Brevet FR2997644A1 — publié le 20140509

Procédé de soudage par diffusion La présente invention concerne un procédé de soudage par diffusion comprenant au moins les étapes suivantes : a) obtention de plaques métalliques, b) empilement d'une pluralité des plaques obtenues à l'étape a) pour obtenir un empilement, et c) soudage par diffusion appliqué à l'empilement obtenu à l'étape b) pour obtenir un ensemble de plaques soudées. Le procédé vise par exemple la fabrication d'échangeurs de chaleur à plaques. Le soudage par diffusion est un procédé de soudage en phase solide dans lequel les pièces maintenues en contact sous une pression donnée sont portées à une température définie pendant un temps contrôlé. Ces conditions opératoires conduisent à des déformations plastiques locales de surface, à un contact intime et à une migration des atomes entre les éléments, ce qui permet d'obtenir ainsi la continuité de la matière. Ce procédé est particulièrement intéressant, car les plaques assemblées de cette façon sont reliées de façon intime, y compris dans les zones d'échanges thermiques. La continuité de matière en périphérie de l'ensemble de plaques soudées facilite l'usinage ou le soudage de l'ensemble de plaques soudées pour finaliser l'échangeur. La solution la plus classique pour réaliser un soudage par diffusion d'un empilement de plaques consiste à appliquer une contrainte uni axiale sur les plaques, c'est-à-dire selon un seul axe perpendiculaires aux plaques, dans un four thermique dans lequel règne un niveau de vide suffisant. Une autre solution consiste à assembler l'empilement de plaques en utilisant un four de compaction isostatique à chaud. L'empilement de plaques à assembler est alors placé dans une enveloppe étanche et déformable dans laquelle règne un niveau de vide suffisant. Le four de compaction apporte la chaleur nécessaire et la contrainte de soudage grâce au gaz sous pression qu'il contient. De tels procédés permettent d'obtenir des empilements de plaques de dimensions très importantes, par exemple 1 m par 1 m par 3 m. Toutefois, les procédés connus de soudage par diffusion ne permettent pas de souder des échangeurs à plaques volumineux, par exemple d'un volume supérieur à 3 x 3 x 1 m3, sans que les caractéristiques mécaniques se trouvent sensiblement altérées. Plus précisément, si ces procédés connus sont appliqués à la réalisation d'échangeurs volumineux, tout ou partie des propriétés suivantes de l'échangeur obtenu sont insuffisantes : résistance mécanique, résistance à la corrosion, durée de vie de l'assemblage. Un but de l'invention est donc de proposer un procédé permettant de fabriquer un échangeur de chaleur à plaques volumineux, l'échangeur possédant une résistance mécanique, une résistance à la corrosion et une durée de vie de l'assemblage de bon niveau. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type décrit ci-dessus, dans lequel : - les plaques obtenues à l'étapes a) comprennent un alliage de titane biphasé, et - pendant l'étape c), l'empilement est porté par chauffage à une température d'assemblage comprise entre, d'une part, une température minimale permettant une liaison entre les plaques de l'ensemble de plaques soudées et, d'autre part, une température maximale au-delà de laquelle l'alliage devient monophasé, le chauffage de l'empilement présentant une durée inférieure à une durée maximale au-delà de laquelle l'alliage des plaques de l'ensemble des plaques soudées comporte des grains d'indice de taille de grains strictement inférieur à 6. Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - à l'étape a), l'alliage de titane biphasé comprend du TA6V, les deux phases étant le titane a et le titane 3; - à l'étape a), l'alliage de titane biphasé comprend du Ti8Mn ou du Ti7A14Mo ; - à l'étape c), la température d'assemblage à laquelle est porté l'empilement est sensiblement comprise entre 700°C et 950°C; - à l'étape c), la durée du chauffage est sensiblement comprise entre 1 heure et 5 heures ; - durant l'étape c), deux plaques consécutives de l'empilement sont soumises à une pression de contact comprise entre 10 et 50 bars ; - à l'étape b), les plaques obtenues à l'étape a) sont empilées pour obtenir une pluralité d'empilements de plaques, chaque empilement présentant des dimensions telles qu'il est capable de tenir entre deux plans parallèles distants l'un de l'autre de moins de 200 mm, de préférence entre deux plans parallèles éloignés l'un de l'autre d'une distance comprise entre 100 et 1000 mm ; à l'étape c), chaque empilement obtenu à l'étape b) est soudé par diffusion pour obtenir une pluralité d'ensembles de plaques soudées ; et à l'étape d), les ensembles de plaques soudées obtenus à l'étape c) sont assemblés ; - le procédé comprend en outre une étape d) d'obtention d'un échangeur de chaleur à plaques à partir de l'ensemble de plaques soudées obtenu à l'étape c). L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur à plaques comprenant un ensemble de plaques métalliques empilées et soudées par diffusion, l'échangeur étant caractérisé en ce que : - l'ensemble de plaques comprend un alliage de titane biphasé, et - l'ensemble de plaques soudées comporte des grains d'indice de taille de grains supérieur ou égal à 6. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant à la Figure annexée, laquelle est une vue partielle, en coupe, d'un échangeur de chaleur à plaques selon l'invention. Le procédé qui va être décrit ci-dessous permet d'obtenir un échangeur 1 représenté schématiquement sur la Figure. L'échangeur 1 comprend des plaques primaires 3 et des plaques secondaires 5 empilées. L'alternance des plaques primaires 3 et des plaques secondaires 5 est par exemple simple, c'est-à-dire que chaque plaque primaire 3 se situe entre deux plaques secondaires 5. Les plaques primaires 3 et les plaques secondaires 5 sont par exemple sensiblement horizontales. Seules deux plaques 3, 5 de chaque sorte sont représentées sur la Figure. Toutefois, l'échangeur 1 comporte avantageusement un nombre de plaques beaucoup plus élevé. Les dimensions de l'échangeur 1 sont par exemple supérieures à 1 m par 3 m horizontalement, et la hauteur de l'échangeur 1 est supérieure à 1 m. Chaque plaque primaire 3 définit, conjointement avec la plaque secondaire 5 située en dessous d'elle, une pluralité de canaux 7 pour la circulation d'un fluide primaire. Chaque plaque primaire 3 est par exemple en alliage TA6V. Chaque plaque primaire 3 est soudée par diffusion aux plaques secondaires 5 situées au-dessus et en dessous d'elle. Les plaques secondaires 5 sont avantageusement analogues aux plaques primaires 3 et ne seront pas décrites en détail. Chaque plaque secondaire 5 définit, conjointement avec la plaque primaire 3 située en dessous d'elle, une pluralité de canaux 9 pour la circulation d'un fluide secondaire. Les plaques primaires 3 et les plaques secondaires 5 présentent une épaisseur quelconque. Selon un mode de réalisation particulier, les plaques 3, 5 sont conformées pour que la distance minimale E entre le fluide primaire et le fluide secondaire au sein de l'échangeur 1 soit comprise entre 0,5 mm et 2 mm. Le fluide secondaire et le fluide primaire sont destinés à échanger de la chaleur via les plaques primaire 3 et les plaques secondaires 5 de l'échangeur 1. Un procédé d'obtention de l'échangeur 1 conforme à l'invention va maintenant être décrit. Le procédé comprend au moins les quatre étapes suivantes. Une première étape consiste à obtenir les plaques primaires 3 et les plaques secondaires 5. Les plaques primaires 3 et les plaques secondaires 5 présentent par exemple les formes et la composition décrites ci-dessus. Dans une seconde étape, les plaques primaires 3 et les plaques secondaires 5 obtenues à la première étape sont empilées, par exemple comme décrit ci-dessus, afin d'obtenir l'empilement 6 représenté sur la Figure. Dans une troisième étape, l'empilement 6 obtenu à la seconde étape est soudé par diffusion pour obtenir un ensemble de plaques soudées. De fait, il est difficile, sans se restreindre, de préciser de manière absolue les conditions de température et de durée de la troisième étape. En effet, ces paramètres dépendent à la fois de la composition et de la géométrie des plaques 3, 5. Les conditions de température et de durée dépendent aussi l'une de l'autre. L'homme du métier est néanmoins capable de déterminer ces conditions, pour l'empilement 6, par des tests simples, en portant l'empilement 6 à une température d'assemblage comprise entre, d'une part, une température minimale, de l'ordre de la température de recuit, permettant une liaison entre les plaques 3, 5 de l'ensemble de plaques soudées et, d'autre part, une température maximale au-delà de laquelle l'alliage devient monophasé. La température maximale précitée est par exemple le transus bêta de l'alliage TA6V moins 20°C. Le transus bêta valant environ 950°C, ladite température maximale est d'environ 930°C. La durée du chauffage de l'empilement 6 est ajustée à une valeur inférieure à une durée maximale au-delà de laquelle l'alliage des plaques de l'ensemble des plaques soudées comporte des grains possédant un indice de taille de grains supérieur ou égal à 6. L'indice de taille de grains est par exemple défini par la norme ASTM E112. A titre d'exemple, l'empilement 6 est porté à une température d'assemblage sensiblement comprise entre 700°C et 930°C, par exemple environ 900°C. Cette température est suffisamment élevée pour permettre aux plaques primaires 3 et aux plaques secondaires 5 de se lier les unes aux autres. La température d'assemblage est suffisamment basse pour que les phases a et 13 restent stables, c'est-à-dire pour que leurs fractions massiques respectives dans les plaques 3, 5 ne soient pas sensiblement modifiées par l'étape de soudage par diffusion. Par « pas sensiblement modifiées », on entend par exemple que les fractions massiques des phases a et (3 ne changent pratiquement pas. Entre le début et la fin de la troisième étape, la valeur de l'indice de taille de grains de l'alliage s'élève avantageusement de moins de 4 unités, préférablement de moins de 3 unités. La température d'assemblage est atteinte grâce à un chauffage de l'empilement 6. La durée du chauffage est sensiblement comprise entre 1 heure et 5 heures, par exemple environ 3 heures. Ainsi, le chauffage présente une durée suffisamment courte pour que, dans les conditions de température précitées, les grains de l'ensemble de plaques soudées possèdent un indice de taille de grains supérieur ou égal à 6. Avantageusement, durant la troisième étape, les plaques 3, 5 de l'empilement 6 sont soumises à une pression de contact comprise entre 10 et 50 bars, par exemple environ 15 bars. La pression est appliquée selon une méthode connue en soi, par exemple à l'aide d'une presse (non représentée). La pression exercée est par exemple verticale. Dans une quatrième étape, l'échangeur 1 est obtenu à partir de l'ensemble de plaques soudées résultant de la troisième étape. Il s'agit par exemple d'ajouter des boîtes à eau pour les fluides primaire et secondaire, des sondes de température, ou d'autres éléments connus de l'homme du métier pour compléter un échangeur à plaques. Grâce aux caractéristiques du procédé décrites ci-dessus, un échangeur à plaques 1 volumineux, par exemple d'un volume supérieur ou égal à 3 x 1 x 1 m3 est aisément obtenu. L'ensemble de plaques soudées possède des grains d'indice de taille de grains supérieur ou égal à 6. Grâce à la stabilité des phases a et 13 de l'alliage des plaques 3, 5, l'apparition éventuelle de phases métallurgiques fragilisantes est limitée. Ainsi, l'échangeur 1 possède de bonnes caractéristiques métallurgiques, notamment de résistance mécanique, de résistance à la corrosion et de durée de vie. On va maintenant décrire brièvement un second procédé selon l'invention constituant une variante du procédé décrit ci-dessus. Le second procédé est analogue au procédé décrit ci-dessus et permet d'obtenir l'échangeur 1 tel que décrit ci-dessus. Les étapes ou caractéristiques analogues ne seront pas décrites à nouveau. Le second procédé diffère par les caractéristiques suivantes. Durant la seconde étape, les plaques 3, 5 obtenues à la première étape sont empilées pour obtenir une pluralité d'empilements de plaques 3, 5. Les empilements de ladite pluralité sont analogues à l'empilement 6 représenté sur la Figure. Chaque empilement de la pluralité présente des dimensions telles qu'il est capable de tenir entre deux plans parallèles arbitraires (non représentés) distants l'un de l'autre de moins de 200 mm, de préférence entre deux plans parallèles éloignés l'un de l'autre d'une distance comprise entre 100 mm et 1000 mm. Dans la troisième étape, chaque empilement obtenu à la seconde étape est soudé par diffusion pour obtenir une pluralité d'ensembles de plaques soudées. Le soudage est analogue à celui décrit ci-dessus. Dans la quatrième étape, les ensembles de plaques soudées obtenus à la troisième étape sont assemblés pour obtenir l'échangeur 1. Outre les avantages déjà mentionnés ci-dessus, le second procédé permet en outre d'obtenir des échangeurs encore plus volumineux.10 REVENDICATIONS1.- Procédé de soudage par diffusion comprenant au moins les étapes suivantes : a) obtention de plaques métalliques (3, 5), b) empilement d'une pluralité des plaques (3, 5) obtenues à l'étape a) pour obtenir un empilement (6), et c) soudage par diffusion appliqué à l'empilement (6) obtenu à l'étape b) pour obtenir un ensemble de plaques soudées, caractérisé en ce que : - les plaques (3, 5) obtenues à l'étapes a) comprennent un alliage de titane biphasé, et - pendant l'étape c), l'empilement (6) est porté par chauffage à une température d'assemblage comprise entre, d'une part, une température minimale permettant une liaison entre les plaques (3, 5) de l'ensemble de plaques soudées et, d'autre part, une température maximale au-delà de laquelle l'alliage devient monophasé, le chauffage de l'empilement (6) présentant une durée inférieure à une durée maximale au-delà de laquelle l'alliage des plaques (3, 5) de l'ensemble des plaques soudées comporte des grains d'indice de taille de grains strictement inférieur à 6. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à l'étape a), l'alliage de titane biphasé comprend du TA6V, les deux phases étant le titane a et le titane p. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à l'étape a), l'alliage de titane biphasé comprend du Ti8Mn ou du Ti7A14Mo. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, à l'étape c), la température d'assemblage à laquelle est porté l'empilement (6) est sensiblement comprise entre 700°C et 950°C. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, à l'étape c), la durée du chauffage est sensiblement comprise entre 1 heure et 5 heures. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, durant l'étape c), deux plaques (3, 5) consécutives de l'empilement (6) sont soumises à une pression de contact comprise entre 10 et 50 bars. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que : - à l'étape b), les plaques (3, 5) obtenues à l'étape a) sont empilées pour obtenir une pluralité d'empilements de plaques, chaque empilement présentant des dimensions telles qu'il est capable de tenir entre deux plans parallèles distants l'un de l'autre de moinsde 200 mm, de préférence entre deux plans parallèles éloignés l'un de l'autre d'une distance comprise entre 100 et 1000 mm, - à l'étape c), chaque empilement obtenu à l'étape b) est soudé par diffusion pour obtenir une pluralité d'ensembles de plaques soudées, et - à l'étape d), les ensembles de plaques soudées obtenus à l'étape c) sont assemblés. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d) d'obtention d'un échangeur de chaleur (1) à plaques à partir de l'ensemble de plaques soudées obtenu à l'étape c). 9.- Echangeur de chaleur (1) à plaques comprenant un ensemble de plaques métalliques (3, 5) empilées et soudées par diffusion, l'échangeur (1) étant caractérisé en ce que : - l'ensemble de plaques (3, 5) comprend un alliage de titane biphasé, et - l'ensemble de plaques soudées comporte des grains d'indice de taille de grains supérieur ou égal à 6.20