Brevet FR2471249A1 — publié le 19810619

La présente invention concerne un procédé perfec- tionné pour le brasage de pièces métalliques, ainsi qu'un dispositif et un métal d'apport pour la mise en oeuvre de ce procédé. Elle vise plus particulièrement le brasage de pièces, notamment de tubes en aluminium, et présente un intérêt tout particulier pour la construction d'échangeurs de chaleur. Le brasage d'aluminium, sans flux, est actuellement réalisé le plus souvent par immersion de -la pièce à braser dans un bain de métal d'apport liquide et par la mise en vi- bration du bain: cette mise en vibration est généralement réalisée à l'aide de sonotrodes reliées à un générateur d'ultra- sons et fixées sur l'extérieur de la cuve contenant le métal d'apport. Une telle technique est notamment décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 680 200. Ces procédésde brasage classiques présentent un certain nombre d'inconvénients bien connus des techniciens. Ces inconvénients dés principalement à un manque d'homogé- néité du champ ultrasonore se traduisent généralement par un manque de mouillabilité causant des défauts locaux de métal d'apport à l'intérieur de la brasure, ce qui affaiblit celle-ci jusqu'à la rendre défectueuse. Par ailleurs, notamment dans le cas de la brasure d'aluminium, on utilise généralement comme métal d'apport, des alliages de zinc et d'aluminium et de béryllium, comme dans le brevet français n0 73 29 383, ou encore des alliages d'alu- minium et d'yttrium, germanium, indium, argent, comme dans le brevet français n0 73 35 575, ou encore d'autres alliages classiques utilisés pour la soudure ou la brasure de l'alumi- nium. D'une manière générale, le but recherché est d'évi- ter toute souillure de la zone brasée, toute surchauffe nuisi- ble aux pièces à braser et à l'équipement utilisé. Le caractère important est le mouillage du métal de la pièce à braser par le métal d'apport en fusion. Il est apparu qu'il est plus important selon l'in- vention que les ultrasons soient appliqués aux pièces à braser plutôt qu'au bain de brasage, car ainsi l'énergie ultrasonore est concentrée là o elle est la plus utile, c'est-à-dire au lieu même de la brasure. L'invention a pour but de pallier les défauts et les inconvénients des procédés, dispositifs et métaux d'apport classiques. Elle a pour objet un-procédé pour le brasage.:sans- flux, de pièces métalliques caractérisé en ce qu'on met les parties à braser de ces pièces en contact intime avec une sonotrode, on immerge l'ensemble pièces-sonotrode dans un7-bain en fusion de métal d'apport, on soumet les parties à braser à des ultrasons émis par la sonotrode, on retire les pièces à braser du bain, et on laisse refroidir ces pièces brasées. Pour la mise en oeuvre d'un tel procédé appliqué au brasage de pièces en aluminium, il est particulièrement avantageux d'utiliser un métal d'apport constitué de zinc,ou de cadmium, ou d'un alliage renfermant au moins du zinc et du cadmium, et plus particulièrement d'un alliage binaire renfer- mant environ 66 % de cadmium et 34 % de zinc, fondant environ entre 265 et 305WC. La partie de la sonotrode appelée à être au contact du bain du métal d'apport est-avantageusement en titane non allié, que l'on passive par oxydation thermique, préalablement à la première utilisation. L'invention a également pour objet un dispositif pour le brasage mettant en oeuvre un tel procédé caractérisé en ce qu'il compred un bâti supportant un creuset pour un bain de métal d'apport en fusion, le fond du creuset étant traversé de façon étanche par une sonotrode coulissant sous l'action d'un vérin fixé sur le bâti, avec un générateur d'ul- trasons associé à la sonotrode, et des moyens de chauffage, contrôlés, associés, à ce creuset, l'extrémité active de la sonotrode creusée d'au moins une empreinte de forme complémen- taire d'au moins une partie de la surface extérieure des pièces à braser, le vérin déplaçant alternativement l'extrémité active dans et hors- du bain. Dans un tel dispositif pour le brasage de crosses de tubes en U, l'empreinte creusée dans l'extrémité active de 3 2 4 7 1471249 la sonotrode a avantageusement la forme d'un évidement semi- torique à génératrice en U de dimensions légèrement supérieures à celles de l'enveloppe extérieure des crosses. Cette extrémité active est également, de préférence, en titane non allié,passivé.- Un amplificateur,constitué par une entretoise métallique profilée, avantageusement en titane, est disposé entre le générateur d'ultrasons et la sonotrode. Afin de protéger le générateur d'ultrasons d'un échauffement exagéré, il 'est avantageux de disposer un refroi- disseur, notamment à air soufflé, entre la sonotrode et le générateur d'ultrasons. Dans un tel dispositif, il est avantageux suivant l'invention que le passage de la sonotrode à travers le fond du creuset se situe en position de travail de la sonotrode à un noeud de vibrations ultrasonore, tandis que les joints entre sonotrode, amplificateur et générateur ultrasonorese situent de façon classique à des ventre de vibration ultra- sonore. Il est préférable,suivant l'invention, que des joints d'étanchéité à coefficient d'absorption ultrasonore élevé gar- nissent le passage de la sonotrode à travers le fond du creuset, afin d'éviter toute propagation parasite d'ultrasons dans le creuset. L'invention a encore pour objet un métal d'apport pour le brasage de pièces en aluminium suivant le procédé et/ou le dispositif de l'invention, caractérisé en ce qu'il est cons- titué par un alliage renfermant au moins du zinc et du cadmium, de point de fusion' inférieur à environ 450 C. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui représentent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation de l'invention. Sur ces dessins: - la figure 1 est une vue en élévation, de profil, d'un dispositif de brasage d'une crosse de deux tubes en U suivant l'invention, et, - - la figure 2 est une vue de face, analogue à celle - de la figure 1, du même dispositif, avec certaines parties en coupe. Le dispositif représenté sur les dessins comprend essentiellement un bâti rigide 1, vertical, terminé en haut par une potence 24 qui supporte un creuset 2 renfermant le métal d'apport en fusion jusqu'à un..niveau indiqué par un trait interrompu en 25. Ce creuset-2 est chauffé par des résistances électriques extérieures annulaires classiques 8. La température à-l'intérieur du bain est contrôlée par une sonde thermique 9. A l'intérieur du creuset, un ensemble à braser 26 constitué de deux tubes dont les extrémités sont insérées à force respectivement dans les branches d'une crosse est calé par une bride 15 qui le centre, et qui coulisse librement à l'intérieur du creuset 2. -- L'extrémité en U de la crosse 26 est supportée dans un évidement 17 de forme complémentaire creusée dans l'extrémité active 16 d'une sonotrode 6 en titane.. Cette sonotrode 6 coulisse de façon étanche à tra- vers un presse-étoupe 5 garni de bagues d'étanchéité 14 en ma- tériau résistant à la température et de coefficient d'absorp- tion ultrasonore élevé tel que de l'amiante graphité, qui évite toute propagation parasite d'ultrasons dans le creuset. Cette sonotrode 6 est rendue solidaire d'un amplifi- cateur d'ultrasons 7, également en titane, par une vis axiale 22. L'amplificateur 7 est également rendu solidaire par une vis axiale 21 d'un générateur d'ultrasons 10 constitué avantageuse- ment par un convertisseur piézo-électrique relié à une source l'électricité convenable par une canalisation 18. Avant la première utilisation, on fait subir à la sonotrode 6 une passi- vation par oxydation par chauffage dans l'air ambiant et à la pression atmosphérique à 4501C *environ pendant 24 heures. Ce traitement rend la sonotrode pratiquement insensible à la cor- rosion dans les conditions d'utilisation. Un refroidisseur 4, constitué par une gaine métalli- que entourant la partie inférieure de la sonotrode 6 et la par-- tie supérieure de l'amplificateur 7, permet un refroidissement sous l'action d'un jet d'air amené par une tubulure 19. L'ampli- ficateur est rendu solidaire, par des vis radiales 23, d'une platine 27 reliée par quatre tiges filetées 11 à une bride-3 fixée à l'extrémité d'une entretoise 12, -solidaire du piston d'un vérin 13 fixé par des pattes 20 au bâti 1. Afin d'assurer une bonne transmission des ultrasons du générateur 10 à l'amplificateur 7, et à la sonotrode 6, la longueur totale de l'amplificateur 7, ainsi que la longueur de la sonotrode 6, sont des multiples de la demi-longueur d'onde des ultrasons émis par le générateur 10. De même, les vis 23 sont situées à un noeud, de vi- brations du train d'ondes ultrasonores, afin de n'apporter au- cune gêne à leur propagation. En considérant les dessins, on voit que le généra- teur d'ultrasons 10, l'amplificateur 7, la sonotrode 6 forment un ensemble solidaire, mobile axialement sous l'action du vérin 13. Sous l'action de ce vérin, la sonotrode 6 coulisse à tra- vers le presse-étoupe 5 de façon étanche, et permet les manoeu- vres d'immersion et d'émersion de4a crosse 26, dans -et hors du bain de métal d'apport en fusion. Pour braser un ensemble crosse-tubes tel que 26, on commence par amener à l'état fondu le bain de métal d'apport, dont le niveau supérieur délimite la zone de brasage. Le - refroidisseur 4 étant alimenté en air sous.pression par la tu- bulure 19, on fait émerger l'extrémité active 16 de la sonotrode sous l'action du vérin 13. On dispose alors l'ensemble 26 dans l'empreinte 17 o elle repose sous son propre poids. On fait ensuite descendre la sonotrode jusqu'à sa position immergée sous l'action du vérin 20, on laisse monter en température, puis on met en marche le générateur d'ultrasons pendant un temps suffisant pour assurer le décapage, sans cor- rosion nuisible des pièces à braser et leur mouillage par le métal d'apport. On fait émerger à nouveau, sous l'action du vérin 13, la sonotrode portant la crosse brasée, on éloigne de la sonotrode l'ensemble crosse-tubes et on laisse refroidir jusqu'à durcissement de la brasure. A titre d'exemple de réalisation pratique, on peut utiliser une sonotrode en titane de la nuance commerciale T40, -d'un diamètre d'environ 40 mm, pour une longueur d'environ 250mm. On utilise un émetteur ultrasonore du type piézo-électri- que émettant des ultrasons sous une fréquence d'environ 20kHz sous une puissance de 1100 W, d'amplitude de vibration nominale d'environ 11,2p m. 6 2471249 Pour des tubes en aluminium d'environ 10 mm de dia- mètre extérieur et un métal d'apport binaire zinc-cadmium 34/66-% fondant entre environ 265 et 305WC, le temps de chauf- fage est de l'ordre de 40 secondes, tandis que l'émission ul- trasonore est de 5 secondes environ. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, elle est suscepti- ble de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention. C^'estainsi que, suivant les applications envisagées, on peut utiliser n'importe quelle sonotrode de type classique convenable et des émetteurs ultrasonores à magnétostriction, électrostriction, aussi bien qu'à quartz, de longueurs d'ondes différentes. On peut également aménager un dispositif suivant l'invention pour le brasage simultané de plusieurs ensembles. On peut encore utiliser n'importe quel métal d'apport convena- ble pour des applications-particulières. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le brasage, sans flux, de pièces métal- liques, caractérisé en ce qu'on met les parties à-braser desdites pièces en contact intime avec une sonotrode, on immerge ensemble pièces et sonotrode dans un bain en fusion de métal d'apport, on soumet lesdites parties à braser à-des ultrasons émis par ladite sonotrode, on retire lesdites parties à braser dudit bain et on laisse refroidir lesdites parties brasées.; 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le métal d'apport est constitué de zinc, ou de cadmium, ou d'un alliage renfermant au moins du zinc et du cadmium. 3 - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que au moins la partie de la sonotrode appelée à être au contact du bain de métal d'apport est en titane non allié que l'on passive par oxydation thermique préalablement à la première utilisation. 4 - Dispositif pour le brasage suivant le procédé de l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un bâti (1) supportant un creuset (2) pour un bain de métal d'apport en fusion, le fond dudit creuset étant traversé-de façon étanche par une sonotrode (6) coulissant sous l'action d'un vérin (13) fixé sur ledit bâti, avec un générateur d'ul- trasons (10) associé à ladite sonotrode et des moyens de chauffage contrôlés associés audit creuset, l'extrémité active (16) de ladite sonotrode étant creusée d'au moins une empreinte (17) de forme complémentaire d'au moins une partie de la surface extérieure des pièces à braser, ledit vérin déplaçant alternativement ladite extrémité active dans et hors dudit bain. - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le passage de la sonotrode à travers le fond du creuset se situe, en position active de ladite sonotrode, à un noeud de vibrations ultrasonores. 6 - Dispositif suivant l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le passage de la sonotr.ode à travers le fond du creuset est garni de joints d'étanchéité en matériau à coefficient d'absorption ultrasonore élevé. 7 - Dispositif pour le brasage de crosses de tubes en U, suivant l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'empreinte (17) creusée dans l'extrémité- active de la sonotrode a la forme d'un évidement semi-torique à génératrice en U de dimensions légèrement supérieures à celles de l'enveloppe extérieure desdites crosses. 8 - Dispositif suivant l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'au moins l'extrémité active (16) de la sonotrode est en titane non allié, passive. 9 - Dispositif suivant l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que-le générateur d'ultrasons (10) est relié à la sonotrode (6) par un amplificateur (7) constitué par une entretoise métallique profilée. - Dispositif suivant l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un refroidisseur (4) entre la sonotrode et le générateur d'ultrasons. 11 - Métal d'apport pour brasage de pièces en aluminium suivant le procédé de l'une des revendications 1 à 3 et/ou dispositif suivant l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il est constitué par un alliage renfermant au moins-du zinc et du cadmium de point de fusion inférieur à, environ, 4500 C. 12 - Métal d'apport suivant la revendication 11, caractéri- sé en ce qu'il est constitué d'un alliage binaire renfermant environ 66 % de cadmium et 34 % de zinc, fondant environ entre 265 C et 305 C.