Brevet FR2564862A1 — publié le 19851129

-2564862 Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne des alliages d'aluminium à braser utilisés pour braser des éléments de structure en aluminium ou de simples objets et convenant plus particulièrement à la fabrication par brasage d'échangeurs de chaleur à ailettes en plaques adaptés pour fonctionner sous très haute pression. On fabrique généralement des échangeurs de chaleur à ailettes en plaques en aluminium au moyen d'une technique de brasage appropriée telle que le brasage à la trempe, le brasage sous vide ou le brasage atmosphérique dans lesquels les alliages d'aluminium à braser contiennent 4,5 à 13,5 % de Si et éventuellement une quantité inférieure à 3 % de Mg ou 2,3 a 4,7 % de Cu et 9,3 à 10,7 % de Zn. Les alliages à braser précités et contenant du silicium avec ou sans les éléments facultatifs peuvent contenir en outre du Be et Bi en vue d'améliorer la mouillabilité. Dans toute la présente description, les pourSentages seront en poids à moins qu'ils ne soient spécifiés différemment. A côté des alliages à braser précédents, un alliage d'aluminium contenant 4,5 à 13,5 % de Si, moins de 3 % de Mg et 0,1 à 1,5 % de Sr est présenté comme un alliage d'aluminium à braser permettant d'obtenir des brasures à haute résistance dans la fabrication d'échangeurs de chaleur de grande dimension suivant la demande de brevet japonais publiée sous le n" 56-169 744. Les échangeurs de chaleur à ailettes en plaques pour très haute pression sont caractérisés par la pression de rupture lorsque la rupture de ces échangeurs de chaleur est due à la pression interne. La résistance mécanique dans les brasures est considérée comme un paramètre fondamental de la pression de rupture et la résistance dépend principalement de la largeur de la soudure et de la structure dans les brasures. Dans la fabrication d'échangeurs de chaleur de grande dimension, comme la largeur de la soudure est restreinte de façon importante à cause d'une durée prolongée de préchauffage et par d'autres conditions de brasage, on ne peut obtenir d'améliorations sensibles du brasage et la pression de rupture conserve une valeur très basse. Par ailleurs, on peut en général affiner la structure métallurgique de la brasure en augmentant la vitesse de refroidissement après brasage, ce qui a également pour effet d'augmenter la résistance. Cependant, dans la pratique, il demeure très difficile d'augmenter la vitesse de refroidissement pendant la construction d'échangeurs de chaleur de grande dimension. Pour toutes les raisons précédentes, la pression utilisable en pratique dans les échangeurs de chaleur est au plus de l'ordre de 50 bars. Par ailleurs, l'alliage d'aluminium à braser additionné de Sr et présenté ci-dessus possède une mouillabilité insuffisante, ceci entraînant la formation de cavités dans les brasures. Résumé de l'invention Par conséquent, un objet de la présente inven- tion est de préconiser des alliages d'aluminium à braser améliorés exempts des précédents inconvénients que l'on rencontre dans la technique antérieure et plus particulièrement de préconiser des alliages d'aluminium à braser extrêmement utiles pour assembler par brasage des échangeurs de chaleur à ailettes en plaques en aluminium conçus pour fonctionner sous très haute pression. Selon la présente invention, on obtient un premier alliage d'aluminium à braser comprenant essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, de 0,005 % à moins de 0,1 % de Sr, et le reste étant essentiellement de l'aluminium et d'autre part un second alliage d'aluminium à braser contenant,en plus de la com- position du premier alliage, au moins un élément choisi parmi le groupe comprenant, de 0,3 à 3,0 % de Mg, 2,3 à 4,7 % de Cu et 9,3 à 10,7 % de Zn. Les alliages d'aluminium à braser selon la présente invention confèrent aux brasures une structure métal- lurgique très affinée en utilisant des techniques de brasage ordinaires, ce qui a pour effet d'améliorer de façon significa- tive la résistance des brasures ainsi que l'aptitude au brasage. Brève description des dessins Les figures 1 et 2 sont des micrographies représentant les microstructures des brasures au niveau des joints croisés et brasés selon la méthode décrite dans l'exemple 1, dans lequel la figure 1 concerne l'échantillon d'essai n 2 selon la présente invention et la figure 2 une éprouvette témoin pour l'échantillon n 1; La figure 3 est une vue verticale illustrant le joint brasé en croix précédent; et La figure 4 est une vue représentant un échan- tillon d'essai pour le test de remplissage de la rainure. Description détaillée des réalisations préférées On a trouvé selon la présente invention que les inconvénients et les problèmes précédents, rencontrés dans les alliages à braser classiques pouvaient être évités en utilisant les compositions d'alliages d'aluminium à braser définies ci-dessous: (1) Un alliage d'aluminium à braser comprenant essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, de 0,005 % à moins de 0,1 % de Sr et le reste principalement Al. (2) Un alliage d'aluminium à braser comprenant essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, de 0,005 % à moins de 0,1 % de Sr et au moins un élément choisi parmi le groupe comprenant 0,3 à 3,0 % de Mg, 2,3 à 4,7 % de Cu et 9,3 à 10,7 % de Zn et le reste principalement A1. L'action de chaque composant de l'alliage et la raison pour laquelle sa teneur est limitée à la quantité pré- cisée ci-dessus vont être décrites dans ce qui suit. Si: ce composant est un constituant primor- dial de l'alliage et il abaisse avantageusement le point de fusion des alliages à braser, procurant ainsi une bonne fluidité. Une quantité de Si inférieure à 4,5 % réduit de façon nuisible la fluidité et entraîne des difficultés dans l'opération de brasage. D'un autre c8té, lorsque l'on emploie Si en une quantité supérieure à 13, 5 7., le point de fusion de l'alliage à braser résultant est élevé jusqu'à une valeur inacceptable et les alliages résultants ne peuvent rendre de bons services comme matériaux de brasage. Mg: Mg rend possible le brasage sous vide ou dans une atmosphère non oxydante sans utiliser de flux. Avec une quantité de Mg inférieure à 0,3 %, l'effet n'est pas suffi- samment produit, tandis qu'une quantité de Mg excédant 3,0 % provoque une volatilisation exessive de Mg et, compte tenu de l'adhérence du Mg volatilisé, entraîne une pollution importante du four utilisé. Cu: Cu abaisse le point de fusion des alliages à braser et améliore leur aptitude au brasage. Lorsque Cu est présent en une quantité inférieure à 2,3 7%, son rl81e est insuffisant, alors qu'une quantité de Cu excédant 4, 7 % affectera négativement l'aptitude au brasage. Zn: Zn a pour effet d'abaisser le point de fusion et de faciliter leprocédé de brasage. Une quantité de Zn inférieure à 9,3 % ne permettra pas de produire cet effet de façon suffisante. D'un autre côté, une quantité de Zn excédant 10,7 % réduira l'aptitude au brasage. Sr: ce constituant a pour effet d'améliorer l'aptitude au brasage. Lorsque Sr est présent en une quantité inférieure à 0,005 7., cet effet est insuffisant, tandis qu'une quantité de Sr de 0,1 ou plus ne procure pas aux alliages à braser résultants une mouillabilité satisfaisante, ce qui a pour effet de réduire leur aptitude au brasage. La présente invention va -tre décrite en détail par la suite en faisant référence aux exemples. Exemple 1 Comme présenté sur la figure-3, une tale à braser 2 est disposée entre des t les 1 d'alliage AA 3003 d'épaisseur 3,3 mm possédant une rainure en forme de K, une largeur de fond de rainure de 0 et un angle de rainure de 45 pour former un joint en croix, puis brasée respectivement sous un vide de 267x10-5 Pa par chauffage à 600 C dans un premier essai pendant 3 min et dans un second essai pendant 1 h. La t8le de brasage 2 utilisée ici possède une épaisseur totale de 1,6 mm et est composée d'une couche centrale d'alliage AA 3003 et de placages réalisés à partir d'alliage à braser composé de 10 % d'aluminium, de 1,5 % de Si et de Mg avec ou sans 0,03 % de Sr et liés aux deux faces de la couche centrale avec un taux de recouvrement de %. Le chiffre 3 de référence représente la couche d'apport de l'alliage à braser à 10 % d'aluminium, 1,5 % de Si et Mg mentionné ci-dessus avec ou sans 0,03 % de Sr. Chaque joint brasé croisé, réalisé suivant la méthode précédente est examiné pour sa micro- structure et sa résistance dans les brasures et les résultats sont présentés dans le tableau 1. Tableau 1 Résultats du test d'éclatement aux brasures. (Les valeurs de la résistance à la rupture présentées ci-dessous sont des valeurs moyennes de 5 mesures). 600 C x 3 min 600 C x 1 h Echantillon Partie Résistance à Partie Résistance à rompue la rupture Rompue la rupture dans la brasure dans la brasure (MPa) (MPa) N 1 brasure 86 - 95 brasure 66 - 82 sans Sr N 2 Corps du Pas moins de Corps du Pas moins de (contenant métal 105 métal 89 0,03 % Sr), Les figures 1 et 2 sont des micrographies (x 100) montrant respectivement les structures microcopiques au niveau des brasures pour l'échantillon d'alliage à braser n 2 et l'échantillon d'alliage a braser n 1. La figure 1 révèle une structure eutectique affinée, tandis que la figure 2 montre une structure eutectique grossière. Exemple 2 Une t8le à braser, composée d'une couche centrale d'alliage AA 3003 et de placages fabriqués à partir de chaque alliage donné dans le tableau 2 cidessous et liés aux deux faces de la couche centrale avec un taux de recouvrement de 10 %, est combinée avec une t8le d'alliage AA 3003-0 pour préparer une éprouvette comme dans la disposition présentée sur la figure 4, puis on réalise un essai de remplissage de la rainure sur chaque échantillon afin d'étudier l'aptitude au brassage. Sur la figure 4, les numéros de référence 4, 5 et 6 représentent respectivement une t8le à braser de 50 mm x 25' mm et de 1 mm d'épaisseur, une tôle d'aluminium AA 3003-0 carrée de 60 mm2 de côté et de 1 mm d'épaisseur, et une couche d'apport de chaque alliage à braser présenté dans le tableau 2. Les résultats de l'essai sont présentés dans le tableau 2. Tableau 2 Thle à Composition de l'alliage Taux de Aspect de Conditions de braser dans la tôle à braser charge la brasure brasage et Composition Quantité L/Lo x principale addition- 100 (%) N nelle de Sr * 1 Al-10 % Si- 1,5 % Mg O 75 bon brasage (corres. sous vide AA 4004 sous vide AA 4004 2 0,03 % 76 (sans flux) 3" 0,07 % 73.sous un vide 0I07 % 73 -5 * 4 " 0,12 % 48 Apparition 267 x 10 Pa de cavités à 600 C *5 " 1% 10 " pendant 3 min * 6 Al-10 % Si- (corres. à 0 78 bon brasage en fou JIS BA4045) JIS BA4Q utilisant un 7 " 0,03 % 77 flux) à l'air flux) à l'air 8 " 0,07 %- 75 à 6000C pendan Appari- 3 min * 9 0,12 % 53 tion de cavités *10 " 1% 20 *11 Al-10 % Si- 4 % Cu (cor- 0 77 bon brasage en fou res. à JIS (utilisant un BA 4145) 12 " 0,03 % 78 flux) à l'air 13 le 0,07 % 76 à 580 C pendan Appari- 3-min. *14 " 0 12 % 51 tion de =e, cavités *15 " 1% 25._. Tableau 2 (suite) T8le à Composition de l'alliage Taux de Aspect de Conditions de braser dans la tôle à braser charge la brasur brasage et Composition Quantité L/Lo x principale addition- 100 (%) e N ' nelle de Sr *16 Al-10 % Si- 4 % Cu-10 % 0 77 bon Brasage en four Zn (utilisant un 17 17 0,03 % 76, 1C17. , "0,03 % 76.,flux) à l'air 18,,0,07 % 74, 18.."0,07 % 74 a à d5600C pendant Appari- 3 min. *19 "0,12 % 50 tion de cavités * tales à braser de référence De plus, les t8les à braser n 6 et 7 données dans le tableau précédent sont combinées chacune avec une tôle d'aluminium AA 3003 pour former un joint brasé en croix de la même manière que dans l'essai présenté dans l'exemple 1 puis sont brasées à l'air par chauffage à 600"C pendant 3 min. Par la suite, les échantillons d'essai brasés sont éprouvés au cours d'un test d'éclatement et les résultats de ce test sont donnés dans le tableau 3. Tableau 3 Résultats du test d'éclatement dans les brasures. (Les valeurs de la résistance à la rupture indiquées ci-dessous sont des valeurs moyennes de 5 mesures). Echantillon d'essai Partie rompue Résistance à la rupture dans les brasures (MPa) N 1 brasure 83 - 90 (sans St) N 2 Corps du métal Pas moins de 105 (avec Sr) Comme il est évident d'après la figure 1, les alliages d'aluminium à braser de la présente invention con- fèrent une structure bien plus affinée aux brasures par tout procédé de brasage courant, par exemple, brasage sous vide, brasage sous atmosphère d'azote, etc., ou brasage à la trempe, et par ce moyen, comme le montrent les résultats expérimentaux des tableaux 1 à 3 des exemples précédents, donnent des brasures à haute résistance par comparaison avec des alliages d'aluminium à braser clas- siques comprenant les alliages à braser Al-Si, Al1-Si-Mg et Al-Si-Cu- (ou Zn), et éliminent les problèmes de fractures ou de ruptures dus à la pression interne ou à d'autres forces destructives. De plus, l'apparition de cavités rencontrées inévitablement avec l'alliage à braser Al-Si-Sr présenté dans la demande de brevet japonais publiée sous le n0 56-169 744, n'a pas été mise en évidence au niveau de la brasure de la présente invention et le brasage peut être ainsi réalisé dans de bonnes conditions. Ces qualités supérieures rendent les alliages d'aluminium à braser de la présente invention particulièrement adaptés pour assembler par brasage des échangeurs de chaleur à ailettes en plaques fonctionnant sous des pressions élevées, supérieures à 50 bars. REVENDICATIONS 1. Alliaga d'aluminium d braser utilisé pour l'assemblage par brasage d'un échangeur de chaleur en aluminium, ledit alliage d'aluminium à braser étant caractérisé en ce qu'il com- prend essentiellement de 4,5 A 13,5 % de Si, de 0,005 % à moins de 0,1 % de Sr, et le reste étant principalement de l'aluminium. 2. Alliage d'aluminium à braser utilisé pour l'assemblage par brasage d'un échangeur de chaleur en aluminium, ledit alliage d'aluminium à braser étant caractérisé en ce qu'il com- prend essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si; de 0,005 % à moins de 0,1 %. de Sr, au moins un él!ment choisi parmi le groupe cons- titue de 0,3 à 3,0 % de Mg, de 2,3 a 4,7 % de Cu et de 9,3 à 10,7 % de Zn, et le reste étant principalement de l'aluminium.