Brasage

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■  préface - SOMMAIRE COMPLET

• SOMMAIRE COMPLET

■  Aspects généraux

• Éléments théoriques et pratiques
• Matériaux
• Énergie
• Fonctions mécaniques

■  Éléments de machines

• Transmissions mécaniques

Technologie Modèles

Le brasage des métaux est un procédé d'assemblage permanent qui établit une continuité métallique entre pièces réunies. Le moteur du brasage est la diffusion / migration atomique de part et d'autre des bords à assembler (substrat) obtenue par action calorique et/ou mécanique. Il est important de noter que, contrairement au soudage, il n'y a pas fusion des bords assemblés. Selon le cas il peut y avoir ou non utilisation d'un métal d'apport.

Le brasage est très largement utilisé comme technique d'assemblage dans les industries de pointe telles l'espace, l'aviation, l'automobile ainsi que la conception des petites pièces creuses aux profils compliqués et en métal noble.

Concernant les techniques de brasage mettant en œuvre la chaleur, on distingue :

• le brasage tendre qui met en œuvre des températures inférieures à 450°C. Le terme technique anglais correspondant est soldering.

• le brasage dur (brazing), incluant le soudo-brasage (braze welding), qui met en œuvre des températures supérieures à 450°C. Par exemple, les brasures eutectiques argent-cuivre peuvent avoir des températures de fusion comprises entre 600°C et 900°C, les brasures de cuivre les moins coûteuses ont une température de fusion comprise entre 700°C et 1.180°C.

Histoire du brasage

Le brasage a été mis en œuvre dès l'âge du fer, bien avant le soudage. Ce sont les forgerons qui, les premiers, ont effectué des assemblages permanents en combinant les effets de la chaleur aux effets mécaniques. Cette technique, encore utilisée de nos jours, consiste à chauffer au blanc soudant deux morceaux de fer (d'acier), de les juxtaposer puis de marteler ce montage jusqu'à ce que les pièces soit réunies de manière permanente. C'est la forme la plus ancienne du brasage et il s'agit bien là de brasage car les bords des pièces n'ont pas atteint leur point de fusion ; cependant, dans la littérature, il est parfois désigné comme un procédé de soudage à l'état solide.

Présentation des principaux procédés de brasage

• Le brasage diffusion sous vide,
• Le brasage par induction,
• Le brasage par ultrasons,
• Le soudo-brasage,
• Le brasage à la vague,
• ... à compléter

Aspects physico-chimique du brasage

Pour que deux matériaux puissent être brasés il est nécessaire de connaître et d'agir sur trois propriétés physico-chimiques :

• La capillarité,
• Le mouillage, et
• La diffusion.

La capillarité

Effet capillaire.

Le dictionnaire définit la capillarité comme un terme de la physique ayant trait à l'ensemble des phénomènes qui se passent dans le contact des liquides avec les solides présentant des espaces très étroits ou capillaires.

La capillarité peut être vue comme une variété de l'adhésion, ou comme une force qui produit les phénomènes capillaires. Ses effets sont observables lorsque les buvards aspirent l’encre ou quand les éponges s’imbibent d’eau et, dans le cas du brasage, lorsque qu'un métal fondu remonte entre les deux surfaces à réunir espacées d'un jeu approprié.

La loi de Jurin donne la hauteur à laquelle un liquide monte dans un tube capillaire.

Cette loi s'exprime par :

$\qquad h={\frac {2\gamma \cos \theta }{r.\rho .g}}$

où

• h est la hauteur du liquide ;
• γ est la tension superficielle du liquide ;
• θ est l'angle de raccordement entre le liquide et la paroi du tube ;
• ρ est la masse volumique du liquide ;
• r est le rayon du tube ;
• g est l'accélération de la pesanteur.

Les conditions de validité sont les suivantes : il faut que le diamètre du tube soit petit devant la longueur capillaire, qui vaut typiquement deux millimètres pour de l'eau à la température et pression ambiante. Si le tube est tenu oblique alors la loi de Jurin donne la hauteur verticale (pas la hauteur mesurée le long du tube).

La capillarité intervient dans la détermination du jeu à laisser entre pièces emboîtées (ou qui se recouvrent) pour permettre au métal d'apport en fusion de monter le plus haut possible dans l'interface ainsi réalisée.

Le mouillage

Exemple de non-mouillabilité : gouttes de rosée sur une prêle.

Le mouillage d'un liquide (métal d'apport en fusion) sur un solide (pièces à réunir) est le degré d'étalement du liquide sur ce solide. Les effets produits sont le contraire de ce que l'on constate lorsqu'on observe une goutte d'eau sur une feuille de chou ou des gouttes d'eau déposées par la rosée comme sur l'image ci contre.

On parle de mouillage total lorsque le liquide s'étale totalement et de mouillage partiel lorsque le liquide forme une goutte sur le solide.

La loi de Young-Dupré donne l'expression de l'angle de contact statique d'une goutte liquide déposée sur un substrat solide (ménisque), en équilibre avec une phase vapeur:

$\cos \theta ={\frac {\gamma _{SV}-\gamma _{SL}}{\gamma _{LV}}}$

où:

$\gamma _{SV}\;$, $\gamma _{SL}\;$ et $\gamma _{LV}\;$ désignent respectivement la tension superficielle des interfaces solide/vapeur, solide/liquide et liquide/vapeur.

Dans les procédés de brasage avec métaux d'apport (brasage tendre ou fort) le mouillage intervient, en préalable de la diffusion, en deux étapes :

• d'abord en mettant en œuvre des liaisons faibles, du type forces de van der Waals ; c'est l'adsorption physique, puis

• en mettant en œuvre des énergies de liaison importantes. On parle alors d’adsorption chimique ou chimisorption. L’adsorption chimique s’accompagne d’une profonde modification de la répartition des charges électroniques des atomes adsorbés, les forces mises en jeu sont du même type que celles qui agissent lors de la formation des liaisons métalliques et/ou des liaisons chimiques.

On améliore la mouillabilité par l'emploi de flux décapants appropriés au métaux de base. Une fois l'opération de brasage effectuée, toute trace de flux doit être supprimée afin d'éviter des problèmes ultérieurs de corrosion.

La diffusion

La diffusion désigne la tendance naturelle d'un système à rendre homogènes les concentrations des espèces métalliques ou chimiques en son sein. C'est un phénomène de transport irréversible qui se traduit par la migration d'espèces métalliques ou chimiques dans un milieu. Sous l'effet de l'agitation thermique on observe un déplacement des constituants des zones de forte concentration vers celles de faible concentration. D'un point de vue phénoménologique, et au premier ordre, ce phénomène est régi par une loi de Fick.

Le déplacement des atomes, ions ou molécules dans un milieu, que celui-ci soit solide (cristallin ou amorphe), liquide ou gazeux, est appelé de manière générale « migration ». La diffusion est la migration sous l'effet de l'agitation thermique, à l'exception des autres phénomènes. Elle intervient par exemple dans des procédés d'amélioration des caractéristiques mécaniques (traitements de surface comme la nitruration ou cémentation).

Lorsqu'un atome se déplace parmi des atomes de même nature, on parle d'autodiffusion. Par exemple, on parle d'autodiffusion du fer pour désigner la migration d'un atome de fer dans un cristal de fer.

Lorsque l'on a deux milieux homogènes différents mis en contact, on parle d'interdiffusion. C'est ce qui se produit, en brasage, au travers de la zone de liaison entre le métal d'apport et le métal de base : il y a formation d'un alliage de ces deux métaux.

La diffusion peut être à l'origine de la formation de composés intermétalliques pouvant conduire à la ruine de l'assemblage. C'est le cas lors du brasage d'un acier inoxydable avec un apport en laiton (décohésion intergranulaire), d'un titane avec un apport en argent ou d'un alliage de nickel avec un apport chargé en phosphore ou soufre(formation de composés fragiles).

Métallurgie du brasage

Contrairement au soudage, que ce soit en brasage tendre, en brasage fort ou encore en soudo-brasage, les métaux de base n'atteignent pas leurs températures de fusion. L'aspect métallurgique doit donc être considéré du point de vue des effets de la diffusion et, en cas d'utilisation d'un métal d'apport, des propriétés du métal liquide et de sa solidification en interaction avec les surfaces des métaux de base aussi bien que les conditions environnementales et physiques de réalisation du joint brasé.

Avantages par rapport au soudage

Comme mentionné ci-dessus, les températures de fusion des métaux de base ne sont pas (ne doivent pas être) atteintes. Ceux-ci seront moins affectés par la chaleur, la dégradation de leurs propriétés mécaniques sera atténuée de même que leur oxydation. Les contraintes résiduelles et les déformations seront moindres et les procédés de brasage se prêtent bien à la production à grande vitesse et de manière automatique.

Techniques connexes

• Le soudage

• Le collage

• Le rechargement

Images en attente

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