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close this bookFormation Professionelle en Afrique: Technologie Generale pour Construction Métallique - Tome 3
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SOUDAGES HETEROGENES

I. Généralités

Les soudages hétérogènes se distinguent nettement des soudages autogènes par deux faits essentiels:

Les métaux ou alliages a souder ne sont jamais portés à leur température de fusion; par suite, les déformations sont moindres.

Les pièces à assembler peuvent être de différente nature.

II. Principe de liaison

Il repose sur un phénomène d'accrochage superficiel d'un produit liquide sur une surface convenablement préparée; on dit alors que le métal d'apport mouille.

Les deux surfaces a réunir sont maintenues en contact parfait (jeu de 0,1 mm) et la soudure en fusion se répand entre les 2 bords par capillarité.

La soudure hétérogène ne peut s'effectuer que lorsque les pièces a assembler sont: nettoyées, ajustées, mise en place du flux et un choix correct du métal d'apport.


Figure


Figure


Figure

1. Phénomène du mouillage:

Lorsqu'un métal d'apport ayant une bonne affinité avec les pièces a souder est porté à sa température de fusion, et déposé sur les surfaces aptes à le recevoir (propres et non oxydées a la température exigée), il se produit une infiltration intergranulaire du métal d'apport sur les pièces


Figure

Le mouillage est caractérisé par un étalement du métal en fusion qui laisse une trace sur les pièces.


Figure

2. Tension superficielle des liquides:

Un liquide est composé de molécules qui s'attirent mutuellement, ce qui permet la cohésion de l'ensemble.

Dans l'air, les molécules étant plus éloignées les unes des autres, les forces de cohésion sont pratiquement nulles.

- considérons la surface de séparation d'une goutte avec l'air:


Figure

Les forces de cohésion

étant d'une intensité plus élevée que celles

de l'air, les molécules de surface sont attirées vers le centre de la goutte et forment une «enveloppe» qui tend à se refermer sur elle-même.

Ces forces inter-actives engendrent sur la surface de contact une tension superficielle qui est spécifique à chaque couple liquide - solide ou liquide - gaz.

- considérons la surface de séparation d'une goutte avec un solide


Figure

Au point de contact P, il existe une troisième force résultante

. Plus cette force est importante, plus l'enveloppe aura tendance a s'aplatir et à augmenter sa surface de contact avec le solide; c'est le phénomène de mouillabilité.

En soudage, on considère que le mouillage est satisfaisant lorsque l'angle est supérieur à 90°.


Figure

On peut augmenter cette mouillabilité en utilisant un FLUX solide, liquide ou gazeux qui diminue la tension superficielle du métal liquide et décape la surface de contact du métal solide.

3. Etude de la liaison:

La liaison par soudage hétérogènes est réalisée par la création localisée d'un nouvel alliage: il y a diffusion entre le métal liquide et le métal solide de base.


Figure

Dans un premier temps le mouillage permet un rapprochement étroit entre les atomes qui échangent des électrons périphériques.


Figure

L'élévation de température favorise le mouvement des atomes qui vont ainsi former un nouveau composé de liaison: c'est le phénomène de diffusion.

4. Applications du phénomène de mouillage:

Il existe deux techniques de soudage hétérogène qui appliquent le phénomène de mouillage et qui sont:

* Le brasage.

L'assemblage par brasage est réalisé par emboîtement ou recouvrement des pièces.

Le métal d'apport, d'une grande fluidité, forme instantanément le joint par capillarité dès que l'ensemble est à température de mouillage.


Figure

* Le soudobrasage.

Le métal d'apport possédant des caractéristiques mécaniques supérieures à celles des alliages de brasage, est déposé à l'état liquide sur les bords préalablement portés à la température de mouillage. Cet assemblage est réalisé de proche en proche sur une préparation ouverte: bout à bout, chanfrein ou en angle.

III. Le brasage

Cette technique de soudage hétérogène se décompose, en fonction de la température de fusion du métal d'apport, en trois groupes:

* Le brasage tendre.

Le point de fusion du métal d'apport ne dépasse pas 300 °C.

* Le brasage dur.

Le point de fusion du métal d'apport est compris dans un intervalle de températures de 650 à 950 ° C.

* Les brasages spéciaux.

Caractérisés par la composition des métaux d'apport et les techniques opératoires mises au point par des firmes spécialisées.

1. Brasage tendre:

Cette technique, plus généralement connue sous le nom de «soudage à l'étain», est en fait un brasage dans lequel le métal d'apport utilisé est un alliage à base d'étain et de plomb (ou inversement) qui fond à basse température.

* Brasures utilisées.

Le tableau donne quelques compositions types de métaux d'apport employés fréquemment.

Composition en %

Température

Utilisations

Plomb

Étain

Fusion

Solide


80

20

275

180

Brasage au trempé

70

30

255

»

Alliages du plombier

65

35

255

»


60

40

235

»

Travaux de chaudronnerie

55

45

220

»


50

50

210

»

Travaux généraux

40

60

190

»

Aciers inoxydables

35

65

180

»

Radio

10

90

220

»

Conserverie

* Flux et décapants.

Ils jouent le rôle de solvant actif mais ne doivent pas être corrosifs. On rencontre:

- Acide orthophosphorique concentré ou dilué à 50 % pour acier inoxydable.
- Chlorure de zinc du commerce dilué dans l'eau 300 g/litre pour plombier.
- Chlorure de zinc enrichi en acide chlorhydrique (acide muriatique).
- Flux résineux qui sont généralement liés au métal d'apport et de composition suivante:

Résine + chlorhydrate d'aniline
Résine + alcool méthylique
Résine + acide lactique.


* Méthodes de brasage tendre.

Au «fer».

Technique généralement manuelle qui consiste à étendre le métal d'apport sur le joint en chauffant au moyen d'un «fer à braser» bloc de cuivre maintenu à l'extrémité d'une tige et chauffé soit au feu de forge, soit électriquement par une résistance électrique, soit à l'aide d'une flamme aéro-gaz de ville ou oxyacétylénique. Le fer doit être porté a une température supérieure de 50 °C à celle qui correspond au point de fusion du métal d'apport.


Figure

Nettoyage (pour fer à souder).

Pour le soudage à l'étain le bec de cuivre doit toujours être bien nettoyé, car si le bec est sale, l'étain ne peut pas adhérer. Pour cela il faut:

- brosse métallique
- pierre ammoniacale
- donner la forme pointue avec la lime et étamer avant d'exécuter la soudure.


Nettoyage et étamage

Au trempé.

Cette technique relève plus de l’étamage proprement dit, mais il est possible, par une préparation judicieuse des pièces, de n'intéresser que les joints (cas du brasage des radiateurs d'automobile).

Méthodes diverses.

Il est possible de braser en apportant la source calorifique depuis les pièces elles-mêmes; dans ce cas tous moyens de chauffage préalablement étudiés sont applicables et le brasage est dit au chalumeau, au four, par induction, etc... La technique consiste surtout a interposer, avant la fermeture de l'assemblage, et bien entendu avant brasage, une plaquette de brasure (métal d'apport + flux) et de chauffer l'ensemble afin de faire fondre cette plaquette, qui, par capillarité, mouillera l'ensemble du joint.

* Types de travaux réalisés.

La brasure pénètre dans l'assemblage par le jeu capillaire


Figure

Brasage par chauffage au four de toute la pièce-


Figure

Etamage local d'une surface


Figure

(1): Nettoyage de la surface et badigeonnage avec une pâte auto-brasante.
(2): Chauffage au chalumeau ou au four.
(3): Nettoyage au chiffon.

2. Brasage dur:

Ce procédé n'est différent du précédent que par l'utilisation du métal d'apport qu'il nécessite (fusion à haute température), toutefois son application est beaucoup plus étendue, par suite de:

- La variété des applications possibles;
- La résistance du joint obtenu qu'il offre.

* Brasures utilisées.

Les brasures, ou métaux d'apport, sont de trois types qui, en fonction de leur composition, permettent de réaliser des joints de propriétés différentes. On trouve:

- Les laitons, très largement utilisés sur joint acier + acier. Ces laitons peuvent être additionnés d'argent pour améliorer la fluidité, de silicium pour favoriser la désoxydait, de nickel et de manganèse pour augmenter les caractéristiques mécaniques du joint.

- Les cuivres au phosphore, employés pour le brasage du cuivre, néfastes pour les métaux ferreux.

- Les alliages à l'argent donnant des températures relativement basses et apportant au joint de hautes qualités physiques et mécaniques.

Le tableau donne quelques types de brasures fortes couramment utilisées .

Composition en %

Intervalle de fusion

Cu

Zn

P

Ar

Si

Ni

Mg

Cd

Liquide

Solide

85

15

1050

950

50

50

870

850

60

39

+

+

890

880

50

40

10

960

925

82

5

13

750

630

94

6

940

700

50

50

780

780

+

+

50

710

635

+

+

35

+

620

605

+

+

25

780

740

+

+

15

700

640

+

+

10

+

850

800

Les laitons 85-15 ou 80-20 sont utilisés pour l'acier.

Les laitons 60-39 sont Utilisés pour le cuivre.

Les brasures à l'argent sont recommandées pour les aciers inoxydables.

Le laiton au nickel (maillechort) est recommandé pour les fontes. On trouve également des brasures pour aluminium, telles que:

AS

5

fusion vers

630 °C;

AS

10

-----

580 °C.

* Flux utilisés.

Pour choisir un flux, il est préférable de suivre les indications des fournisseurs; toutefois, pour fixer les idées, voici quelques références de base:

Matériaux brasés

Flux à utiliser

Acier + acier
Acier galvanisé
Cuivre

borax (borate de soude) 2/3
+ acide borique 1/3

Fonte

flux au borax + fluobarate

Acier inoxydable

flux aux fluorures

Aluminium

flux permettant d'éliminer la couche d'alumine + chlorure de zinc pour faciliter le mouillage.

Il est recommandé de veiller à éliminer soigneusement le flux pouvant rester sur les pièces après brasage, afin d'éviter qu'il ne continue son action.

* Méthodes de brasage dur.

Comme pour le brasage tendre, c'est le moyen mis en œuvre pour chauffer les pièces qui conditionne la méthode de brasage; nous nous limiterons à une énumération de ces moyens. Nous tenons à préciser toutefois que les opérations principales d'un brasage résident en:

- La précision de l’assemblage avant le brasage. Dans ce domaine, une erreur grossière consiste a laisser un jeu excessif entre les surfaces à lier.

- La disposition et la quantité du métal d'apport et du flux.

- Le nettoyage des pièces avant brasage.

- La montée et le maintien en température des pièces (la température maximale des pièces doit toujours être inférieure à la température de fusion de la brasure).


Figure

Différents moyens de chauffage:

- Au chalumeau (pour travaux unitaires).
- Au four (à flamme, électrique).
- Par résistance.
- Par induction.
- Par bain (sels fondus).
- En atmosphère (réduit l'utilisation des flux).

* Types de travaux réalisés

- Le point E signifie le positionnement ou l'entrée de la brasure.
- Le point S signifie la sortie de la brasure.


Raccordements de barres pleines


Raccordements de profilés tubulaires

IV. Le soudobrasage

Ce procédé de soudage hétérogène porte cette terminologie parce que, d'une part il se pratique sur des pièces dont les bords sont préparés comme en soudage (soudo) et d'autre part, parce qu'il applique le même phénomène d'accrochage du métal d'apport (brasure) en fusion, qui mouille le métal de base non en fusion. Le phénomène de capillarité n'intervient pratiquement pas dans ce cas.

1. Brasures utilisées:

Composition.

Les métaux d'apport utilisés en soudobrasage sont d'une composition sensiblement identique à celle que nous avons indiquée pour le brasage dur; toutefois, certains éléments d'addition dans le laiton de base sont indispensables afin d'éviter la dénaturation du métal déposé; ainsi:

- La présence de silicium et de manganèse produit une fusion calme et s'oppose à la volatilisation du zinc.

- Une faible quantité d'étain suffit pour faciliter le mouillage et rendre le joint plus malléable.

2. Brasures types:

Laiton spécial

Laiton au nickel (Maillechort)

Cuivre

59%

Cuivre

49%

Zinc

39

Zinc

40,5

Etain

0,5 à 1

Nickel

10

Silicium

0,05 à 0,15

Silicium

0,1 à 0,2

Manganèse

0,1 à 0,5

Phosphore

0.01 à 0,05

Ces alliages sont livrés en baguettes de 2 à 8 mm de diamètre.

A partir de 4 mm, le diamètre de la baguette est égal au 3/4 de l'épaisseur à soudo-braser.

3. Caractéristiques mécaniques et résistance après dépôt:

La cassure ne se produit jamais à la jonction cordon-métal de base par suite du phénomène d'interpénétration; de ce fait, on peut calculer la résistance de l'assemblage, en déterminant d'une part: la résistance du métal de base et d'autre part: la résistance du métal déposé.

Valeurs approximatives

- Résistance à la traction

40 à 45 da N/mm2

- Résistance de limite élastique

24 à 28 da N/mm2

- Allongement %

20 à 25 %

- Résistance au cisaillement

18 à 22 da N/mm2

- Dureté

90 à 100 HB

4. Flux utilisés:

En soudobrasage, le métal d'apport et les pièces sont davantage en contact avec l'oxygène (air ambiant) qu'en brasage; de ce fait, il faut ajouter au mélange borax-acide borique, des phosphates et des halogènures, ceci pour le soudobrasage des alliages ferreux et cuivreux. Pour le soudobrasage de l'aluminium, on ajoute des composés du fluor.

Le flux est utilisé sous forme de poudre ou de pâte, sauvent à l'alcool, dont on recouvre la baguette et le joint. Il peut être aussi incorporé à la baguette suivant différents procédés. Un procédé récent consiste à utiliser un flux liquide (à l'alcool) qui est incorporé à la flamme oxyacétylénique sous la forme d'un gaz, par entraînement de l'acétylène. Ce procédé («Gaz.flux») libère le soudeur des préparations et manipulations des flux solides.

5. Mode opératoire en soudobrasage:

Les règles générales d'exécution spécifiées en soudage oxyacétylénique sont applicables en soudobrasage mais le chalumeau est un peu plus incline (30° au lieu de 45°). Toutefois, le soudeur doit conduire son travail avec quelques préoccupations différentes, telles que:

- Soigner davantage la préparation des bords; la propreté doit être plus grande, il faut éviter le contact des mains, ne pas utiliser la toile émeri comme moyen de décapage, éviter les entailles.

- Surveiller la température de mouillage des pièces, ne pas surchauffer (défaut assez courant).

- Contrairement au brasage, il faut toujours déposer un cordon.


6. Conseils particuliers:


Préparations spéciales


Disposition des passes et préparation des bords


Assemblage d'une bride


Réparation sur matériau non malléable

V. Généralités du soudage hétérogène

Brasure

Soudure à l'étain

Deux pièces d'un même matériau ou de matériaux différents sont brasées ensemble avec une baguette en cuivre ou en argent La baguette et les pièces sont chauffées à plus de 450 ° C par une flamme comme pour la soudure à gaz.

Comme pour la brasure deux pièces de matériaux différents sont soudées ensemble, mais à l'aide d'une baguette en étain (ou plomb) chauffée jusqu'à 400 °C.

La brasure est pratiquée pour les jonctions
- de deux pièces de matériaux différents
- de deux pièces qui ne peuvent pas être trop chauffées.

La soudure à l'étain est pratiquée pour tout joint soumis à un faible effort et où la jonction n'est pas chauffée a plus de 400 °C.

Matériaux à braser:

l'acier doux;
l'acier avec une forte pourcentage de carbone 0,5 à 1,5%;
la fonte;
la fonte et l'acier ensemble;
le cuivre seulement avec des baguette en argent.

Matériaux soudables:

l'acier doux;
l'acier de 0,3 à 1,5% de carbone;
le cuivre;
le fer blanc (boîtes de conserves);
le bronze;
l'acier et le cuivre ensemble.

Exemples pratiques:

tôle et tube galvanisé et chromé la jante;
le cadre de vélo;
les pièces en fonte;
récipients;
marmites divers;
réservoir d'essence pour les camions;
petits ressorts.

Exemples pratiques:

tube en cuivre; boîtes d'huile et de conserves;
récipients et marmites pas trop chauffés;
réservoirs d'essence de mobilette et de voiture;
radiateurs;
jonctions de fils électriques.

QUESTIONNAIRE pour l'étude a domicile et pour les COMPOSITIONS


Figure

(1)
(2)
(3)


Figure


Figure

(1)
(2)
(3)


Figure