Brevet FR2563536A1 — publié le 19851031

Procédé de fabrication de structures en alliage d'aluminium La présente invention concerne un procédé de fabrication de structures en alliage d'aluminium. AU cours des dernières années, des structures en alliage d'alumi- nium capables de résister à des pressions élevées ont été largement utilisées dans différentes applications y compris les échangeurs de chaleur pour des gaz naturels. Pour satisfaire à une telle demande, il s'est avéré nécessaire d'accroître la résistance de ces structures vis-à-vis de la pression. La présente invention concerne un procédé de fabrication qui contribue à accroître la résistance des zones de jonction en améliorant la structure solidifiée au niveau des zones de jonction brasées formées en reliant par brasage les structures en alliage d'aluminium. Jusqu'à présent, on utilise pour relier par brasage des structures d'aluminium, un matériau de brasage constitué par un alliage du type AlSi lorsque le brasage doit être effectué avec un flux, ou par un alliage du type Al-Si-Mg lorsque le brasage doit être effectué sans flux. Cependant la jonction formée en utilisant de tels matériaux de brasage fournit une structure solidifiée qui inclut une structure eutectique et qui est cas- sante. En particulier, lorsque l'on utilise un matériau de brasage du type Al-Si-Mg ou lorsque le matériau de base contient du magnésium, la jonction brasée perd alors de sa résistance. Des études ont été menées jusqu'à présent de façon étendue en vue de renforcer les jonctions brasées. Dans le cas par exemple d'un échangeur de chaleur du type à plaques et à ailettes, une limitation est imposée pour les dimensions des parties brasées des ailettes, bien que ces dimensions puissent varier en fonction de la forme des ondulations formées sur les ailettes, de la quantité du matériau de brasage fourni, des propriétés du matériau de brasage et analogues. En outre, pour le traitement des échangeurs de chaleur du type à plaques et à ailettes, il a été proposé un procédé pour accroître la résistance vis-à-vis de la pression qui est basé sur levieillissement et le durcissement d'un métal de base du type Al-Mg- Si, en utilisant en tant que matériau pour les ailettes un alliage d'alumi- nium ayant subi un traitement thermique, en mettant en oeuvre le traitement thermique en solution après le brasage et en effectuant le durcissement et la trempe. Mais conformément à ce procédé, le métal de base est limité à un alliage d'aluminium ayant subi un traitement thermique (publication de brevet japonais n 11 948/1982). Contrairement aux procédés mentionnés précédemment, un but de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication qui accroît la résistance de la structure solidifiée des zones de jonction brasées formées en réalisant le brasage de structures d'alliages d'aluminium avec ou sans flux, sur la base d'une idée selon laquelle, dans le cas d'un échangeur de chaleur du type à plaques et à ailettes à haute pression qui exige une grande résistance des jonctions, il est essentiel d'accroître la résistance de la structure des jonctions brasées des ailettes. Les auteurs de la présente invention ont étudié la structure des jonctions sous différents points de vue et ont trouvé que le silicium est cristallisé sous la forme d'aiguilles, que le magnésium est soumis à une ségrégation nette et que le magnésium est lié à l'aluminium, au silicium et au fer de manière à former des composés qui sont durs et cassants. On a appliqué une pression à l'intérieur de l'échangeur de chaleur afin de rompre les parties brasées des ailettes sous l'action d'une force de trac- tion ou d'une force de cisaillement. L'observation-des surfaces rompues au moyen d'un microscope électronique à balayage a révélé la formation des composés mentionnés plus haut, en des quantités importantes. En partant des résultats mentionnés précédemment, les auteurs de la présente invention ont effectué des essais de grande ampleur en vue d'améliorer la structure en cherchant à accroître la résistance d'une telle structure solidifiée cassante, et ortdécouvert un procédé perfectionné qui facilite l'obtention de meilleurs résultats, comme cela est décrit ciaprès. Le problème mentionné est résolu conformément à l'invention qui concerne un procédé de fabrication de structures en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que l'on chauffe une structure en alliage d'aluminium à une température comprise entre 500 et 570 C pendant au moins une heure, cette structure en alliage d'aluminium étant obtenue par la combinaison de feuilles de brasage réalisées en recouvrant les deux surfaces d'un organe formant noyau avec un matériau de brasage, et d'un organe en forme d'ailettes, cons- titué d'un alliage d'aluminium qui n'a pas subi de traitement thermique. Etant donné qu'une zone de jonction brasées ressemble à une struc- ture coulée qui a été fondue, refroidie et solidifiée, les auteurs de la présente invention ont poursuivi leurs essais afin d'améliorer la struc- ture coulée, et ont abouti au procédé selon la présente invention. Ils ont étudié la structure obtenue lorsqu'une zone de jonction d'un produit de brasage JIS-BA 4004 et d'un produit de base JIS-A 3004 est soumise à une homogénéisation (traitement thermique à une température de 500 à 570 C pendant au moins une heure) ou lorsque cette zone n'est pas soumise à un tel traitement, et ont observé des modifications telles que celles indiquées sur les figures 1 à 4 annexées à la présente demande. Ainsi, des cristaux de silicium en forme d'aiguille présents dans la structure eutectique représentée sur la figure 1 avant l'homogénéisation sont transformés en granulés, comme cela est représenté sur la figure 2, par suite de l'homogénéisation effectuée à 540 C pendant quatre heures. Le magnésium présent dans la structure eutectique représentée sur la figure 3 avant l'homogénéisation est transformé en une solution solide avec d'autres éléments, comme cela est représenté sur la figure 4, par suite de l'homo- généisation effectuée à 540 C pendant quatre heures. On a en outre remarqué que des composés contenant du magnésium sont dispersés. Les transformations mentionnées précédemment contribuent à accroître la dureté de la structure de la jonction et à accroître la résistance de l'ensemble de la jonction à la rupture sous l'action d'une force de traction ou d'une force de cisaille- ment. Il a été confirmé que la transformation mentionnée précédemment peut également être obtenue de la même manière que cela a été décrit ci- dessus, même lorsque l'homogénéisation est effectuée après que la jonction a été brasée, mais pendant que celle-ci est en train de se refroidir, ou même lorsque l'homogénéisation est réalisée après que la jonction qui a été brasée, a été refroidie presque jusqu'à la température ambiante et est à nouveau chauffée dans les conditions indiquées plus haut. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui sera donnée ci-après en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1, dont il a déjà été fait mention, représente une micrographie, à un grossissement de 400 X, montrant des cristaux de sili- cium en forme d'aiguilles dans la structure eutectique d'une jonction lors- que l'on n'utilise pas le procédé selon la présente invention; - la figure 2 dont il a déjà été fait mention, représente une micrographie, à un grossissement de 400 X, montrant des cristaux de sili- cium granulés d'une jonction lorsque le procédé selon la présente inven- tion est mis en oeuvre; - la figure 3 dont il a déjà été fait mention, représente une photographie, à un grossissement de 250 X, d'une image radiographique carac- téristique EPMA montrant une structure métallique dans laquelle le magné- sium est ségrégé dans une jontion, lorsque l'on ne met pas en oeuvre le procédé selon la présente invention; - la figure 4 dont il a déjà été fait mention, est une photogra- phie, à un grossissement de 250 X, d'une image radiographique caractéristi- que EPMA, montrant une structure métallique dans laquelle le magnésium est dispersé dans une jonction, lorsque l'on met en oeuvre le procédé selon la présente invention; - la figure 5 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur du type à plaques et à ailettes, que l'on a soumis à un essai de rupture; et - la figure 6 est une vue de face montrant une partie de l'échangeur de la figure 5 à plus grande échelle. Des échangeurs de chaleur ayant la structure à plaques et à ailettes représentée sur la figure 5, ont été fabriqués par brasage avec flux ou par brasage sans flux, conformément au procédé selon la présente invention. On a créé une pression à l'intérieur d'un tel échangeur afin de réaliser l'essai de rupture. Sur la figure 5, la référence 1 désigne des feuilles de brasage, la référence 2 désigne des ailettes ondulées, la référence 3 désigne un matériau de brasage, la référence 4 désigne des barres entre- toises, la référence 5 désigne les trajets d'essai, la référence 6 désigne des trajets fictifs et la référence 7 désigne des organes formant noyaux entre les feuilles de brasage. En ce qui concerne le brasage avec flux, on a utilisé un matériau de brasage connu sous l'appellation JIS-BA 4047, en combinaison avec dif- férents alliages d'aluminium constituant les ailettes et qui n'avaient pas encore subi de traitement thermique. En ce qui concerne le brasage sans flux, on a utilisé un matériau de brasage connu sous l'appelationJIS- BA 4004, en combinaison avec différents alliagErd'aluminium constituant des ailettes et qui n'avaient pas encore subi de traitement thermique. On a représenté les résultats d'essais dans le tableau I donné ci-après. Lorsque l'on met en oeuvre le procédé conforme à la présente invention, on constate que la résistance à la rupture des jonctions brasées des ailettes augmente de 45 % à 114 % par rapport à celle des jonctions obtenues lorsque le procédé selon la présente invention n'est pas mis en oeuvre. Grâce à cette amélioration, on a obtenu des jonctions brasées d'ailettes qui possèdent une résistance supérieure à la résistance de rupture des ailettes. Tableau I Procédé de Matériau de Métal de base Conditions de traite- Pression manoPosition de Remarques brasage brasage (matériau des ment thermique métrique pour la rupture ailettes) l'échantillon soumis à l'essai . .............. de rupture. 2 5 aucune kg/cm2ou"' 105Pa ailettes Résistance de la jcnc- 320 tion non ______.______320__________ confirmée 1100 500 C x 1h 326 ailettes. 570 C x 24 h 319 ailettes aucune 362 ailettes " 3003 500 C x 1 h 383 ailettes brasage 4047 570 C x 24 h 370 ailettes avec flux avec flux.. aucune355- jonctions . 3004 500 C x 1 h 508 ailettes Résistance de la jonc. tion non ______________________ _ confirmée 570 C x 24 h 515 ailettes n aucune 267 jonctions 5005 500 C x 1 h 416 jonctions L____570 C x 24 h 430 jonctions Ln 3n L LN Tableau I (suite) Procédé de Matériau de Métal de base Conditions de traite- Pression manomé- Position de Remarques brasage brasage (matériau des ment thermique trique pour l'é- la rupture ailettes) chantillon soumis à l'essai de ____________ _____________________rupture aucune kg/cm2_ 10. Pa jonctions 1100 500 C x 1 h 320 ailettes Résistance de la jonc- tion non confirmée 570 C x 24 h 325 ailettes. aucune 314 jonctions 3003 500 C x 1 h 383 ailettes Résistance de la jonc- tion non Brasage confirmée sans 4004 fluxsans 44 570 C x 24 h 381 ailettes aucune 344 jonctions 3004 500 0 x 1 h 500 jonctions 570 C x 24 h 528 ailettes Résistance de la jonc tion non I__________._________. confirmée 5005I aucune 190 jonctions Ln I5005. G 500 C x 1 h 399 jonctions ___________ 570 C x 24 h 407 jonctions La présente invention présente de nombreux avantages comme cela va être décrit ci-après. Ainsi, même dans le cas de structures de grandes dimensions dans lesquelles le brasage est réalisé dans des conditions sévères et dans lesquelles on n'obtient pas de jonctions brasées de dimensions suffisamment importantes, l'application du procédé conforme à la présente invention permet d'accroître la résistance des jonctions afin de satis- faire à ces objectifs. En outre, on a considéré que l'on n'obtient pas de jonctions brasées suffisamment fortes avec des matériaux contenant du magnésium. Cependant, en adoptant le procédé conforme à la présente invention, il est possible d'accroftre la résistance de la structure des jonctions de manière à satisfaire aux objectifs requis. En outre, dans le cas des matériaux de brasage du type Al-Si- Mg, les jonctions tendaient à devenir cassantes car le magnésium subsis- tait dans les jonctions brasées. Cependant, en adoptant le procédé con- forme à l'invention, il est possible d'accrottre la résistance de la structure des jonctions afin de satisfaire aux objectifs requis. Conformément à la présente invention, il est possible de pro- duire un échangeur de chaleur réalisé en un alliage d'aluminium et pos- sédant une structure du type à plaques et à ailettes, et qui soit à même de résister à une pression manométrique interne pouvant atteindre 5.107Pa (500 kg/cm (G))pour la première fois, et ce à partir du procédé de bra- sage sans flux utilisant un matériau de brasage du type Al-Si-Mg. REVENDICATION Procédé de fabrication de structures en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que l'on chauffe une structure en alliage d'aluminium à une température comprise entre 500 et 570 C pendant au moins une heure, cette structure en alliage d'aluminium étant obtenue par la combinaison de feuilles de brasage (1) réalisées en recouvrant les deux surfaces d'un organe formant noyau (7) avec un matériau de brasage (3), et d'un organe (2) en forme d'ailettes, constitué d'un alliage d'aluminium qui n'a pas subi de traitement thermique.