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"PERFCTIONNEMENTS A LA. SOUDURE AUTOGENE ET AU BRASAGE DES METAUX ET ALLIAGES A L'AIDE
DE FLUX OU DECAPANTS VOLATILS"
La présente invention est relative aux procédés de soudure autogène ou de brasage dans lesquels on utilise un combustible gazeux et a pour objet des flux ou décapants volatils de composition nouvelle et de propriétés améliorées et qui, lorsqu'ils sont introduits dans le courant de gaz de soudure, par exemple par le dégagement de bulles de ce gaz à travers le flux volatil ou par son passage au contact dudit flux communiquent à la flamme une action décapante énergique et aisément réglable.
Les présents flux sont des composés ou mélanges relativement volatils consistant es- sentiellement en borates d'alkyle, Inaction décapante de la flamme étant principalement dérivée de l'oxydede bore en-
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gendré par la. décomposition de composés de bore volatils que contient le gaz de soudure.
On sait que si l'on produit un dégagement de bulles d'un gaz combustible de soudure tel que l'acétylène à travers un mélange contenant de l'alcool éthylique au con- tact d'un excès d'oxyde de bore (B2O3), le borate d'éthyle engendré par la réaction chimique est recueilli par l'acé- tylène et communique à la flamme de soudure une action décapante marquée. Ce procédé a été utilisé avec quelque succès dans la soudure du nickel et du métal Monel.
Toutefois, cette façon de communiquer une action décapante à une flamme de chalumeau présente de nombreux inconvénients qu'on se proposede surmonter suivant l'in- vention. La réaction chimique (3 C2H5OH + B2O3 = (C2H5)3BO3+ H3BO3) en vertu de laquelle le borate d'éthyle est engendré dans le mélange susmentionné convertit la moitié de l'oxyde de bore en borate d'éthyle et l'autre moitié en acide bori- que. Comme l'acide borique engendré est relativement inso- luble dans le mélange de réaction, il donne naissance à un précipité volumineux qui, si l'on cherche à obtenir une concentration considérable du borate d'éthyle dans le li- quide, donne bientôt une bouillie épaisse à travers laquelle il est impossible de faire passer le gaz de soudure.
Ainsi, pour des raisons d'ordre pratique, la concentration admis- sible du borate d'éthyle dans un tel mélange décapant est relativement faible. De plus, la vitesse de la réaction est si faible que le borate d'éthyle susceptible d'être éliminé du mélange est remplacé très lentement. En outre, la vapeur en équilibre avec un mélange d'alcool éthylique et de borate
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d'éthyle contenant de faibles teneurs en borate d'éthyle est beaucoup plus riche en borate qu'en alcool.
Comme ré- sultat de ces diverses influences, on constate que si l'on fait passer le gaz de soudure sous forme de bulles à travers tout mélange de réaction pratiquement utilisable d'une manière propre à recueillir une quantité suffisante de borate d'éthyle pour communiquer une action décapante adéquate à la flamme de soudure, la teneur en borate, tant du mélange de réaction que du gaz de soudure, diminue ra- pidement jusqu'au moment où, finalement, la quantité d'al- cool introduite dans la flamme est devenue si grande que la température de celle-ci est sérieusement diminuée, l'action décapante de la flamme étant d'autre part pratiquement sup- primée.
Pour toutes ces raisons, les flux volatils connus jusqu'à ce jour ne sont généralement pas satisfaisants pour communiquer une action décapante aux flammes de soudu- re. D'un autre côté, l'utilisation des flux volatils serait en principe extrêmement avantageuse dans des nombreuses opérations de soudure par le gaz, et l'action décapante de l'oxyde de bore dérivé de composés volatils du bore pré- sente de nombreux avantages, tels que la production de sou- dures ou brasures propres et exemptes des incrustations laissées par la plupart des flux ou décapants solides ou liquides.
La présente invention a pour objet des flux de soudure volatils qui, tout en ne présentant pas les incon- vénients décrits, présentent de nombreux avantages, comme on le verra plus loin.
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La demanderesse a découvert qu'on peut avec beaucoup de succès utiliser comme flux ou décapants vola- tils certains borates d'alkyle purs; que les mélanges de borates d'alkyle inférieurs et d'alcools donnent naissance à des mélanges de point d'ébullition constant, ou azéotro- piques, de volatilité relativement élevée, et que ces mé- langes conviennent d'une façon idéale en vue de leur emploi comme flux gazeux; et que les composés ou mélanges de borates d'alkyle suivant l'invention peuvent, pour certains usages, avantageusement être mélangés avec d'autres compo- sés constituant des flux volatils par exemple des silicates volatils tels que le silicate de méthyle.
Les composés de ce genre se décomposent dans la flamme de soudure pour donner naissance à des oxydes métalliques (tels que Sio2) qui amplifient l'action décapante de l'oxyde de bore et présentent d'autres avantages.
Quoiqu'on puisse, selon l'invention, utiliser un ou plusieurs quelconques des borates d'alkyle volatils, il est préférable d'utiliser un ou plusieurs des suivants borate de méthyle, borate d'éthyle, borate de propyle et borate d'isopropyle. Le borate de méthyle a un point d'ébul- lition de 68 C environ, et le borate d'éthyle un point d'ébullition de 120 C environ. Il est habituellement né- cessaire de chauffer les borates d'alkyle supérieurs pour obtenir une vaporisation suffisante pour l'emploi.
Les mélanges sensiblement azéotropiques que con- cerne cette invention sont indiqués sur les dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 donne des courbes de la composition en
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fonction du point d'ébullition pour certains mélanges , d'alcools et de borates d'alkyle correspondants. Les abscisses représentent les teneurs en ester alkylique des mélanges et les ordonnées leurs points d'ébullition. La cour. be continue marquée A représente des mélanges d'alcool méthylique et de borate de méthyle. La courbe pointillée B représente des mélanges d'alcool éthylique et de borate d'éthyle. La courbe en traits mixtes C représente des mé- langes d'alcool isopropylique et de borate isopropylique.
La figure 2 est un diagramme analogue se rapportant à d'autres mélanges, la courbe en trait plein D représentant des mélanges d'alcool méthylique et de borate isopropylique et la courbe en pointillé E représentant des mélanges d'al- cool méthylique et de silicate de méthyle.
Les courbes désignées par "L" dans ces figures représentent les compositions des mélanges A, B, C, D et E dans la phase liquide.
Les renseignements donnés par ces courbes peuvent être résumés dans un but de simplicité dans la table sui- vante :
TABLE A
EMI5.1
<tb> Mélanges <SEP> Points <SEP> d'ébullition <SEP> Azéotropes
<tb>
<tb>
<tb> en <SEP> <SEP> C
<tb>
<tb>
<tb> Alcools <SEP> Flux <SEP> Alcools <SEP> Flux <SEP> Azéotropes <SEP> Alcools <SEP> Flux
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Méthylique <SEP> (CH3)3 <SEP> BO3 <SEP> 64 <SEP> 68 <SEP> 53,5 <SEP> 28% <SEP> 72%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ethylique <SEP> (C2H5)3BO3 <SEP> 78 <SEP> 120 <SEP> 76,5 <SEP> 67% <SEP> 33%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Isopropy-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> lique <SEP> (C3H7)3 <SEP> BO3 <SEP> 81 <SEP> 140 <SEP> - <SEP> non <SEP> formé
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Méthylique(C3H7)3 <SEP> BO3 <SEP> 64 <SEP> 140 <SEP> 57,
5 <SEP> 68% <SEP> 32%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Méthylique(CH3)3 <SEP> SiO3 <SEP> 64 <SEP> 120 <SEP> - <SEP> non <SEP> formé
<tb>
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Pour préparer les mélanges azéotropiques à base de borate d'alkyle, suivant l'invention, il est avantageux, pour diverses raisons, d'utiliser des composés purs et, en particulier, secs. Si de l'eau est contenue soit dans le composé décapant, soit dans le gaz de soudure, une par- tie du flux est décomposée par hydrolyse et donne naissance à de l'acide borique, qui tend à se déposer et s'accumuler dans les conduits à gaz de faible section du chalumeau et à provoquer une obstruction et une corrosion. De même, si le mélange initial est la composition azéotropique, l'hy- drolyse à laquelle le borate est susceptible d'être soumis provoque l'appauvrissement du mélange en ce composant.
Pour remédier à l'une et l'autre de ces difficultés, on a trouvé qu'il est avantageux d'utiliser comme flux un mélange un peu plus riche en borate que la composition azéotropique véritable. Par exemple, dans le cas du borate de méthyle et de l'alcool méthylique,on a trouvé qu'il est avantageux d'utiliser un mélange contenant environ 80% de borate de méthyle.
La demanderesse a découvert que les flux suivant l'invention peuvent être utilisés avec des résultats très avantageux dans la soudure ou le brasage d'autres métaux tels que le cuivre, le laiton, le bronze, l'acier pauvre en carbone et les alliages ferreux riches en chrome, par exemple le fer et l'acier inoxydable, pour la soudure des- quels on utilise habituellement des flux solides ou liqui- des. Les flux habituels de ce genre laissent sur le métal des dépôts ou incrustations qu'il est nécessaire d'enlever pour pouvoir réaliser les opérations subséquentes telles
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que l'étamage ou autre opération de revêtement; et les incrustations sont souvent excessivement difficiles à en- lever.
Un autre avantage de l'invention est que, dans la soudure ou le brasage au gaz des métaux de ce genre, les flux suivant l'invention donnent des soudures ou brasures extrêmement saines, propres et n'exigeant aucune prépara- tion avant l'étamage, etc.
La table qui suit indique les résultats obtenus en brasant au bronze des chutes d'acier à l'aide des pré- sents flux en comparaison avec d'autres types de flux :
TABLE B
EMI7.1
<tb> Résistances <SEP> de <SEP> Pourcentages <SEP> de <SEP> Allonge-
<tb>
<tb>
<tb> Essais <SEP> Flux <SEP> uti- <SEP> traction <SEP> moyenne <SEP> chutes <SEP> résistant <SEP> ment <SEP> au
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Nos.
<SEP> lisée <SEP> kg/mm2 <SEP> à <SEP> moins <SEP> de <SEP> 39,2 <SEP> pliage
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> kg/mm2 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> A <SEP> 37,1 <SEP> 63 <SEP> 20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> B <SEP> 37,8 <SEP> 27 <SEP> 35
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> C <SEP> 41,3 <SEP> 22-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> D <SEP> 32,9 <SEP> 50 <SEP> 20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> E <SEP> 28 <SEP> 100 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> F <SEP> 40,6 <SEP> 35 <SEP> 35
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> G <SEP> 41,3 <SEP> 32 <SEP> -
<tb>
Les chutes utilisées étaient des chutes d'acier de la qualité utilisée pour des brides, ayant une résistance à la traction de 43,4 kg environ par mm,
et la tige de bra- sure était une tige de bronze de composition typique.
Les flux utilisés étaient : A.- Un flux normal du commerce (pâte) contenant de l'acide borique et du borax et appliqué directement sur les surfaces à souder ou braser.
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B. - Un mélange de réaction dilué d'alcool méthy- lique et d'acide borique contenant environ
7,2 % de borate, ce mélange étant vaporisé dans le courant de gaz de soudure.
C.- Le même que B, mais contenant environ 20% de borate de méthyle.
D. - Un mélange de réaction brut d'alcool méthy- lique et dioxyde de bore contenant environ'
76% de borate méthylique et 6% d'acide borique, ce mélange étant vaporisé dans le mélange de 4 gaz de soudure.
E.- Le même que D, mais en contact avec du charbon activé avant l'emploi.
F.- Mélange pur de borate de méthyle à 80% et d'alcool méthylique à 20% préparé en mélan- geant les deux ingrédients purs, ce mélange étant vaporisé dans le courant de gaz de sou- dure.
G. - Borate d'isopropyle pur vaporisé dans le cou- rant de gaz de soudure.
Le mélange de borate de méthyle à 80% pur (F) utilisé dans l'essai 6 est un flux particulièrement avanta- geux parce qu'il unit des résultats de soudure excellents à une pression de vapeur extrêmement élevée et une faible teneur en alcool, outre qu'il peut être fabriqué à l'aide de matières premières relativement bon marché. Il y a lieu de noter que ce mélange préféré n'est pas exactement le mé- lange azéotropique, mais qu'il contient 80% environ de bo- rate au lieu de 73% environ. Ce mélange a l'avantage d'exer-
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cer sur le gaz de soudure un effet de séchage dans le cas où ce dernier contient des traces d'humidité, l'excès de borate s'hydrolysant dans le liquide pour donner de l'acide borique et de l'alcool méthylique.
En même temps, la vapeur recueillie du mélange possède sensiblement la composition azéotropique et la conversion du mélange en borate de mé- thyle pur, susceptible de s'effectuer pendant que le gaz de soudure est conduit au-dessus dudit mélange, n'a lieu que très lentement, à supposer même qu'elle ait lieu. Il ressort aussi de la courbe que, si l'on utilise comme point de départ un mélange plus riche en borate que l'azéotrope, la vapeur engendrée continuera à posséder la composition azéotropique, et la pression de vapeur du liquide restera constante jusqu'à ce que la teneur en borate du liquide ait atteint 80% environ. Il est évident qu'on peut alors renou- veler l'azéotrope par une addition convenable d'alcool, afin d'éviter une diminution exagérée de la pression de va- peur lorsqu'on se rapproche de la composition du borate pur.
Dans une autre série d'essais, on a utilisé avec succès le flux au borate de méthyle à 80% pour le brasage avec des tiges de brasure de la composition suivante :
TABLE C
EMI9.1
<tb> Métal <SEP> % <SEP> au <SEP> % <SEP> Zn <SEP> % <SEP> Sn <SEP> Autres <SEP> métaux
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Laiton <SEP> 60/70 <SEP> 40/30 <SEP> - <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bronze <SEP> "Tobin" <SEP> 60 <SEP> 30 <SEP> 1-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bronze <SEP> au <SEP> plomb <SEP> 77 <SEP> 3 <SEP> Pb <SEP> 12 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bronze <SEP> de <SEP> cous-
<tb>
<tb> sinets <SEP> 80- <SEP> 8 <SEP> Pb <SEP> 12 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Everdur" <SEP> 96,5 <SEP> - <SEP> - <SEP> Mn <SEP> 1 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bronze <SEP> phospho-
<tb>
<tb>
<tb> reux <SEP> 95 <SEP> - <SEP> 5 <SEP> Si <SEP> 2,
5%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> 100 <SEP> - <SEP> - <SEP> -
<tb>
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Les flux au borate suivant l'invention sont ainsi satisfaisants pour une grande variété d'applications, mais on a trouvé qu'il est dans de nombreux cas avantageux de les additionner, en outre, d'un composé de silicate volatil, tel que le silicate de méthyle. Dans le brasage de l'acier, un tel mélange augmente la fluidité de la bra- sure et facilite l'opération. De plus, l'utilisation d'un silicate volatil augmente la résistance à la corrosion des brasures faites sur de l'acier inoxydable et empêche le dé- gagement de fumées de zinc dans le brasage de métaux avec des tiges de brasure contenant des pourcentages de zinc importants.
Dans une série d'essais, on a soudé des chutes d'acier inoxydable en utilisant divers mélanges décapants à travers lesquels on a fait passer sous forme de bulles une partie du gaz de soudure; et on a exécuté des soudures de contrôle avec un flux normal (pâte) de l'acier inoxyda- ble. On a alors soumis les chutes soudées à un essai de corrosion normale dans de l'acide nitrique bouillant et on a noté dans l'ordre des résistances décroissantes compara- tives, les résistances de corrosion des soudures.
TABLE D
EMI10.1
<tb> Mélange <SEP> décapant <SEP> Composition
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Borate <SEP> de <SEP> méthyle <SEP> pur <SEP> avec <SEP> 6% <SEP> de <SEP> silicate
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> méthyle
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> Borate <SEP> de <SEP> méthyle <SEP> pur <SEP> avec <SEP> 12% <SEP> de <SEP> silicate
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> méthyle
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> C <SEP> Borate <SEP> de <SEP> méthyle <SEP> pur <SEP> avec <SEP> 9% <SEP> de <SEP> silicate
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> méthyle
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> D <SEP> Borate <SEP> de <SEP> méthyle <SEP> pur <SEP> avec <SEP> 3% <SEP> de <SEP> silicate
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> méthyle
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> E <SEP> Borate <SEP> de <SEP> méthyle <SEP> pur <SEP> avec <SEP> 20% <SEP> de <SEP> silicate
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> méthyle
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> F <SEP> Flux <SEP> normal <SEP> en <SEP> pâte <SEP> (verre <SEP> de <SEP> borosili-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> cate).
<tb>
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Toutes les soudures exécutées avec le flux volatil ont été nettement supérieures,'en ce qui concerne la résis- tance à la corrosion, à celles exécutées avec le flux E.
Les résultats de l'essai indiquent qu'il est préférable d'appliquer plus de 3% de silicate de méthyle dans le mé- lange et qu'une teneur de 20% serait trop élevée.
Dans une autre série d'essais, on a soudé (brasé) des chutes d'acier de grande résistance en utilisant comme brasure une tige de bronze de deux compositions différen- tes, en faisant passer une partie du gaz de chalumeau sous forme de bulles à travers les mélanges indiquée de borate d'éthyle et de silicate de méthyle, comme suit :
TABLE E
EMI11.1
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la
<tb>
<tb>
<tb> Essai <SEP> Flux <SEP> Tige <SEP> traction <SEP> en <SEP> Allonge- <SEP> Remarques
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> kg/mm2 <SEP> ment <SEP> en <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> A <SEP> 1 <SEP> 35 <SEP> 35 <SEP> fumées <SEP> densee
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> A <SEP> 2 <SEP> 40, <SEP> 6 <SEP> 35 <SEP> légère <SEP> fumée
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> B <SEP> 1 <SEP> 34,3 <SEP> 31 <SEP> fumées <SEP> denses
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> B <SEP> 2 <SEP> 35,7 <SEP> 25 <SEP> légère <SEP> fumée
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> C <SEP> 1- <SEP> - <SEP> fumées <SEP> denses <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> C <SEP> 2 <SEP> 41,
3 <SEP> 28 <SEP> moins <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> fumée
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> D <SEP> 1 <SEP> 35,7 <SEP> 35 <SEP> moins <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> fumée
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> D <SEP> 2 <SEP> 40,6 <SEP> 31 <SEP> très <SEP> peu <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb> fumée
<tb>
Les flux utilisés étaient A. - Borate d'éthyle pur.
B. - Borate d'éthyle + 4% de silicate de méthyle.
C.- Borate d'éthyle + 9% de silicate de méthyle.
D. - Borate d'éthyle + 20% de silicate de méthyle.
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Les tiges de brasure utilisées avaient les com- positions approximatives suivantes :
No. 1 - Cuivre 59% à 62%, étain 0,5% à 1%, le reste en zinc.
No. 2 - Cuivre 56% à 59%, étain 0,75% à 1,10%,
Silicium 0,02% à 1%, fer 0,75% à 1,25%, le reste en zinc.
La tige N 2 avait une composition propre à empê- cher le dégagement de fumée de zinc.
Ces essais et d'autres ont permis d'établir clai- rement que l'incorporation d'un pourcentage de silicate de méthyle jusqu'à 20% environ au flux de borate volatil em- pêche, d'une façon très nette, le dégagement de fumée de zinc qui est si nuisible dans les opérations de brasage à l'aide de tiges de métal à braser contenant du zinc.
Le terme "mélange azéotropique" est utilisé dans un but de commodité pour indiquer non seulement un vérita- ble azéotrope dont la composition est probablement déter- minée, mais aussi un mélange qui, lorsqu'on le fait bouil- lir, donne un azéotrope par distillation. Un tel mélange est nécessairement un mélange de point d'ébullition cons- tant si la composition du distillat est celle d'un azéo- trope. Ainsi, dans la courbe A de la figure 1, des mélanges contenant de 25 à 90% environ de borate donnent l'azéotrope à 72% comme distillat, et tous les mélanges de ce genre bouillent à la même température. Il est clair qu'un mélan- ge contenant 70% de borate de méthyle donnerait l'azéotrope comme distillat et bouillirait à une température constante jusqu'à ce que le liquide ait atteint une composition à 25%
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environ de borate.
A ce moment, la teneur en borate de la vapeur produite commence à diminuer rapidement et le point d'ébullition s'élève. Un tel mélange est utile et rentre dans le cadre de cette invention quoique, pour les raisons précédemment expliquées, des mélanges conte- nant un peu plus de borate que l'azéotrope véritable soient préférables comme point de départ.