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RÉSUMÉ
Le brasage est un procédé d’assemblage métallurgique permettant d’allier des matériaux métalliques ou non, tels que des céramiques, par l’intermédiaire d’un alliage d’apport possédant une température de fusion inférieure aux matériaux de base. La connaissance des phénomènes physiques qui régissent le brasage permet d’aboutir à des jonctions répondant aux exigences de chaque application industrielle. Ils seront détaillés dans cet article et des exemples d’applications seront abordés.
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-
David MACEL : Responsable technique, expert brasage - Institut de Soudure, Département Recherche Innovation Expertise Groupe, Goin, France
INTRODUCTION
Le brasage est le plus ancien procédé d’assemblage métallurgique, utilisé il y a 4 000 ans sous l’ère des pharaons pour assembler des objets de la vie courante (plateaux, vases) en alliage de cuivre, des armes (manche de dague, épée) ou encore des pièces d’ornement et des parures en or. Il trouve maintenant sa place dans des applications techniques et à forte valeur ajoutée.
Présentant des avantages certains et quelques inconvénients, il est souvent employé lorsqu’il faut assembler des matériaux dissimilaires, afin que l’application envisagée bénéficie des propriétés physiques de chacun des substrats, notamment :
-
titane et alliage d’aluminium pour l’aéronautique,
-
carbure de tungstène à matrice cobalt et acier C-Mn pour les outils de décolletage,
-
alliage de cuivre et alumine pour le spatial,
-
céramique et acier inoxydable pour le nucléaire.
Le brasage est donc présent partout, de la bijouterie à l’aéronautique, et sa maîtrise peut lui autoriser certaines applications où les sollicitations thermomécaniques peuvent se situer à la limite de la rupture du métal de base.
Nous verrons que le brasage fait intervenir des phénomènes :
-
de mouillage,
-
de capillarité,
-
de diffusion,
-
de dissolution.
Lorsque la température de fusion de l’alliage d’apport est inférieure à 450 °C, le terme de brasage tendre est utilisé, au-delà de cette température, on parle de brasage fort. Lorsque l’assemblage est réalisé de proche en proche tout en déplaçant la source de chaleur, c’est du soudobrasage. Enfin, le terme de brasage diffusion [BM 7 747]est employé lorsque les durées de diffusion (de 30 minutes à plusieurs heures) à haute température (mais toujours inférieure à la température du liquidus des matériaux) sont exacerbées à des fins d’obtenir une tenue mécanique proche de celle du substrat de base.
Le Transient Liquid Phase (TLP) est une variante intéressante du soudage diffusion. Au même titre que le soudage diffusion, le TLP fait intervenir des mécanismes de diffusion atomique.
La technologie choisie pour une application sera fonction :
-
de la forme et de la dimension des pièces,
-
de la nuance des substrats,
-
du milieu environnant de service.
Nous abordons dans cet article l’aspect théorique du brasage, les principaux moyens de chauffage et les alliages d’apport à choisir en fonction des attendus de l’assemblage (métallurgie, mécanique, corrosion, esthétique, coût). Des exemples d’applications sont donnés. Nous évoquons également la tenue mécanique (traction et cisaillement) effectuée sur des assemblages brasés de différentes applications et nuances.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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Alliage d’apport
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1. Principes physiques
Trois principes physiques fondamentaux régissent le brasage ; ils sont entièrement liés les uns aux autres et seule la réunion de ces trois principes autorise la réussite d’un joint brasé de qualité répondant à l’ensemble des points du cahier des charges industriel (résistance mécanique, résistance à la corrosion, aspect, coût…).
1.1 Mouillage
Le mouillage pris dans le contexte du brasage correspond à l’étalement de l’alliage d’apport sur une surface métallique et/ou une surface céramique, lorsqu’il est porté à l’état liquide et sous des conditions opératoires satisfaisantes (préparation de surface, atmosphère, température…). Le mouillage est caractérisé par l’angle formé par l’alliage d’apport et le substrat l’accueillant. Dans tous les cas, l’obtention d’un angle de mouillage le plus faible possible sera recherché (figure 1), indiquant ainsi une bonne compatibilité métallurgique entre les matériaux en présence (alliage d’apport et métal de base). Le mouillage s’effectue en quelques millisecondes.
La loi de Young-Dupré peut être utilisée pour exprimer l’angle de contact entre l’alliage d’apport à l’état liquide et les surfaces du substrat en les considérant comme étant des solides parfaits :
avec :
- γSV, γSL, γLV :
- tensions superficielles des interfaces solide/vapeur, solide/liquide, liquide/vapeur.
Les facteurs influençant le mouillage sont les suivants :
-
préparation de surface (dégraissage, décapage, tribologie),
-
compatibilité métallurgique entre l’alliage d’apport et le substrat,
-
atmosphère de brasage (sous vide, sous gaz neutre ou réducteur, présence d’un...
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Principes physiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CATHÉRINE MARTIN (E.) - Métallurgie et comportement mécanique de structures minces brasées pour la production d'échangeurs thermiques - (2018).
-
(2) - BELAHOUEL (M.) - Métallurgie cours et exercices corrigés, Faculté de Génie Mécanique Département des Mines et Métallurgie -
-
(3) - MACEL (D.) - L’assemblage de matériaux dissemblables, Exemples de travaux en brasage et soudage diffusion. - Soudage et techniques connexes (2018).
-
(4) - MACEL (D.) - Avez-vous pensé au brasage ? Exemples de travaux en brasage : essais mécaniques et métallographies. - Soudage et techniques connexes (2016).
-
(5) - ALEXANDER (E.), YURY (A.) - Brazing of titanium at temperature below 800 °C : review and prospective applications - (2007).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Soudage, brasage, soudo-brasage – Métaux d'apport de brasage tendre, de brasage fort et de soudobrasage – Classification, codification, réception. - NF A 81-362 - décembre 2013
-
Soudage et techniques connexes – Aptitude au brasage – Définition et emploi d'une éprouvette à jeu variable. - NF A 89-410 - janvier 2017
-
Essais destructifs des assemblages réalisés par brasage fort. - NF EN 12797 - septembre 2000
-
Brasage fort – Métaux d'apport. - NF EN ISO 17672 - novembre 2016
-
Brasage fort – Défauts dans les assemblages réalisés par brasage fort. - NF EN ISO 18279 - juin 2004
-
Brasage fort – Flux pour le brasage fort – Classification et conditions techniques de livraison. - NF EN ISO 18496 - octobre 2021
-
Flux de brasage tendre – Classification et exigences – Partie 1 : classification, marquage et emballage. - NF EN ISO 9454-1 - avril...
ANNEXES
Institut de Soudure
ZI Paris Nord 2 – 90, rue des Vanesses
BP 51362 – 95942 Roissy Ch. De Gaulle Cedex, 93420 Villepinte
Laboratoire de brasage :
ZA Aéroport Régional
4, Rue Pilâtre de Rozier
57420 Goin
Laboratoire de recherches universitaires :
Institut Jean Lamour
Campus ARTEM
2, allée André Guinier
F-54000 Nancy Cedex
Laboratoire de recherches :
ICAR-CM2T
4, rue Lavoisier
54300 Moncel-lès-Lunéville
CIRTES
29 bis, rue d'Hellieule
88100 Saint-Dié-des-Vosges
Prestataires Industriels :
BODYCOTE
MERSEN
HAUT DE PAGE
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