Brevet FR2867404A1 — publié le 20050916

L'invention porte sur un procédé de soudage d'échangeurs thermiques en cuivre brasés, un procédé de fabrication par soudage d'échangeurs thermiques, les échangeurs obtenus par un tel procédé et leur utilisation pour la séparation des gaz, notamment de l'air. Les échangeurs de chaleur ou échangeurs thermiques en cuivre sont habituellement fabriqués d'abord par empilage de plaques et d'ailettes qui sont brasées ensemble pour former une matrice, puis par rajout d'une ou plusieurs enceintes collectrices de fluide servant à collecter et à distribuer les fluides traités dans l'équipement. io De façon connue la ou les enceintes collectrices de fluide, encore appelés collecteurs, sont rapportées et fixées à la matrice brasée de l'échangeur par soudage. Dans le cas général d'une liaison cuivre/cuivre par soudage, il est d'usage d'utiliser un alliage de cuivre (cupro-nickel ou cupro-aluminium.. .) comme produit d'apport car il sont plus facile à mettre en oeuvre que le cuivre pur. Cependant, dans le cas particulier de la jonction d'un ou plusieurs collecteurs à une matrice brasée lors de la fabrication d'un échangeur thermique, la soudure de liaison unissant le collecteur de fluide à la matrice croise nécessairement les interstices remplis de brasure qui relient entre elles les plaques et ailettes constitutives de cette partie de l'échangeur. Actuellement, deux catégories d'alliages de brasure sont utilisés pour braser le cuivre, à savoir les alliages cuivre argent qui sont fort coûteux et les alliages cuivre phosphore qui sont beaucoup moins chers mais contiennent généralement une quantité de phosphore comprise entre environ 5% et environ 8% en poids. En effet, l'addition d'argent ou de phosphore permet d'abaisser significativement la température de fusion de l'alliage par rapport au cuivre pur, typiquement de plusieurs centaines de degrés Celsius, ce qui est indispensable pour pouvoir effectuer une opération de brasage. Cependant, plusieurs problèmes se posent lorsque la matrice formée de plaques et d'ailettes brasées a été fabriquée en utilisant un brasage avec un s alliage de cuivre additionné de phosphore. En effet, lors du soudage de la matrice en cuivre brasée avec par exemple une enceinte collectrice en cuivre, la brasure de la matrice située au niveau du plan de joint devant être soudé va se retrouver mélangée à l'alliage de soudage utilisé pour réaliser le joint de soudure entre cette matrice brasée et la i0 paroi de l'enceinte qui doit y être soudée. Il peut alors se produire une vaporisation du phosphore engendrant un risque de porosité car la température du bain de soudage est beaucoup plus élevée que la température de brasage et surtout une fragilisation du joint de soudure ainsi réalisé avec les produits d'apport traditionnels car la solubilité du is phosphore dans les alliages utilisés habituellement pour le soudage est très faible, ce qui est à l'origine d'importantes ségrégations de phosphore, lors de la solidification du joint, et par conséquent à la formation de zones fragiles très riches en phosphore. Cela peut conduire à des phénomènes de fissuration du joint de 20 soudure et il peut ensuite apparaître des fuites ou d'autres problèmes d'étanchéité sur l'échangeur ainsi fabriqué. De plus, les contraintes thermiques du fait du préchauffage et du soudage vont donner lieu à des tensions mécaniques dans les cordons. Un métal ainsi sous tension peut donner lieu à un phénomène de dissolution de la brasure dans les joints du grain et engendrer des phénomènes de fissuration. Ces fissures peuvent également générer des fuites éventuelles. Le but de l'invention est alors de proposer un procédé de soudage amélioré applicable à la fabrication d'échangeurs thermiques en cuivre brasés permettant de pallier les problèmes susmentionnés, ainsi que des échangeurs améliorés obtenus par ce procédé, lesquels présentent moins de problèmes de fuite ou de mauvaise étanchéité. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de soudage d'au 5 moins une pièce métallique sur une matrice comprenant au moins une zone brasée dont le brasage contient au moins du cuivre, dans lequel: (a) on réalise, sur au moins une partie de la zone brasée, un dépôt d'au moins une couche d'un alliage contenant du cuivre par projection à froid et (b) on opère un soudage de la pièce métallique sur ladite au moins 10 une couche d'alliage de cuivre déposée à l'étape (a). Selon d'autres aspects facultatifs: - l'alliage de cuivre contient du phosphore et/ou de l'étain et/ou du nickel. - à l'étape (a), on réalise un dépôt de plusieurs couches à base 15 d'alliage de cuivre se superposant au moins partiellement les unes aux autres. - l'épaisseur de la ou les couches projetées à froid est jusqu'à 3 mm. - le dépôt d'au moins une couche est réalisée sans préchauffage de la zone à revêtir d'alliage. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de fabrication d'un échangeur thermique brasé en cuivre dans lequel on met en oeuvre le procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 5 pour souder au moins un récipient, de préférence en cuivre, collecteur et distributeur de fluide de l'échangeur sur un empilage de plaques séparées par des ailettes formant entretoises entre lesdites plaques et portant au moins une matrice brasée. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un échangeur thermique en cuivre comprenant au moins un récipient collecteur et distributeur de fluide soudé sur une matrice brasée portée par un empilage de plusieurs plaques séparées par des ailettes formant entretoises entre lesdites plaques, caractérisé en ce que ledit récipient est soudé sur au moins une couche d'un alliage contenant du cuivre projetée à froid, ladite au moins une couche de cuivre étant déposée sur ladite matrice brasée. Selon un aspect facultatif: - le récipient collecteur et distributeur de fluide soudé est en cuivre ou en acier inoxydable. Selon un autre aspect de l'invention il est prévu une installation de io séparation de fluide, en particulier de mélanges gazeux, comprenant au moins un échangeur selon l'une des revendications 7 ou 8, de préférence ladite installation est une unité de séparation cryogénique d'air. Selon un autre aspect de l'invention il est prévu un procédé de séparation de fluide, en particulier de mélanges gazeux dans lequel on utilise au moins un échangeur (10) thermique selon l'une des revendications 7 ou 8, de préférence le fluide est de l'air ou un mélange ayant comme composant(s) principal (principaux) de l'hydrogène et/ou du monoxyde de carbone et/ou de l'azote et/ou du méthane. L'invention est illustrée sur les figures ci-annexées. Sur la figure 1, on a représenté le principe de l'invention applicable au soudage d'une pièce 1, par exemple une enceinte de collecte et distribution de fluide pour échangeur thermique, sur une matrice 2 brasée 3, telle la matrice brasée 3 d'un échangeur de chaleur formée par brasage d'un empilage de plaques 11 séparées par des ailettes 12 formant entretoises, comme détaillé en figure 2. Pour éviter les problèmes de fissuration de la soudure 4 susmentionnés, la pièce 1 n'est pas soudée directement sur la matrice 2 comportant la zone brasée 3 formée d'un alliage de cuivre contenant en général moins de 10% phosphore et éventuellement d'autres composés, comme couramment opéré dans l'art antérieur. En effet, en procédant comme connu de l'art antérieur, il a été constaté qu'au moment du soudage du collecteur sur la matrice brasée d'un échangeur, une faible épaisseur de l'échangeur brasé (matrice) est fondue par la soudure en fusion et de la brasure se trouve alors mélangée au dépôt de métal (joint de soudure) mais pas de manière homogène dans l'ensemble du dépôt. Localement, dans le métal fondu au voisinage de la brasure, il se io produit alors un enrichissement en éléments contenus dans la brasure. Parmi ces éléments, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que le phosphore est celui qui est à l'origine des problèmes de fissuration se posant dans l'art antérieur si la concentration locale en phosphore dépasse la limite de solubilité dans "l'alliage local" résultant du mélange non homogène du métal déposé, du cuivre de l'échangeur et de la brasure. Selon l'invention, pour éviter ce problème de fissuration dû au phosphore, on réalise d'abord un dépôt d'une ou plusieurs couches 5,6,7 superposées d'un alliage de cuivre par projection à froid sur la face de la matrice 2 comportant le brasage 3 de manière à constituer une assise sur laquelle on soude ensuite la pièce 1; ces couches 5,6,7 superposées de cuivre recouvrant la surface brasée 3 sont appelées couches de "beurrage". De cette façon, le dépôt de couches 5, 6, 7 de "beurrage", opéré sur la surface sur laquelle aboutissent les interstices brasés 3 de la matrice 2 constitue une barrière isolante permettant d'éviter toute contamination éventuelle du joint 4 de soudure par des résurgences d'éléments nuisibles provenant de la brasure 3, lors du soudage subséquent de la pièce 1 sur les couches 5 à 7 de beurrage. En effet, les couches 5 à 7 de cuivre ainsi formées peuvent admettre une quantité importante de polluants, en dilution, sans pour autant s'en trouver fortement détériorées. Selon l'invention, la pièce 1 est donc soudée selon le joint 4 de soudure, sur la ou les couches 5 à 7 de beurrage préalablement déposées sur la matrice brasée 3, et non pas directement sur la zone brasée 3, comme classiquement réalisé dans l'art antérieur. Par ailleurs, la difficulté de souder le cuivre avec un produit d'apport en cuivre vient de ce que le cuivre fond et se solidifie à une température fixe et io non dans un intervalle de température comme la plupart des alliages. De ce fait, le bain de soudage est très difficile à manier pour un soudeur et les cordons obtenus sont en général mal "mouillé", c'est-à-dire présentent un mauvais raccordement des cotés du cordon sur le métal de base, et présentent, en outre, souvent des défauts du type collage, c'est-à-dire que le métal d'apport est "posé" sur le métal de base sans fusion de ce dernier. On peut tenter de s'affranchir de ces problèmes en effectuant un préchauffage de l'échangeur mais cette opération est très difficile à conduire car, du fait de la très bonne conductibilité thermique du cuivre, la chaleur apportée dans la zone de soudage diffuse très rapidement dans l'ensemble de l'échangeur, ce qui oblige à porter l'ensemble de l'échangeur à la température de préchauffage, par exemple à 300 C. On comprend dès lors que procéder de la sorte est long, coûteux et peut être à l'origine de défaut dans le beurrage car cela provoque l'oxydation de la surface sur laquelle on veut déposer les cordons de soudage. Bien entendu, les couches 5 à 7 de beurrage ont une largeur suffisante pouvant aller jusqu'à 3 mm et seront réalisées avec un alliage de cuivre Ce procédé est particulièrement bien adapté à la fabrication d'échangeurs thermiques brasés utilisables pour séparer les gaz, en particulier par voie cryogénique au sein de colonnes de distillation cryogénique. La structure détaillée d'un échangeur thermique ne sera pas décrite ciaprès car elle est bien connue dans l'industrie et est par ailleurs visible notamment sur le site internet www.alpema.org ou décrite dans "The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers Association", ALPEMA, Second Edition, 2000. La structure détaillée de la zone brasée d'un échangeur 10 en cuivre io de ce type, vue en coupe transversale, est schématisée sur les figures 2 et 3 où l'on voit qu'il comprend un empilement de plaques ou feuilles métalliques 11 séparées les unes des autres par des ailettes 12 formant entretoises entre lesdites plaques 11. Lesdites ailettes 12 sont brasées au niveau des extrémités des plaques 11 de sorte d'y former une matrice 2 brasée 3 (voir aussi figure 1) is sur laquelle doit être soudée une ou des structures ou enceintes 1 servant à collecter et à distribuer les fluides dans l'échangeur 10. Selon l'invention, les couches 5 à 7 de "beurrage" sont réalisées sur la surface externe de cette zone brasée 3 de la matrice 2 de l'échangeur 10, comme expliqué ci-dessus en relation avec la figure 1, avant le soudage de ladite structure ou enceinte de collecte et distribution de fluide sur cette ou ces couches 5 à 7 de "beurrage" pouvant contenir des éléments d'alliage ou des impuretés inévitables. Lors d'essais de mise en oeuvre de l'invention, il a été constaté qu'un alliage de type Cu-Sn6P, c'est à dire contenant environ 6 % d'étain, moins de 1% de phosphore et du cuivre pour le reste (jusqu'à 100% en poids), hormis éventuellement des impuretés inévitables, peut admettre une quantité relativement importante de phosphore en dilution. De plus, cet alliage Cu-Sn6P a une température de fusion inférieure au cuivre pur et donc plus proche de l'alliage de brasage (température solidus 900 C et liquidus 1050 C à comparer à 1083 C pour le cuivre pur). Cet alliage conduit de plus une amélioration du mouillage ainsi 5 qu'à une pénétration efficace de l'alliage fondu dans les lacunes des joints brasés. La conductivité thermique de cet alliage Cu-Sn6P est de 57 W/m.K à température ambiante contre 380 W/m.K pour le cuivre pur. Cet alliage est donc plus facile à souder que le cuivre pur et peut donc être déposé par un io procédé de soudage MIG mais aussi un procédé de soudage TIG avec un préchauffage modéré. Par ailleurs, cet alliage permet de réaliser le beurrage mais ses caractéristiques permettent aussi de l'utiliser pour réaliser la soudure de fermeture de la boite. Cet alliage a aussi de très bonnes caractéristiques mécaniques à température cryogénique. Cet alliage est normalisé dans l'AWS sous le nom Er Cu Sn-A et suivant le BS2901 part 3 grade C11. Toutefois, pour effectuer le soudage de la pièce (récipient collecteur) sur la zone brasée revêtue de cuivre, on peut aussi utiliser une torche de soudage à l'arc, telle une torche MIG (Meta) Inert Gas), TIG (Tungsten Inert Gas), plasma ou des combinaisons de telles torches, par exemple une torche plasma-MIG ou des torches MIG-TIG, et amener en complément un produit d'apport de type cuivre/nickel ou cuivre/aluminium ou, lorsque l'on souhaite assurer une liaison entre la zone recouverte de cuivre et une pièce en acier inoxydable, tel un collecteur de fluide, on peut être amené à utiliser d'autres produits d'apport du type nickel ou alliages de nickel. En effet, dans le cas de la fabrication d'un échangeur thermique, on peut choisir soit de souder directement le collecteur de fluide en acier inoxydable sur les couches de cuivre 5, 6, 7, soit de souder (via un joint de soudage 20) le collecteur 21 de fluide en acier inoxydable sur une pièce intermédiaire en cuivre 1 qui est elle-même soudée sur les couches de cuivre 5, 6, 7, ainsi que montré en figure 3. Le procédé de soudage de l'invention est particulièrement bien adapté à la fabrication d'échangeurs thermiques brasés utilisables pour séparer les gaz de l'air, en particulier par voie cryogénique au sein de colonnes de distillation cryogénique, car ces échangeurs seront plus résistants aux problèmes de fissuration que les échangeurs classiques. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage d'au moins une pièce (1) métallique sur une matrice (2) comprenant au moins une zone brasée (3) dont le brasage contient au moins du cuivre, dans lequel: (a) on réalise, sur au moins une partie de la zone brasée (3), un dépôt d'au moins une couche (5, 6, 7) d'un alliage contenant du cuivre par projection à froid et (b) on opère un soudage de la pièce (1) métallique sur ladite au moins une couche d'alliage de cuivre déposée à l'étape (a). io 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage de cuivre contient du phosphore et/ou de l'étain et/ou du nickel. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'à l'étape (a), on réalise un dépôt de plusieurs couches (5, 6, 7) à base d'alliage de cuivre se superposant au moins partiellement les unes aux autres. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'épaisseur de la ou les couches projetées à froid est jusqu'à 3 mm. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le dépôt d'au moins une couche est réalisée sans préchauffage de la zone à revêtir d'alliage. 6. Procédé de fabrication d'un échangeur thermique brasé en cuivre dans lequel on met en oeuvre le procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 5 pour souder au moins un récipient (1), de préférence en cuivre, collecteur et distributeur de fluide de l'échangeur (10) sur un empilage de plaques (11) séparées par des ailettes (12) formant entretoises entre lesdites plaques (11) et portant au moins une matrice (2) brasée (3). 7. Echangeur thermique (10) en cuivre comprenant au moins un récipient (1) collecteur et distributeur de fluide soudé (en 4) sur une matrice (2) brasée (3) portée par un empilage de plusieurs plaques (11) séparées par des ailettes (12) formant entretoises entre lesdites plaques (11), caractérisé en ce que ledit récipient (1) est soudé sur au moins une couche (5, 6, 7) d'un alliage contenant du cuivre projetée à froid, ladite au moins une couche (5, 6, 7) de cuivre étant déposée sur ladite matrice (2) brasée (3). 8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le récipient (1) collecteur et distributeur de fluide soudé (en 4) est en cuivre ou en 10 acier inoxydable. 9. Installation de séparation de fluide, en particulier de mélanges gazeux, comprenant au moins un échangeur (10) selon l'une des revendications 7 ou 8, de préférence ladite installation est une unité de séparation cryogénique d'air. 10. Procédé de séparation de fluide, en particulier de mélanges gazeux dans lequel on utilise au moins un échangeur (10) thermique selon l'une des revendications 7 ou 8, de préférence le fluide est de l'air ou un mélange ayant comme composant(s) principal (principaux) de l'hydrogène et/ou du monoxyde de carbone et/ou de l'azote et/ou du méthane.