Brevet FR2287963A1 — publié le 19760514

La présente invention est relative à un nouveau procédé de brasage de l'aluminium. Dans le brasage de 1 'aluminium, plusieurs procédés sont actuellement connus. Un premier procédé consiste à préchauffer des pièces en aluminium assemblées et maintenues entre elles mécanigueatent puis à les plonger dans un bain de sels en fusion maintenu à la température de brasage et dans lequel les pièces, assemblées et. maintenues entre elles mécaniquement, séJournent pendant un temps suffisant pour être amenées à la température de brasage. Les pièces sont ensuite extraites du bain, refroidies, puis soumises à des lavages successifs afin de retirer toute trace de flux sur les pièces terminées. Les opérations de lavage et de rinçage sont longues, car elles nécessitent des bains successifs chauds et froids, des bains acides, des postes de rinçage, etc... En outre, les bains de sels en fusion sont d'un pris élevé, doivent store entretenus en permanence et renouvelés assez fréquemment, de sorte que liopération de brasage est une opération conteuse. Un autre procédé consiste à braser les pièces assemblées et recouvertes d'alliages de brasage et d'un flux ou fondant dans un four à gaz de préférence à circulation d'air. Ce procédé constitue un perfectionnement par rapport au brasage au bain, car les quantités de flux consommées sont bien moindres que dans le brasage au bain et, par ailleurs, il est possible d'exécuter le brasage d'un grand nombre de pièces de façon continue en déplaçant ces pièces dans un four-t'nel qui délimite des zones à températures différentes dans lesquelles les pièces sont pbé- chauffées, puis chauffées jusqu'à la température de brasage et, ensuite, pré-refroidies. Ce procédé présente néanmoins encore des inconvénients car il nécessite également un lavage soigneux des pièces après leur sortie du tour, notamment lorsque ces pièces sont de forme complexe, comme cela est le cas pour des échangeurs de chaleur. Il est indispensable, en effet, que le flux soit complètement éliminé tant à l'intérieur qu'à l'extérieur des pièces. Un troisième procédé consiste, après assemblage des pièces et recouvrement au moins des parties à assembler de cellesci d'un alliage de brasage, à amener lesdites pièces dans un four dans lequel on fait le vide. Il y a lieu dans ce cas d'obtenir un vide très poussé de l'ordre de 10~4mm de mercure, ce qui nécessite une disposition de four complexe. De plus, le chauffage des pièces jusqu'à la température de brasage est difficile à réaliser, notamment lorsqu'il s'agit de pièces complexes,comme le sont les échangeurs de chaleur, car le chauffage ne peut être assuré que par rayonnement, de sorte que dans le cas considéré de pièces complexes, certaines parties d'entre elles forment des écrans maintenant d'autres parties dans l'ombre du rayonnement. Il en résulte qu'il est très difficile d'obtenir un chauffage uniforme des pièces sur toute leur étendue. Le troisième procédé peut entre mis en oeuvre également dans un four à atmosphère neutre dont le point de rosée doit être constamment maintenu en dessous de -80t environ. Dans ce cas le chauffage est facilité mais il y a lieu toujours de maintenir l'atmosphère dans un état de très faible humidité et, par conséquent, de la déshydrater en permanence, ce qui nécessite également des installations complexes. On doit constater, cependant, qu'il est possible dans le procédé de brasage au four à vide ou au four à atmosphère neutre de ne pas utiliser de flux sous réserve d'utiliser une composition spéciale de brasage et, par conséquent, de supprimer les opérations de lavage nécessaires dans les autres procédés après l'exécution du brasage. La présente invention crée un nouveau procédé de brasage selon lequel il devient possible de combiner les avantages du brasage au four à air et ceux du brasage au four à vide ou à atmosphère neutre sans les inconvénients exposés ci-dessus de ces deux procédés connus. Par la mise en oeuvre du procédé de l'invention, il n'y a plus de nécessité de lavage des appareils après leur brasage et aucune précaution particulière n'est à prendre en ce qui concerne ltatmosphère du four ce QUi permet d'exécuter un chauffage uniforme des appareils à braser en utilisant des veines d'air circulant en circuits fermés, veines d'air auxquelles peuvent titre, le cas échéant, combinés des appareils de chauf fage par rayonnement, Si cela est désiré. Conformément à l'invention, on assemble sans jeu les pièces à braser, on recouvre lesdites pièces au moins dans leur parties devant être brasées d'un émail vitrifiable à une température inférieure à la température de fusion de l'alumi- nium, on préchauffe dans un four lesdites pièces ju qutà un premier seuil de température pour lequel l'émail est amené en fusion, on élève ensuite la température desdites pièces jusqu'à un second seuil de température correspondant à la température de fusion des alliages de brasage propres au brasage de l'alu- minium, on maintint lesdites pièces à ce second seuil de température pendant une durée comprise entre deux et dix minutes et on refroidit lesdites pièces. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La figure unique est une coupe partielle en partie schématique d'un échangeur de chaleur en aluminium fabriqué selon le procédé de la présente invention. Le dessin illustre l'application du procédé de l'invention au brasage d'un échangeur de chaleur qui comporte des tubes 1 engagés, par leurs deux extrémités, dans des collecteurs 2 dont un seul est représenté. Les collecteurs doivent store recouverts comme cela est illustré en traits mixtes, par des bottes à eau 3 et, en outre, ils peuvent strie reliés, par leurs petits c8tés, au moyen de joues latérales 4. Les tubes de l'échangeur sont, de plus, reliés à des éléments dissipateurs de chaleur 5 constitués dans 1 'exemple représenté par des bandes ondulées, lesdits dissipateurs pouvant cependant être constitués également au moyen d'ailettes enfilées sur les tubes. Au moins les tubes I, les collecteurs 2 et les dissipateurs 5 sont fabriqués en aluminium ou alliage de ce métal et il peut, aussi, en Stre de mSme tant des bottes à eau 3 que des joues latérales 4. Par aluminium et alliage d'aluminium, on doit comprendre soit de l'aluminium pur, soit des alliages par exemple des alliages de type ÂSG, ÂGS, AM et autres alliages analogues en ce qui concerne les produits laminés et corroyés, ou des alliages des types AS5, ÂS4G et autres analogues en ce qui concerne les produits moulés. Dans un premier mode d'exécution, les pièces à braser, ou au moins certaines d'entre elles, sont recouvertes,au moins dans leurs parties devant entre brasées ensemble, d'un alliage de brasage. Cet alliage peut Stre déposé par tout moyen habituel à la technique du brasage de l'aluminium. De préférence et comme représenté au dessin, l'alliage de brasage est constitué par un placage qui recouvre les tubes comme montré en la et qui recouvre aussi au moins l'une des faces des collecteurs 2 comme montré en 2a. On fait en sorte pour qu'il n'existe qu'une couche de placage au niveau de chaque joint à braser. Par alliages de brasage, on doit comprendre les alliages constitués essentiellement d'aluminium et de silicium, notamment les alliages contenant de 7 à 15% de silicium. Dans certains cas, il est avantageux que lesdits alliages contiennent également des éléments d'addition pris notamment parmi les métaux suivant : Bi, Sb, Pb, Li, In, Sn, Cd, Zn, Xe, Se, Mg et Ge. Ces additions ont pour effet, de rendre possible un réglage de la tension superficielle de l'alliage de brasage au moment de sa fusion, de déplacer la couche d'oxyde qui recouvre normalement les pinces en aluminium et d'abaisser la température de fusion de 1'alliage de brasage.Par exemple, un alliage de brasage approprié pour le brasage de pièces en AGS peut comporter entre 7 à 15% de silicium et 0,4 à 10% de magnésium, cet alliage ayant la particularité de fondre aux environs de 55100. Des alliages du commerce peuvent autre utilisés, par exemple des alliages d'aluminium-silicium contenant du bismuth et/ou de l'antimoine qui fondent entre 550 et 59000, des alliages d'aluminium-silicium contenant du nickel et du phosphore qui fondent également entre 550 et 59000, ainsi que des alliages contenant de l'indium et/ou de l'yttrium dont la température de fusion est comprise entre 575 et 60000. D'autres alliages de brasage peuvent encore être utilisés, notamment des brasures au germanium contenant par exemple: 10 à 30 s en poids de germanium 4 à 10 * en poids de silicium le reste en aluminium ou éventuellement zinc + aluminium Les températures de fusion d'alliage de cette sorte sont comprises entre 425 et 55000. après assemblage et dégraissage les pièces de l'échangeur sont recouvertes en partie au moins d'une couche mince 7 d'un émail vitreux dont la composition est choisie pour cue la température de fusion dudit émail soit inférieure, tout en étant proche, de la température de fusion de l'alliage de brasage. L'émail est déposé par tout moyen approprié sur les pièces assemblées, par exemple par projection sous forme pulvérisée, par projection au pistolet électrostatique ou par un procédé d'électrophorèse. La composition sèche d'émail est avantageusement en suspension dans un véhicule liquide, tel que de l'eau, des solvants organiques, par exemple les alcools néthyliques, éthyliques, butyliques, propyliques ou supérieurs ou des esters correspondant à ces alcools comme les acétates, proplonates, etc. Le cas échéant, le véhicule peut aussi contenir des liquides volatils ou même être constitué par des liquides volatils pour faciliter un durcissement rapide de l'ém;il après son application. Le véhicule pour la composition sèche d'émail peut être en quantité variable et qui est essentiellement fonction du mode de dépôt de l'émail sur les pièces à recouvrir. Pour un dépôt par projection au pistolet la quantité de véhicule peut représenter 30 à 60 , en poids du produit déposé. En ce qui concerne les émaux proprement dits, ceux-ci peuvent être pri 3 parmi tous les émaux connus nusqutà présent et plus particulièrement encore parmi ceux Çui sont utilisés dans la technique de l'émaillage de l'aluminium et dont la température de fusion est inférieure à 60000. Par exemple, on peut utiliser des émaux au plomb ou au titane dont la température de fusion est généralement comprise entre 520 et 5600C. Parmi les émsux donnant satisfaction, on cite les compositions suivantes Exemple 1 PbO 14 à 16 parties en poids SiO2 50 à 60 parties en poids Na20 18 à 2A parties en poids Li20 c à Il parties en poids Su203 0,3 à 0,7 parties en poids Exemple 2 SiO2 25 à 42 parties en poids Na2O 20 à 35 parties en poids Li2O 0 à 5 parties en poids K20 3 à 14 parties en poids TiO2 10 à 25 parties en poids Un émail fondant à plus basse température peut store utilisé notamment celui de l'exemple 3 ci-dessous dont la température de fusion est de 4700C. Exemple 3 P205 55 à 65 parties en poids Al2O3 4 à 6 parties en poids MgO à å Il parties en poids Na2O 5 à 7 parties en poids K2O 7 à 9 parties en poids Li2O 5 à 7 parties en poids En règle générale, tous autres émaux peuvent convenir, notamment toutes frittes de verre, notamment toutes frittes de borosilicate, ces frittes étant obtenues, ainsi qu'il est connu, en faisant fondre ensemble de l'anhydride borique, de la silice et de l'oxyde de plomb ou de l'oxyde de baryum ou de cadmium, ladite composition fondue étant versée dans l'eau pour former la fritte, puis broyée jusqu'à la granulométrie désirée, ce qui permet d'obtenir l'émail sec destiné à recouvrir la brasure métallique. Lorsque les pièces assemblées ont été recouvertes d'émail après une préparation éventuelle, notamment un dégraissage et un décapage éventuels à l'acide suivis d'un rinçage et d'un séchage, alors l'ensemble des pièces est soumis au cycle de brasage habituel approprié à l'alliage d'aluminium utilisé et à l'alliage de brasage. Â titre d'exemple pour fabriquer un radiateur comme celui du dessin, on a utilisé comme métal de base un alliage contenant - magnésium 0,3 à 0,8 % - silicium 0,10 à 0,50 % - fer à à 0,8 % - cuivre i; à 0,05 % - zinc 5;; à 0,30 % - manganèse # à 0, 30 % - aluminium qsp 100 X Le métal de base ci-dessus étant plaqué d'un alliage de brasage contenant - 5 parties en poids de magnésium -13 parties en poids de silicium -82 parties en poids d'aluminium Les pièces assemblées furent ensuite recouvertes d'un émail ayant la composition de l'exemple 1 ci-dessus et une épaisseur d'environ 5 # puis ces pièces furent chauffées dans un four à air. jusqu'à 540 C,texpérature à laquelle l'émail était en fusion et formait une couche continue recouvrant toute la surface desdites pièces. Cette première opération fut conduite en 15 minutes. Ensuite, la température fut élevée jusqu'à 5900c ,température à laquelle l'alliage de brasage était en fusion. On maintint cette température pendant un temps de 5 minutes. Dans d'autres essais qui furent conduits,on on fit varier le temps de chauffage conduisant à la fusion de l'émail et il fut trouvé que ce te ps devait de préférence être compris entre 5 et 25 minutes. De nflnie, en ce qui concerne la seconde phase de chauffage faisant fondre l'alliage de brasage Bous l'émail en fusion, il fut trouvé qu'elle pouvait être conduite dans un temps compris entre 2 et 10 minutes suivant l'épaisseur des pièces constitutives de l'appareil fabriqué. il fut remarqué qu'il doit toUJours être recherché de conduire cette seconde phase de chauffage dans le temps juste nécessaire à la fusion et au déplacement de la brasure dans les joints à exécuter afin d'éliminer les risques de brasage da métal de base, c'est-à- dire de l'aluminium constitutif des pièces, ainsi que pour éviter de brûler la composition d'émail qui doit former, pendant toute l'opération de brasage proprement dite,un film continu, protégeant l'alliage de brasage de l'atmosphère du four. Un autre développement de l'invention consiste à choisir les compositions d'émail pour qu'elles réagissent soit avec l'alliage de brasage soit même directement avec le métal de base, afin de former des compositions à pouvoir diffusant et favorisant le déplacement de la couche d'oxyde qui recouvre normalement les pièces en aluminium à braser ou la surface de l'alliage de brasage lorsque celui-ci recouvre lui-mme les pièces en aluminium. Cette action est obtenue notamment avec ceux des émaux qui contiennent des métaux ou oxydes alcalinoterreux, notamment des oxydes de lithium ou de vanadium.Dans ce cas, il devient possible de réduire, voire supprimer, les éléments d'addition prévus dans l'alliage de brasage, car ce sont alors les constituants de l'émail qui réagissent directement avec l'alliage de brasage et qui diffusent dans celui-ci en même temps que l'alliage de brasage diffuse dans le métal de base. Par ailleurs, lors que les émaux sont déposés directement sur le métal de base, alors non recouveru d'alliage de brasage, il apparat que non seulement la couche d'oxyde est déplacée mais encore que l'émail en fusion forme avec le métal de base un alliage à température de fusion plus basse que celle dudit métal de base et que l'alliage ainsi formé in situ agit en tant qu'alliage de brasage en diffusant dans le métal de base des pièces maintenues en contact. Dans les cas exposés ci-dessus, des compositions telles que celles des exemples 2 et 3 sont avantageuses de même que des compositions comportant supplémentairement des sels de vanadium, notamment le V205,car ces sels se combinent avec 1'au203 à la température de brasage considérée dans ce qui précède. Après l'exécution du brasage, les pièces assemblées sont refroidies avant d'être sorties du four. Â titre d'exemple, lorsque les pièces sont en ÀGS ayant la composition donnée dans ce qui précède et qu'elles sont brasées avec un alliage de brasage aluminium-silicium-magnésium, il est avantageux de les refroidir rapidement jusqu'à la température de 30000 environ, ce Xui constitue une trempe, puis de les soumettre après refroidissement complet à un revenu consistant en une élévation lente de la température jusqu'à un seuil compris entre 180 et 2400C pendant un temps de 20 à 60 minutes.L'appareil assemblé et brasé peut ensuite être utilisé sans qu'il soit nécessaire de le soumettre à aucun lavage ni aucune opération de protection extérieure. Afin que la couche d'émail vitrifié qui demeure sur les parties des pièces de l'appareil, notamment de l'échangeur décrit en référence au dessin, ne constitue pas une gêne pour un bon échange thermique, l'épaisseur de la couche d'émail doit être très faible, par exemple de l'ordre de 5 à 10 . Cette couche d'émail constitue un revêtement protecteur évitant de peindre l'appareil et, supplémentairement, cette couche d'émail confère une grande dureté superficielle aux pièces, ce qui rend possible l'utilisation de feuilles extrêmement minces pour constituer les tubes 1 dont au moins les bords d'attaque sont recouverts d'émail lorsque la composition d'émail vitreux est déposée par projection au pistolet. Dans un autre exemple de réalisation d'un radiateur du genre représenté au dessin, on utilisa des tubes 1 en alliage d'aluminium BM, plaqués sur leur face extérieure d'une couche d'alliage de brasage Âsio, deux collecteurs 2, également en plaqués sur leurs deux faces d'une couche d'alliage de brasage AS10 et deux joues 4, également en , et plaquées sur une face d'une couche d'alliage de brasage AS10 tournée vers les dissipateurs 5. Après assemblage du radiateur, celui-ci fut soumis à une opération de dégraissage en le soumettant à des vapeurs de tri chloréthylènet à une opération de décapage acide dans un bain fluonitrique se trouvant à la température ambiante, puis à une opération de rinçage à l'eau déminéralisée à la température ambiante. Le radiateur fut ensuite recouvert d'émail par projection au pistolet, l'émail sec représentant 60 parties enpoids du produit projeté qui contenait 40 parties en poids d'eau. La composition sèche d'émail était la suivante SiO2 38 parties en poids Na20 30 parties en poids V205 4 parties en poids E20 10 parties en poids T102 18 parties en poids Le dépôt d'émail ci-dessus contenu dans l'eau servant de véhicule fut effectué sans que le radiateur soit séché après le rinçage. Le radiateur revêtu d'émail fut ensuite amené dans un four à air constitué par un four-tunnel dans lequel il fut préchauffé pendant 8 minutes à la température de 5300C, puis maintenu pendant 4 minutes à la température de 5600C à laquelle l'émail fut porté à l'état de fusion. Le radiateur fut ensuite amené pendant 2 minutes à la température de 58500 au cours desquelles l'alliage de brasage fondit sous la couche d'émail protectrice. Le radiateur fut finalement refroidi à l'air libre sans qu'aucune autre opération soit exécutée. Dans encore une autre réalisation, les pièces du radia teur étaient également en alliage d'aluminium P205 55 parties en poids MgO 10 parties en poids Na20 6 parties en poids x20 8 Parties en poids Li20 6 parties en poids Si02 15 parties en poids Le radiateur fut ensuite porté en 12 minutes à la température de 5300C à laquelle l'émail était en fusion puis porté en 5 minutes à la température de 5750C à laquelle il fut maintenu 3 minutes. Après refroidissement, il fut constaté que les pièces étaient parfaitement brasées entre elles, un alliage ayant fondu stétant formé à la surface du métal de base et ayant diffusé dans celui-ci. REVENDICÂTIONB 1. Procédé pour le brasage de pièces en aluminium ou alliages de ce métal, notamment des pièces d'un échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'on assemble sans jeu les pièces à braser, en ce qu'on recouvre lesdites pièces au moins dans leurs parties devant autre brasées, d'un émail vitrifiable à une température inférieure à la température de fusion de 1 'alu- minium, en ce qu'on préchauffe dans un four lesdites pièces jusqu'à un premier seuil de température pour lequel l'émail est amené en fusion, en ce qu'on élève ensuite la température desdites pièces jusqùtà un second seuil de température correspondant à la température de fusion des alliages de brasage propres au brasage de l'aluminium, en ce suton initient lesdites pièces à ce second seuil de température pendant une durée comprise entre deux et dix minutes et en ce qu'on refroidit lesdites pièces. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'émail est déposé directement sur le métal de base, aluminium ou alliage d' aluminium. 3. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que certaines au moins des pièces à braser sont plaquées par un alliage de brasage et en ce que l'émail est déposé sur la surface dudit placage d'alliage de brasage. 4. Procédé suivant les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le placage d'alliage de brasage est prévu sur la surface de seulement une de deux pièces à braser. 5. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'émail est supporté par un véhicule mouillant les pièces à braser et est déposé en une couche mince dont l'épaisseur est supérieure au micron. 6. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 3 à 5, caractérisé en sce que l'alliage de brasage à base d'aluminium contient 7 à 15% en poids de silicium et préférentiellement au moins un métal d'addition pris parmi le Bi, Sb, Pb, Li, In, Sa, Cd, Zn, Te, Se, Mg et Ce, la proportion de magnésium étant con, prise entre 0,4 et 10% en poids. 7. Procédé suivant l'une des revendications I à 6, carac térisé en ce que 1' émail est choisi parmi les émaux à température de fusion inférieure à 6000C incorporant un fondant. 8. Procédé suivant l'une des revendications 1 à caractérisé en ce que l'émail est pris parmi les frittes de borosilicate de plomb, de baryum, de cadmium,de calcium, de silicium et analogue. 9. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'émail contient supplémentairement des sels de vanadium. 10. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le véhicule pour l'émail est pris parmi l'eau, des solvants organiques, tels que les alcools méthylique, éthylique, butylique, propylique et analogues, les est de ces alcools tels que les acétates et propionates, l'émail en suspension étant déposé sur les pièces par trempage, projection, pulvérisation, électrophorèse et procédés analogues. Il. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le véhicule pour l'émail est compris entre 30 et 60 % en poids du produit déposé sur les pièces. 12. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 11, carac- térisé en ce que les pièces sont chauffées dans un four à atmosphère azeuse, le temps de chauffage pour atteindre le premier seuil étant compris entre 5 et 25 minutes et le temps de chauffage pour atteindre le second seuil étant compris entre 8 et 10 minutes.