CA2376176A1

CA2376176A1 - Procede d'assemblage de pieces metalliques par une poudre metallique chauffee par induction

Info

Publication number: CA2376176A1
Application number: CA002376176A
Authority: CA
Inventors: Denis Barberi; Celine Cossu; Alain Laille
Original assignee: Individual
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2000-12-21
Also published as: JP2003501273A; FR2794674B1; EP1198324A1; WO2000076716A1; FR2794674A1; RU2002100210A

Abstract

Le procédé permet d'assembler des pièces métalliques sans risque de fusion d e celles-ci, lors de l'assemblage à haute température. Il consiste à utiliser comme matériau d'apport une poudre dont la température de fusion est égale o u supérieure à la température de fusion du matériau constituant les pièces, lorsqu'elles sont de même nature, ou dont la température de fusion est égale ou supérieure à celle de la pièce dont la température de fusion est la plus faible dans le cas de pièces de natures différentes. L'ensemble est chauffé par induction, la fusion de la poudre étant obtenue sans fusion des pièces grâce à une température supérieure à celle des pièces. Application à l'assemblage de toutes pièces métalliques constituées de métaux ou d'alliage s métalliques et application préférentielle à l'assemblage de pièces de même nature en utilisant une poudre du même matériau.

Description

WO UO/76716 CA 02376176 2001-12-04 pCT/FR00/01585 PROCEDE D'ASSEMBLAGE DE PIECES METALLIQUES
PAR UNE POUDRE METALLI UE CHAUFFES PAR INDUCTION
DESCRIPTION
Domaine de l'invention L'invention ressortit à l'assemblage des pièces métalliques avec métal d'apport et s'apparente un peu au brasage. Le procédé de chauffage est l'induction.
Art antérieur et problème dosé
Dans le domaine de l'assemblage de deux pièces métalliques, de même matériau ou non, au moyen d'une poudre métallique placée entre ces deux pièces, on cherche à chauffer ladite poudre métallique dans le but de la transformer temporairement en matériau fondu, pour devenir un élément de liaison rigide entre les deux pièces, une fois refroidie. Ainsi, on réalise le brasage qui consiste à utiliser une poudre métallique dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion des deux pièces à assembler. De plus, on connaît des procédés de brasage utilisant le chauffage par induction, mettant en ouvre un métal d'apport sous forme de poudre. De nombreux métaux peuvent être assemblés de cette façon, en particulier le cuivre ou l'acier inoxydable, en utilisant les matériaux d'apport appropriés. Pour le cuivre, il s'agit généralement d'alliages à forte teneur en cuivre

2 et argent, ou cuivre zinc. La température de brasage est de l'ordre de 700 à 800°C. Pour l'acier inoxydable, les alliages d'apport sont à base d'argent, de cuivre, de nickel ou d'or. Le brasage est réalisé entre 700 et 1 100°C. Les différents matériaux d'apport sous forme de poudre sont souvent mélangés à un flux. Dans tous ces cas, le matériau d'apport sous forme de poudre est un matériau différent des deux pièces devant être assemblées et a une température de fusion inférieure à
la température de fusion des deux pièces.
On connaît, par ailleurs, l'utilisation de poudres de même nature que les pièces à assembler dans le cas d'applications impliquant une épaisseur de liaison importante (de l'ordre de quelques millimètres). La poudre du métal de base est toujours accompagnée d'un matériau d'apport dont la température de fusion est inférieure à celle du métal de base. Une pression est toujours appliquée pendant le cycle de brasage, de manière à favoriser l'élimination des pores au niveau de la liaison (voir le brevet américain US-5 812 925).
D'autre part, on sait qu'il est possible d' assembler deux pièces de même nature, par exemple en aluminium, en utilisant une poudre d'un constituant métallique dont la température de fusion est supérieure à la température de fusion des pièces, par exemple dans le cas de l'assemblage de l'aluminium, un mélange de silicium et d'un flux de fluoroaluminate de potassium.
Dans ce cas, la phase liquide est obtenue tout de même à une température inférieure à/la température de fusion des deux pièces, du fait de phénomènes de diffusion

3 entre la poudre et les pièces qui provoquent la formation d'une phase à température de fusion inférieure à celle des pièces.
I1 existe une autre technique d'assemblage qui est le soudage par diffusion. Mais, dans ce procédé, la poudre intercalée entre les deux surfaces métalliques ne passe pas à l'état liquide au cours de l'assemblage. I1 s'agit d'un procédé de soudage à
l'état solide, par lequel une liaison est formée par la diffusion d'une poudre disposée entre les surfaces métalliques en contact, par l'application d'une pression à haute température, pendant un temps suffisant, sans apport d'élément chimique.
Résumé de l'invention L'objet principal de l'invention est un procédé d'assemblage de deux pièces métalliques par fusion d' un matériau d' apport, caractérisé en ce qu' il consiste à .
- utiliser comme moyen de chauffage l'induction ; et - utiliser comme matériau d'apport une poudre dont la température de fusion est supérieure ou égale à la température de fusion des deux pièces à
assembler, lorsqu'elles sont de même nature, ou supérieure ou égale à la température de fusion de la pièce dont la température de pression est la plus basse, dans le cas de pièces de natures différentes, pour réaliser l'assemblage sans qu'il y ait formation de phase à température de fusion moins élevée que celle

4 des deux pièces. L'utilisation de ces deux moyens combinés permet notamment de ne pas utiliser d' élément chimique d'apport et de ne pas avoir à exercer de pression à haute température pour réaliser la liaison.
Dans une réalisation préférentielle de l'invention, les deux pièces sont de même nature et la poudre est du même matériau que celui constituant les pièces, la température de fusion de la poudre et des pièces étant la même.
I1 est possible de compacter la poudre préalablement à son insertion entre les deux pièces.
Description détaillée d'une réalisation de l'invention L'invention s'apparente un peu au brasage par induction, mais s'en différencie par un point essentiel qui est le suivant.
Le matériau d'apport est une poudre métallique, dont la température de fusion est supérieure ou égale à la température de fusion des deux pièces à assembler dans le cas de l'assemblage de pièces de même matériau, ou supérieure ou égale à la température de fusion de la pièce dont la tempêrature de fusion est la plus basse dans le cas de pièces de natures différentes.
L'association de l'utilisation d'une poudre métallique en métal d'apport avec un chauffage par induction provoque certaines ,conditions, lors de la montée en température de cette poudre, de sorte que la fusion de la poudre est obtenue sans la fusion des WO 00/76716 CA 02376176 2001-12-04 PCT/FR~O/0158$
pièces. Le principe de chauffage par induction de pièces métalliques homogènes repose sur la loi de LENZ, qui énonce que . toute substance conductrice d'électricité soumise à un champ magnétique variable

5 est le siège de courants induits. Ces courants dissipent de la chaleur par effet Joule, ce qui provoque une montée en température du matériau dans lequel il circule. La profondeur de pénétration des courants induits est plus ou moins grande selon la fréquence du champ magnétique, ainsi que les propriétés physiques des pièces, telles que la perméabilité
magnétique et la résistivité électrique. Dans le cas d'une poudre métallique, le chauffage par induction d'une poudre métallique implique une distribution des courants induits beaucoup plus complexe que dans le cas du même matériau d'une pièce dense car le milieu constitué par une poudre métallique n'est pas homogène.
De plus, la présence et la nature de films d'oxyde en surface des particules influe sur la circulation des courants induits dans la poudre. L'élévation de température due à la circulation des courants induits est donc très différente dans la poudre par rapport à
celle dans les pièces.
Le phénomène observé tient au fait que le couplage inductif peut être plus efficace pour la poudre que pour les pièces métalliques. Ceci se traduit donc par une élévation plus grande de la température de la poudre que pour la température du matériau dense.
Il est nécessaire de bien faire la distinction entre la poudre dans son état initial, qui n'est pas le siège de courants induits, et la poudre

6 PCT/FR00/01585 lorsque les contacts métalliques entre les particules sont établis et qu'il peut y avoir circulation de courants induits. En effet, dans l'état initial, à
savoir la température ambiante, les conditions de couplage sont en général défavorables pour la poudre, car la résistivité électrique des poudres utilisées est très élevée, du fait de la présence d'une couche superficielle d'oxyde sur les particules. Cependant, au cours du chauffage, la température de la poudre augmente du fait des transferts thermiques avec les pièces denses. Dans ce cas, les couches superficielles d'oxyde qui peuvent exister en surface des particules de la poudre changent de nature ou sont éliminêes. De plus, les contacts métalliques se font de plus en plus nombreux entre les particules et leurs surfaces augmentent sous l'effet de la température. Le mode de circulation des courants induits dans la poudre évolue donc de manière importante au cours du chauffage, ce qui se traduit par une grande variation de l'efficacitê
du chauffage. Lorsque les conditions sont réunies pour la poudre, sa température peut être supérieure à celle des pièces denses. I1 est donc possible d'obtenir sa fusion sans fondre les pièces.
L'efficacité du chauffage par induction est différente selon que les particules de poudres sont en contact métallique ou isolées électriquement les unes des autres par des films d'oxydes.
Ainsi, lorsque les contacts entre particules sont établis avant ~.e cycle de chauffage, en utilisant des préformes de poudre élaborées à chaud, les courants induits se développent à la périphérie du

7 milieu granulaire et facilitent, par exemple, l'assemblage de pièces de forme tubulaire.
Le comportement est très différent dans le cas où les contacts métalliques entre les particules du métal d'apport ne sont pas créés avant l'assemblage. La formation des premiers contacts et la circulation des courants induits très intenses provoquent des variation de tension très importantes au sein du milieu granulaire. I1 est possible d'atteindre les valeurs de la « tension de claquage » au niveau des contacts recouverts de films isolants. Dans ce cas, la fusion au niveau de ces contacts est atteinte rapidement et s'étend à l'ensemble du milieu granulaire.
La poudre peut aussi être préalablement compactée, de façon à faciliter sa mise en place entre les pièces à assembler.
L'assemblage est obtenu grâce aux phénomènes habituels de mouillage, capillarité, comme pour le brasage.
La qualité de l'assemblage dépend des matériaux, des différents paramètres utilisés, des caractéristiques initiales de la poudre et du cycle de température.
Les pièces métalliques et la poudre peuvent être constituées d'un métal pur ou d'un alliage.
La poudre peut être constituée d'un mélange de particules de différents métaux.
L'application préférentielle de ce procédé
concerne des pièces métalliques et de la poudre constituée du même matériau.

8 Pour que l'assemblage puisse être réalisé
lorsque toute la poudre est à l'état liquide, le chauffage par induction doit cesser lorsque la totalité
de la poudre est fondue.
Les étapes fondamentales du procëdé sont les suivantes.
- Mise en place d'une fine épaisseur de poudre métallique entre deux pièces métalliques denses que l'on souhaite assembler.
- Chauffage par induction de la poudre et des pièces mêtalliques denses sur une zone limitée, préférentiellement, au voisinage du joint à réaliser.
On rappelle que l'échauffement de la poudre est donc obtenu, dans un premier temps, grâce à la présence des pièces métalliques denses, en effet, ces pièces sont le siège de courants induits, ce qui explique l'élévation de leur température. Les échanges thermiques prennent alors place entre les pièces et la poudre. Sous l'effet de ce chauffage, des contacts métalliques de plus en plus nombreux s'établissent entre les particules.
Lorsqu'ils sont suffisamment développés, il peut y avoir circulation de courants induits entre les particules de la poudre. La présence des pièces denses est par conséquent fondamentale pour permettre la création de ces contacts et le chauffage par induction de la poudre.
- Fusion de la poudre du fait du couplage inductif plus efficace que sur les pièces métalliques denses, donc d'une température de la poudre supérieure à celle des pièces.

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9 - Arrêt du chauffage par induction, de manière à obtenir un refroidissement de l'ensemble et, par conséquent, la solidification.
Un exemple consiste à assembler des pastilles de cuivre avec de la poudre de cuivre. Les deux pastilles sont de forme cylindrique, de diamètre égal à 20 mm et de hauteur égale à 5 mm. Quelques grammes de poudre de cuivre sont placés en sandwich entre les deux pastilles de cuivre, de manière à
obtenir une fine couche de cuivre de quelques micromètres, répartie de manière la plus uniforme possible sur l'ensemble de la surface des pastilles. La taille des particules est de l'ordre de 40 micromètres.
Le chauffage par induction est réalisé grâce à un générateur haute fréquence de puissance 25 kW.
L'inducteur utilisé est un inducteur à deux spires, de diamètre 56 mm et de hauteur 10 mm. L'assemblage a lieu sous vide secondaire à une fréquence de 155 KHz.
Dans ce cas, les opérations détaillêes sont les suivantes.
- Mise en place de l'ensemble de deux pastilles de cuivre et de la poudre dans l'inducteur à
l'intérieur d'une enceinte à vide.
- Fermeture de l'enceinte à vide.
- Mise sous vide primaire.
- Mise sous vide secondaire.
- Mise sous tension du générateur alimentant l'inducteur.
- Réglage des cons~.gnes de puissance.
- Démarrage de la haute tension.

1~
- Chauffage par induction de l'ensemble des pastilles et de la poudre.
- Fusion de la poudre.
- Arrêt de la haute tension.
- Refroidissement sous vide.
- Ouverture de l'enceinte à vide.
- Sortie de l'ensemble assemblé hors de l'enceinte.
Un autre exemple consiste à assembler des pastilles d'acier inoxydable Z2CN18-10, appelé
communément AiSi 304 avec de la poudre d'acier inoxydable Z12CN25-20, appelé communément AiSi 310. Les résultats d'essais montrent que la tenue mécanique des assemblages est de l'ordre de 70 ~ de la résistance à
la rupture du matériau de référence et l'allongement à
la rupture est 90 ~ de celui du matériau de référence.
Le procédé et le mode opératoire sont les mêmes que pour le cuivre.
Avantages de l'invention Ce procédé peut s'appliquer à différents métaux et alliages.
I1 présente les mêmes avantages que le brasage haute température puisqu'il permet .
- d'éviter la transition à l'état liquide des pièces à assembler. On peut ainsi éviter certains problèmes métallurgiques, tels que l'apparition de fissures ;
- une utilisation haute température des ensembles assemblés.

WO 00/7671 C) CA 02376176 2001-12-04 pCT/FR00/01585 Par ailleurs, le fait d'assembler des pièces avec une poudre d'un matériau identique permet de limiter les impuretés lors de l'assemblage, ce qui est très intéressant pour des pièces utilisées dans un environnement corrosif. De plus, il n'y a aucune détérioration des propriétés électriques au niveau du joint. Ce procédé peut donc être avantageusement utilisé dans le domaine de la connectique.
Par ailleurs, le dispositif utilise préférentiellement un générateur haute fréquence, comme source de chauffage par induction. Cette technique est par conséquent très facile de mise en oruvre et directement utilisable en remplacement du brasage par induction traditionnel pour des performances améliorées.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé d'assemblage de pièces métalliques par fusion d'un matériau d'apport, caractérisé en ce qu'il consiste à :
- chauffer l'ensemble par un chauffage inductif ;
- utiliser comme matériau d'apport une poudre dont la température de fusion est supérieure ou égale au matériau constituant les pièces à assembler dans le cas de l'assemblage de pièces de même nature, ou sinon dont la température de fusion est supérieure ou égale à celle de la pièce dont la température de fusion est la plus basse pour obtenir l'assemblage sans former, par diffusion, de phase nouvelle de température de fusion inférieure à celle des pièces.

2. Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant les pièces et le matériau constituant la poudre est le même.

3. Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre est compactée, préalablement à son insertion entre les deux pièces métalliques.