Bras Age

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ASSEMBLAGE PAR BRASAGE

Claude PHILIP

ENSAM (CER de Bordeaux)

Objectifs du cours :

Le brasage est une technique très ancienne (bijouterie), qui est devenue une technique industrielle avec l'apparition :

de sources de chauffage permettant d'obtenir des températures élevées,d'alliage d'apport performants,des flux décapants.

C'est un moyen d'assemblage performant pouvant se substituer aux autres méthodes (rivetage, collage, soudage), à condition :

de respecter ses règles de conception et de mise en oeuvre,de connaître ses limites.

Le but de ce cours est de fournir les éléments de base pour la conception et la mise en oeuvre d'un joint brasé.

Prérequis :

Aucun prérequis

Version :

16/08/07

Assemblage par brasage Claude PHILIP - ENSAM

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SOMMAIRE

Principe du brasage p. 3Définition du brasage p. 3Mise en oeuvre du brasage p. 5Paramètres du brasage p. 7Choix du brasage p. 8

Théorie du brasage p. 10Formation du joint brasé p. 10Liaison alliage - substrat p. 14Diffusion p. 15

Préparation des joints brasés p. 17Conception des joints brasés p. 17Positionnement des pièces p. 22Opérations pré et post-opératoires p. 24

Caractéristiques des joints brasés P. 26Déformation des pièces p. 26Défauts métallurgiques p. 29Défauts géométriques p. 31

Contrôle et essais des joints brasés P. 33Généralités p. 33Contrôles avant brasage p. 33Contrôles pendant brasage p. 40Contrôles après brasage p. 40

Produits utilisés en brasage P. 42Alliages d'apport p. 42Flux et atmosphères p. 45Choix des produits de brasage p. 46

Procédés de chauffage pour le brasage P. 50Brasage à la flamme p. 50Brasage au four p. 52Brasage par induction p. 53Brasage par résistance p. 55Brasage par immersion p. 56Autres procédés p. 58

Lexique P. 59

Bibliographie P. 60


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1 PRINCIPE DU BRASAGE

Le brasage est une technique très ancienne (bijouterie), qui est devenue une technique industrielle avec l'apparition :

de sources de chauffage permettant d'obtenir des températures élevées,d'alliages d'apport performants,des flux décapants.

C'est un moyen d'assemblage performant pouvant se substituer aux autres méthodes (rivetage, collage, soudage), à condition :

de respecter ses règles de conception et de mise en oeuvre,de connaître ses limites.

1.1 Définition du brasage

La technique de brasage consiste à assembler des pièces, en général métalliques (mais aussi, des carbures, des céramiques) à l'aide d'un alliage d'apport à l'état liquide (Figure 1) :

ayant une température de fusion inférieure à celle des pièces à réunir,mouillant les surfaces des matériaux de base, qui ne participent pas par fusion à la constitution du joint.

Exemples de joints brasésFIGURE 1

La figure 2 précise les différences existant entre le soudage, le brasage et le soudo-brasage.

On parle de brasage fort quand le joint, en général pelliculaire est obtenu avec un métal d'apport dont la température de fusion est supérieure à 450°C. Dans le cas contraire (Tf < 450°C), on parle de brasage tendre.

Le soudo-brasage est une opération de brasage fort dans laquelle l'assemblage est obtenu de proche en proche par un mode opératoire analogue à celui du soudage par fusion.


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Définition du brasageFIGURE 2

Une opération de brasage comporte trois phases successives :Une phase de préparation

Cette phase a pour buts :la modification de l'état physico-chimique de la surface permettant un mouillage correct du métal d'apport,l'obtention d'une rugosité assurant un accrochage du métal d'apport,la mise en position des pièces afin d'obtenir un jeu permettant la formation du joint,la protection de la zone d'assemblage par un flux ou une atmosphère.

Une phase de brasage (fusion de l'alliage d'apport)Cette phase comprend (Figure 3) :

le chauffage des pièces à la température de brasage avec une vitesse donnée,la fusion du métal d'apport,le remplissage du joint par capillarité,le refroidissement de l'assemblage.

Une phase de parachèvementCette phase comprend essentiellement l'élimination des résidus des flux, en général corrosifs.

La qualité d'un joint brasé dépend :de l'aptitude du métal d'apport à remplir par capillarité l'espace compris entre les pièces à assembler,de la liaison entre l'alliage d'apport et les substrats.

La première condition se réalise si :l'alliage d'apport mouille correctement les surfaces des pièces à assembler,la tension superficielle de l'alliage d'apport est suffisante pour assurer le remplissage du joint.


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La liaison entre l'alliage d'apport et les substrats demande :des surfaces exemptes d'impuretés (oxydes) au moment du brasage,une température des substrats suffisante pour assurer un bon mouillage du métal d'apport,une compatibilité entre métaux de base et alliage d'apport.

Phase de brasageFIGURE 3

Lors du brasage, la liaison entre les matériaux en présence peut s'expliquer suivant différentes théories complémentaires :

accrochage mécanique lorsque les surfaces présentent des porosités ou des aspérités,liaisons métalliques pour les métaux,diffusion réciproque entre les matériaux.

Pour plus d'informations, se reporter au chapître 2.

1.2 Mise en oeuvre du brasage

1.2.1 Conception des jointsLa conception d'un joint brasé dépend de plusieurs facteurs :

Type de jointIl existe une grande variété de joints (Figure 4) que l'on regroupe en deux grandes classes : les joints bout à bout et les joints par recouvrement.Les joints par recouvrement font travailler la brasure au cisaillement et présentent dont la meilleure résistance.

MatériauxLa conception des joints dépend de la composition et des propriétés physico-chimiques des matériaux en présence.Pour le brasage de matériaux ayant des coefficients de dilatation différents, il faut concevoir le joint de telle façon à obtenir le jeu désiré à la température de brasage.


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Type de jointsFIGURE 4

Conditions d'utilisations de l'assemblageIl faut tenir compte :

des sollicitations mécaniques,de l'étanchéité du joint,de la tenue à la pression,de la conductibilité électrique.


1.2.2 Préparation des surfacesLes buts des traitements de surface sont :

l'élimination de tout agent susceptible de provoquer un mauvais mouillage de l'alliage d'apport (huile, graisse, poussière, oxyde,...) ou de provoquer une fragilité du joint (gaz adsorbé, humidité,...),l'amélioration de la rugosité de la surface,la modification chimique de la surface pour augmenter l'énergie superficielle ou améliorer la qualité de la liaison alliage d'apport-substrat.

Pour y parvenir, on peut envisager :une préparation mécanique (sablage, ponçage,...),une préparation chimique (dégraissage aux solvants, décapage,...),un décapage par ultrasons, électrolytique.



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1.2.3 Mode de chauffageLa réalisation d'un joint brasé demande la mise en oeuvre d'un cycle thermique prenant en compte :

la nature des substrats et de leurs propriétés physico-chimiques (dilatation, par exemple) et métallurgiques (trempabilité, par exemple),la nature de l'alliage d'apport et ses propriétés physico-chimiques (point de fusion, tension superficielle, par exemples),le type et la qualité du joint désiré,la série à réaliser.

Les principaux moyens utilisés sont les suivants :brasage à la flamme,brasage au four,brasage au bain de sel,brasage par induction,brasage par résistance,brasage au trempé.


1.2.4 Parachèvements et contrôlesIl est indispensable d'éliminer les résidus des flux de protection afin d'éviter une corrosion ultérieure de la pièce. Les résidus se présentent le plus souvent sous la forme d'une couche vitrifiée d'autant plus adhérente que le flux est chargé d'oxydes.Les résidus sont éliminés :

par choc thermiques,par décapage mécanique,par décapage chimique.

Le contrôle des joints brasés se fait par une ou plusieurs parmi les méthodes suivantes :examen visuel,test d'étanchéité,essai de ressuage,radiographie,essais destructifs.


1.3 Paramètres du brasage

La rupture d'un assemblage brasé peut se produire suivant les trois modes suivants (Figure 5) :

rupture dans les matériaux de base (substrat),rupture dans l'alliage d'apport,rupture à l'interface substrat-alliage d'apport.

A partir de ces constatations, les principaux paramètres conditionnant la tenue mécanique et la qualité d'un assemblage peuvent être classés en trois catégories :

Les substratsLes caractéristiques à prendre en compte pour la qualité de l'assemblage sont :

la nature du matériau (composition chimique),les propriétés physiques (coefficient de dilatation, point de fusion,...),


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les propriétés métallurgiques (trempabilité,...),les propriétés mécaniques.

Le procédé de brasageLes caractéristiques à prendre en compte pour la qualité de l'assemblage sont :

le type de chauffage (nature, puissance) et le cycle thermique obtenu (vitesse de chauffage, température maxi, temps de maintien, vitesse de refroidissement),la protection du joint (nature, quantité ou débit, mode d'application),la nature de l'alliage d'apport, ses propriétés physico-chimiques (viscosité, tension superficielle,...) et mécaniques (limite au cisaillement,...).

L'assemblageLa tenue de l'assemblage dépend également :

de la conception du joint (bout à bout, recouvrement, emmanchement,...),de la géométrie du joint (valeur du jeu, recouvrement,...),de l'état de surface (rugosité, énergie de surface,...).du type de sollicitation lié à la conception de l'assemblage (cisaillement, pelage, clivage,...).

Type de rupturesFIGURE 5

1.4 Choix du brasage

1.4.1 Avantages du brasageMatériaux brasésLe brasage permet l'assemblage de matériaux très différents :

Métaux et alliagesMétaux fragiles (métaux frittés)Métaux à bas point de fusion difficiles à souder

Le brasage permet l'assemblage de matériaux dissemblables (métaux entre eux, métaux avec céramique,....)


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Propriétés recherchéesLe brasage permet la réalisation d'assemblage présentant des propriétés spécifiques :

Intégrité des élémentsLe brasage n'entraîne ni perforation des pièces (rivetage,...), ni déformation importante (soudage), ni fort dommage métallurgique (soudage).Amélioration de la tenue à la fatigueContinuité électriqueRéalisation de joints étanches

Formes et dimensionsLe brasage permet la réalisation des assemblages suivants :

RecouvrementEncastrement

Impératifs économiquesAu niveau économique, le brasage permet :

Une réduction du coût de fabrication.Cette réduction est obtenue par :

une simplification de la conception des pièces,la suppression de certains usinages de précisions,une mise en oeuvre rapide et automatisable,une diminution du coût de la main d’œuvre.

Une reproductibilité satisfaisante permettant la fabrication en série.La possibilité de réaliser plusieurs brasures en une seule opération et de combiner brasage et traitements thermiques.L'amélioration de l'esthétique par suppression des points de soudure, des têtes de rivets, des déformations,...

1.4.2 Limites du brasageLes limites du brasage sont les suivantes :

Propriétés recherchéesLe brasage n'est pas utilisable pour les conditions de services suivantes :

isolation électrique ou thermique nécessaire,assemblage démontable.

Le démontage est toujours possible par chauffage du joint, mais il est fortement déconseillé.

Types de jointLes joints entraînant des surfaces de brasage trop faibles sont à éviter :

Assemblage en bout ou en anglePièces déformables

Impératifs de production L'utilisation du brasage peut être limité par les considérations suivantes :

mise en position des pièces précise,préparation des surfaces avant et après brasage,risque de toxicité.


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2 THEORIE DU BRASAGE

La connaissance des mécanismes fondamentaux régissant le brasage est importante car elle permet :

de maîtriser la réussite ou non d'une opération de brasage,de comprendre l'influence des paramètres du brasage.

2.1 Formation du joint brasé

La technique de brasage consiste à assembler des pièces, en général métalliques (brasage des carbures, des céramiques) à l'aide d'un alliage d'apport à l'état liquide (figure 6) :

ayant une température de fusion inférieure à celle des pièces à réunir,mouillant les surfaces des matériaux de base, qui ne participent pas par fusion à la constitution du joint.

La qualité d'un joint brasé dépend :de l'aptitude du métal d'apport à remplir par capillarité l'espace compris entre les pièces à assembler,de la liaison entre l'alliage d'apport et les substrats.

La première condition introduit les notions de mouillage et de capillarité. La liaison entre l'alliage d'apport et les substrats demande une compatibilité entre métaux de base et alliage d'apport.

Lors du brasage, la liaison entre les matériaux en présence peut s'expliquer suivant différentes théories complémentaires :

accrochage mécanique lorsque les surfaces présentent des porosités, des aspérités,liaisons métalliques pour les métaux,diffusion réciproque entre les matériaux.

BrasageFIGURE 6

2.1.1 MouillabilitéLors du brasage, trois phases sont en présence :

la phase solide représentée par la pièce à braser,la phase liquide constituée par l'alliage en fusion,la phase vapeur ou l'atmosphère de brasage.


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Les interactions moléculaires entre ces phases prises deux à deux sont les tensions superficielles appelées :

γsl pour la phase solide-liquide,γlv pour la phase liquide-vapeur, γsv pour la phase solide-vapeur.

γlv Energie superficielle du liquide ou tension superficielleElle caractérise l'aptitude qu'à la surface d'un liquide à prendre la plus petite valeur possible dans un milieu donné. Elle caractérise également la cohésion du liquide puisqu'il faut vaincre les forces de cohésion internes de celui-ci pour accroître cette surface.Mécaniquement, elle s'exprime comme une force s'opposant à un accroissement de surface et rapportée à l'unité de longueur. L'unité utilisée est le N/m.

γsv Energie de surface du solideElle représente la quantité de travail qu'il a fallu dépenser pour créer ladite surface (travail correspondant à la rupture des liaisons atomiques), la température et la pression étant constantes.Elle s'exprime en J/m2 (unité différente, mais même dimension).

L'équilibre entre les forces inter-phase se concrétise par la formation d'un ménisque (figure 7) et se traduit par la formule de Young :

γsv + γsl + γlv = 0

L'angle θ formé par la surface du solide et du liquide à leur point extrême de contact est l'angle de mouillage.La projection verticale des forces s'écrit :

γsv - γsl - γlv.cos θ = 0

d'où :

cos θ = (γsv - γsl) / γlv

MénisqueFIGURE 7


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De la formule précédente, on peut tirer les premières conclusions suivantes :L'énergie de surface doit être la plus grande possible.Elle dépend du matériau, de l'état de surface (propreté, présence d'oxydes,...), de l'action du flux, des phénomènes de diffusion, de la température de brasage.La tension superficielle de l'alliage d'apport doit être la plus faible possible.Elle dépend de la composition chimique, des phénomènes de diffusion, de la température de brasage.

L'angle θ formé par le ménisque est représentatif du mouillage et donne la qualité de brasabilité.

Différentes méthodes sont utilisées pour déterminer la mouillabilité. Toutes donne des indications en fonction des quatre paramètres fondamentaux :

l'alliage d'apport,le flux,la température de l'alliage,le temps de brasage.

2.1.2 Coefficient d'étalementOn peut caractériser le pouvoir mouillant d'un alliage en provoquant l'étalement de l'alliage d'apport (figure 8) sur un substrat plan dans des conditions bien définies.Le coefficient d'étalement δls (Pression et température constante) du liquide sur la surface solide est déterminé par :

δls = γsv - γsl - γlv

Si δls > 0, le liquide s'étalera spontanément. Si δls < 0, le liquide ne s'étalera pas.

Etalement de la goutteFIGURE 8

2.1.3 MouillabilitéL'énergie d'attraction entre les diverses phases en équilibre détermine l'énergie d'adhésion.

Wad = γsv + γlv - γsl

Wad = γlv (1 + cos θ)

L'énergie d'adhésion à l'interface alliage liquide / substrat peut être considéré comme étant l'énergie nécessaire pour séparer les deux phases.


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2.1.4 Action capillaireLorsqu'on immerge partiellement une éprouvette dans un bain d'alliage en fusion, elle est soumise à un ensemble de force dû à la poussée d'archimède FA et aux diverses tensions superficielles FM en présence.

F = FM - FA

F = γlv . l . cos θ - ρ.v.g

cos θ = (F + ρ.v.g) / (γlv . l)avec :

θ angle de mouillageρ masse volumique de l'alliagev volume immergé de l'échantillong accélération terrestreγlv tension superficielle liquidel périmètre de l'échantillon

La valeur de cette force est représentative de l'angle de mouillage θ et par conséquent de la brasabilité.

2.1.5 Remontée capillaireL'action capillaire est la force motrice de formation des joints. Le mouvement de l'alliage d'apport est influencé par la viscosité de l'alliage et par le jeu capillaire.La loi de Jurin donne la hauteur d'ascension de l'alliage entre deux parois (figure 9).

h = 2. γlv.cos θ / J.ρ.g

avec :γlv tension superficielle liquideθ angle de mouillageJ jeu capillaire à chaudρ masse volumique de l'alliageg accélération terrestre

Remontée capillaireFIGURE 9


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La durée de remontée t est donnée par la loi

t = 3µ / γlv.cos θ.J.h3

avec :µ viscosité de l'alliage liquide

2.2 Liaison alliage – substrat

2.2.1 Liaison métalliqueDès le contact entre l'alliage et le substrat, il s'établit entre eux une liaison de type métallique (figure 10) à condition que l'état de surface le permette. Les atomes des métaux ayant peu d'électrons périphériques, mettent ces derniers en commun, mais ils ne possèdent pas assez d'électrons périphériques pour assurer une couche électronique complète. Il existe alors un nuage d'électrons sautant d'une orbite à l'autre.

Liaison métalliqueFIGURE 10

2.2.2 Accrochage mécaniqueLors du brasage, il se produit un accrochage mécanique entre l'alliage et le substrat (figure 11). Cet accrochage est fonction de la rugosité de la surface du substrat.Une augmentation de la rugosité est positive, tant que les creux sont parfaitement mouillés

Accrochage mécaniqueFIGURE 11


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2.3 Diffusion

2.3.1 Phénomène de diffusionLe brasage s'accompagne, le plus souvent, d'un phénomène de diffusion de l'alliage d'apport dans le métal de base et surtout du métal dans l'alliage d'apport. Ce phénomène se traduire par la formation d'un nouvel alliage : l'alliage de liaison (figure 12).La formation d'un alliage de liaison peut, suivant le cas, se traduire par :

une amélioration des caractéristiques mécaniques du joint (brasage-diffusion des alliages de titane, par exemple),une augmentation du point de fusion de l'alliage de liaison par rapport à l'alliage d'apport.

Mais, aussi par :une diminution du mouillage de l'alliage de liaison avec pénétration incomplète dans le joint,une fragilité du joint par formation de composés définis fragile (brasage longue durée du cuivre avec l'étain, par exemple).

DiffusionFIGURE 12

La cinétique de formation de cet alliage de liaison est donnée par les lois de Fick. L'épaisseur de diffusion est donnée par la loi approchée :

tDx .α=avec :

D coefficient de diffusion (cm2/s) fonction de :o l'élément diffusant,o de la température.

t temps de diffusion (s)

L'épaisseur de la couche d'alliage de liaison dépend donc :de la composition du métal de base,de la composition de l'alliage d'apport,de la température de brasage,de l'épaisseur de l'alliage d'apport.

La figure 13 montre la variation de la couche d'alliage de liaison en fonction de différents paramètres dans le cas du brasage d'un alliage à base de titane.


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Couche de liaisonFIGURE 13

2.3.2 Brasage-diffusionCe phénomène est recherché dans le cas du brasage-diffusion (figure 14) et comprend :

la dilution du métal de baseLes atomes du métal de base diffusent dans l'alliage d'apport en créant un alliage de liaison à point de fusion plus élevée.

la solidification isothermeLa concentration de l'alliage d'apport évolue par diffusion ainsi que son point de fusion. On assiste alors à une solidification de l'alliage de liaison jusqu'au centre du joint.

l'homogénéisation en phase solideOn assiste à une homogénéisation de la composition du joint par diffusion en phase solide.

Brasage-diffusionFIGURE 14


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3 PREPARATION DES JOINTS BRASES

La résistance, la qualité et le coût d'un joint brasé dépend :De sa conception. Les joints brasés ne doivent pas être la simple transposition de joints soudés, mais doivent être étudiés en fonction des spécificités du brasage.Du positionnement des pièces. L'alliage d'apport remplissant le joint par capillarité, il est important d'assurer un jeu précis et constant au cours du brasage, pour cela les pièces doivent être mises en position de façon correcte.Des préparations des surfaces avant et après brasage.

3.1 Conception des joints brasés

La conception du joint à braser dépend de plusieurs facteurs :du type de jointde la composition et des propriétés physico-chimiques des matériaux de base et alliage d'apport,des conditions d'utilisation.

3.1.1 Répartition des contraintesLa forme du joint doit être telle :

que le joint ne travaille ni en traction, ni en flexion,que les concentrations de contraintes soient évitées.

Les joints doivent être étudiés pour le brasage. La figure 15 permet une comparaison entre joints étudiés pour le soudage et les joints équivalents en brasage.

Les changements de section sont à proscrire à cause :des risques de rupture au niveau du joint dans les cas de sollicitations dynamiques,de la difficulté d'obtenir un chauffage uniforme dans les pièces à assembler.

La figure 16 donne quelques exemples de conception de joints brasés.

3.1.2 Types de joint 3.1.2.1 Joints bout à bout

Les joints bout à bout sont à éviter, car :ils présentent une section résistante faible,des concentrations de contraintes apparaissent lors du retrait du métal d'apport.

Il est préférable de remplacer ce type de joint soit par un double recouvrement, soit par un assemblage en biseau (Figure 17).Toutefois en soudo-brasage, il est possible de réaliser des assemblages bout à bout.


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Comparaison entre joints soudés et joints brasésFIGURE 15

Joints brasésFIGURE 16


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Joints bout à boutFIGURE 17

3.1.2.2 Joints d'angle

Pour les mêmes raisons que précédemment, on évite les joints d'angle sur bords droits. La figure 18 indique les différentes préparations pour les assemblages d'angle.

Joints d'angleFIGURE 18

3.1.2.3 Joints par recouvrement

Le joint par recouvrement est le plus résistant et il permet de faire varier la surface active et donc sa résistance.On fera attention (figure 19) :

aux variations brusques de section (risque de concentration de contraintes et de rupture),au risque de pelage lié à l'excentration des efforts.

3.1.2.4 Joints agrafés

Utilisés surtout en brasage tendre, les joints agrafés permettent :un auto-positionnement lors de la réalisation du brasage,une augmentation de la résistance (effet mécanique).

La figure 20 montre quelques exemples de joints agrafés.


20

Joints par recouvrementFIGURE 19

Joints agrafésFIGURE 20

3.1.2.5 Joints par emboîtement

Ce type de joint (Figure 21) est particulièrement adapté au brasage avec l'utilisation d'alliage d'apport préformé.

Joints par emboîtementFIGURE 21

On fera attention aux points suivants :On évitera un parcours trop important (Figure 22) au métal d'apport,On prévoira un jeu uniforme (Figure 23). Tout élargissement provoque l'arrêt de la remontée capillaire de l'alliage d'apport,Des chanfreins seront prévus aux extrémités du joint, mais évités à l'intérieur (Figure 23),On évitera les changements brusques de section,On prévoira des évents pour l'évacuation des gaz provenant de la décomposition des flux (Figure 24).


21

ParcoursFIGURE 22

Jeu et chanfreinsFIGURE 23


22

EventsFIGURE 24

3.2 Positionnement des pièces

3.2.1 JeuLe jeu entre pièces détermine l'épaisseur du joint et son influence est considérable sur la qualité de celui-ci.Il faut faire la distinction entre (Figure 25) :

le jeu Jb à la température de brasage Tb, qui détermine la remontée capillaire de l'alliage d'apport,le jeu à froid J0 à la température ambiante T0 obtenu par usinage et positionnement des pièces.

Détermination du jeuFIGURE 25

Brasage de métaux identiquesOn passe de l'un à l'autre par la relation :

α+= ∫

bT

0T0b dT.1JJ

En prenant un coefficient de dilatation moyen α :

Jb = J0 + α (Tb - T0)


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Brasage de métaux différentsDans ce cas, il faut tenir compte de la différence de coefficient de dilatation α1 et α2 :

( )∫ α+α+=bT

0T22110b dT.rrJJ

De même :

Jb = J0 + (Tb - T0) (α1r1 - α2r2)

On constate que :si α1r1 > α2r2 le jeu augmente et peut devenir excessif au cours du chauffage,si α1r1 < α2r2 le jeu diminue et peut devenir insuffisant au cours du chauffage. Au cours du refroidissement l'a subit un allongement avec risque de rupture

Le deuxième cas étant plus critique, on a intérêt à situer le matériau le plus dilatable à l'extérieur de l'assemblage.

3.2.2 Positionnement – montageLe positionnement des pièces en cours de brasage peut être réalisé :

par un auto-positionnement des pièces faisant appel (Figure 26) :à la gravité et à un centrage,à une fixation par expansion,à une fixation par rivetage,à une fixation par agrafage,à une fixation par sertissage.

par l'utilisation de montages de brasage (Figure 27).

Auto-positionnementFIGURE 26


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Exemple de montage pour brasage au fourFIGURE 27

3.3 Opérations pré et post opératoires

3.3.1 Préparation des surfacesL'efficacité des flux, en ce qui concerne les oxydes existants, est faible. Il est absolument nécessaire d'avoir des surfaces propres désoxydées. La préparation des surfaces comporte donc les opérations suivantes :

DégraissageLe but de l'opération est d'éliminer :

les matières grasses (huiles, graisses,...),les poussières et autres particules peu adhérentes en ajoutant une action mécanique au dégraissage (jet de vapeur, brossage,...).

Pour cette opération, deux catégories d'agents dégraissants peuvent être utilisés :les solvants organiques (trichloréthylène, perchloréthylène, trichloréthane,...)Les méthodes d'application sont les suivantes :

dégraissage en phase vapeur (avec ou sans ultrasons),dégraissage au trempé (avec ou sans ultrasons),dégraissage par aspersion,dégraissage au chiffon.

les produits alcalins (solution de soude, phosphate, carbonate,...)L'application peut se faire :

dégraissage au trempé,dégraissage par aspersion,dégraissage au chiffon.


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DécapageLe décapage a pour but :

de modifier la rugosité des supports (décapage mécanique),d'éliminer couches d'oxydes adhérentes.

Les moyens utilisés sont les suivants :

décapage mécaniqueOn trouve dans cette catégorie :

le brossage et le meulage manuel,le grenaillage, le sablage.

décapage chimiquedécapage électrolytiquedécapage aux ultrasons

3.3.2 Elimination des fluxIl est indispensable d'éliminer les résidus des flux de protection afin d'éviter une corrosion ultérieure de la pièce. Les résidus se présentent le plus souvent sous la forme d'une couche vitrifiée d'autant plus adhérente que le flux est chargé d'oxydes.Les résidus sont éliminés :

par choc thermiques,par décapage mécanique,par décapage chimique.


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4 CARACTERISTIQUES DES JOINTS BRASES

La présence de défauts dans les assemblages brasés influencent de façon importante leur comportement, en particulier mécanique sous charge statique ou dynamique.L'apparition des défauts est lié :

soit à la préparation des assemblagessoit à leurs exécutions.

Les moyens de détection et de prévention sont liés à la connaissance de leur forme, de leur répartition, de leur zone d'apparition, à leur orientation dans les joints

Le présent paragraphe décrit succinctement :les principaux défauts,leurs principales causes,les moyens pour les éviter.

Les divers défauts dans les assemblages brasés ont des formes et des postions très diverses. Pour ces raisons, ils existent plusieurs classifications possibles des défauts dans les assemblages brasés. Dans ce qui suit nous donnons la description de quelques défauts, il ne s'agit pas d'une liste exhaustive.

4.1 Déformations des pièces

Au cours du brasage, les assemblages peuvent être le siège de contraintes, qui ont pour origines :

4.1.1 Assemblages hétérogènesDans le cas d'assemblage hétérogène et même avec un chauffage homogène, le brasage induit des contraintes internes résiduelles (Figure 28).

Au cours du chauffage, on constate une différence de dilatation entre les matériaux de base, mais sans contraintes les pièces n'étant pas liées entre elles.Au cours du refroidissement et jusqu'à la température où l'a devient élastique, les contractions se font librement et les contraintes dans l'assemblage sont quasiment nulles.En dessous de cette température, le joint brasé devient rigide, les retraits sont entravés et des contraintes apparaissent.

4.1.2 Origine thermiqueElles sont dues à l'apparition de gradients de température liés à un chauffage non homogène de l'assemblage lié soit au principe même du chauffage (induction par exemple), soit à un chauffage trop rapide (Figure 29).

Au cours du chauffage, les parties les plus chaudes et, par la même les plus malléables, sont bridées par les parties froides plus rigides. Elles subissent donc des contraintes de compression entraînant des déformation plastiques.Au cours du refroidissement, ces déformations plastiques entraînent dans l'assemblage des contraintes résiduelles.


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Assemblage hétérogèneFIGURE 28

Contraintes d'origine thermiqueFIGURE 29

4.1.3 Les transformations de structures dans les substratsLors du refroidissement, certaines parties de l'assemblage peuvent subir des transformations de structures, qui comme la transformation martensitique (Figure 30), s'accompagnent de variations de volume qui génèrent des contraintes dans le matériau.


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Contraintes d'origine métallurgiqueFIGURE 30

La présence de contraintes résiduelles dans les assemblages brasés peut se traduite par les effets suivants :

déformation de l'assemblage soit après brasage, soit après libération des contraintes. La figure 31 montre un exemple de déformation d'une lame acier-carbure après brasage, les tableaux 1 et 2 donnant les propriétés des matériaux et les résultats de calcul..risque de fissuration dans les pièces sollicitées en traction.

Déformations au cours du brasageFIGURE 31


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Propriétés des matériaux

Module d'élasticité

(MPa)

Coefficientde Poisson

Coefficient dedilatation

/°c

AcierCarbureAlliage d'apport

21000060000060000

0,30,30,3

1268

Propriétés des matériauxTABLEAU 1

Contraintes et déformations

Epaisseurdu joint(mm)

Contraintesdans le carbure

(MPa)

Contraintesdans l'acier

(MPa)

Contraintesdans l'alliage

(MPa)

Flèche

(mm)

0,10,150,20,25

563523523

465428385357

> Re205201201

8,53,122,142,12

Contraintes et déformationLame de cisaille longueur 400 mm

TABLEAU 2

4.2 Défauts métallurgiques

4.2.1 Fragilisation du joint 4.2.1.1 Formation d'alliage fragile

La diffusion de l'alliage d'apport dans le matériaux de base et vice versa peut présenter les inconvénients suivants :

Formation d'un alliage à haut point de fusion, mais dont la viscosité est faible à la température de brasage. L'écoulement de l'alliage dans le joint risque d'être bloqué.Formation d'un alliage poreux (brasage du Cu à l'étain) dont la résistance est plus faible que l'alliage d'apport.Fragilisation de l'assemblage par pénétration d'un composé métallique à bas point de fusion dans les joints de grain du matériau de base.Formation de composés intermétalliques fragiles.Altération de la couleur du métal de base (brasage de l'or).

4.2.1.2 Liquation

Cet inconvénient se produit avec les alliages d'apport ayant un large intervalle de fusion.Une fraction (celle à bas point de fusion) de l'alliage d'apport fond d'abord, emplissant le joint par capillarité, laissant un résidu solide (à point de fusion élevé). Ce phénomène diminue l'homogénéité et la résistance du joint.Chaque fois que l'on utilise un tel alliage d'apport, il convient d'utiliser un chauffage rapide (induction, résistance).

4.2.1.3 Vaporisation


30

Les éléments possédant une tension de vapeur élevée, comme le zinc ou le cadmium ne peuvent entrer dans la composition de l'alliage d'apport dans le cas du brasage sous vide. En effet, dans ce cas là, on assisterait à la vaporisation de ces éléments avec pour conséquences:

la formation de vapeurs métalliques nocives,la pollution du vide,la perte de ces éléments.

4.2.2 Fragilisation des substrats 4.2.2.1 Traitements thermiques du substrat

Le substrat subit au moment du brasage un cycle thermique qui peut entraîner suivant le cas :un durcissement du matériau avec risque de tapures (cas des aciers faiblement alliés avec refroidissement rapide),un adoucissement par revenu des matériaux durcis (aciers trempés par exemple), soit par recristallisation des matériaux écrouis (tube en cuivre par exemple).

Dans les deux cas, le brasage introduit une hétérogénéité de structure dont il faut tenir compte. Cet inconvénient peut être limité par :

un cycle thermique optimisé (température de brasage et vitesse de refroidissement),un traitement post-brasage.

4.2.2.2 Fragilisation par l'hydrogène

L'absorption, lors du brasage d''hydrogène peut provoquer chez certains matériaux (cuivre électrolytique, argent, palladium) non désoxydés une réduction des oxydes. La vapeur d'eau résultant de cette réduction provoques des contraintes internes et des criques.Dans une moindre mesure, certains aciers peuvent également fragiliser par accumulation d'hydrogène.

4.2.2.3 Fragilisation par le souffre

Le nickel et certains alliages à haute teneur de nickel peuvent être fragilisés par le souffre ou par des composés sulfureux. Il se forme aux joints de grains, un sulfure de nickel qui fond à basse température et fissure sous contrainte.Le brasage de ces matériaux doit donc s'effectuer avec des surfaces propres (exempte d'huile, graisse, peintures,...) et dans une atmosphère exempte de souffre.

4.2.2.4 Fissuration sous tension

Les alliages contenant du nickel (aciers inoxydables, cupro-nickel,...) risquent de criquer au moment où ils sont mis en contact avec l'alliage d'apport, si les pièces sont sous contrainte. Ce phénomène est une corrosion sous tension dans laquelle l'alliage d'apport fondu est l'agent corrodant.La mise sous contrainte des pièces provient :

d'une mise en forme à froid antérieure au brasage,de contraintes induites par le montage de brasage,de contraintes thermiques induites par un chauffage non homogène.

On peut éviter ce type de défaut en :recuisant les pièces formées à froid,diminuant les contraintes induites par le montage (conception du joint et des pièces),chauffant lentement et de façon uniforme les pièces,utilisant un alliage d'apport approprié, présentant une certaine solubilité dans le métal de base.


31

4.2.2.5 Précipitation de carbures

Les alliages contenant du Cr et du carbone (aciers inoxydables par exemple) donnent lieu à une précipitation de carbure de Cr, lorsqu'ils sont chauffés entre 480 et 700°c. L'appauvrissement local en Cr, au voisinage des joints de grains, rend le matériau sensible à la corrosion intergranulaireOn évite ce phénomène :

en utilisant des aciers à basse teneur en carbone,en utilisant des aciers stabilisés au titane ou au nobium,en pratiquant une hypertrempe des aciers (Chauffage 1200°c, refroidissement rapide), technique difficilement applicable pour les assemblages brasés.

4.3 Déformations géométriques

4.3.1 Défauts de remplissageLes défauts de remplissage du joint diminuent la surface active et donc la résistance du joint. Les plus courants sont les suivants :

4.3.1.1 Manque de mouillage de l'alliage d'apport

L'alliage d'apport ne mouille pas les surfaces. Il forme des gouttelettes et ne pénètre pas dans le joint.Ce défaut provient :

d'une mauvaise préparation des surfaces,d'un flux mal adapté ou détérioré,d'une température mal adaptée.

4.3.1.2 Manque de pénétration de l'alliage d'apport

L'alliage d'apport mouille les surfaces, forme un congé à l'entrée du joint , mais ne pénètre pas dans toute la profondeur du joint.Ce défaut peut provenir :

d'une mauvaise conception de l'assemblage :d'un jeu incorrect (trop important ou trop étroit),congé ou chanfrein interne bloquant la progression du métal.

d'un mauvais mouillage de l'alliage d'apport sur les substrats, lié à :une mauvaise préparation des surfaces (présence d'oxydes),un flux mal adapté,un alliage d'apport impropre,une température de brasage trop faible,une température trop forte provoquant la détérioration du flux.

4.3.1.2.1 Fuite de l'alliage d'apport

L'alliage d'apport coule à l'extérieur du joint, au lieu de pénétrer et de remplir le joint.Ce défaut peut provenir :

d'un alliage d'apport mal choisi ou mal placé,d'un flux mal adapté ou détérioré,d'une mauvaise conception de l'assemblage :

d'un jeu incorrect (trop important ou trop étroit),absence de congé ou de chanfrein à l'enttrée du joint,d'une température ou d'une durée de chauffe mal adaptée.


32

4.3.1.2.2 Excès ou manque d'alliage d'apport

Ce défaut peut provenir :d'une mauvaise détermination du volume du joint à chaud,d'une déformation du joint.

4.3.2 Défauts de compacitéLes défauts de compacité du joint diminuent la surface active et introduisent des éléments de concentration de contrainte. Les plus courants sont les suivants :

porosités dans le joint,inclusions de flux.

Les principales causes de ces défauts sont :d'un alliage d'apport mal choisi ou mal placé,d'un flux mal adapté ou détérioré,d'une mauvaise conception de l'assemblage,une température ou d'une durée de chauffe mal adaptée.

4.3.3 Fusion du métal de baseAu cours du brasage, le métal de base peut fondre dans les cas suivants :

formation, par diffusion avec l'alliage, d'apport d'un alliage à bas point de fusion,chauffage excessif de l'assemblage.

4.3.4 Défauts de positionAu cours du brasage, on peut assister à un mouvement relatif des pièces entraînant des défauts dans le positionnement des pièces. Ces mouvements relatifs peuvent être dus :

à l'absence de montage de positionnement,à la déformation à haute température des pièces sous leur propre poids ou sous les sollicitations provenant des montages,à la libération de contraintes résiduelles, provenant d'une mise en forme préalable par exemple.


33

5 CONTROLE ET ESSAIS DES JOINTS BRASES

Dans une construction brasée, la détection des défauts et l'évaluation de leur gravité sont indispensables. Il est nécessaire de mettre en place une procédure de contrôle avant, pendant et après le brasage.Pour cela, il faut :

choisir un moyen de contrôle en fonction du matériau, de la construction et des défauts à détecter,interpréter les résultats de ces essais.

5.1 Généralités

5.1.1 DéfinitionsContrôleVérification de la conformité d'un joint brasé à des données pré-établies, suivie d'un jugement. Le contrôle peut entraîner :

une activité d'information,une décision,des actions correctives.

ContrôleurPersonne physique chargée d'effectuer les opérations de contrôles. Elle peut dépendre du constructeur, du responsable du marché ou d'un organisme extérieur spécialisé.

InspectionActivité de surveillance s'exerçant dans le cadre d'une mission définie.

5.1.2 Principes du contrôleLa qualité des joints brasés dépend de :

la bonne application du procédé de brasage,la brasabilité métallurgique du métal de base,la qualité des produits d'apport,la préparation des pièces avant brasage,la conception des montages de brasage,....

Le contrôle doit s'effectuer sur toutes ces fonctions et à tous les stades de la fabrication de l'ensemble brasé, c'est à dire :

à la conception et la préparation de la fabrication,avant la fabrication (réception des produits, traitements de surface...),en cours de fabrication,avant parachèvement de la construction,après fabrication complète (traitements thermiques, usinage,...).

5.2 Contrôles avant brasage

Ils concernent toutes les mesures à prendre afin d'assurer une bonne exécution de la construction. Il s'agit essentiellement d'essais destinés à la mise au pont de point de l'opération de brasage.


34

5.2.1 Test de mouillabilitéLors du brasage, trois phases sont en présence, la pièce à braser (phase solide), l'alliage en fusion (phase liquide), l'atmosphère de brasage (phase vapeur). L'équilibre entre les forces inter-phase se concrétise par la formation d'un ménisque (Figure 32) et se traduit par la formule de Young :

γsv + γsl + γlv = 0

d'où :

cos θ = (γsv - γsl) / γlv

MénisqueFIGURE 32

L'angle θ formé par le ménisque est représentatif du mouillage et donne la qualité de brasabilité. Le tableau 3 donne la classe de brasabilité en fonction de l'angle θ pour le brasage tendre (Norme A 89-400).

Classe debrasabilité

Angle demouillage

1234

< 30°< 40°< 50°< 55°

BrasabilitéTABLEAU 3

Différentes méthodes sont utilisées pour déterminer la mouillabilité. Toutes donne des indications en fonction des quatre paramètres fondamentaux :

l'alliage d'apport,le flux,la température de l'alliage,le temps de brasage.


35

5.2.1.1 Etalement de la goutte

On peut caractériser le pouvoir mouillant d'un alliage en provoquant l'étalement de l'alliage d'apport (Figure 33) sur un substrat plan dans des conditions bien définies.L'analyse ne peut être que qualitative, mais permet malgré tout d'exprimer le degré d'étalement.

Etalement de la goutteFIGURE 33

5.2.1.2 Remontée capillaire

Afin de déterminer la remontée capillaire d'un alliage dans un joint, on utilise une éprouvette à jeu variable (Figure 34), définie par la norme NF A 89-410.

Eprouvette à jeu variableFIGURE 34


36

Une éprouvette détermine entre deux surfaces cylindriques un jeu variable. Une quantité d'alliage suffisante ainsi que le flux sont disposés au pied de l'éprouvette. L'ensemble est porté de façon uniforme à la température de brasage.Après brasage, l'éprouvette est soumise à un examen :

par radiographie pour déterminer les hauteurs de remontée d'alliage (Figure 35) et les défauts de compacité,par micrographie pour déterminer les structures et duretés.

Remontée capillaireFIGURE 35

5.2.1.3 Méniscographie

Lorsqu'on immerge partiellement une éprouvette dans un bain d'alliage en fusion, elle est soumise à un ensemble de force dû à la poussée d'archimède et aux diverses tensions superficielles en présence.

F = FM - FA

avec :F force résultante enregistréeFM force de mouillageFA poussée d'Archimède

Donc :F = γlv . l . cos θ - ρ.v.g

cos θ = (F + ρ.v.g) / (γlv . l)

avec :θ angle de mouillageρ masse volumique de l'alliagev volume immergé de l'échantillong accélération terrestreγlv tension superficielle liquidel périmètre de l'échantillon


37

L'enregistrement de la résultante de ces forces est représentatif du ménisque, donc de l'angle de mouillage q et par conséquent de la brasabilité.L'éprouvette, suspendue à l'extrémité d'un capteur de force (figure 36), est plongée suivant un cycle préétabli dans le bain de liquide. La profondeur et la durée d'immersion sont réglables. La figure 37 montre les divers enregistrements obtenus avec cette méthode.

Schéma d'un méniscographeFIGURE 36

Enregistrements d'un méniscographeFIGURE 37

MéniscométrieLorsqu'on immerge partiellement une éprouvette dans un bain d'alliage en fusion, il se produit après un premier temps de répulsion, une remontée de l'alliage le long de l'éprouvette (formation d'un ménisque). La valeur de cette remontée est caractéristique du mouillage.


38

h2 = 2. γlv.(1 - sin θ) / ρ

sin θ = 1 - (ρ.h2 / 2. γlv)

avec :γlv tension superficielle liquideθ angle de mouillageh hauteur du ménisque au-dessus du niveau du bainρ masse volumique de l'alliage

La figure 38 montre le dispositif de mesure d'un méniscomètre.

Schéma d'un méniscomètreFIGURE 38

5.2.2 Essais mécaniquesLa résistance d'un joint brasé ne dépend pas uniquement des caractéristiques de l'alliage d'apport, mais aussi d'un certain nombre de paramètres :

composition et résistance du métal de basecaractéristique du joint (type, jeu, état de surface,...),flux utilisé,technique de brasage.

La norme NF A 89-420 précise les essais permettant de déterminer :pour les brasures fortes,

la résistance à la traction instantanée à froid ou à chaud,la résistance instantanée au cisaillement à froid ou à chaud,la résistance au cisaillement au fluage à chaud,

pour les brasures tendres,la résistance instantanée au cisaillement à froid ou à chaud,la résistance au cisaillement au fluage à froid ou à chaud.

La figure 39 montre un type d'éprouvette pour les essais mécaniques des joints brasés.La norme NF A 89-421 définit les éprouvettes destinés à mesurer le résistance d'accrochage par traction de joints soudobrasés.


39

Eprouvette pour essais mécaniques des joints brasésFIGURE 39

5.2.3 Contrôle des alliages d'apportEn dehors des essais précédents, où l'alliage d'apport joue un rôle important, le contrôle des alliages d'apport peut demander :

l'analyse chimique de l'alliage d'apport,la détermination des caractéristiques intrinsèques de l'alliage d'apport,la mesure de la viscosité,des essais de refusion,....

5.2.4 Contrôle des fluxComme pour l'alliage d'apport, des essais complémentaires sont nécessaires pour caractériser les flux, comme :

l'analyse chimique du flux,le dosage des matières non volatiles,le pouvoir corrosif des flux,la solubilité des résidus des flux,la granulométrie,la viscosité,....


40

5.3 Contrôles pendant le brasage

5.3.1 Contrôle de la préparation des élémentsLe contrôle doit permettre de vérifier :

la qualité des matériaux,l'état de surface et la géométrie des pièces à assembler,le positionnement des pièces à assembler, le jeu principalement,les défauts de préparation,la nature des alliages d'apport et leur mise en place,la nature des flux et leur mode d'application,...

5.3.2 Contrôle en cours de brasage Ce contrôle a pour but de vérifier que les conditions d'exécution prévues sont effectivement respectées, comme :

le matériel de brasage (Générateurs, positionneurs,...),les paramètres de brasage (débit de gaz, fréquence des générateur HF,...),le cycles de brasage (Température, vitesse de refroidissement,...)....

5.3.3 Contrôle des parachèvementsSi un traitement thermique est prévu, il faut contrôler :

l'élimination des résidus des flux,les déformations,les cycles thermiques des traitements thermiques post-brasage, ...

5.4 Contrôles après brasage

Pour mettre en évidence des défauts éventuels, on peut utiliser une ou plusieurs des méthodes suivantes :

essais destructifs,contrôle non destructif,épreuve d'étanchéité,contrôle dimensionnel.

5.4.1 Contrôles destructifsIl s'agit d'essais mécaniques ou métallographiques conduisant à la destruction de la construction. Ces types d'essais sont conduits sur des pièces prélevées dans le cas d'une fabrication en série.

5.4.2 Contrôles non destructifsIl s'agit d'une méthode qui permet d'obtenir sans destruction, ni altération de la construction des informations sur les défauts et anomalies présents dans une construction brasée.Les principaux contrôles utilisés sont :

contrôle visuel,contrôle par ressuage,contrôle par radiographie,


41

5.4.3 EpreuvesCertaines constructions (Appareils sous pression,...) doivent faire l'objet d'épreuves sous pression (ou dépression) pour vérifier l'étanchéité ou la résistance des appareils.La mise sous pression peut faire appel :

soit à un liquides (eau, pétrole,...),soit à un gaz (ammoniac, hélium, fréon,...).


42

6 PRODUITS UTILISES EN BRASAGE

La réussite et les caractéristiques d'un joint brasé dépendent :du choix de l'alliage d'apport (composition chimique, propriétés physiques, mécaniques,...),de l'utilisation d'un élément de protection (flux, atmosphère, vide) adapté à l'assemblage et au procédé de brasage.

6.1 Alliages d'apport

6.1.1 Propriétés des alliages d'apportCaractéristiques des alliages d'apportLes principales caractéristiques recherchées pour un alliage d'apport utilisé en brasage sont les suivantes :

Avoir une tension superficielle à chaud convenable afin de mouiller correctement les substrats et de s'écouler par capillarité dans le joint.Avoir une température de fusion compatible avec les propriétés métallurgiques des matériaux de bases (revenu des aciers trempés, vaporisation des pièces galvanisées,....).Dans certains cas, diffuser dans les métaux de base et former avec eux un alliage aux propriétés recherchées.Avoir une composition stable et homogène avec un intervalle de fusion n'entraînant pas une liquation excessive.Posséder les propriétés physiques, chimiques et mécaniques appropriées au type de joint.Ne pas avoir d'actions corrosives sur les matériaux de base.

Fusion des alliages d'apportUne des caractéristiques importantes de l'alliage d'apport est l'intervalle de fusion, car de lui dépend :

la vitesse de chauffage,la vitesse de solidification.

Pour les alliages ayant un intervalle de fusion important, le chauffage doit être rapide afin d'éviter une liquation excessive. Car dans ce cas, la partie liquide peut s'échapper et ne laisser dans le joint qu'un résidu solide du composant le moins fusible.Les alliages à intervalle de fusion important sont utilisés lorsque les jeux entre pièces ne peuvent pas être maîtrisés avec précision.

L'intervalle de fusion d'un alliage dépend essentiellement de sa composition chimique (Figure 40).La température de brasage est située dans l'intervalle de fusion en tenant compte :

de la température de début de liaison avec le support,de la phase primaire qui précipite pendant la cristallisation.


43

Intervalles de fusion des brasures d'argentFIGURE 40

6.1.2 Principaux alliages d'apportIl existe une grande variété d'alliages d'apport pouvant être classés en fonction :

de la température de fusion (brasure tendre, brasure forte),de la composition (brasure au Cu, à l'Ag,....)de leur utilisation (mécanique, électronique, orfèvrerie,...).

La désignation des alliages d'apport pour brasage fort et soudobrasage fait l'objet de deux normes :

Norme NF A 81-361 pour la désignation sur les emballages et notices.Norme NF A 81-362 pour le marquage des produits.

Pour les alliages d'apport pour brasage tendre, la désignation est donnée par les normes suivantes :

Norme NF EN 29453 pour les alliages de brasage tendre.Normes C 90-550 et C 90-551 pour les crèmes à braser pour composants électroniques.

Dans ce qui suit, nous ne donnerons que les propriétés des grandes familles d'alliages d'apport.


44

6.1.2.1 Alliages à bas point de fusion (Brasures tendres)

Leur point de fusion ne dépasse pas 450°C. Les plus employés sont :

les alliages d'étainIls se caractérisent par un intervalle de fusion peu étendu, des caractéristiques mécaniques peu élevées, une mise en oeuvre aisée. On trouve :

des alliages Sn-Pbdes alliages Sn-Pb-Sbdes alliages Sn-Zndes alliages Sn-Ag

les alliages à base de cadmiumIls présentent une bonne résistance à la corrosion, un intervalle de fusion et des caractéristiques mécaniques plus élevés que les alliages précédents.

6.1.2.2 Alliages d'aluminium

Ils sont utilisé pour le brasage de l'aluminium et de ses alliages. Ils sont pour la plupart issus du système Al-Si.

6.1.2.3 Alliages d'argent

Leur principales propriétés sont :une température de fusion relativement basse,de hautes caractéristiques mécaniques,une bonne plasticité,une bonne usinabilité,une bonne résistance à la corrosion.

4.1.1.1 Alliages de cuivre

Alliages à bas point de fusion (Brasures tendres)Alliages Ils ont été longtemps les plus utilisés à cause :

de leur faible coût,de leur intervalle de fusion étroit.

On utilise :

le cuivre désoxydé et les alliages Cu-PIls sont utilisés pour le brasage du cuivre et de certains de ses alliages.

les laitons (Cu-Zn)Ils sont caractérisés par un point de fusion élevé, un intervalle de fusion étroit, de hautes caractéristiques mécaniques. Ils peuvent contenir des additions de Mn; de Sn et de Si.

6.1.2.4 Alliages de nickel

Les alliages à base de nickel possèdent un point de fusion élevé et sont utilisés pour le brasage de pièces soumises à de hautes températures en service.Le point de fusion de l'alliage est abaissé par des additions de bore, de silicium, de phosphore. Le chrome est utilisé comme élément durcissant.

6.1.2.5 Autres alliages

D'autres alliages d'apport sont utilisés pour des applications particulières :alliages d'or (Au-Cu; Au-Ni) utilisés pour le brasage sous vide,alliages de palladium (Ag-Pd, Ag-Cu-Pd) utilisés pour leurs hautes caractéristiques mécaniques à chaud et leur résistance à la corrosion,alliages de zirconium et de titane pour le brasage des pièces zirconium ou titane.


45

6.1.3 Présentation des alliages d'apportLa présentation des alliages d'apport varie en fonction de leur utilisation, leur nature et leur ductilité. On trouve (Figure 41) :

des baguettes nues ou enrobées de flux,des fils nus ou fourrés,des feuillards ou bandes laminées,des préformes (anneaux, rondelles,...),des poudres ou pâtes (poudre + flux).

Présentation des alliages d'apportFIGURE 41

6.2 Flux et atmosphères

6.2.1 Les fluxRôles des fluxLe flux ou décapant a trois rôles essentiels :

réduire les oxydes et composés présents à la surface des pièces, et dont la présence gène l'accrochage de l'alliage d'apport,permettre et faciliter le mouillage du métal d'apport,protéger le métal d'apport et les substrats contre l'oxydation durant le cycle de chauffage.

Il limite aussi la volatilisation de certains constituants.L'utilisation d'un flux ne remplace pas le dégraissage et le décapage des surfaces avant brasage.

Caractéristiques des fluxPour être efficace, un flux doit :

fondre avant l'alliage d'apport (50°C avant),être stable à la température de brasage,posséder une tension superficielle permettant le mouillage des supports, afin de les protéger,éliminer les composés non métalliques formés sur les surfaces,permettre un bon mouillage de l'alliage d'apport,conserver ses propriétés, en particulier sa viscosité, après dissolution des oxydes,


46

ne pas présenter de réaction chimique avec l'alliage d'apport et les substrats,permettre l'élimination facile des résidus après brasage.

Les principales caractéristiques d'un flux sont :sa tension superficielle,l'intervalle des températures d'activité compris entre la température minimale de mouillage et la température maximale de détérioration du flux,la durée d'activité du flux comprise entre un temps minimal nécessaire pour le décapage de la surface et un temps maximal donné par la limite de solubilité des oxydes dans le flux. Cette durée dépend également :de la vitesse et du procédé de chauffage,de la température atteinte,du positionnement du joint.

Constituants des fluxLes flux sont élaborés à partir :

de sels métalliques réducteurs (partie active),d'un support hydraté ou organique qui solubilise ou émulsionne les sels actifs.

Les flux sont classés en fonction de leur activité chimique :flux non corrosifs (électronique),flux faiblement corrosifs (brasage tendre),flux corrosifs réducteurs des oxydes,flux corrosifs réducteurs des oxydes très stables (alumine),flux agissant à haute température.

La norme NF A 81-360 précise la désignation des flux pour le brasage fort et le soudobrasage.

6.2.2 Les atmosphèresRôles des atmosphèresLes atmosphères ont les mêmes rôles que les flux.Elles dispensent, en général, de l'utilisation d'un flux, mais peuvent être utilisées en complément d'un lux.On les utilise dans le cas du brasage au four, par induction et par résistance.

Constituants des atmosphèresOn utilise :

des gaz réducteurs (hydrogène, CO),des gaz inertes (Argon, hélium),des atmosphères issues du cracking d'hydrocarbures,le vide.

6.3 Choix des produits de brasage

Le choix des produits de brasage dépend :de la nature des matériaux de base,des caractéristiques recherchées,de la technique de brasage.

Les tableaux 4 à 6 donnent quelques indications sur le choix de ces produits.


47

Métaux à assembler

Alliages d'apport

Aci

er

bas

carb

on

e

Aci

ers

faib

lem

en

t allié

Aci

ers

in

oxyd

ab

les

Fon

te

Cu

ivre

Lait

on

Bro

nze

Cu

pro

-alu

Cu

pro

-nic

kel

Alu

min

ium

Allia

ges

d'a

lu (

Mg

< 3

%)

Nic

kel

Su

per-

allia

ges

Arg

en

t

Mo

lyb

dèn

e

Plo

mb

Tit

an

e

Zin

c

Carb

ure

de W

Alliages blancsSn

Sn-Pb (Sb)Sn-Ag

Cd-Zn-Ag

xxx

xxx

x

x

xx

x

xxx

xxx

xx

x

x

xx

x

xx x

Alliages d'AlAl-Si

Al-Si-Cuxx

x

Alliages d'AgAg-Cu

Ag-Cu-ZnAg-Cu-Zn-CdAg-Cu-Zn-Sn

Ag-Cu-Zn-Cd-Ni

xx

xxx

x

x

xx

x

xxx

xxx

x xx

x

x

x

x

x

x

xxx

xx

x

Alliages de CuCu

Cu-PCu-P-Ag

Cu-Zn(Ag)Cu-Zn-Ni (Ag)

x

xx

xx

x

xx

xx x x

Alliages hautetempérature

Au-CuAu-Ni

Ag-Pd (Cr)Ni-Cr-B-SiNi-P (Cr)

xxx

xx

x

xxxxx

Choix de l'alliage d'apporten fonction des métaux à assembler

TABLEAU 4


48

Procédés Métal de base Cu Cu-PAg-Cu

Cu-Zn Ag-Cu-Zn

Ag-Cu-Zn-Cd

Al-Si Autres

A la flamme

Cu et alliages R R R RAl et alliages RNi et alliages R RAciers non alliés P R R RAciers alliés, inox R R RCarbures

Au four Cu et alliages P R P R RAl et alliages RNi et alliages P P R R PAciers non alliés R R R RAciers alliés, inox R P R R RCarbures P R R R

Par induction

Cu et alliages R R RAl et alliages PNi et alliages R R PAciers non alliés R R R RAciers alliés, inox P R R PCarbures R R R R

Par résistance

Cu et alliages R R RNi et alliages p pAciers non alliés P P R

Au trempé

Cu et alliages P R RNi et alliages P P PAciers non alliés R R RAciers alliés, inox R R RCarbures P P R

Four à bains de sels

Cu et alliages PNi et alliages P P R PAciers non alliés P R R RAciers alliés, inox P P R RCarbures P R R R

Choix de l'alliage d'apporten fonction du procédé de chauffage

TABLEAU 5


49

Alliagesd'apport

Température debrasage (°c)

Compositionde l'alliage

Flux et atmosphères

Métaux etalliages blancs

180-280 SnSn-Pb(Sb)Sn-ZnSn-AgCd-ZnCd-SnCd-Zn-Ag

- Flux non corrosifs

- Chlorure de zinc et d'ammonium- Acide chlorhydrique

- Acide orthophosphorique

Alliagesd'aluminium

470-600 Al-SiAl-Si-Cu

Alliagesd'argent

600-920 Ag-CuAg-MnAg-Cu -ZnAg-Cu-Zn-CdAg-Cu-Zn-SnAg-Cu-Zn-Cd-Ni

- Acide borique, borates et fluoborates alcalins

- Atmosphère réductrice- Vide si pas d'éléments volatils (Zn, Cd)

Cuivre et alliages

640-820 Cu-P (Ag) - Autodécapant

900-950 Cu-Zn (Ag)Cu-Zn-Ni (Ag)

- Acide borique, borates de métaux alcalins- Flux gazeux

1080 Cu - Atmosphère réductrice

Alliages pour hautestempératures

900-1030 Au-CuAu-Ni

- Atmosphère réductrice- Vide

800-1200 Ag-Pd (Cu) - Atmosphère réductrice- Vide

900-1100 Ni-Cr-B-SiNi-P (Cr)

- Autodécapant- Atmosphère réductrice

Choix de la protectionTABLEAU 6


50

7 PROCEDES DE CHAUFFAGE POUR LE BRASAGE

Une des conditions de réussite d'un joint brasé est un chauffage permettant :la fusion correcte de l'alliage d'apport,la conservation des propriétés des flux,la limitation des déformations et des transformations de structures des matériaux de base.

7.1 Brasage à la flamme

7.1.1 Principe et mise en oeuvreLa source de chaleur est constituée (Figure 42) par la combustion d'un gaz dans un brûleur ou un chalumeau. On utilise :

des chalumeaux à flamme unique (soudo-brasage),des brûleurs multiflammes.

Les brûleurs peuvent avoir des formes très variées, de façon à répartir uniformément les dards autour du joint (Figure 43). Les brûleurs sont refroidis par circulation d'eau.La chaleur se transmet aux pièces par convection et rayonnement.

Brasage à la flammeFIGURE 42

Une flamme est d'autant plus efficace :que sa température est élevée,que sa puissance spécifique est grande.

Le tableau 7 donne les caractéristiques de quelques flammes. Les flammes donnant une atmosphère réductrice facilitent le mouillage du métal d'apport et réduisent la consommation de flux.


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Exemples de brûleursFIGURE 43

Combustible Températuremaximale

(°c)

Puissancespécifique

(kcal/cm2.s)

Caractéristiquede la flamme

AcetylèneTétrènePropane

Gaz naturel

3100294028202700

1,71,31

0,9

RéductriceRéductriceOxydanteOxydante

Caractéristiques des flammesTABLEAU 7

Le métal d'apport peut se présenter :en baguette pour le soudo-brasage,en fils pour une alimentation automatique,en éléments préformés pour un prépositionnement autour du joint.

Le flux peut être :soit, apporté, lors de la préparation ou du montage, sous forme de pѓte ou de liquide,soit, véhiculé par les combustibles par un système à "flux gazeux".

7.1.2 ApplicationsLe brasage à la flamme présente les avantages suivants :

Matériel simple et peu coûteux.Procédé pouvant être manuel ou automatique.Possibilité de brasage tendre et de brasage fort.Procédé souple pouvant s'adapter aux métaux, aux températures, aux dimensions de pièces et aux formes de joints.

Par contre, les inconvénients du brasage à la flamme sont les suivants :Contrôle difficile de la température avec risque de zone de surchauffe (destruction du flux).Nécessité d'un réglage précis de la flamme (risque d'oxydation).Nécessité d'un opérateur qualifié en brasage manuel.Le refroidissement n'est pas contrôlé.


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On peut utiliser le brasage à la flamme pour les pièces unitaires (soudo-brasage) ou pour les grandes séries avec un brasage automatique. Les machines de brasage sont soit, des chaînes linéaires, soit des carrousels rotatifs (Figure 44).

Brasage automatique à la flammeFIGURE 44

7.2 Brasage au four

7.2.1 Principe et mise en oeuvreLa source de chaleur est constituée (Figure 45), soit par un four électrique, soit par un four à gaz. On utilise :

des fours pour brasage avec flux,des fours à atmosphère contrôlée,des fours sous vide.

La chaleur se transmet au pièce par convection et/ou rayonnement.L'enfournement des pièces peut être discontinu (four à moufle, à cloche), ou continu (four à passage).Le brasage au four réclame :

le prépositionnement des produits de brasage (flux, alliage d'apport),l'emploi de montage adapté aux conditions de chauffage.

7.2.2 ApplicationsLe brasage au four présente les avantages suivants :

Contrôle précis du cycle thermique.Chauffage homogène limitant les déformations dans le cas de brasage de matériaux semblables et permettant l'obtention d'un joint homogène.Possibilité de combiner une opération de brasage et une opération de traitement thermique.Possibilité d'utiliser une atmosphère contrôlée dispensant d'utilisation de flux.Possibilité de brasage tendre et de brasage fort.Dans le cas du brasage sous vide, pas d'oxydation des pièces ainsi que d'absorption ou de dissolution de gaz dans la brasure.


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Brasage au fourFIGURE 45

Par contre, les inconvénients du brasage au four sont les suivants :Matériels onéreux (four à atmosphère contrôlé et four sous vide).Nécessité d'un positionnement précis et d'un blocage des pièces durant la chauffe.Pas de possibilité d'adapter le chauffage dans le cas du brasage de matériaux dissemblables, avec risque de défauts par différence de dilatations.

Pour les fours sous vide :Certains composants des métaux de base ou de l'alliage d'apport peuvent se volatiliser en cours de chauffage.Les pièces ne sont chauffées que par rayonnement, avec un risque de chauffage non homogène suivant leur forme.Le refroidissement est lent.

On utilise le brasage au four pour les grandes séries ou pour les pièces mécaniques complexes.

7.3 Brasage par induction

7.3.1 Principe et mise en oeuvreLa source de chaleur est constituée (Figure 46) par la circulation de courants induits dans la pièce. Pour cela, la pièce est placée dans un champ magnétique produit par un inducteur (bobine) parcouru par un courant alternatif.On utilise des générateurs donnant des fréquences comprises entre 200 et 500 kHz.Le brasage par induction réclame :

le prépositionnement des produits de brasage (flux, alliage d'apport),l'emploi de montage permettant un positionnement précis des pièces par rapport à l'inducteur.


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Brasage par inductionFIGURE 46

L'inducteur (Figure 47), réalisé en cuivre, est refroidi par circulation d'eau. Il doit être adapté à la pièce de façon :

à réaliser un chauffage uniforme de la pièce et éviter les zones de surchauffe,à laisser le temps à l'alliage d'apport de sécouler dans le joint.

Exemples d'inducteursFIGURE 47


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7.3.2 ApplicationsLe brasage par induction présente les avantages suivants :

Contrôle précis du cycle thermique.Chauffage rapide des pièces ce qui permet un gain de temps, mais diminue aussi les modifications de structures dans les pièces.Localisation de l'échauffement limitant la zone affectée par la chaleur et les déformations.Possibilité de combiner une opération de brasage et une opération de traitement thermique.Possibilité d'utiliser une atmosphère contrôlée dispensant d'utilisation de flux.Automatisation facile.Possibilité de réaliser des chauffages non homogènes s'adaptant au brasage de matériaux dissemblables (Carbure-acier).

Par contre, les inconvénients du brasage par induction sont les suivants :Matériels onéreux.Nécessité d'un positionnement précis des pièces dans l'inducteur.Mise au point de l'inducteur délicate.

7.4 Brasage par résistance

7.4.1 Principe et mise en oeuvreLa source de chaleur est constituée (Figure 48) par le passage dans le joint d'un courant de forte intensité.On utilise des dispositifs dérivant de ceux utilisés pour le soudage par résistance.Le brasage par résistance :

le prépositionnement des produits de brasage (flux, alliage d'apport),l'utilisation de flux conducteurs.

Brasage par résistanceFIGURE 48


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Les électrodes sont réalisées par des blocs de carbone, de molybdène ou de tungstène montés sur des portes électrodes en cuivre refroidis par circulation d'eau.La pression exercée par les électrodes en cuivre doit être faibles afin de ne pas gêner l'écoulement de l'alliage d'apport et à ne pas l'expulser du joint.Les puissances sont plus faibles qu'en soudage et dépendent :

de la surface à braser,du type d'électrode,du matériau (conductivité électrique) et de la massivité des pièces.

7.4.2 ApplicationsLe brasage par résistance présente les avantages suivants :

Contrôle précis du cycle thermique.Chauffage rapide des pièces ce qui permet un gain de temps, mais diminue aussi les modifications de structures dans les piècesLocalisation de l'échauffement limitant la zone affectée par la chaleur et les déformations.Possibilité de braser des endroits peu accessibles en utilisant des pinces de formes complexes.Possibilité de brasage tendre et de brasage fort.Faible consommation d'énergie.Grande capacité de production.

Par contre, les inconvénients du brasage par induction sont les suivants :Difficulté d'obtenir un chauffage homogène, si la surface à braser est grande ou discontinue.Procédé à proscrire pour les matériaux bon conducteur de l'électricité (Aluminium) et les pièces massives.

Le brasage par résistance convient bien pour le brasage de petites pièces aux formes simples (matériel électrique, joaillerie, lunetterie,...).

7.5 Brasage par immersion

7.5.1 Brasage au bain de selLa source de chaleur est constituée (Figure 49) par un bain de sel fondu. Les pièces à braser sont positionnées, garnies d'alliage d'apport, puis immergées dans le bain de sel.Le sel a deux rôles :

Il agit comme moyen de transfert de chaleur pour chauffer l'assemblage.Il joue le rôle du flux de protection.

Un préchauffage est nécessaire pour éliminer les traces d'humidité, ainsi que sur les pièces massives.Le brasage au bain de sels présente les avantages suivants :

Minimisation des déformation pour les assemblages homogènes.Pas d'oxydation du joints.Possibilité de combiner brasage et traitements thermiques.

Par contre, les inconvénients du brasage au bain de sels sont les suivants :Nécessite d'un positionnement précis (l'alliage d'apport est en fusion à la sortie du bain).Pas de possibilité d'adapter le chauffage dans le cas du brasage de matériaux dissemblables, avec risque de défauts par différence de dilatations.


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Brasage au bain de selsFIGURE 49

7.5.2 Brasage au trempéLa source de chaleur est constituée (Figure 50) par un bain d'alliage fondu. Les pièces à braser sont positionnées, garnies de flux, puis immergées dans le bain d'alliage.Le bain a deux rôles :

Il agit comme moyen de transfert de chaleur pour chauffer l'assemblage.Il joue le rôle d'alliage d'apport qui pénètre par capillarité le joint. Sur le reste de la pièce, le métal glisse sans s'accrocher. On peut enduire ces parties d'une couche protectrice (graphite,..).

Un préchauffage des pièces massives est nécessaire pour éviter le refroidissement du bain.

Ce procédé est surtout utilisé en brasage tendre avec des alliages d'apport peu oxydables. Il permet une productivité élevée par un trempage automatique. On rencontre les variantes suivantes :

trempé simple (automobile),brasage par distribution (boite),brasage à la vague (électronique).


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Brasage au trempéFIGURE 50

7.6 Autres procédés

7.6.1 Brasage par infrarougeLa source de chaleur est constituée un rayonnement infrarouge. Le réglage de la température (jusqu'à 1600°c) s'effectue avec précision. Les pièces à braser sont positionnées, garnies d'alliage d'apport et de flux, puis exposées au rayonnement.L'automatisation est facile et permet des cadences élevées. Il est possible de braser des assemblages placées dans une enceinte fermée (vitrée), sous vide ou sous atmosphère, les sources étant à l'extérieur.Ce procédé est utilisé pour le brasage des structures en nid d'abeille.

7.6.2 Brasage au fer à souder

La source de chaleur est constituée par la panne d'un fer à souder chauffée soit par résistance électrique, soit par une flamme. Les dimensions de la panne sont adaptée à la massivité de l'assemblage.L'alliage d'apport est apporté manuellement par une baguette ou par un fil. Le flux est soit déposé préalablement sur le joint, soit apporté avec la baguette d'alliage.Ce procédé est utilisé en brasage tendre dans les domaines de la plomberie, l'électronique, la couverture,..


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8 LEXIQUE

Alliages d'apport Brazing alloys, filler metalsBrasabilité Brazability, solderabilityBrasage à la flamme Torch brazingBrasage fort BrazingBrasage au four Furnace brazingBrasage par induction Induction brazingBrasage par résistance ResistancebrazingBrasage tendre SolderingBrasage au trempé Dip brazingBrasage sous vide Vacuum brazingContrôle Inspection, testingContrôle non destructif Non destructive inspectionContrôle visuel Visual inspectionContrôle radiographique Radiographic inspectionDiffusion DiffusionEssais mécaniques Mechanical testsExamen métallographique Metallographic examinationFlux de brasage Brazing fluxJeu Gap, clearanceJeu capillaire Capillary clearanceMouillage WettingRésidus de flux Fluxes residuesSoudobrasage Braze-weldingTension superficielle Surface tensionViscosité Viscosity


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9 BIBLIOGRAPHIE

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Guide du soudageTome 3Brasage et soudubrasageEdition GEAD

Manuel du brasage fortAmerican Welding SocietyPublication de la soudure autogène

Metals HandbookVolume 6Welding and brazing

Recueil de norme AFNORSoudage et techniques connexesVolume 4Produits consommables

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I. KAWAKATSU, I. OKAMOTO, H. KAWASE, T. TAKEMOTO, K. LIUEssai de remplissage du jeu pour l'évaluation au brasage fort de l'aluminiumSoudage dans le mondeVol 26; Nш1/2; 1988

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G. LASCARAnalyse des réactions pour les assemblages céramo-métalliquesSoudage et Techniques ConnexesVol 45; n°1/2; 1991

J.C. KUCZA; A. UHRY; J.C. GOUSSAINBrasage fort de l'aluminium et de ses alliagesSoudage et Techniques ConnexesVol 45; n°11/12; 1991

Y. NAKAO; K. NISHIMOTO; K. SHINOZAKI; C.Y. KANGTransient liquid insert metal diffusion bonding of nickel-base superalloysAdvanced Joining TechnologiesEdition T.H. NORTH


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