Brasage

Figure 1 : Effet capillaire.

Le dictionnaire définit la capillarité comme un terme de la physique ayant trait à l'ensemble des phénomènes qui se passent dans le contact des liquides avec les solides présentant des espaces très étroits ou capillaires (fig. 1).

La capillarité peut être vue comme une variété de l'adhésion, ou comme une force qui produit les phénomènes capillaires. Ses effets sont observables lorsque les buvards aspirent l’encre ou quand les éponges s’imbibent d’eau et, dans le cas du brasage, lorsqu'un métal fondu remonte entre les deux surfaces à réunir lorsqu'elles sont espacées d'un jeu approprié.

La loi de Jurin donne la hauteur à laquelle un liquide monte dans un tube capillaire.

Cette loi s'exprime par :

${\displaystyle \qquad h={\frac {2\gamma \cos(\theta )}{r.\rho .g}}}$

où

• h est la hauteur du liquide,
• γ est la tension superficielle du liquide (c'est la force motrice du phénomène de capillarité),
• θ est l'angle de raccordement entre le liquide et la paroi du tube (voir fig. 3),
• ρ est la masse volumique du liquide,
• r est le rayon du tube,
• g est la constante d'accélération de la pesanteur.

Les conditions de validité sont les suivantes : il faut que le diamètre du tube soit petit devant la longueur capillaire, qui vaut d'ordinaire deux millimètres pour de l'eau à la température et pression ambiante. Si le tube est tenu oblique alors la loi de Jurin donne la hauteur verticale et non pas la hauteur mesurée le long du tube.

La capillarité intervient dans la détermination du jeu à laisser entre pièces emboîtées (ou qui se recouvrent) pour permettre au métal d'apport en fusion de monter le plus haut possible dans l'interface ainsi réalisée.

Figure 2 : Gouttes de rosée sur une prêle, exemple de non mouillabilité.

Figure 3 : Gouttelette d'eau sur une surface idéale.

Le mouillage d'un liquide (métal d'apport en fusion) sur un solide (pièces à réunir) est le degré d'étalement du liquide sur ce solide. Les effets produits sont le contraire de ce que l'on constate lorsqu'on observe une goutte d'eau sur une feuille de chou ou des gouttes d'eau déposées par la rosée (fig .2).

On parle de « mouillage total » lorsque le liquide s'étale totalement et de « mouillage partiel » lorsque le liquide forme une goutte sur le solide.

La loi de Young-Dupré donne l'expression de l'angle de contact statique d'une goutte liquide déposée sur un substrat solide (ménisque), en équilibre avec une phase vapeur (fig. 3) :

${\displaystyle \cos \theta ={\frac {\gamma _{SV}-\gamma _{SL}}{\gamma _{LV}}}}$

où :

${\displaystyle \gamma _{SV}\;}$, ${\displaystyle \gamma _{SL}\;}$ et ${\displaystyle \gamma _{LV}\;}$ désignent respectivement la tension superficielle des interfaces solide/vapeur, solide/liquide et liquide/vapeur.

Dans les procédés de brasage avec métaux d'apport (brasage tendre ou fort) le mouillage intervient, en préalable de la diffusion, en deux étapes :

• d'abord en mettant en œuvre des liaisons faibles, du type forces de van der Waals ; c'est l'adsorption physique ou physisorption, puis
• en mettant en œuvre des énergies de liaison importantes. On parle alors d’adsorption chimique ou chimisorption. L’adsorption chimique s’accompagne d’une profonde modification de la répartition des charges électroniques des atomes adsorbés, les forces mises en jeu sont du même type que celles qui agissent lors de la formation des liaisons métalliques et/ou des liaisons chimiques.

On améliore la mouillabilité par l'emploi de flux décapants appropriés aux métaux de base. Une fois l'opération de brasage effectuée, toute trace de flux doit être supprimée afin d'éviter des problèmes ultérieurs de corrosion.

La diffusion désigne la tendance naturelle d'un système à rendre homogènes les concentrations des espèces métalliques ou chimiques en son sein. C'est un phénomène de transport irréversible qui se traduit par la migration d'espèces métalliques ou chimiques dans un milieu. Sous l'effet de l'agitation thermique on observe un déplacement des constituants des zones de forte concentration vers celles de faible concentration. D'un point de vue phénoménologique, et au premier ordre, ce phénomène est régi par une loi de Fick.

Le déplacement des atomes, ions ou molécules dans un milieu, que celui-ci soit solide (cristallin ou amorphe), liquide ou gazeux, est appelé de manière générale « migration ». La diffusion est la migration sous l'effet de l'agitation thermique, à l'exception des autres phénomènes. Elle intervient par exemple dans des procédés d'amélioration des caractéristiques mécaniques (traitements de surface comme la nitruration ou cémentation).

Lorsqu'un atome se déplace parmi des atomes de même nature, on parle d'autodiffusion. Par exemple, on parle d'autodiffusion du fer pour désigner la migration d'un atome de fer dans un cristal de fer.

Lorsque l'on a deux milieux homogènes différents mis en contact, on parle d'interdiffusion. C'est ce qui se produit, en brasage, au travers de la zone de liaison entre le métal d'apport et le métal de base : il y a formation d'un alliage de ces deux métaux.

La diffusion peut être à l'origine de la formation de composés intermétalliques pouvant conduire à la ruine de l'assemblage. C'est le cas lors du brasage d'un acier inoxydable avec un apport en laiton (décohésion intergranulaire), d'un titane avec un apport en argent ou d'un alliage de nickel avec un apport chargé en phosphore ou soufre(formation de composés fragiles).

En électronique, le métal d'apport était généralement constitué de 60 % d'étain et de 40 % de plomb en masse afin de produire un mélange presque eutectique (point de fusion du mélange inférieur à n'importe lequel des points de fusion des éléments du mélange pris isolément).

Le rapport eutectique de 63/37 (%m) correspond de près à un SnPb mélange intermétallique. Il donne un eutectique aux environs de 179 °C à 183 °C.

La réglementation (ROHS) impose de supprimer le plomb et de trouver d'autres alliages, par conséquent les alliages les plus courants sont composés d'étain (Sn), de cuivre (Cu) et d'argent (Ag) mais ils sont onéreux. Des dérogations existent pour pouvoir continuer à utiliser l'alliage de plomb.

Suivant les directives de l'Union européenne WEEE (Waste of Electrical and Electronic Equipment) et RoHS (Reduction of Hazardous Substances), le plomb doit être éliminé des systèmes électroniques depuis le 1^er juillet 2006, amenant un grand intérêt des industriels pour les brasures sans plomb. Celles-ci contiennent de l'étain, du cuivre, de l'argent, et d'autres métaux dans des quantités variées.

Voir l'article Composant monté en surface pour plus de détails sur les implications de ces changements dans l'industrie électronique.

En plomberie, une proportion de plomb supérieure était utilisée, ce qui avait l'avantage de faire prendre la brasure plus lentement, et qui permettait donc de le glisser sur le joint pour assurer l'étanchéité. Avec le remplacement des canalisations de plomb par du cuivre, le plomb dans les brasures fut remplacé par du cuivre, et la proportion d'étain augmenta.

Le métal d'apport utilisé pour le brasage fort est généralement un alliage cuivre/phosphore de cuivre/zinc, ou cuivre/argent. Le point de fusion de ces différents alliages se situe généralement entre 600 °C et 880 °C. Les alliages à forte teneur en argent (6 % minimum) sont recommandés pour la réalisation de brasages à résistance mécanique élevée et sont les seuls autorisés pour les raccordements de conduites de gaz de ville en cuivre et en laiton. Le laiton est utilisé pour le brasage de l'acier.

La brasure est en général mélangée ou utilisée avec du flux, lequel est un agent réducteur conçu pour aider à enlever les impuretés (en particulier les métaux oxydés). Pour l'aspect pratique le métal d'apport est souvent commercialisé sous forme de baguettes ou comme tubes contenant du flux. La plupart des brasures tendres sont suffisamment souples pour être roulées et stockées en rouleau.

En facture d'orgue, ce procédé est utilisé afin de fabriquer les tuyaux. La technique à acquérir n'est pas évidente et est sanctionnée par un CAP spécifique. Les tuyaux sont faits d'un alliage soit riche en étain (> 63,3 %), soit pauvre (< 63,3 %). L'idéal étant que cet alliage ne soit pas trop proche de l'alliage utilisé pour braser. Les fils de soudure sont à 63,3 % d'étain car c'est à ce pourcentage que la température de fusion est au plus bas.

Dans le cas des instruments à vent en métal (famille des cuivres, saxophones, flûtes) ou composés de métal (mécaniques de clarinette, de hautbois), l'assemblage des pièces est réalisé par brasage. Certains composants de pièces n'ayant pas vocation à être démontés (divers composants de clé de saxophone, liaison tubes et bloc pistons sur les cuivres), leur assemblage est réalisé par brasage fort à haute teneur en argent (40 % en général). Les autres assemblages sont réalisés par brasage tendre étain/plomb (ou leur pendant sans plomb) afin de permettre un démontage plus aisé dans le cadre d'une réparation de l'instrument (démontage d'une patte ou d'une clé pour débosseler le tuyau lié, par exemple).

Il existe deux méthodes pour effectuer un brasage sur une céramique. La méthode traditionnelle consiste à « métalliser » la céramique avant de pouvoir effectuer le brasage avec un alliage ordinaire. Cependant, cette méthode est coûteuse en temps et en argent. La seconde méthode consiste à intégrer un élément actif à la brasure qui réagira avec la céramique pour en faire une liaison permanente. Ces éléments actifs peuvent être du vanadium, niobium ou zirconium mais le plus courant est le titane.

Dans l'industrie automobile, les échangeurs thermiques (condenseur pour la climatisation, radiateur pour le refroidissement du moteur, refroidisseurs d'air de suralimentation (RAS ou « intercooler ») pour les véhicules équipés d'un compresseur ou d'un « turbocompresseur »), sont généralement constitués d'aluminium (nuances 3xxx). Le métal d'apport est alors un aluminium allié, enrichi en silicium entre 4 et 8 % (par ex nuances 4343 ou 4045), ce qui abaisse son point de fusion. Il est souvent apporté par colaminage du matériau d'apport sur le métal de base, on parle alors de placage.

L'alumine, dont la température de fusion est bien plus élevée que celle de l'aluminium, doit être éliminée par voie mécanique (grattage) ou chimique (flux actif). En effet, l'alumine n'étant pas mouillable, elle empêche les effets de capillarité et de diffusion de se réaliser et, par voie de conséquence, s'oppose à l'effet de brasage.

Le nombre (plusieurs dizaines de milliers par échangeur), la taille de ces joints (souvent moins d'1 mm de large) et leur longueur cumulée (plusieurs centaines de mètres) font que le brasage est souvent la seule option possible pour ce genre de pièce.

• Welding Handbook - Fundamentals of Welding. Charlotte Weisman, Editor. AWS 2501 Northwest 7th Street. Miami, Florida 33125.
• Manuel de Brasage Tendre - AWS. Diffusé par les Publications de la Soudure Autogène - 90 Rue des Vanesses 93420 Villepinte.
• Manuel de Brasage Fort -. Diffusé par les Publications de la Soudure Autogène - 90 Rue des Vanesses 93420 Villepinte
• Louis Ducros Le brasage, Paris, 1970, J.-B. Baillière et fils, 241 p.

• [vidéo]Plusieurs types de brasure tendre réalisées à la lampe à souder
• [vidéo]Réparation carrosserie brasure étain et plomb
• [vidéo]Comparaison entre une brasure tendre et une brasure forte en plomberie