Brasage de l'aluminium et des alliages d'aluminium

1. Brasabilité

L'aluminium et ses alliages présentent de faibles propriétés de brasage, principalement en raison de la difficulté d'élimination de la couche d'oxyde superficielle. L'aluminium possède une forte affinité pour l'oxygène, ce qui favorise la formation d'une couche d'oxyde d'Al₂O₃ dense, stable et à point de fusion élevé. De même, les alliages d'aluminium contenant du magnésium forment une couche d'oxyde de MgO très stable, qui entrave considérablement le mouillage et l'étalement de la brasure et est difficile à éliminer. Le brasage nécessite donc l'utilisation d'un flux approprié.

Deuxièmement, le brasage de l'aluminium et de ses alliages est une opération délicate. Leur point de fusion est très proche de celui du métal d'apport utilisé. La plage de températures optimale pour le brasage est donc très étroite. Un contrôle de température même imprécis peut facilement entraîner une surchauffe, voire la fusion du métal de base, compliquant ainsi le processus. Certains alliages d'aluminium renforcés par traitement thermique subissent également des phénomènes de ramollissement, tels qu'un vieillissement excessif ou un recuit, sous l'effet de la chaleur de brasage, ce qui altère les propriétés des joints brasés. Lors du brasage à la flamme, l'appréciation de la température est difficile car la couleur de l'alliage d'aluminium reste inchangée pendant la chauffe, ce qui accroît les exigences en matière de précision de l'opérateur.

De plus, la résistance à la corrosion des joints brasés en aluminium et en alliages d'aluminium est fortement influencée par les métaux d'apport et les flux. Le potentiel d'électrode de l'aluminium et de ses alliages diffère sensiblement de celui de la brasure, ce qui réduit la résistance à la corrosion du joint, notamment pour les joints brasés tendres. Par ailleurs, la plupart des flux utilisés pour le brasage de l'aluminium et de ses alliages présentent une forte corrosivité. Même après nettoyage, l'influence des flux sur la résistance à la corrosion des joints ne disparaît pas complètement.

2. Matériau de brasage

(1) Le brasage de l'aluminium et des alliages d'aluminium est une méthode rarement utilisée, car la composition et le potentiel d'électrode du métal d'apport et du métal de base sont très différents, ce qui favorise la corrosion électrochimique du joint. Le brasage tendre utilise principalement des brasures à base de zinc et des brasures étain-plomb, que l'on peut classer en brasures basse température (150 à 260 °C), moyenne température (260 à 370 °C) et haute température (370 à 430 °C) selon la plage de température. L'utilisation de brasures étain-plomb, associée à un pré-dépôt de cuivre ou de nickel sur la surface de l'aluminium avant brasage, permet de prévenir la corrosion à l'interface du joint et d'améliorer ainsi sa résistance à la corrosion.

Le brasage de l'aluminium et de ses alliages est largement utilisé, notamment pour les guides de filtres, les évaporateurs, les radiateurs et autres composants. Seuls les métaux d'apport à base d'aluminium conviennent au brasage de l'aluminium et de ses alliages, parmi lesquels les métaux d'apport aluminium-silicium sont les plus courants. Le domaine d'application précis et la résistance au cisaillement des joints brasés sont respectivement indiqués dans les tableaux 8 et 9. Cependant, le point de fusion de cette brasure étant proche de celui du métal de base, la température de chauffage doit être contrôlée avec précision lors du brasage afin d'éviter toute surchauffe, voire la fusion du métal de base.

Tableau 8 : Domaine d'application des métaux d'apport de brasage pour l'aluminium et les alliages d'aluminium

Tableau 9 : résistance au cisaillement des joints en aluminium et en alliage d’aluminium brasés avec des métaux d’apport aluminium-silicium

La brasure aluminium-silicium est généralement fournie sous forme de poudre, de pâte, de fil ou de feuille. Dans certains cas, on utilise des plaques composites de brasure, constituées d'une âme en aluminium et d'un revêtement en brasure aluminium-silicium. Ce type de plaque composite est fabriqué par procédé hydraulique et est souvent utilisé comme composant brasé. Lors du brasage, le métal d'apport fond et s'écoule par capillarité et gravité sur la plaque composite pour combler l'espace à souder.

(2) Flux et gaz de protection pour le brasage de l'aluminium et des alliages d'aluminium : un flux spécial est souvent utilisé pour éliminer le film protecteur. Le flux organique à base de triéthanolamine, tel que le FS204, est utilisé avec les brasures tendres à basse température. L'avantage de ce flux est son faible effet corrosif sur le métal de base, mais il produit une grande quantité de gaz, ce qui affecte le mouillage et l'étanchéité de la brasure. Le flux réactif à base de chlorure de zinc, tel que le FS203 et le FS220A, est utilisé avec les brasures tendres à moyenne et haute température. Le flux réactif est très corrosif et ses résidus doivent être éliminés après le brasage.

Actuellement, le brasage de l'aluminium et de ses alliages repose encore principalement sur l'élimination du film de flux. Les flux de brasage utilisés comprennent les flux à base de chlorure et les flux à base de fluorure. Les flux à base de chlorure présentent une forte capacité d'élimination du film d'oxyde et une bonne fluidité, mais ils sont très corrosifs pour le métal de base. Leurs résidus doivent être complètement éliminés après le brasage. Les flux à base de fluorure constituent une nouvelle génération de flux, offrant une bonne élimination du film et n'étant pas corrosifs pour le métal de base. Cependant, leur point de fusion élevé et leur faible stabilité thermique les rendent compatibles uniquement avec la brasure aluminium-silicium.

Lors du brasage de l'aluminium et des alliages d'aluminium, on utilise souvent le vide, une atmosphère neutre ou inerte. En cas de brasage sous vide, le degré de vide doit généralement atteindre 10⁻³ Pa. Si l'on utilise de l'azote ou de l'argon comme gaz de protection, sa pureté doit être très élevée et son point de rosée inférieur à -40 °C.

3. Technologie de brasage

Le brasage de l'aluminium et des alliages d'aluminium exige une propreté irréprochable de la surface des pièces. Pour obtenir une qualité optimale, les traces d'huile et la couche d'oxyde doivent être éliminées avant le brasage. Les traces d'huile sont éliminées par un traitement à la solution aqueuse de Na₂CO₃ à une température de 60 à 70 °C pendant 5 à 10 minutes, suivi d'un rinçage à l'eau claire. La couche d'oxyde peut être éliminée par un décapage à la solution aqueuse de NaOH à une température de 20 à 40 °C pendant 2 à 4 minutes, suivi d'un rinçage à l'eau chaude. Après élimination des traces d'huile et de la couche d'oxyde, la pièce doit être traitée à la solution aqueuse d'HNO₃ pendant 2 à 5 minutes pour la faire briller, puis rincée à l'eau courante et enfin séchée. La pièce ainsi traitée ne doit être ni touchée ni contaminée par d'autres impuretés et doit être brasée dans les 6 à 8 heures. Il est préférable de braser immédiatement si possible.

Les méthodes de brasage de l'aluminium et de ses alliages comprennent principalement le brasage à la flamme, le brasage au fer à souder et le brasage au four. Ces méthodes utilisent généralement un flux et imposent des exigences strictes en matière de température et de durée de chauffage. Lors du brasage à la flamme et du brasage au fer à souder, il est impératif d'éviter de chauffer directement le flux à la source de chaleur afin de prévenir toute surchauffe et défaillance. L'aluminium étant soluble dans les brasures tendres à haute teneur en zinc, le chauffage doit être interrompu dès la formation du joint pour éviter la corrosion du métal de base. Dans certains cas, le brasage de l'aluminium et de ses alliages ne nécessite pas de flux ; on recourt alors à des méthodes ultrasoniques ou de grattage pour éliminer la pellicule d'oxyde. Lors du grattage, il convient de chauffer la pièce à braser à la température requise, puis de gratter la zone à braser avec l'extrémité de la baguette de brasage (ou l'outil de grattage). Ce faisant, la couche d'oxyde superficielle est rompue, et la brasure fond et mouille le métal de base.

Les méthodes de brasage de l'aluminium et des alliages d'aluminium comprennent principalement le brasage à la flamme, le brasage au four, le brasage par immersion, le brasage sous vide et le brasage sous protection gazeuse. Le brasage à la flamme est surtout utilisé pour les petites pièces et la production unitaire. Afin d'éviter la dégradation du flux due au contact des impuretés présentes dans l'acétylène avec le flux lors de l'utilisation d'une flamme oxyacétylénique, il est préférable d'utiliser une flamme air comprimé à l'essence, légèrement réductrice, pour prévenir l'oxydation du métal de base. Lors du brasage, le flux et le métal d'apport peuvent être placés à l'avance sur la zone à braser et chauffés simultanément avec la pièce. Il est également possible de chauffer d'abord la pièce à la température de brasage, puis d'y déposer la brasure enrobée de flux. Une fois le flux et le métal d'apport fondus, la flamme de chauffage doit être retirée lentement après que le métal d'apport ait uniformément imprégné la pièce.

Lors du brasage de l'aluminium et des alliages d'aluminium dans un four à air, le métal d'apport doit être préparé à l'avance. Le flux de brasage doit être fondu dans de l'eau distillée pour obtenir une solution épaisse d'une concentration de 50 % à 75 %, puis appliqué par enduction ou pulvérisation sur la surface à braser. Une quantité appropriée de flux de brasage en poudre peut également être appliquée sur le métal d'apport et la surface à braser. L'ensemble soudé est ensuite placé dans le four pour le brasage. Afin d'éviter la surchauffe, voire la fusion, du métal de base, la température de chauffage doit être rigoureusement contrôlée.

On utilise généralement de la brasure en pâte ou en feuille pour le brasage par immersion de l'aluminium et de ses alliages. La pièce assemblée doit être préchauffée avant le brasage afin d'atteindre une température proche de la température de brasage, puis immergée dans le flux de brasage. Pendant le brasage, la température et la durée doivent être rigoureusement contrôlées. Une température trop élevée risque de dissoudre le métal de base et d'entraîner des pertes de brasure ; une température trop basse, en revanche, ne permet pas une fusion suffisante de la brasure et diminue la vitesse de brasage. La température de brasage est déterminée en fonction du type et des dimensions du métal de base, ainsi que de la composition et du point de fusion du métal d'apport. Elle se situe généralement entre la température de liquidus du métal d'apport et la température de solidus du métal de base. La durée d'immersion de la pièce dans le bain de flux doit permettre une fusion et une fluidité complètes de la brasure, et le temps de maintien ne doit pas être excessif. Dans le cas contraire, le silicium contenu dans la brasure risque de diffuser dans le métal de base, le rendant cassant à proximité du joint.

Lors du brasage sous vide de l'aluminium et de ses alliages, des activateurs métalliques sont fréquemment utilisés pour modifier la couche d'oxyde superficielle et assurer le mouillage et l'étalement de la brasure. Le magnésium peut être appliqué directement sur la pièce sous forme de particules, introduit dans la zone de brasage sous forme de vapeur, ou encore ajouté à la brasure aluminium-silicium comme élément d'alliage. Pour les pièces de structure complexe, afin de garantir l'efficacité maximale des vapeurs de magnésium sur le métal de base et d'améliorer la qualité du brasage, des mesures de protection locale sont souvent mises en œuvre : la pièce est d'abord placée dans une enceinte en acier inoxydable (communément appelée enceinte de brasage), puis introduite dans un four sous vide pour le brasage. Les joints brasés sous vide en aluminium et en alliages d'aluminium présentent une surface lisse et des joints denses, et ne nécessitent aucun nettoyage après brasage. Cependant, l'équipement de brasage sous vide est coûteux et les vapeurs de magnésium encrassent fortement le four, ce qui requiert un nettoyage et un entretien fréquents.

Lors du brasage de l'aluminium et des alliages d'aluminium sous atmosphère neutre ou inerte, un activateur ou un flux de magnésium peut être utilisé pour éliminer le film de brasage. L'utilisation d'un activateur de magnésium permet de réduire considérablement la quantité de magnésium requise par rapport au brasage sous vide. Généralement, la teneur en magnésium (mg) est d'environ 0,2 % à 0,5 %. Une teneur trop élevée en magnésium dégrade la qualité du joint. La méthode de brasage NOCOLOK, utilisant un flux fluoré sous protection d'azote, est une technique récente qui s'est rapidement développée. Le flux fluoré n'absorbant pas l'humidité et n'étant pas corrosif pour l'aluminium, son élimination après brasage est superflue. Sous protection d'azote, seule une faible quantité de flux fluoré est nécessaire, le métal d'apport mouille parfaitement le métal de base et l'on obtient facilement des joints brasés de haute qualité. Actuellement, cette méthode de brasage NOCOLOK est utilisée en production de masse pour les radiateurs en aluminium et autres composants.

Pour le brasage de l'aluminium et des alliages d'aluminium avec un flux autre que le flux fluoré, les résidus de flux doivent être complètement éliminés après le brasage. Les résidus de flux de brasage organique pour aluminium peuvent être lavés avec des solutions organiques telles que le méthanol et le trichloréthylène, neutralisés avec une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium, puis rincés à l'eau chaude et froide. Les résidus de flux de brasage chloré pour aluminium peuvent être éliminés selon les méthodes suivantes : tremper la pièce dans de l'eau chaude (60 à 80 °C) pendant 10 minutes, nettoyer soigneusement les résidus sur le joint brasé à l'aide d'une brosse, puis rincer à l'eau froide ; tremper ensuite la pièce dans une solution aqueuse d'acide nitrique à 15 % pendant 30 minutes, puis rincer à l'eau froide.