Assemblage s Vide

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  • Les soudures et les brasures : Il existe de nombreuses monographies spcialises qui traitent de la brasure et de la soudure. Notre propos nest pas dentrer dans tous les dtails de ralisation de ce type de liaisons. Cest l affaire de spcialistes. Nous nous proposons plutt dans ce cours de porter un regard de vidiste sur ces techniques. Nous ne considrerons que les procds qui prsentent des garanties suffisantes du point de vue de ltanchit. Il en existe notamment deux types : - La soudure autogne qui ralise la fusion de deux pices souder (TIG, MIG, BE). - La brasure qui par lapport dun mtal fusible diffusant la surface de chacune des pices

    relier, constitue un lment de liaison exceptionnel.

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  • 1. Soudage larc lectrique : Dans ce procd de soudage, les pices assembler sont rapproches et fondues au niveau de leur jonction. On utilise pour cela leffet dun arc lectrique qui est gnr entre les pices et une lectrode (distance comprise entre 0,5 et 2,5 mm). Cette lectrode est soit rfractaire (procd TIG), soit consommable (procd MIG). Le soudage doit tre assur sous une atmosphre protectrice dun gaz inerte. Lenvers de la soudure doit tre protg de la mme faon. En effet, ceci vite loxydation excessive des pices et dispense du traitement postopratoire obligatoire sans cette prcaution. Alors quune dcoloration de la zone de fonte est naturelle, une couche noire et spongieuse est prohibe. Une lgre oxydation peut tre limine trs facilement par brossage tandis que la pice est encore chaude, ce qui est impossible quelques jours plus tard. On devra utiliser une brosse mtallique en acier inox. Lacier ordinaire laisse des dpts qui peuvent tre le sige doxydation future. Le procd argon-arc (un mlange argon hydrogn qq. % aide la chauffe mais est interdit pour laluminium) est retenu car il faut viter les techniques qui mettent en uvre de lhlium. Il existe dans ce cas un risque docclusion de ce gaz qui rend problmatique un ventuel test de fuite.

    PORTE ELECTRODE

    BUSE

    GAZ PROTECT ENVERS

    Dformation provoque par la soudure : Le soudage larc, du point de vue du vide, donne dexcellents rsultats. Cependant, le mtal fondu, en se refroidissant, rtrcit entranant fatalement une dformation des pices. La soudure peut tre pareillement le sige defforts internes qui peuvent occasionner, plus tard, des dformations lors du dtensionnement. Aussi, le rtrcissement inhrent la soudure doit-il tre contrl par une conception prparatoire convenable qui permette de maintenir une Zone Affecte Thermiquement (ZAT) la plus petite possible. Si une prcision trs leve est requise, un usinage aprs soudure peut tre galement envisag. Paramtres importants : De nombreux paramtres interviennent dans la soudure TIG. Un certain nombre dentre eux ont une influence dterminante sur la qualit de la soudure. Le courant de soudure, la vitesse de dplacement de la torche et la tension darc, dfinie par la distance de travail entre llectrode et la pice pour un gaz donn, dterminent lnergie fournie la zone de fusion. Lcoulement, la puret du gaz de balayage entourant la fonte ainsi que la position de la buse de gaz et langle de la torche par rapport au travail influent sur le niveau doxydation

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  • de la zone de fonte. Enfin, la forme de llectrode de tungstne, sa distance au travail fixent la taille de la zone de chauffage de larc. Dfauts de soudure: Certains, notamment ceux qui occasionnent des fuites, peuvent donc se prsenter. Le vidiste doit tre en mesure dviter ou, sils apparaissent, de diagnostiquer les problmes de soudure. - Un certain nombre danomalies est du un dfaut dapport dnergie la zone de fonte.

    Un courant de soudure trop faible, une vitesse de dplacement de la torche trop leve occasionnent une pntration incomplte. Trop de courant, au contraire, pour une vitesse dtermine de soudure, gnre un cordon trop large avec les dformations inhrentes. Ainsi, un dplacement de la torche de quelques vingtaines de millimtres par minutes est considr comme une vitesse normale. Il faut savoir galement que quelques pour-cent de variation de courant ont une incidence sur la pntration. Une pntration non uniforme le long des soudures circulaires de petit diamtre ( 40 mm) est due des changements de temprature au cours du travail. Il faut, en observant le magma et en rglant le courant, compenser ces effets afin dobtenir une soudure rgulire.

    - Loxydation excessive est due un manque datmosphre protectrice autour de la soudure. Les accessoires de la torche sont prvus pour produire un coulement laminaire du gaz de protection qui permet ainsi, en labsence de turbulence, daugmenter la distance entre la buse et le travail. Cependant, un coulement insatisfaisant du gaz de protection, une buse mal dimensionne pour le travail raliser ou trop loigne de la zone de fonte provoquent une oxydation excessive. Une vitesse de dplacement trop importante de la torche provoquera les mmes dfauts. En effet, la soudure encore trs chaude dans ce cas se trouvera hors du gaz de protection. Une oxydation excessive au dos du travail est galement possible. En effet, si le verso des soudures est incorrectement protg, une oxydation trs profonde peut en rsulter. Pour les petits systmes ou tubes ferms pour lesquels la soudure est extrieure, le procd le plus simple consiste remplir la chambre dun gaz inerte. Dans ce cas, un orifice de purge est ncessaire et il faut accorder suffisamment de temps lcoulement de gaz pour purger compltement lair de la chambre. De plus, il ne doit y avoir aucune surpression interne. Lorsque le remplissage de la pice nest pas possible, il faut raliser localement un large balayage de gaz si possible en rgime laminaire. En dehors des problmes desthtique, une oxydation excessive rend le nettoyage chimique difficile (tat de surface et limination des produits de nettoyage). Elle peut saccompagner de dfauts dtanchit.

    - Une prparation insuffisante ou une mauvaise conception de la soudure peut gnrer un certain nombre de dfauts. Une jonction inacheve entre les deux bords suprieurs de la soudure (double bourrelet) est due aux forces dadhrence du mtal fondu sur les surfaces de bord. Lors de la ralisation de la jonction, une ouverture cot travail, une fermeture sur le cot oppos est possible. Ce dfaut de gomtrie peut provoquer ce type de problme. Il faut noter quune vitesse de dplacement de la torche trop importante et un courant trop faible ne permettent pas au mtal de part et dautre de fusionner ce qui aggrave encore ce problme. Pour viter cela, il est conseill de raliser un pointage soigneux des deux pices. A ce propos, le pointage peut occasionner des fuites ponctuelles dans le cordon de soudure. Le pointage doit tre propre et lger. Il faut utiliser pour le raliser un gaz de purge. Il faut brosser tous les oxydes avant dexcuter le cordon dfinitif si lon veut viter que se dveloppent des fuites sur les taches de pointage .

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  • La solidification du mtal en fusion dans sa phase peu mlange peut gnrer des criques en bord de fonte. Ceci se produit en gnral lorsque le matriau a t mal choisi. Ainsi cet effet est rare avec lacier inoxydable 304 mais il se produit parfois avec du 316. Si on utilise un matriau de remplissage, le choix de ce dernier est important. Des baguettes de 308 sont habituellement utilises pour un travail avec du 304. Dans bien des cas la consultation dun manuel ou dun fournisseur est souhaitable. Les matriaux et notamment les inox contiennent des impurets (sulfures, oxydes et silicates). Ces impurets peuvent tre lorigine de micro fissures que la chaleur de soudure tend ouvrir. Il se produit dans ce cas des fuites dans le mtal vierge limmdiate proximit de la soudure. Il est gnralement impossible de les colmater, il faut jeter le matriel dfectueux. L encore, il sagit dun dfaut du un mauvais choix du matriau. Il est souvent souhaitable dutiliser un matriau ayant subi un raffinage par refonte lectrolytique du laitier afin de diminuer le nombre dimpurets et davoir une distribution uniforme de celles-ci. Les scories qui flottent sur la fonte peuvent tre transportes le long du magma et se retrouver en quantit au recouvrement entre le dpart et la fin du cordon. Si ce phnomne est important, il peut se produire une fuite au chevauchement de soudure. Des fuites alatoires dans le cordon de soudure sont toujours possibles. Les graisses, les substances particulaires peuvent occasionner des fuites ponctuelles dans le cordon de soudure. Pour cette raison, une liaison dfinitive doit toujours tre ralise sur des surfaces propres. Il faut galement utiliser une lectrode en parfait tat car des morceaux de tungstne peuvent gnrer le mme type de fuite.

    - Un mauvais mode opratoire lors du soudage est la cause de certains dfauts. Ainsi des trous brls peuvent apparatre dans le travail au moment du dclenchement de larc ou en fin de parcours. Par consquent, le courant doit tre programm pour monter progressivement. Un tablissement trop brutal, une valeur trop importante peuvent en effet occasionner un percement du matriau. De mme, il faut que le courant soit diminu progressivement en fin de travail. Un arrt brutal gnre habituellement une dpression ou un cratre poreux au lieu dinterruption. Des dpts noirs autour de la soudure se produisent lorsque llectrode plonge dans la zone de fonte. Dans ce cas, le mtal liquide monte sur le tungstne chaud, svapore et produit de la suie qui se dpose sur le travail et lintrieur de la buse de gaz. Il faut noter quen dehors de lindsirable pollution des chambres, il rsulte de cette fausse manuvre un amorage possible de larc au dmarrage dans la buse de gaz et une descente de celui-ci en spirale la pointe (ncessit de changer la buse). Le soudage des matriaux trs minces (qq. 1/10e mm) rclame une attention toute particulire de loprateur.

    Larc nest jamais stable, il erre toujours un peu et - lorsque ce dernier scarte du chemin prvu - des trous brls peuvent se produirent. Lutilisation dattaches en cuivre proximit de la soudure peut viter les affaissements thermiques provoqus par les carts darc.

    Mauvaise prparation pour la Bonne prparation avec soudure dun soufflet. un radiateur en Cu.

    La distance travail / lectrode tungstne doit tre faible (de 0,5 1mm) pour bien localiser la fonte. De plus, llectrode, le plus souvent en tungstne thori pour la soudure TIG (nota : le thorium qui aidait la pntration devrait tre interdit ; ne pas

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  • utilis ces lectrodes pour Aluminium), est elle-mme importante. La pointe doit tre fine et parfaitement symtrique. Aprs un certain temps dutilisation, celle-ci se dtriore, elle doit tre, par consquent, raffte. Les courants pour les soudures de parois minces sont ncessairement bas (de 1 5 A), lalimentation pour ces valeurs doit donc tre stable et adapte - notamment pour les trs faibles amprages au dmarrage. Lclairage, dans les cas difficiles, de llectrode avec une lampe UV ondes courtes peut, en ionisant les gaz, aider la formation de larc au dmarrage. Enfin, en ralisant une soudure de bords sur des matriaux trs minces, une srie de gouttelettes peut se former. Une diminution du courant et du dplacement de la torche arrte habituellement ce phnomne. Un flchissement de la matire d la pesanteur est galement possible dans ce cas. Il faut l aussi diminuer le courant.

    Conceptions : Une bonne prparation et une conception convenable de la soudure facilitent le travail du soudeur, elles sont la garantie dun rsultat final correct. - La soudure dtanchit doit tre ralise au plus prs de la partie expose au vide :

    Il faut en effet viter que les parties ajustes, quil est impossible de nettoyer et difficile de pomper par la suite, se trouvent en prsence de lultra vide. Les soudures doivent tre internes avec une pntration suffisante qui permette la tenue mcanique. Dans le cas ou on ne peut pas raliser ce type de liaisons (ex. petit diamtre), une soudure externe peut tre envisage condition quelle soit traversante, cest dire que sa pntration soit de 100%.

    Bonnes et mauvaises conceptions des types de base de soudures. Les modles de base de soudure, comme on peut le voir sur le tableau ci-dessus, sont ceux o les pices sont mises bout bout, ceux o il y a un recouvrement ; on peut avoir aussi souder des pices en coin, en T ou des artes. Les soudures bout bout sont les plus communes. Pour lacier inoxydable, lorsque les paisseurs ne sont pas trop importantes, on peut raliser des soudures de fusion sans mtal dapport. Dans le cas o les pices sont paisses ( 3mm ), on peut pratiquer un chanfrein suffisant, raliser une soudure de fusion et procder un remplissage aprs test dtanchit du premier cordon. Les soudures extrieures avec recouvrement des pices crent de grands espaces internes troits qui ne peuvent pas tre nettoys et qui agissent comme des fuites virtuelles. Les soudures dartes emprisonnent aussi des volumes morts

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  • cependant, lorsquelle se fait sur une collerette fine, il suffit de meuler celle-ci pour dissocier et rassocier ventuellement un nombre limit de fois les sous-ensembles. Les soudures de pices en T peuvent tre faites avec du mtal de remplissage dans les angles internes. Elles peuvent tre parfois ralises dune faon excellente par fusion du bras suprieur dans la jambe.

    On peut galement, sur les supports lintrieur des chambres vide, chanfreiner des deux cots de lappui pour viter les volumes morts.

    La soudure des coins peut tre ralise de deux manires : les cots se chevauchant, on effectue, soit une soudure interne, soit une soudure traversante ; les cots tant mis bord bord, on remplit le V externe avec de la baguette de soudure. Cette dernire technique est utilise lorsque lpaisseur des matriaux le permet ( environ 3mm ).

    La ralisation des soudures traversantes, sur les tubes formant des coudes ou des Ts, ncessite, pour les paisseurs importantes de chambre, de chanfreiner les bords. Lorsque le diamtre de la branche du T le permet, on peut galement jouer sur la dimension de la creve pour obtenir le mme effet.

    Le raccordement des brides aux tubes seffectue le plus souvent par soudure larc. Il faut viter, si cela est possible (dans le cas de petites brides (1) la liaison sopre parfois par embotement et apport de mtal extrieur) que les parties ajustes soient lintrieur de la chambre. Une bute du tube doit tre prvue pour faciliter lopration de soudage

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  • (2). La soudure traversante sur bride collerette (3) est une solution favorable au raccordement mais elle ne correspond pas du matriel normalis

    - La soudure doit tre exempte de fuite virtuelle :

    Le soudage ne doit pas conduire lisolement dun volume entre une soudure interne dtanchit et une soudure externe. Un tel systme interdit en effet le contrle dtanchit avec le risque de fuite virtuelle (volume de fuite vers lintrieur, isol de lextrieur). Il est conseill de procder lexcution dune soudure de renfort discontinue. Cette disposition interdit cependant un traitement chimique des pices ( capture de produits de nettoyage avec risques de corrosion ).

    - Il est ncessaire dobtenir le gauchiment minimum ce qui signifie que la taille et la

    profondeur de fonte doivent correspondre la rsistance mcanique requise : Il faut utiliser des techniques dassemblage sures. Il faut souder des paisseurs comparables.

    Une bute du tube doit tre prvue pour faciliter lopration de soudage. Le soudage sur lvre latrale est le plus courant quand le diamtre est suffisant, ainsi que le soudage en clin sur bute bien que la liaison sopre entre deux parties dingales paisseurs. La rigidit dassemblage dans ce cas est moyenne et on peut ventuellement envisager une soudure de renfort extrieure discontinue.

    Le soudage ne doit pas nuire la planit des brides en les dformant. La liaison ne doit pas tre ralise proximit de la porte de joint.

    Pour les minces parois, en raison de leur fragilit, il est aussi souhaitable dviter lemprisonnement des produits de nettoyage dans les volumes morts lextrieur de la chambre

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  • - Il ne doit y avoir si possible aucun contact entre leau et les soudures du vide : Les soudures qui font ltanchit avec leau et celles qui assurent ltanchit au vide, ceci afin de minimiser les risques, doivent tre diffrencies (Ex. module refroidi ci-dessous).

    Soudage par bombardement lectronique (FE) : Ce procd utilise un canon lectron dans une chambre vide (p 10-5 mbar). En gnral, la pice souder est mise dans cette chambre ce qui limite ses dimensions. Cependant, il existe des systmes usage industriel o le faisceau dlectrons sort dans une rgion haute pression de gaz inerte dans laquelle seffectue la soudure.

    Le faisceau dlectrons peut tre focalis aux dimensions dune tache de quelques centimes de millimtres de diamtre. La tension et le courant du faisceau peuvent, en fonction des installations, varier respectivement de 30 100 kV et de 0 1 A. Les densits de puissance peuvent donc atteindre des valeurs beaucoup plus leves quavec la soudure larc (FE :109W /cm2 ;TIG ou MIG : 106 W /cm-2 environ) bien que la gamme dnergie des lectrons dans le mtal soit modeste (qq. centaines de keV). La production dune colonne de vapeur de faible densit dans le travail permet une ouverture complte derrire le faisceau dlectrons. La caractristique remarquable de ce

    Comparaison de la zone de fonte sur type de soudure est sa grande pntration (jusqu qq. cm) de linox. et sa zone trs troite de fonte et donc un retrait de soudure trs faible (respect des tolrances dimensionnelles svres).

    Lapport dnergie la zone de fonte est ainsi dtermin par les valeurs de courant et de tension du faisceau, la dimension de la tache et la vitesse de parcours. Les pntrations, pour une vitesse de soudage de 2 m /s, avec un canon lectrons de puissance 15 kW, donnent les rsultats suivants : alliage Al-Si (13%) : 38 mm ; inox : 19 mm ; cuivre : 10 mm. Le soudage par BE na que des avantages du point de vue de la technique du vide. La formation des oxydes dans ce cas est quasiment nulle et la plus grande partie des gaz occlus dans la zone de soudure est purge. On obtient, de plus, une soudure de grande pntration avec une localisation trs fine qui limite les dformations. La

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  • vitesse de soudage est importante. Dun point de vue mcanique, ce procd permet toutes les soudures autognes (mme celles de matriaux rfractaires) et certaines soudures htrognes. Il peut, de plus, se pratiquer sur des pices dingales paisseurs sans dformation. Malgr tout, ce type dquipement reste coteux et demande une technicit importante de la part des oprateurs (rglage du faisceau, positionnement des pices, etc.). 2. les brasures : Les brasures fortes ou tendres ralisent des jonctions dfinitives de composants mtalliques en utilisant un mtal de liaison ayant un point de fusion plus bas que les pices dont on veut raliser lassemblage. Les brasures fortes : Ce procd consiste fondre la jonction des pices un mtal bas point de fusion, bas compar celui des pices braser mais cependant suprieur 450 C pour une brasure forte. La liaison rsulte de linter diffusion des atomes et de la formation dune solution ou dun alliage de la brasure avec le mtal de base. Il faut donc remarquer que ceci change la nature de la brasure et particulirement sa temprature de fusion. Tous ces mcanismes et par consquent la qualit de la jonction dpendent des matriaux mis en jeu, du temps et de la temprature de brasage. Les brasages au chalumeau sont, dans la mesure du possible, viter. Par contre, les liaisons par brasure forte, en atmosphre contrle ou mieux encore sous vide dans un four, sont recommandes en technique du vide. Les jonctions se font gnralement par embotement avec un jeu de lordre de quelques centimes. Ce jeu est fonction de la mouillabilit de la brasure sur la liaison, car le mtal dapport doit diffuser et tre retenu lenvers de la brasure par sa tension superficielle. Le ou les anneaux de brasure sont placs judicieusement pour faciliter la diffusion du mtal dapport (pesanteur, capillarit). Des angles vifs sont mnags pour limiter lcoulement de la brasure aux seuls plans de joints. Ecoulement et mouillage :

    La mouillabilit de la brasure sur les surfaces est rgie par des forces dadhrence du liquide sur le solide, forces dorigine atomique et molculaire. Langle sera dautant plus petit que ces forces dadhrence seront grandes devant les forces de cohsion du liquide (tension superficielle des liquides) et inversement ( > 90 : le liquide ne mouille pas, < 90 : il y a mouillage). Il rsulte du mouillage, de la pression due aux tensions superficielles des liquides et la courbure des surfaces une diffusion de la brasure par capillarit qui dpend des jeux, des mtaux de base et de leur nettoyage, de la nature de la brasure.

    A : tension superficielle,

    g r cosA 2 h

    = r : rayon du capillaire,

    h : hauteur monte du liquide. loi de JURIN Caractristiques des alliages de brasures : Bien que des mtaux purs tels que le cuivre, lor, largent ou le molybdne soient parfois utiliss comme mtal fusible, la plupart des brasures sont des alliages. Les caractristiques de fusion des alliages sont complexes, elles influencent le rsultat final des brasures (incidence sur le mtal de base et le mtal fusible).

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  • Un mtal pur a un point de fusion fixe. Le mtal passe de ltat de solide celui de liquide sans intervalle T de temprature. Si lon considre deux mtaux solubles, toutes les tempratures, dans toutes les proportions possibles, lalliage peut tre reprsent par un diagramme de phase donnant la composition de lalliage et son tat en fonction de la temprature. A lextrme gauche le matriau est compos de 100% de A, tandis qu lextrme droite de 100% de B. La temprature est indique sur les ordonnes. Ainsi, TA gauche est le point de fusion de A pur tandis que TB droite est celui de B pur. Le diagramme indique la prsence de trois phases : solidus, solidus liquidus mlangs et liquidus. Prenons lexemple dun alliage contenant 50% de A. Alors, pour une temprature suprieure T1, lalliage nexiste que sous forme liquide ; entre T1 et T2 il existe sous la forme dun mlange solide liquide (bouillie) ; en dessous de T2 cest un solide. Beaucoup de brasures sont constitues dalliages binaires (Ex. : Cu / Ag, Pb /Zn) mais ces matriaux ne sont pas solubles lun dans lautre, sans interruption, dans toutes les proportions. Le diagramme de phase dans ce cas se prsente sous une autre forme. A la composition X, lalliage se comporte ainsi comme un mtal pur. En ce point de composition dite eutectique, le passage du solide au liquide se fait sans phase mlange en bouillie et sans intervalle de temprature. Cette valeur est appele temprature eutectique de lalliage. Les solutions solides + sont, de chaque cot du diagramme, marques par deux limites de solubilit o lalliage nexiste pas. Au-dessus dune ligne horizontale TE (solidus), il y a une phase mlange en bouillie, gauche de liquide et de solide , droite de liquide et de solide . La courbe suprieure (liquidus) marque comme prcdemment la limite entre phase mlange et liquide. Si la brasure nest pas un eutectique, donc avec deux tempratures diffrentes, il faudra passer rapidement de lune lautre sinon le mtal le plus fusible schappera du joint et le brasage sera mauvais.

    Dsoxydation : Pour que la brasure puisse atteindre et adhrer sur les mtaux de base de la jonction, il est primordial que ces derniers soient sans oxyde. Beaucoup de matriaux communs tels que les aciers inoxydables, laluminium, le titane ou le bryllium ont des oxydes trs stables. Ces oxydes peuvent tre librs de diffrentes manires. Ils peuvent tre rduits laide dun dcapant fondu ou dans une atmosphre gazeuse telle que de lhydrogne temprature leve. Ils peuvent haute temprature diffuser dans le volume ou tre dissocis (ex. : dsorption du CuO2 850C sous P

  • dans llimination de ces oxydes. Les brasures devront donc tre choisies afin de permettre, leur temprature de fusion, la rduction de ceux-ci.

    Temprature (C) Pression finale (mbar) Mouillage Aspect 1150 10-4 Excellant Brillant 1150 10-2 Bon Vert olive 1150 1 Aucun Oxyde pais 900 10-4 Bon Brillant 900 10-3 Aucun --------

    Exemple de brasage dinox 304L et de cuivre avec du cuivre pur.

    La dsoxydation par lemploi dun flux dcapant dans le domaine du vide est dconseille car il est souvent difficile dliminer compltement ce dernier. Certains flux sont directement enrobs autour des baguettes de brasage. Le flux dans ce cas doit disparatre compltement avant lobtention du solidus ce qui rend son action de dsoxydation souvent incomplte. Il faut enlever le dpt vitreux par brossage leau chaude ou au moyen de quelques solutions plus efficaces (acide sulfurique 10-15% pour les cuivreux ; acide chlorhydrique 10-15% pour les ferreux, 50% pour les inox). Enfin, les pices doivent tre rinces soigneusement puis tuves. En effet, les rsidus peuvent induire des actions chimiques (corrosion) se rvlant des mois plus tard. Latmosphre dhydrogne pose quelques problmes et on prfrera un brasage sous four sous vide pour liminer les oxydes. A haute temprature, les impurets doxydes du cuivre ordinaire ragissent avec lhydrogne provoquant des micros clatements qui fragilisent et rendent poreux ce matriau. Il est vrai quen UHV on utilise du cuivre OFHC. Autre problme, lhydrogne ragit avec de nombreux mtaux pour former des hydrures. Ainsi, le niobium et le tantale dans ces conditions se dcomposent sous forme de poudre blanche. Enfin, il y a le problme plus gnral de lhydrogne qui est dissous de faon importante dans de nombreux mtaux et notamment dans linox et le cuivre. Les taux de dgazage sont alors excessifs et ne correspondent plus une utilisation en UHV des composants ainsi traits. Techniques de brasage :

    o Chalumeau : Une des techniques les plus simples mais par forcment lune des plus souhaitables dans le domaine de lUHV, est le brasage la torche avec un mtal dapport (le plus souvent alliage dargent). La mise en temprature des pices se fait habituellement avec un chalumeau oxyacthylnique. Elles sont dabord prchauffes cur avec une flamme. La flamme est ensuite rduite pour tre applique sur la jonction elle-mme. La flamme ne doit pas tre trop oxydante (diminution de loxygne pour avoir un dard pas trop petit). La baguette ou le fil dapport est prsent et le plus souvent la torche peut tre partiellement retire, la majeure partie de la chaleur provenant du travail. La rduction des oxydes au niveau de la jonction est assure par lemploi dun flux dcapant. Lendroit de la brasure en est enduit pralablement moins que ce ne soit la baguette elle-mme. Le mtal dapport et le flux sont spcifiques aux matriaux assembler. Le brasage ralis dans le domaine du vide, notamment celui de linox, ne peut seffectuer avec les alliages habituels qui contiennent des composants pressions de vapeurs saturantes leves (le zinc, le cadmium) qui ne se sont pas compatibles avec lUHV et qui ralisent le plus souvent des liaisons poreuses. Il faut noter que les proprits mcaniques de la brasure sont en gnral infrieures au mtal de base. Un joint bras a de meilleures caractristiques mcaniques en cisaillement quen traction ou compression. Il faut en tenir compte pour dterminer les surfaces braser. Le joint

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  • de brasure doit permettre un contact raisonnable entre les pices assembler. Le brasage seffectue de deux faons diffrentes, selon quil sagit dune jonction par embotement ou bord bord. Dans le premier cas, un jeu suffisant mais sans plus doit tre mnag entre les deux pices (0,05 0,1 mm fonction des mtaux et ) de faon que le mtal dapport puisse pntrer entre les deux pices par capillarit mais soit retenu lenvers de la brasure par sa tension superficielle. La temprature doit permettre lcoulement facile du mtal liquide tout en restant la plus basse possible. Il ne doit subsister aucune crevasse non remplie par lalliage.

    Dans le cas des jonctions bord bord, un chanfrein est mnag lextrmit de chacune des pices et le mtal dapport charg progressivement. La temprature, extrmement critique, est atteinte gnralement lorsque le dcapant fond. Toute surchauffe provoque un coulement lenvers des brasures. Les pices prsenteront, dans les deux cas, aprs brasage, une oxydation considrable quil faudra liminer (dcapage acide pas toujours possible).

    o Four :

    Les brasages en atmosphre contrle ou mieux sous vide (~10-5 mbar) sont vivement souhaits dans les domaines qui nous concerne. Un chauffage rsistif permet de chauffer par rayonnement les pices. Lmissivit des diffrents matriaux peut parfois rserver quelques surprise et rendre la modlisation du cycle de temprature complexe (Ex. du brasage du Cu et de linox) Une succession dcrans lintrieur du four et une isolation thermique extrieure vitent les dperditions dnergie. Le contrle des tempratures de lensemble braser se fait laide de thermocouples. Le pompage est assur par un groupe permettant dobtenir au moins un vide industriel.

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  • Les assemblages se font par embotement avec un jeu de lordre de quelques centimes (cela dpend des mtaux et des brasures utiliss). Plus simplement, ils peuvent tre raliss par simple contact. Ils sont dans tous les cas libres. Les pices sont maintenues laide de fils ou de pinces en molybdne qui conservent une certaine lasticit haute temprature (utilisation unique). Lorsque cela est possible, on peut galement employer des poids. Il faut absolument viter les contacts mtal /mtal de ces supports et poids avec les pices braser car, sous vide et fortiori haute temprature, il y a transfert de matire et formation dalliages par diffusion. On utilisera donc pour viter ces adhsions systmatiquement des cramiques.

    Le mtal dapport prform (le plus souvent il sagit dun fil de brasure denviron 1 mm de diamtre) est positionn dans une gorge ou un chanfrein de manire ce que les effets combins de la pesanteur, de la capillarit et du mouillage permettent le remplissage complet du joint. Naturellement, la propret des pices braser est absolument ncessaire et cest une condition importante de la russite ou non de la liaison. Il faut noter que pour la brasure comme pour une goutte deau glissant sur une plaque et parvenant son bord, un angle vif larrte tandis quun arrondi provoque son coulement sur son champ. Il faut par consquent, lors de la conception, mnager avec soin des arrondis qui assurent la diffusion de la brasure dans le plan de joint et des angles vifs qui vitent son coulement et son puisement en dehors de ce plan

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  • Le procd sous four sous vide permet de braser plusieurs joints dun mme ensemble cependant lcoulement du mtal fusible peut rserver quelques difficults. Des essais pour dterminer le temps et la temprature de brasage ainsi que le montage et la position des diffrentes pices sont gnralement ncessaires. Le brasage sous vide permet, lorsque la temprature est suffisante, la dsoxydation des pices (ex. du cuivre) et un taux de dgazage bas. Cependant, la ncessit dans laquelle on est de chauffer entirement les ensembles peut provoquer un recuit mcanique pas toujours souhaitable. Brasures tendres : Ces brasures, des tempratures infrieures 450 C, sont gnralement mal adaptes aux techniques du vide. En effet, le mtal dapport est le plus souvent constitu par un alliage de plomb et dtain qui ralisent un assemblage de rsistance mcanique mdiocre (eutectique Pb Sn 183C ; alliage Pb Sn parfois avec de petites additions dAg pour une rsistance accrue ~200C). De plus, la pntration par diffusion ainsi que la mouillabilit de ce type de brasure sont souvent difficiles ce qui occasionne de frquentes fuites relles et virtuelles dans les joints. Il faut noter que le plomb a une pression de vapeur saturante relativement leve ce qui est dommageable en UHV (10-8 mbar au point de fusion 327 C). Enfin, llimination du flux de dcapage (mlange de chlorure de zinc et dacide chlorhydrique ou chlorure dammonium sous forme de pte) utilis avant brasage est absolument ncessaire mais parfois complexe. Lutilisation de la brasure dlectricien est pour cette raison interdite car elle contient une pte dcapante (finol). Cependant, les eutectiques tain /argent ne posent pas trop de problmes en technique du vide. En effet, ltain a un oxyde qui a la proprit dtre trs stable sur les surfaces et par consquent ce mtal nest pas trop dangereux dans les chambres vide. Un mlange 10% dargent (300 C) autorise un brasage sous four sous vide. Un pourcentage plus faible, par contre, ne permet pas la diffusion du mtal dapport. Les zones souder sont dcapes, les surfaces joindre sont tames puis nettoyes (eau chaude et schage air chaud). Les pices sont alors runies puis portes temprature laide dun fer souder dans le cas des petites pices, dun chalumeau gaz dans celui des plus grands ensembles. Aucun flux dcapant nest gnralement ncessaire ce stade. Lorsque la temprature de liaison est atteinte, de la brasure supplmentaire est ajoute. Les matriaux ne possdant pas un film doxyde tenace sont les plus faciles braser par cette technique (Ex. : cuivre). Les aciers inoxydables, laluminium ou les alliages lgers ne saccommodent pas aisment des brasures tendres. La brasure tendre a cependant certains avantages. Elle permet dutiliser des moyens de chauffage simples et elle peut tre employe lorsque des tempratures plus leves endommageraient certaines parties de lassemblage. 3. Lexemple de lacier inoxydable : Une grande quantit de chambres vide est ralise en acier inoxydable. Des soudures de qualit sont une caractristique importante de ces chambres en UHV.

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  • Les soudures doivent tre rgulires, continues, non poreuses et tous les efforts doivent tre faits pour rduire la largeur de la rgion de transition le long de chaque ct du cordon. La pntration totale est dautre part essentielle pour deux raisons : - Eviter les poches qui peuvent favoriser la rtention de gaz. - Assurer une structure mcanique saine. Avant toute soudure les pices doivent tre nettoyes comme indiqu prcdemment dans le chapitre matriaux. Une technique particulire nest pas impose. Cependant la soudure TIG est spcialement recommande. Les aciers de la srie 300 faible teneur de carbone (< 0,005 0,1 %) sont retenus. En effet haute temprature le carbure de chrome est prcipit le long des frontires de grain et il laisse des rgions susceptibles de corrosion. Le 304 dans ce cas est gnralement choisis. Il faut noter que si lacier 316 se soude tout fait bien, il peut prsenter des fuites de criques prs du bord de la zone de fonte. Lacier inox 303 qui contient du souffre pour faciliter lusinage et augmenter la rsistance au grippage, nest ni appropri au vide, ni la soudure (porosits dues ce matriau). Le procd par F.E. pour beaucoup de soudures paisses (paisseur de 5 8 mm), est recommand. Cette technique est galement suggre lorsque des tolrances mcaniques serres doivent tre respectes sur le produit fini. Pour les soudures fines (paisseur 5 mm). Le procd TIG avec projection trs soigne dargon est recommand. La polarit de travail de llectrode est normalement dans ce cas positive. Lutilisation dun matriau de remplissage nest pas souhaite, mais si cela est absolument ncessaire (pice relativement paisse sur lesquelles il a fallu pratiquer un chanfrein par exemple), il sera constitu de bandes ou de baguettes de matire identique celle soude. Lors dun soudage de 304, le 308 peut galement tre utilis pour le remplissage. Enfin, les soudures termines ne doivent pas tre polies. On peut ventuellement les brosser avec une brosse inox propre. 4. Lexemple du cuivre : Le soudage TIG en courant continu et polarit directe (Ex. :15V ;180A ; 2 passes pour une tle de 3 mm) avec un gaz protecteur argon est utilis pour des paisseurs faibles jusqu 5 mm. Une baguette de faible diamtre (2 mm) de mtal dsoxydant pour le cuivre est employe. Le soudage MIG pour les paisseurs plus importantes ncessite un prchauffage qui est fonction de lpaisseur (180 250C). Une premire passe pour assurer la pntration et ltanchit est effectue. le courant peut tre puls, les intensits, sont de lordre de 200 400A. Le mtal dapport est un fil continu dont le diamtre est de 1 21 mm. Il faut employ un gaz de protection qui est en gnral un mlange Ar 30% / He 70%. Le soudage par faisceau dlectrons (FE) constitue un procd privilgi de soudage du cuivre par fusion. Il permet de souder bord bord des paisseurs jusqu 50 mm avec un canon lectrons de puissance 60KW. Les alliages techniques sont soudables par ce procd (Glidcop par exemple).

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  • 5. Lexemple des liaisons htrognes avec le cuivre : Le soudage F.E. permet de raliser les assemblages suivants cuivre /nickel (ou alliage) ; cuivre /or ; cuivre /manganse (ou alliage) ; cuivre /platine. Les liaison cuivre /acier inoxydable par contre font apparatre, lobservation micrographique, des structures suspectes qui sont lies lincompatibilit entre le fer et le cuivre. Le brasage, du cuivre sur lui mme mais aussi du cuivre sur linox (304L, 316L ou 316LN pour les brides couteaux en raison des hautes tempratures du four), sous vide (P 10-5 mbar), est le procd le plus souhaitable. Son avantage est labsence doxydation et de raction avec le gaz libre ou le gaz du flux. Ainsi, le cuivre nest pas fragilis comme on lobserve lorsque lon brase sous hydrogne. Il ny a pas non plus sous vide de formation de CuO2 de fragilisation. Dans ce cas, le remplissage par le mlange de brasure est meilleur et on vite les fuites virtuelles. De plus, le dgazage des pices durant le brasage sous vide est favorable aux matriels destins lultravide. Les oxydes de chrome sont extrmement tenaces et durs, par consquent il faut, si la temprature nest pas suffisante, traiter linox pour permettre son brasage sous four sous vide. Il est recommand de dposer sur linox du nickel (2,6 m dpaisseur) ou du cuivre OFHC (~5m avec une sous couche de fixation de nickel ; attention ne pas dposer sur des surfaces qui devraient tre souder par la suite). Ces dpts constituent des barrires de diffusion pour la brasure. Il faut remarquer que sur linox o les dpts se font au tampon des problmes de corrosion peuvent apparatre avec le temps.

    On utilise pour ces brasures des alliages base de nickel (par exemple Ni Palladium) ; Ag Cu (ex : Alliage 720 du comptoir Lyon-Allemand Louyot 779 C - eutectique 72-28 780 C). Le systme argent / cuivre est un des plus commun utilis en brasure forte. Sur le diagramme de phase nous voyons que le point de fusion de largent pur est de 960,5C et que celui du cuivre pur est de 1083C. La temprature eutectique est elle de 779C. Si leutectique est utilis pour raliser une brasure sur du cuivre alors que la temprature est sensiblement suprieure celle de la fusion de lalliage (aux environs de 830C), de largent de la brasure migre dans le mtal support tandis que du cuivre de la pice braser se dissout dans la fonte de la brasure. Ceci nest pas sans consquences, le point de fusion de la brasure slve et la migration du Cuivre peut tre prjudiciable pour les composants trs minces. Ce changement des matriaux dans la rgion de la jonction peut tre vit en restant TE.

    La brasure or nickel (Nioro 82-18 950C) est galement couramment employe et prfre, elle ne ncessite pas en effet de traitement pralable de linox. Elle est cependant chre et lactivation de lor peut poser des problmes. Peuvent tre galement utiliss des alliages quaternaires renfermant de largent et du cuivre sans cadmium. Cela permet de faire sur un mme ensemble plusieurs cycles de brasage en descendant en temprature : (1020 XFC Castolin 560 C) ; Palcusil Ag-Cu-Pd (15 solidus 850- liquidus 900C ;10 solidus 824- liquidus 852C ; 5 solidus 807- liquidus 810C) ; alliage Au-Cu (50-50 955-970C) ; alliage Au-Cu (65-35 990C-1010C) ; alliage Ti-Cu-Ni est

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  • galement utilis. Par contre, lalliage 1802 de Castolin nest pas recommand car le cadmium provoque des corrosions long terme. Dans le cas ou un brasage au chalumeau a t malgr tout effectu, il faut supprimer le flux dcapant utilis par un brossage leau chaude et un traitement dans une solution acide approprie (cuivreux 10-15 % dacide sulfurique ; acier inox : 50% dacide chlorhydrique). Aprs cette opration, il faut liminer de lassemblage la couche doxydes par un traitement appropri (voir procdure chapitre matriaux). Parfois le cuivre est soud lacier inox mais il sagit l dun procd o seul le cuivre est fondu pour mouiller linoxydable. 5. Lexemple de laluminium : Le procd TIG et le BE sont recommands. Le soudage de laluminium nest pas acquis priori. En effet, il est difficile de souder un mtal qui fond 660 C enferm dans une gaine dalumine qui, elle, ne fond qu 2050 C (temprature proche de la temprature dvaporation de laluminium). Il faut, avant soudure, procder un brossage et un grattage trs soigneux pour liminer mcaniquement toute lalumine. En cas de soudage en courant continu, on utilise leffet de choc des lectrons pour casser la couche dalumine (intensit rduite et pice au ple ngatif), cependant on soude le plus souvent en courant alternatif. Il faut savoir que la prsence dhumidit (hydrogne provenant de leau) dans le cas de laluminium provoque des porosits de soudure qui rendent le nettoyage par la suite difficile. Par consquent, il faut procder dans tous les cas, sur des pices et dans un milieu secs. Lavidit de laluminium pour loxygne pendant le soudage doit tre bloqu par un balayage convenable dargon. Seulement quelques alliages daluminium sont soudables. Il est par ailleurs difficile de combiner convenablement les diffrentes nuances de laluminium pour soudage (Ex : diffusion du cuivre et fissuration). Laluminium trs pur type 1100 est peut tre le meilleur. Le type 6061, le plus gnralement utilis lorsquil faut combiner des qualits dusinabilit et de soudabilit, est acceptable. Dautre part, les soudures de laluminium altrent les proprits mcaniques de chaque ct du cordon, notamment lorsque certaines caractristiques sont obtenues par traitement thermique (srie 2000, 6000). Il faut donc prendre la prcaution de placer les soudures dans des zones peu sollicites. Un traitement thermique peut cependant tre envisag pour rtablir les caractristiques mcaniques initiales. De toute manire, il y a toujours une zone thermiquement affecte, zone o les caractristiques sont celles du recuit (augmentation de lcrouissage). En technique de brasage, les brasures fortes de laluminium (T > 450 C) sous atmosphre contrle ou sous vide sont l encore conseilles. Lalliage dapport a une temprature dutilisation voisine de 600 C (4045, 4004, 4104). Les mtaux de base sont ceux dont la temprature de fusion est suprieure 620 C (1050, 1100, 1200, 3003, 3105, 6060, 6063). En raison de la trs grande comptence exige pour raliser des soudures tanches de laluminium, il est le plus souvent souhaitable dviter ces conceptions. On retiendra ce matriau lorsque le savoir-faire ncessaire est disponible et que les proprits, par rapport lacier inox, le justifient ( par ex, laluminium est employ dans les systmes de vide associs aux acclrateurs ou aux racteurs parce quil ny a aucun isotope vie longue de laluminium ; il a galement des qualits videntes de conductibilit et de lgret, etc.).

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  • 6. Remarques sur les jonctions par lments filets lintrieur des enceintes vide : Dans le cas o un lment filet doit tre mis sous vide, il faut viter les volumes morts difficiles pomper. Le grippage sous vide (pntration inter mtallique), notamment pour les petits diamtres, ncessite que lon ralise sur les vis un dpt de quelques microns dun mtal ductile (argenture ou aurure) afin de permettre le dmontage ventuel Vide Vide Vide Vide Vide Vide Vide Trou Trou Trou Fente de pompage de pompage de pompage de pompage Perage de la vis. Perage fond de filet. Perage fond de filet. Fente de pompage.

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