaleurs
innovants ou d’éléments de turbine), et ces matériaux nécessitent par conséquent d’être assemblés
avec la plus grande minutie.
Le four sous vide présente donc la particularité de
chauffer et de refroidir lentement les pièces, ce qui
Figure 1
Four sous vide
de la plateforme
assemblage de l’Institut
de Soudure à Yutz.
Principales caractéristiques
du four sous vide de l’IS :
- Volume utile :
450 mm × 450 mm × 650 mm
(l × H × L)
- Température max :
1 300 °C
- Refroidissement turbiné.
1. Institut de Soudure, Plateforme Assemblage, 4 boulevard Henri Becquerel,
57970 Yutz.
I MAI - JUIN 2014 I S OUDAGE ET T ECHNIQUES C ONNEXES
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ÉTUDES ET RECHERCHE
permet de limiter les contraintes dues à une dilatation différentielle dans l’épaisseur des pièces, qui a
pour conséquence de générer des déformations. L’on
rencontre ce phénomène de façon plus ou moins marquée avec la majorité des autres procédés d’assemblage thermique. En plus de cet avantage certain, les
pièces ne sont jamais portées à leur température de
fusion en soudage diffusion et en brasage diffusion.
Les déformations des pièces ne sont donc jamais évoquées avec ces deux procédés. Cependant, pour des
raisons opératoires, nous pouvons créer volontairement une légère déformation des microaspérités de
surface (en appliquant une contrainte supérieure à
la limite élastique du matériau à haute température)
grâce à l’utilisation d’un vérin de plaquage.
L’utilisation d’une atmosphère sous vide dans le four
permet :
- d’assembler des matériaux qui sont très avides
d’oxygène (titane, aluminium, etc.),
- d’éviter les opérations de nettoyage des pièces
après assemblage,
- d’obtenir des joints soudés et brasés exempts de
défaut rédhibitoires.
3. DISTINCTION ENTRE
LE SOUDAGE
DIFFUSION
ET LE BRASAGE
DIFFUSION
3.1
SOUDAGE DIFFUSION
Le soudage diffusion consiste à positionner deux
surfaces l’une en face de l’autre en appliquant un
effort (contrainte située principalement entre 2 et
20 MPa) tout en étant placées dans une chambre
thermique portée à très haute température (jusqu’à
0,9 fois la température de fusion du matériau). Le
temps de traitement peut atteindre une dizaine
d’heures. Les pièces n’entrent pas en fusion pendant l’opération d’assemblage : il s’agit uniquement
d’une diffusion interatomique entre les différents
matériaux en présence, avec la constitution d’un
réseau cristallin commun à l’interface des pièces,
cf. figure 2. Il n’est pas rare qu’un revêtement soit
Tableau 1 – Comparaison de propriétés mécaniques en traction entre matériau non assemblé
et matériau soudé diffusé
Essai
de traction
Base nickel
Sans traitement
thermique
Temp. d’essai
(°C)
Rm
(MPa)
A
(%)
Rm
(MPa)
A
(%)
20
680
45
600
25
850
215
95
210
60
950
125
110
120
70
appliqué par voie chimique sur les surfaces afin de
faciliter et d’améliorer la qualité de l’assemblage.
Ce revêtement diffuse dans les matériaux et il peut
ou non réagir avec les substrats pour former un
alliage de liaison qui, en entrant en fusion, assemble
les pièces. Il s’agit du procédé « Transient Liquide
Phase » : passage par une phase liquide.
Sur le plan mécanique, la jonction soudée-diffusée
permet d’atteindre des charges à la rupture qui
restent assez proches de celles du matériau de base
(non traitée thermiquement) ou encore assez proches,
voire égale, à celles du matériau de base ayant subi le
même traitement thermique que celui utilisé pour réaliser l’assemblage. En prenant l’exemple d’une base
nickel ayant été assemblée par soudage diffusion
sans application d’un revêtement préalable, l’on peut
remarquer que les valeurs de résistance mécanique
atteintes sont très proches de celles du matériau de
base, avec tout de même une réduction sensible de
l’allongement à rupture (cf. tableau 1).
L’analyse des faciès de rupture indique sans équivoque un mode de rupture ductile de l’éprouvette
de traction (cf. figure 3). La figure 4 montre que la
déformation a lieu dans tout le matériau avec un
important allongement des grains.
Figure 3
Faciès de rupture (assemblage soudé-diffusé
d’un alliage base nickel).
Figure 2
Liaison soudée-diffusée d’un acier inoxydable.
La flèche en rouge indique le plan de joint initial.
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S OUDAGE ET T ECHNIQUES C ONNEXES I
MAI - JUIN
2014 I
Traitement thermique
d’assemblage
La rupture a lieu dans le matériau de base et non à
l’interface (cf. figure 5). Ainsi, lorsque les conditions
optimales d’assemblage sont réunies, la recristallisation totale des matériaux s’opère et il est possible
de ce fait, grâce à cette technologie, de reconstituer
par strato-conception des pièces au design intérieur
très complexe. Les échangeurs de chaleur (en acier
inoxydable, en base nickel) ou des pièces intégrant
des moteurs d’avion (en alliage de titane) sont des
exemples concrets qui utilisent régulièrement cette
technologie.
Il est important de rester dans le domaine de soudabilité métallurgique car une déviation des paramètres d’assemblage (température plus faible par
exemple) peut conduire à des résultats différents
(rupture fragile, faible charge à la rupture et faible
allongement) (cf. figure 6).
Pour poursuivre sur les propriétés mécaniques de
certaines liaisons soudées diffusées, l’on peut
s’intéresser à la résistance au fluage. La figure 7
montre les résultats d’essais réalisés sur des éprouvettes usinées dans la masse et des éprouvettes
reconstituées en soudage diffusion. Des essais de
fluage ont été réalisés sous une contrainte de 20,
60 et 100 MPa à 850 °C. Les éprouvettes prélevées
Figure 4
Aperçu de l’allongement à rupture sur
une éprouvette de traction (base nickel).
Figure 5
Rupture
dans le matériau
de base, cas
d’un acier inoxydable
soudé-diffusé. La flèche
rouge indique la position
du plan de joint.
L'ASSEMBLAGE DE PIÈCES AU FOUR SOUS VIDE
Figure 7
Courbe de fluages
à 850°C d’une base
nickel.
Figure 6
Rupture à l’interface (base nickel).
dans les deux cas de figure tiennent aisément la
contrainte de 20 MPa pendant 1 000 h. Par contre,
sous une contrainte de 60 MPa et de 100 MPa, les
éprouvettes se déforment et cassent prématurément
dans les deux cas. A ces niveaux de contrainte, les
éprouvettes usinées dans la masse présentent une
tenue au fluage plus importante.
Pour une contrainte de plaquage raisonnable (2 MPa)
mais néanmoins difficile à mettre en œuvre sur des
pièces de grandes dimensions, il est nécessaire de
déposer un revêtement ductile sur les surfaces à
assembler afin de diminuer la pression de placage
et faciliter la recristallisation des matériaux. Cette
couche permet également de limiter les effets de
bord toujours présents sur des assemblages soudés
diffusés. La figure 8 montre une coupe métallographique réalisée sur une éprouvette soudée diffusée
et préalablement revêtue d’une fine couche de nickel
de quelques micromètres d’épaisseur. L’examen au
microscope électronique à balayage montre que la
jonction est exempte de défaut et la cartographie
élémentaire indique une diffusion satisfaisante de la
couche de nickel dans le matériau de base.
3.2
BRASAGE DIFFUSION
Le brasage diffusion diffère principalement du soudage diffusion par l’utilisation d’un alliage d’apport qui
va fondre à la température de liquidus théorique majorée de quelques degrés. Sa température de fusion restera toujours inférieure à celles des matériaux à assembler. Le plaquage des pièces est également assuré
par un vérin de plaquage ou un outillage de dilatation
différentielle. Il est clair qu’en brasage diffusion, le
temps de traitement à haute température est plus court
qu’en soudage diffusion, que la préparation de surface
s’avère être moins contraignante qu’en soudage diffusion et ces critères intéressent fortement les industriels soucieux d’économiser de l’énergie au chauffage
(réduction des coûts) et du temps inhérent aux étapes
de préparations qui restent lourdes à gérer (QHSE).
Le choix d’une technique d’assemblage par rapport à
l’autre sera dicté par l’utilisation finale de l’assemblage
(effort mécanique ou thermo-mécanique), par la compatibilité métallurgique entre les matériaux, par le milieu
environnant de la pièce assemblée (milieu électrolyte
ou non), et par le coût final de la pièce assemblée.
La diffusion de l’alliage d’apport de brasage peut
être totale si la limite de solubilité dans le matériau
n’est pas atteinte. La figure 9 montre une diffusion
partielle de l’alliage d’apport dans le matériau.
Sur le plan mécanique, la liaison brasée diffusée
peut parfois se situer en-dessous de la jonction soudée diffusée, notamment en termes d’allongement,
mais tout en restant malgré tout largement supérieure à une jonction brasée de façon traditionnelle
(c’est-à-dire sans diffusion prolongée de l’alliage
d’apport dans le matériau de base).
Figure 9
Brasage diffusion d’une base nickel.
Le tableau 2 montre quelques valeurs mesurées
sur la même nuance de base nickel que celle du
tableau 1.
La rupture d’une éprouvette de traction peut se
situer en trois endroits différents :
- cas 1 : dans le produit d’apport : l’on rencontre ce
cas lorsque le joint est composé en son milieu de
phases eutectiques ;
Figure 10
Rupture dans l’alliage d’apport
(acier inoxydable brasé ave une base or).
- cas 2 : dans la zone de diffusion (cf. figure 11) :
l’on rencontre fréquemment ce type de rupture avec
la présence d’intermétalliques dans cette zone ;
Tableau 2 – Rm et allongement à différentes températures d’une base nickel brasée diffusée.
Essai de traction
Rm
(MPa)
Temp. d’essai (°C)
Figure 8
Dépôt d’un revêtement à l’interface
d’une base nickel.
Base nickel
Alliage d’apport :
NiBSi4*
A
(%)
20
690
20
850
190
10
950
120
15
(*) NiBSi4: Ni-3.2B-4.4Si, % par masse (Tfusion = 1 054 °C).
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ÉTUDES ET RECHERCHE
Figure 11
Rupture dans la zone
de diffusion (base
nickel brasée avec
une base nickel).
4.2
- dans le matériau de base :
Figure 12
Rupture dans le matériau de base
(acier inoxydable brasé avec une base nickel).
La flèche rouge indique la position du plan
de joint.
4. PARTICULARITÉS
4.1
FORMATION D’INTERMÉTALLIQUES
L’un des phénomènes principaux à éviter est la formation de composés intermétalliques qui tapissent
les interfaces lorsque plusieurs matériaux sont
mis en présence et que les mécanismes de diffusion (atomique) interviennent. Ces mécanismes
concernent aussi bien le brasage diffusion que le
soudage diffusion.
La diffusion entraîne la formation de deux types
d’alliages de liaison :
- une solution solide : les atomes rentre dans
la maille du matériau de base et remplacent des
atomes (solution solide de substitution) ou les
atomes s’insèrent dans le réseau cristallin (solution
solide d’insertion) ;
- un composé intermétallique : sa composition
chimique est stœchiométriquement bien définie
(Al2Fe par exemple). Ce sont des composés particulièrement durs qui rendent par conséquent la liaison
fragile. Ces composés sont, de plus, thermiquement
évolutifs et donnent naissance alors à d’autres
intermétalliques par diffusion en phase solide. La
superposition des différentes couches d’intermétalliques est nuisible à la bonne tenue mécanique de
l’assemblage.
Il est donc important, dès le début de la mise aux
points des paramètres de brasage ou de soudage,
de bien être attentif à la composition chimique des
matériaux en présence afin de limiter ou d’éviter
la formation de ces intermétalliques fragilisant la
liaison. La propension à la formation de ce type de
composés peut être évaluée à l’aide de logiciels de
simulation thermodynamique, à condition de disposer des bases de données adéquates.
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EXEMPLE D’ASSEMBLAGE
FORMANT DES INTERMÉTALLIQUES :
ACIER INOXYDABLE 316
AVEC L’ALLIAGE D’ALUMINIUM 1100 [1]
4.2.1 Introduction
Le soudage diffusion d’un acier inoxydable avec
un alliage d’aluminium est réalisable mais peut
conduire à la formation d’intermétalliques Al 5Fe 2
et Al 2Fe. Il est donc indispensable de déposer un
revêtement sur les surfaces à assembler pour éviter
ces composés. Ce revêtement est composé d’argent
pur de quelques micromètres d’épaisseur (entre 6
et 20 µm). Cependant, la couche d’argent entraîne
la formation d’autres intermétalliques (Ag2Al) dont
l’épaisseur et la composition varient en fonction de
la température enservice. La figure 13 montre deux
micrographies réalisées à t0 et à t0 + 40 h à 250 °C.
La figure 14 montre l’évolution importante de cette
couche lorsque les assemblages sont soumis à
220 °C et à 250 °C. Cette évolution impacte également la tenue mécanique de l’assemblage.
Une exposition de l’assemblage à 280 °C pendant
190 h modifie la microstructure du joint soudé.
D’autres intermétalliques (Ag3Al) se forment à l’interface Ag2Al / argent. Cette seconde couche d’intermétalliques est le siège d’amorce et de propagation
de fissures (cf. figure 15).
4.2.2 Propriétés mécaniques
La présence des différentes couches intermétalliques affecte drastiquement les propriétés mécaniques du joint soudé. Le tableau 3 donne quelques
valeurs montrant la chute de certaines propriétés.
Figure 14
Variation de la couche intermétallique
en fonction du temps et de la température.
Figure 15
Formation d’Ag3Al.
Assemblage AISI 316 / 1100 soudé-diffusé.
4.2.3 Remèdes [2]
Avec ou sans revêtements, des intermétalliques se
forment entre l’acier inoxydable et l’alliage d’aluminium. Il faut donc limiter l’interaction entre tous les
éléments présents en déposant des barrières de diffusion (zinc, cuivre, nickel) entre la couche d’argent
et les matériaux de base.
1) Revêtement sur l’aluminium :
- Couche de zinc sur l’aluminium.
Figure 13
Micrographie
de l’assemblage
AISI 316 / 1100
soudé-diffusé.
Tableau 3 – Propriétés mécaniques : assemblage AISI 316 / 1100 soudé-diffusé
Epaisseur de la couche
d’intermétalliques
Charge à la rupture
Résilience
2 µm
230 MPa
25 Joules
14 µm
140 MPa
5 Joules
L'ASSEMBLAGE DE PIÈCES AU FOUR SOUS VIDE
- Couche de cuivre sur le zinc : pour éviter la formation d’intermétalliques entre le cuivre et l’aluminium.
- Couche d’argent sur le cuivre : pour assembler la
couche d’argent déposé sur l’acier inoxydable.
2) Revêtement sur l’acier inoxydable
- Couche de nickel sur l’acier inoxydable : l’argent
n’est pas ou peu soluble dans le fer, le chrome ou
le nickel.
- Couche de cuivre sur le nickel : le cuivre est compatible avec l’argent et le nickel.
- Couche d’argent sur le cuivre.
Les éprouvettes sont ensuite assemblées dans un
four sous vide. Il faut cependant limiter la température d’assemblage (< 350 °C) car les migrations atomiques issues des différents revêtements entrainent
la formation de composés ternaires (de type Ag-CuZn et Al-Cu-Zn) et rendent caduque le travail de préparation (dissolution totale des revêtements).
Sur le plan mécanique, les éprouvettes cassent
souvent à l’interface Ag/Ag lorsqu’elles sont assemblées à des températures inférieures ou égales
à 300 °C. La résistance du joint soudé augmente
progressivement avec la température d’assemblage
pour obtenir une rupture dans l’aluminium avec une
température d’assemblage de 350 °C et un temps de
maintien de 4 heures.
- le prix : limiter l’utilisation de produits d’apport
onéreux,
- la géométrie des pièces.
Parmi tous ces critères, la nuance est clairement déterminante. Dans le four sous vide, tous les alliages d’apport ne
sont pas utilisables en raison de la présence d’éléments
à faible tension de vapeur. Certains éléments se volatilisent sous une faible pression et à haute température.
Ceci entraîne donc une modification de la température de
fusion de l’alliage d’apport, une perte de ses propriétés et
l’absence de mouillage sur les pièces. La figure 16 montre
la pression de vapeur de quelques éléments dont certains
sont présents dans les alliages d’apport.
matrice métallique)/métal, par exemple entre un
acier inoxydable et du carbure de tungstène avec
une matrice base Ni ou Co ne sont pas exclus. Les
liaisons céramique SiC, Si3N4/métal sont également
concernées. L’idée principale de ces assemblages
multimatériaux est d’associer les propriétés physiques, électriques, métallurgiques, mécaniques de
chaque matériau. Toujours dans l’optique d’obtenir l’assemblage idéal pour leurs applications, les
industriels ont recours à des matériaux possédant
les meilleurs propriétés physico-chimique et de ce
fait, des compositions chimiques parfois exotiques.
Les secteurs industriels qui font appel à l’assemblage multimatériaux sont les suivants :
- l’aéronautique,
- le spatial,
- les producteurs de gaz,
- le nucléaire,
- l’automobile.
Les pièces pouvant être assemblées sont par
exemple :
- des échangeurs de chaleur,
- des cellules, des pièces de moteur pour les réacteurs,
- des composants, des capteurs,
- des outils d’usinage à pastilles rapportées.
6. CONCLUSION
4.2.4 Conclusion
Il est important de limiter, voire d’annihiler la formation des intermétalliques (plus durs donc plus
fragiles) en créant une barrière de diffusion. Il peut
donc être parfois nécessaire de superposer des
couches d’éléments chimiques différents en fonction
des affinités entre ces éléments, afin d’obtenir une
liaison satisfaisante :
- sur le plan métallurgique (pourcentage de surface
soudée, pas d’intermétallique, stabilité chimique,
pas de vieillissement en service),
- sur le plan mécanique (rupture en dehors du joint
soudé),
- et sur le plan dimensionnel (peu de déformation).
4.3
ALLIAGES D’APPORT
Le choix d’un alliage d’apport pour répondre au
cahier des charges d’une application industrielle
est très difficile à réaliser. Ce choix est conditionné
par :
- le milieu environnant de service : éviter les milieux
électrolytes qui pourraient entraîner une corrosion
galvanique,
- la température de service : éviter le vieillissement
de la brasure,
- les contraintes en service : éviter la rupture dans
le joint brasé,
- la nuance des matériaux : éviter la formation d’intermétalliques,
Figure 16
Graphique donnant la tension de vapeur
de divers éléments chimiques en fonction
de la température [3].
L’utilisation d’une pression partielle de gaz dans le
four permet à un moment donné dans le déroulement d’un cycle de brasage de casser le vide et ainsi
d’éviter aux éléments de se volatiliser.
5. QUELS TYPES
D’ASSEMBLAGES
EST-IL POSSIBLE
DE RÉALISER ?
Les combinaisons (assemblages homogènes ou dissemblables) possibles de matériaux métalliques (ou
non) sont assez nombreuses et difficiles à énumérer
précisément car elles sont fonction des souhaits des
industriels soucieux de développer continuellement
des produits innovants.
Parmi les principaux exemples d’assemblages que
nous pouvons noter, nous trouvons les couples suivants :
- aluminium/acier inoxydable,
- aluminium/cuivre,
- aluminium/titane,
- titane/acier inoxydable.
Nous citons les assemblages de matériaux métalliques, mais les assemblages CMM (composite à
Le four sous vide permet de répondre à de nombreux
besoins des industriels développant et commercialisant des applications à la pointe de la technologie.
Les tailles des chambres de traitement des fours sous
vide varient de quelques dm3 à plusieurs dizaines
de m3 en fonction des applications considérées.
Le brasage au four sous vide n’autorise cependant
pas l’utilisation de tous les alliages d’apport de
brasage (présence d’éléments à faible tension de
vapeur) et le soudage diffusion en pression uniaxiale
(utilisation d’un vérin de plaquage) ne permet pas
d’assembler des pièces très volumineuses (nécessité
d’appliquer une contrainte trop élevée). L’utilisation
de la compression isostatique à chaud peut être un
remède pour pallier les contraintes liées l’assemblage de pièces de grandes dimensions.
RÉFÉRENCES
[1] E.R. Naimon, J.H. Doyle, C.R. Rice, D. Vigil and D.R. Walmsley,
Diffusion welding of aluminium to stainless steel, Welding
journal, novembre 1981.
[2] K. Bhanumurthy, R.K. Fotedar, D. Joyson, G.B. Kale, A.L. Pappachan, A.K. Grover and J. Krishnan, Development of tubular
transition joints of Aluminium/Stainless Steel by deformation
Diffusion Bonding, Matérial Science and Technologie, vol. 22,
no 3 de 2006.
[3] Sulzer, An introduction to brazing, 2011.
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