Brevet FR2568591A1 — publié le 19860207

La présente invention concerne des alliages d'aluminium à braser pour assemblage d'échangeurs de chaleur en aluminium, convenant plus spécialement à l'assemblage par brasage d'échangeurs de chaleur à ailettesen plaquesadaptés pour fonction- ner sous très haute pression. Des échangeurs de chaleur à ailettesen plaques fabriqués en aluminium ont été précédemment réalisés au moyen d'une technique de brasage appropriée telle le brasage sous vide, le brasage atmosphérique ou le brasage à la trempe, dans lesquels les alliages d'aluminium à braser communément employés contiennent 4,5 à 13,5 % de Si et éventuellement, une quantité inférieure à 3 % de Mg, ou 2,3 à 4,7 % de Cu et 9,3 à 10,7 % de Zn. Les alliages à braser précédents contenant du silicium peuvent contenir en outre Be et Bi. Dans toute la présente demande de brevet, les pourcentages seront en poids à moins qu'ils ne soient spécifiés différemment. L'échangeur de chaleur à ailette en plaque pour très haute pression est caractérisé par la pression de rupture lorsque la rupture d'untel échangeur est due à la pression interne. La résistance mécanique dans les brasures est considérée comme un paramètre fondamental de la pression de rupture et cette résistance dépend principalement de la largeur de la soudure et de la structure d es brasures. Pourtant, dans la fabrication d'échangeur de chaleur de grande dimension, un temps de brasage prolongé ne Permet pas de soudure suffisamment large et, ainsi, les échangeurs de chaleur couramment utilisés présentent une pression de rupture 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 est impossible d'augmenter convenablement la vitesse de refroidissement pendant la construction d'échangeurs de chaleur de grande dimension, et l'affinage de la structure demeure impossible. Pour toutes les raisons précédentes, la technique antérieure ne laissait espérer aucune amélioration de la pression de rupture. Un objet de la présente invention 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 particulièrement utiles pour assembler par brasage des échangeurs de chaleur en aluminium, et plus spécialement des échangeurs de chaleur à ailettesen plaquesconçus pour fonctionner sous très haute pression. Selon la présente invention, on obtient un alliage d'aluminium à braser comprenant essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, 0,05 à 0,5 % de Ca et Le reste étant principalement de l'aluminium et d'autre part un second alliage d'aluminium à braser contenant Mg dans une quantité de 0,3 à 3,0 % en plus de la composition pré- citée. De plus, dans un troisième alliage d'aluminium à braser, Cu en quantité de 2,3 à 4,7 % peut être ajouté à la première com- position, seul ou combiné avec une quantité de Zn de 9,3 à 10,7 %. Les alliages d'aluminium à braser selon la présente invention confèrent aux brasures une structure métallurgique très affinée en utilisant des techniques de brasage ordinaire, telles le brasage sous vide, le brasage atmosphérique ou le brasage à la trempe, améliorant ainsi de façon importante à la fois la résistance des brasures et l'aptitude au brasage. Les figures 1 et 2 sont des micrographies représentant la structure métallurgique des brasures au niveau des joints croisés au cours des tests décrits dans l'exemple 1, dans lequel la figure 1 est relative à la tôle de brasage utilisant comme placage l'alliage d'aluminium à braser de la présente invention et la figure 2 se rapporte à la tôle à braser utilisant comme placage un alliage à braser témoin; la figure 3 est une vue verticale représentant le joint croisé précédent; et la figure 4 est une vue représentant un échantillon d'essai pour le test de remplissage de la rainure. La présente invention concerne des alliages d'aluminium à braser particulièrement adaptés pour des échangeurs de chaleur en aluminium, les alliages ayant les compositions suivantes: (1) Un alliage d'aluminium à braser comprenant essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, 0,05 à 0,5 % de Ca et le reste principalement Al. (2) Un alliage d'aluminium à braser comprenant essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, 0,05 à 0,5 % de Ca, 0,3 à 3,0 % de Mg et le reste principalement Al. (3) Un alliage d'aluminium à braser comprenant essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, 0,05 % à 0,5 % de Ca, au moins un composant comprenant 2,3 à 4,7 % de Cu, 9,3 à 10,7 % de Zn et le reste principalement Al. La fonction de chaque composant des alliages d'aluminium à braser 1 à 3 précédent et la raison pour laquelle sa teneur est limitée à la quantité précisée ci-dessus, vont être développéesdans ce qui suit. Si: ce composant est un constituant primordial 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. Par ailleurs, une quantité de Si supérieure à 13,5 % ne donne pas une plasticité suffisante, et entraîne des difficultés dans le mode opératoire. Ca: ce composant a pour effet d'affiner de façon bénéfique la structure, et d'améliorer par là la résistance de la brasure. De plus, Ca a pour effet d'améliorer l'aptitude au brasage. Cependant, avec une teneur en Ca inférieure à 0,05 %, ces effets sont insuffisants, tandis qu'avec une teneur supérieure à 0,5 %, on dégrade l'aptitude au brasage. Mg: Mg rend possible l'opération de brasage sous vide ou dans une atmosphère non oxydante sans requérir de flux. Avec une teneur de Mg inférieure à 0,3 %, l'effet n'est pas signi- ficatif, tandis qu'une quantité excessive de Mg, c'est-à-dire supérieure à 3,0 %, provoque une volatilisation excessive du 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 %, son action est insuffisante, tandis qu'une teneur en Cu excédant 4, 7 % affectera négativement l'aptitude au brasage. Zn: Zn renforce l'effet de Cu décrit précédemment. Une teneur en Zn inférieure à 9,3 % ne peut produire cet effet de façon suffisante. Par ailleurs, une teneur de Zn excédant 10,7 % dégradera l'aptitude au brasage. Des exemples de La présente invention vont être développés en détail par la suite en faisant référence aux exemples de comparaison. Exemple 1 Comme présenté sur la figure 3, une tôLe à braser no1 est disposée entre des tôles d'aluminium AA3003de3,3mm d'épaisseur pour former un joint croisé ayant une rainure en forme de-K, une largeur de fond de rainure de 0 et un angle de rainure de 45 puis bramée espective- ment sous un vide de 267 x 10 5 Pa par chauffage à6O C cdans uLn prenier essai pendant 3 minutes et dans un second essai pedant 1 heure. La tôle de brasage n 1 utilisée ici possède une épaisseur totaLe de 1,6 mm et est composée d'une couche centrale d'alliage AA3003 et de pla- cagesréaliséesà partir d'alliage à braser constitué de Al-10%, Si-1,5 %, Mg-0,15 %,Ca et Liés aux deux faces de la couche centrale avec un taux de recouvrement de 10 %. De manière similaire, on assemble puis on brase un joint croisé témoin en utilisant une tôle à braser n 2 qui est faite de la même manière que la tôle à braser n 1, mais en retirant Ca des éléments de placage. Sur la figure 3, les numéros de référence 1, 2 et 3 représentent une tôle d'aluminium AA3003, une tôle à braser et une couche d'ap- port de l'alliage à braser précédent AL-10 %, Si-1,5 %, Mg avec ou sans 0, 15 % de Ca. Chaque joint brasé croisé, réalisé suivant la méthode précédente est examiné pour sa microstructure 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 Tôle de partie Résistance Partie Résistance brasage rompue à la rupture rompue à la rupture dans la bra- dans la bra- sure sure no (MPa) (MPa) (contenant Corps du pas moins de corps du pas moins de 0,15 % de métal 106 métal 88 Ca) 2 brasure 83 - 94 brasure 67 80 sans Ca Tôle de brasage Epaisseur: 1,6 mm Couche centrale: AA3003 Composition du placage: Al-10 % Si-1,5 % Mg Les figures 1 et 2 sont des micrographies (x100) montrant respectivement les structures microscopiques au niveau des brasures pour l'échantillon d'alliage à braser n 2 et l'échan- tillon d'alliage à braser n 1. La figure 1 révèle une structure eutectique affinée, tandis que la figure 2 montre une structure eutectique grossière. Exemple 2 Chacune des tôles à braser de 1 mm d'épaisseur ayant des placages, et réalisée à partir des alliages respectifs du tableau 2 ci-dessous, avec un taux de recouvrement de chaque face de 10 %, est combinée avec une tôle d'alliage AA3003-0 pour préparer une éprouvette dans la disposition présentée sur la fi- gure 4, puis on réalise un essai deremplissage de la rainure sur chaque éprouvette afin d'étudier l'aptitude au brasage. Les résultats du test sont présentés dans le tableau 2. Sur la figure 4, les numéros de référence 4, 5 et 6 représentent respectivement une tôle à braser de 50 mm x 25 mm et de 1 mm d'épaisseur, une tôle d'aLuminium AA3003-0 carrée de 60 mm cecoté etdel.mm d'épaisseur, etune couche d'apport de chaque alliage à braser présenté dans le tableau 2. TABLEAU 2 Tôle à Composition du placage Taux de Aspect Conditions braser (alliage de brasage charge de la de brasage n dans la tôle à braser) L/Lo x brasure Composition Quantité principale addition- _elle de Ca *3 Al-10% Si- 1,5 Mg 0 74 bon brasage sous (corres. a vide (sans AA4004) flux) sous 4 " 0,08% 76 " un vide de "l 0,15% 72 " 267x10-5 Pa 6 " 0,82% 73 " à 600 C pen- apparition dant 3 min *7 " 0,82% 35 de cavités *8 Al-10% Si (corres. à 0 77 bon brasage en JIS BA4045 four (avec 9 'l 0,08% 75, flux à l'air flux) à l'air , 0,15% 73,, 600C pen- 2 6OO C pen- il11 " 0,40% 78 dant 3 min *12 " 0,82% 41 apparition de cavités *13 Al-10% Si- 4% Cu (cor- res. à 0 78 bon brasage en JIS BA4145) four (avec 14, ,0,08% 77 le 14 " 0, 08I% "77, flux) à l'air 15 0,15% 76, 580C pen- à580 C pen- 16 " 0,40% 74 ant 3 min r dant 3 min *17 " 0,82% 43 apparition de cavités 256859i TABLEAU 2 (suite) ITôle à Composition du placage Taux de Aspect Conditions braser (alliage de brasage charge dé la de brasage n dans la tôle à braser) L/Lo x brasure Composition Quantité 100 (%) principale addition- nettlle de Ca *18 Al-10% Si- 4% Cu-10% Zn 0 76 bon 19 0,08% 75 brasage en " 0,15% 77 " four (avec 21 0, 40% 73 flux) à l'air *22 " 0,82% 45 apparition à 560 C pen- de cavités dant 3 min. Tôle à braser Epaisseur: mm, couche centrale: AA3003 : Tôles à braser de référence. Par ailleurs, lestôles àbraser n08 et9 présentées dans le tableau 2 précédent sont chacune combinées avec une tôle d'alu- minium AA3003 pour former un joint brasé croisé de la même manière que dans l'exemple 1, et puis sont brasées à l'air par chauffage à 600 C pendant 30 minutes. Ensuite, les brasures sont éprouvées au cours d'un test d'éclatement et les résultats du test sont donnés dans le tableau 3. TABLEAU 3 Résultat 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). Tôle à braser Partie rompue Résistance à la rupture no dans les brasures (.vPa) 8 brasure 83 - 92 (sans Ca) 9 corps du métal pas moins de 106 (avec Ca) Comme il est évident d'après la figure 1, les alliages d'aluminium à braser de la présente invention confèrent *une structure bien plus affinée aux brasures par tout procédé de brasage courant, par exemple, brasage sous vide, brasage atmos- phérique ou brasage à la trempe, et par ce moyen comme le montrent les résultats expérimentaux précédents, donnent des brasures à haute résistance par comparaison avec des alliages d'aluminium à braser classiques comprenant Al-Si, Al-Si-Mg et Al-Si-Cu ou Al-Si-Cu-Zn, et éliminent les problèmes de fracture ou de rupture dus à la pression interne ou à d'autres forces destructives. De plus, ces alliages d'aluminium à braser présentent une excellente aptitude au brasage. 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 ailettesen plaquespour très haute pression. REVENDICATIONS 1. Alliage d'aluminium à braser utilisé pour assem- bler par brasage un échangeur de chaleur en aluminium, ledit alliage d'aluminium à braser est caractérisé en ce qu'il comprend essen- tiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, 0,05 à 0,5 % de Ca et le reste étant de l'aluminium. 2. Un alliage d'aluminium à braser utilisé pour assembler par brasage un échangeur de chaleur en aluminium, ledit alliage d'aluminium à braser étant caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, 0,05 à 0,5 % de Ca, 0,3 à 3,0 % de Mg et le reste étant principalement de l'aluminium. 3. Un alliage d'aluminium à braser utilisé pour assembler par brasage un échangeur de chaleur en aluminium, ledit alliage d'aluminium à braser étant caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement de 4,5 à 13,5 % de Si, 0,05 à 0,5 % de Ca, au moins un composant comprenant de 2,3 à 4,7 % de Cu, 9,3 à 10,7 % de Zn et le reste étant principalement de l'aluminium.