Brevet FR2794674A1 — publié le 20001215

PROCEDE D'ASSEMBLAGE DE PIECES METALLIQUES PAR UNE POUDRE METALLIQUE CHAUFFEE PAR INDUCTION DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention ressortit à l'assemblage des pièces métalliques avec métal d'apport et s'apparente un peu au brasage. Le procédé de chauffage est l'induction. Art antérieur et problème posé Dans le domaine de l'assemblage de deux pièces métalliques, de même matériau ou non, au moyen d'une poudre métallique placée entre ces deux pièces, on cherche à chauffer ladite poudre métallique dans le but de la transformer temporairement en matériau fondu, pour devenir un élément de liaison rigide entre les deux pièces, une fois refroidie. Ainsi, on réalise le brasage qui consiste à utiliser une poudre métallique dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion des deux pièces à assembler. De plus, on connaît des procédés de brasage utilisant le chauffage par induction. Les différents matériaux d'apport sous forme de poudre sont souvent mélangés à un flux. Dans tous ces cas, le matériau d'apport sous forme de poudre est un matériau différent des deux pièces devant être assemblées et a une température de fusion inférieure à la température de fusion des deux pièces. Le but de l'invention est de proposer un autre procédé de soudage de deux pièces métalliques au moyen d'une poudre pouvant être constituée du même métal que celui constituant les deux pièces. D'autre part, on sait qu'il est possible d'assembler deux pièces de même nature, par exemple en aluminium, en utilisant une poudre d'un constituant métallique dont la température de fusion est supérieure à la température de fusion des pièces, par exemple dans le cas de l'assemblage de l'aluminium, un mélange de silicium et d'un flux de fluoroaluminate de potassium. Dans ce cas, la phase liquide est obtenue tout de même à une température inférieure à la température de fusion des deux pièces, du fait de phénomènes de diffusion entre la poudre et les pièces qui provoquent la formation d'une phase à température de fusion inférieure à celle des pièces. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un procédé d'assemblage de deux pièces métalliques par fusion d'un matériau d'apport, caractérisé en ce qu'il consiste à : - utiliser comme moyen de chauffage l'induction et utiliser comme matériau d'apport une poudre dont la température de fusion est supérieure ou égale à la température de fusion des deux pièces à assembler, lorsqu'elles sont de même nature, ou supérieure ou égale à la température de fusion de la pièce dont la température de pression est la plus basse, dans le cas de pièces de natures différentes, pour réaliser l'assemblage sans qu'il y ait formation de phase à température de fusion moins élevée que celle des deux pièces. Dans une réalisation préférentielle de l'invention, les deux pièces sont de même nature et la poudre est du même matériau que celui constituant les pièces, la température de fusion de la poudre et des pièces étant la même. Description détaillée d'une réalisation de l'invention L'invention s'apparente un peu au brasage par induction, mais s'en différencie par un point essentiel qui est le suivant. Le matériau d'apport est une poudre métallique, dont la température de fusion est supérieure ou égale à la température de fusion des deux pièces à assembler dans le cas de l'assemblage de pièces de même matériau, ou supérieure ou égale à la température de fusion de la pièce dont la température de fusion est la plus basse dans le cas de pièces de natures différentes. L'association de l'utilisation d'une poudre métallique en métal d'apport avec un chauffage par induction provoque certaines conditions, lors de la montée en température de cette poudre, de sorte que la fusion de la poudre est obtenue sans la fusion des pièces. Le principe de chauffage par induction de pièces métalliques homogènes repose sur la loi de LENZ, qui énonce que : toute substance conductrice dl électricité soumise à un champ magnétique variable est le siège de courants induits. Ces courants dissipent de la chaleur par effet Joule, ce qui provoque une montée en température du matériau dans lequel il circule. La profondeur de pénétration des courants induits est plus ou moins grande selon la fréquence du champ magnétique, ainsi que les propriétés physiques des pièces, telles que la perméabilité magnétique et la résistivité électrique. Dans le cas d'une poudre métallique, le chauffage par induction d'une poudre métallique implique une distribution des courants induits beaucoup plus complexe que dans le cas du même matériau d'une pièce dense car le milieu constitué par une poudre métallique n'est pas homogène. De plus, 'la présence et la nature de films d'oxyde en surface des particules influe sur la circulation des courants induits dans la poudre. L'élévation de température due à la circulation des courants induits est donc très différente dans la poudre par rapport à celle dans les pièces. Le phénomène observé tient au fait que le couplage inductif peut être plus efficace pour la poudre que pour les pièces métalliques. Ceci se traduit donc par une élévation plus grande de la température de la poudre que pour la température du matériau dense. Il est nécessaire de bien faire la distinction entre la poudre dans son état initial, qui n' est pas le siège de courants induits, et la poudre lorsque les contacts métalliques entre les particules sont établis et qu'il peut y avoir circulation de courants induits. En effet, dans l'état initial, à savoir la température ambiante, les conditions de couplage sont en général défavorables pour la poudre, car la résistivité électrique des poudres utilisées est très élevée, du fait de la présence d'une couche superficielle d'oxyde sur les particules. Cependant, au cours du chauffage, la température de la poudre augmente du fait des transferts thermiques avec les pièces denses. Dans ce cas, les couches superficielles d'oxyde qui peuvent exister en surface des particules de la poudre changent de nature ou sont éliminées. De plus, les contacts métalliques se font de plus en plus nombreux entre les particules et leurs surfaces augmentent sous l'effet de la température. Le mode de circulation des courants induits dans la poudre évolue donc de manière importante au cours du chauffage, ce qui se traduit par une grande variation de l'efficacité du chauffage. Lorsque les conditions sont réunies pour la poudre, sa température peut être supérieure à celle des pièces denses. Il est donc possible d'obtenir sa fusion sans fondre les pièces. La poudre peut être compactée ou non, de manière à faciliter la mise en place entre les pièces, et à favoriser le chauffage par induction. L'assemblage est obtenu gràce aux phénomènes habituels de mouillage, capillarité, comme pour le brasage. La qualité de l'assemblage dépend des matériaux, des différents paramètres utilisés, des caractéristiques initiales de la poudre et du cycle de température. Les pièces métalliques et la poudre peuvent être constituées d'un métal pur ou d'un alliage. La poudre peut être constituée d'un mélange de particules de différents métaux. L'application préférentielle de ce procédé concerne des pièces métalliques et de la poudre constituée du même matériau. Pour que l'assemblage puisse être réalisé lorsque toute la poudre est à l'état liquide, le chauffage par induction doit cesser lorsque la totalité de la poudre est fondue. Les étapes fondamentales du procédé sont les suivantes. - Mise en place d'une fine épaisseur de poudre métallique entre deux pièces métalliques denses que l'on souhaite assembler. - Chauffage par induction de la poudre et des pièces métalliques denses sur une zone limitée, préférentiellement, au voisinage du joint à réaliser. On rappelle que l'échauffement de la poudre est donc obtenu, dans un premier temps, grâce à la présence des pièces métalliques denses, en effet, ces pièces sont le siège de courants induits, ce qui explique l'élévation de leur température. Les échanges thermiques prennent alors place entre les pièces et la poudre. Sous l'effet de ce chauffage, des contacts métalliques de plus en plus nombreux s'établissent entre les particules. Lorsqu'ils sont suffisamment développés, il peut y avoir circulation de courants induits entre les particules de la poudre. La présence des pièces denses est par conséquent fondamentale pour permettre la création de ces contacts et le chauffage par induction de la poudre. - Fusion de la poudre du fait du couplage inductif plus efficace que sur les pièces métalliques denses, donc d'une température de la poudre supérieure à celle des pièces. - Arrêt du chauffage par induction, de manière à obtenir un refroidissement de l'ensemble et, par conséquent, la solidification. Un exemple consiste à assembler des pastilles de cuivre avec de la poudre de cuivre. Les deux pastilles sont de forme cylindrique, de diamètre égal à 20 mm et de hauteur égale à 5 mm. Quelques grammes de poudre de cuivre sont placés en sandwich entre les deux pastilles de cuivre, de manière à obtenir une fine couche de poudre, répartie de manière la plus uniforme possible sur l'ensemble de la surface des pastilles. La taille des particules est de l'ordre de 40 micromètres. Le chauffage par induction est réalisé grâce à un générateur haute fréquence de puissance 25 kW. L'inducteur utilisé est un inducteur à deux spires, de diamètre 56 mm et de hauteur 10 mm. L'assemblage a lieu sous vide secondaire à une fréquence de 155 KHz. Dans ce cas, les opérations détaillées sont les suivantes. - Mise en place de l'ensemble de deux pastilles de cuivre et de la poudre dans l'inducteur à l'intérieur d'une enceinte à vide. - Fermeture de l'enceinte à vide. - Mise sous vide primaire. - Mise sous vide secondaire. - Mise sous tension du générateur alimentant l'inducteur. - Réglage des consignes de puissance. - Démarrage de la haute tension. - Chauffage par induction de l'ensemble des pastilles et de la poudre. - Fusion de la poudre. - Arrêt de la haute tension. - Refroidissement sous vide. - Ouverture de l'enceinte à vide. - Sortie de l'ensemble assemblé hors de l'enceinte. Un autre exemple consiste à assembler des pastilles d'acier inoxydable Z2CN18-10, appelé communément AiSi 304 avec de la poudre d'acier inoxydable Z12CN25-20, appelé communément AiSi 310. Le procédé et le mode opératoire sont les mêmes que pour le cuivre. Avantages de l'invention Ce procédé peut s'appliquer à différents métaux et alliages. Il présente les mêmes avantages que le brasage haute température puisqu'il permet : - déviter la transition à l'état liquide des pièces à assembler. On peut ainsi éviter certains problèmes métallurgiques, tels que l'apparition de fissures ; - une utilisation haute température des ensembles assemblés. Par ailleurs, le fait d'assembler des pièces avec une poudre d'un matériau identique permet de limiter les impuretés lors de l'assemblage, ce qui est très intéressant pour des pièces utilisées dans un environnement corrosif. REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage de pièces métalliques par fusion d'un matériau d'apport, caractérisé en ce qu'il consiste à : - chauffer l'ensemble par un chauffage inductif ; - utiliser comme matériau d'apport une poudre dont la température de fusion est supérieure ou égale au matériau constituant les pièces à assembler dans le cas de l'assemblage de pièces de même nature, ou sinon dont la température de fusion est supérieure ou égale à celle de la pièce dont la température de fusion est la plus basse pour obtenir l'assemblage sans former, par diffusion, de phase nouvelle de température de fusion inférieure à celle des pièces. 2. Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant les pièces et le matériau constituant la poudre est le même.