LE BRASAGE DES METAUX SOUS GAZ DE PROTECTION
Définition :
Le brasage est un procédé permettant d’assembler deux pièces métalliques par la fonte d’un métal d’apport appelée brasure dont la température de fusion est plus faible que celle des matériaux à réunir. Lors de cette opération les pièces sont simplement recouvertes par la brasure sans subir de fusion.
Les propriétés du brasage par rapport au soudage :
L’intérêt principal du brasage est de pouvoir assembler des métaux les plus divers à des températures très inférieures au soudage. En effet, les températures nécessaires pour assembler des pièces par brasage sont généralement située entre 650°C et 1150°C.
D’autre part, les problèmes rencontrés au soudage de pièces en acier de construction à forte teneur en carbone, azote, phosphore et soufre sont totalement éliminés avec le brasage : aucune trace de calamine sur le cordon.
Les métaux d’apport (brasures) :
La diversité des brasures disponibles sur le marché est quasi infinie.
La brasure la plus utilisée est réalisée avec du cuivre pur dans le cas où les aciers à braser sont soumis à la température de fusion du cuivre (1083°C).
Si les pièces à braser ne peuvent monter à de telles températures, on utilise alors des brasures à l’argent. Ce sont des brasures composées de cuivre (20-50%), d’argent (1%-56%) de zinc (7-20%) et de cadmium.
Suivant leurs compositions, la température de brasage se situe entre 618°C pour les plus riches en Argent et 870°C pour les plus pauvres.
Figure 1. Brasage laiton
Brasures utilisées de baseOr (à base de métaux précieux comme Au, Pd, Ag)
Ar (à base d’argent)
Platine (à base de métaux précieux comme Au, Pd, Ag, Pt)
Alliages cuivreux (à base d’argent)
Aciers inoxydables (à base d’or, Au, Pd, Ni)
Alliages ferreux (à base d’argent ou de cuivre)
Carbure de tungstène (à base d’argent ou de palladium)
Titane (à base d’argent ou de titane).
Comportement de la brasure :
Chaque type de brasure a une température propre de fusion. A sa température de fusion la brasure fond et pénètre dans le joint par capillarité jusque dans les plus petites inégalités de la surface.
En se solidifiant au cours du refroidissement, la brasure forme une liaison rigide par accrochage mécanique mais aussi par formation de couches de jonctions très minces à la surface des matériaux. Les forces d’adhérence étant plus élevées que l’effet de pesanteur, la brasure sous forme liquide monte au sein des joints très étroits et ne redescend pas. Ainsi, plus le joint est étroit, plus l’aptitude de la brasure à y pénétrer et à s’élever est bonne. Cette particularité doit absolument être prise en compte lors de l’établissement des paramètres de tolérances du joint à braser.
La répartition de la brasure étant basée sur l’effet capillaire, il est donc très important que l’interstice entre les matériaux à assembler soit extrêmement réduit. Sur son passage, la brasure ne doit pas rencontrer de cavités importantes ou de stries qui diminuent la force d’adhérence.
L’effet de pesanteur étant prépondérant, leur remplissage nécessite une plus grande quantité de brasure.
La brasure peut être déposée sous plusieurs formes : en bout de fil, en plaquette ou en pate.
Il est impératif de s’assurer de la bonne position des éléments destinés à être assemblés pour les empêcher de se déplacer.
Quelques points importants pour un bon brasage :
• Le maintien des pièces en position lors du brasage
• La préparation des surfaces
• L’utilisation d’un flux
• Le choix de la brasure, de la température et du gaz
• Le temps de maintien à température
• La vitesse de refroidissement
Dans pratiquement tous les cas, la brasure ne peut s’étendre correctement sur la surface du métal de base que si celle-ci est absolument propre et sans trace d’oxyde. Lors du chauffage à l’air, l’oxydation du métal de base a lieu bien avant la fonte de la brasure, il est donc impératif de maintenir les surfaces exemptes d’oxydes pendant toute la montée en température. On utilise pour cela des produits appelés flux qui, le plus souvent, sont des substances alcalines telles que le borax ou l’acide borique additionné de chlorures ou de fluorures pour le cuivre et ses alliages, ainsi que pour les métaux ferreux, le nickel et leurs alliages. Le flux peut également être un mélange de chlorures de métaux alcalins et alcalino-terreux pour le brasage de l’aluminium et de ses alliages.
Pendant le brasage proprement dit, le flux est repoussé par la brasure qui sort à l’extrémité du joint. Ces restes de flux doivent ensuite être retirés mécaniquement ou par décapage.
Il n’est pas nécessaire d’appliquer la brasure exactement au niveau du joint. En effet, étant liquide, lorsqu’elle est déposée à proximité, elle finit par trouver son chemin au sein des joints étroits et appropriés et les remplit convenablement.
Figure 2. Brasage cuivre/inox
Les gaz de protection :
Les gaz de protection les plus fréquemment utilisés sont l’hydrogène (H2), le gaz de craquage de l’ammoniaque (N2/3H2), le gaz exothermique (6%Co2, 12%H2, 12%Co), le gaz endothermique (0,2%Co2, 40%H2, 20%Co), un mélange N2/H2 à proportion variable suivant la qualité de la brasure et plus rarement l’argon ou l’hélium.
Parmi tous ces gaz, les plus répandus sont le gaz de craquage avec 75%H2 et 25%N2 et le gaz exothermique car ce sont les moins onéreux.
L’ammoniaque craquée :
2 NH3 N2 + 3H2
La dissociation se fait au moyen d’un catalyseur au nickel intégré dans le craqueur Elle se produit à des températures comprises entre 850°C et 1000°C. Le mélange ainsi obtenu est appelé ammoniac craqué. Il est composé de 75% H2 et de 25% N2.
Une bouteille d’ammoniac de 50Kg produit environ 132 m3 de gaz ce qui correspond au contenu de 13 bouteilles de gaz comprimé.
Le point de rosé à la sortie du craqueur est inférieur à -48°C.
Le gaz exothermique :
6%Co2 + 12%H2 +12%Co
Il est obtenu par combustion du gaz de ville, du gaz naturel ou du propane.
Contrairement à l’hydrogène ou à l’ammoniaque craqué, il n’est pas indiqué pour tous les matériaux. En ce qui concerne les métaux ferreux, le gaz exothermique n’est utilisable que pour les aciers non alliés à faible teneur en carbone. En effet, sa proportion importante en vapeur d’eau, qui se traduit par un point de rosé élevé, et sa haute teneur en Co2 provoquent une décarburation prononcée d’autant plus importante que la température est élevée. Bien que le gaz exothermique ne contienne pas d’oxygène à l’état libre, son potentiel d’oxygène est tout de même suffisamment élevé pour oxyder les aciers inox.
Le gaz endothermique :
0,2%Co2 + 40%H2 +20%Co
Le gaz endothermique se prête bien au brasage sous gaz de protection. Son coût est toutefois bien plus élevé que celui du gaz exothermique. Il est surtout utilisé pour le brasage d’aciers dont la teneur en carbone est moyennement élevée.
L’hydrogène (H2) :
Bien qu'en général il soit diatomique, l'hydrogène moléculaire se dissocie dans les atomes libres à températures élevées. L'hydrogène actif est un agent réducteur puissant, même à température ambiante. En revanche, à hautes températures il est fortement réactif.
Il est indispensable, par exemple, pour réduire les couches d’oxyde de chrome Cr2O3, dites couches de passivation, sur les aciers riches en chrome. Pour braser de tels aciers ou pour effectuer un recuit brillant, il est impératif de réduire cette couche par un gaz hydrogéné.
Il faut savoir que plus le taux d’hydrogène est élevé plus le gaz sera réducteur, ce qui maintiendra les pièces parfaitement propres. Les pellicules d’oxyde éventuelles étant immédiatement réduites, il n’est donc pas nécessaire de travailler avec un flux.
En outre, l’hydrogène possède un pouvoir calorifique massique très élevé.
En conclusion, ce gaz est le mieux adapté pour le brasage.
Brasage sous gaz de protection sur four à bande :
Le brasage de pièces de petites à grandes séries de petites et moyennes dimensions s’effectue de préférence sur des fours à bande qui peuvent aisément s’intégrer au sein d’un atelier voire à la chaine de production.
Le four ci-dessous (fig.3) est conçu pour le brasage de divers métaux. On peut y intégrer n’importe quel gaz en fonction des pièces à traiter.
Figure Figure 3. Four à bande SOLO
Cette installation est équipée de trois zones de chauffe électriques, chaque zone est régulée par un thermocouple extérieur en platine et gérée par une régulation PID. La bande en acier réfractaire avance à une vitesse paramétrable de 3 à 60 mn de temps de passage en continu ou en saccades (avances par à-coup). La vitesse est gérée par un variateur qui est elle-même asservie.
Le four dispose d’entrées de gaz totalement séparées afin de pouvoir équilibrer la variation et l’homogénéité du flux de gaz injecté dans le four.
Un canal en acier spécial permet non seulement d’obtenir une qualité de surface exceptionnelle mais également d’économiser les débits de gaz.
Sa température maximum de travail est de 1150°C.
Deux cheminées sont placées aux deux extrémités de l’installation ce qui permet, d’une part, de brûler les gaz, et d’autre part, d’empêcher que les pièces ne traversent un rideau de flamme à l’entrée et d’assurer un meilleur équilibrage du flux de gaz.
Par souci d’économie de gaz, le four est également équipé de deux craqueurs d’ammoniaque placés sous le châssis afin de pouvoir travailler avec 75%H2 quand il n’est pas nécessaire d’utiliser de l’hydrogène pur.
Conçu pour le brasage des aciers, des inox et des métaux précieux, on peut également y effectuer des revenus, des recuits et des trempes d’aciers inox (fig.4, 5, 6). Le changement de gaz se fait directement après une purge, le four est alors aussitôt opérationnel.
Figure 4. Brasage
Figure 5. Trempe
Figure 6. Recuit
Ce four à bande présente de nombreux autres avantages.
Sécurité :
- Respect du taux maximum de rejet de gaz inflammable autorisé par les normes de sécurité CE.
Economie :
- Entrée et sortie équipées toutes deux d’une cheminée permettant de réduire la consommation de gaz de traitement.
- Maîtrise des consommations de gaz par un meilleur équilibrage du four.
- Possibilité de travailler avec un gaz (hydrogène) dans le four et un autre gaz (azote) dans le canal de refroidissement pour réduire les consommations tout en préservant la même qualité de pièces.
Four équipé d'un moufle métallique :
- Homogénéité de chauffage à +/-5°C.
- Conditionnement rapide des atmosphères des différents traitements souhaités.
Concept simple :
- Construction modulaire pour une maintenance aisée.
- Chemin de câbles intégrés au châssis pour éliminer le génie civil.
- Mécanisation et entraînement simples.
Fiabilité :
- Les chocs thermiques sont absorbés par une sole mobile à éléments interchangeables.
- Le retour de la bande sur rouleaux diminue le frottement et par conséquent son usure.
- La bande de transport est un système d'entraînement sécurisé par un contrôle continu de la vitesse de bande.
Maintenance réduite simple et économique :
- L’accessibilité aisée au canal par la construction en deux demies-coques de la carcasse.
- Les corps de chauffe se présentent sous forme de tubes facilement interchangeables.
Qualité :
- Un refroidissement homogène sur toute la surface de la bande.
- Contrôle de l'homogénéité de température en plusieurs zones distinctes.
- Contrôle de la pression partielle d'O2 par analyseur dans le canal de refroidissement.
- Un système de pilotage convivial de dernière technologie développé par son partenaire Axron®.
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