Mouiller et remplir : les principes du brasage

Souder (au sens du soudage par fusion), c'est faire fondre les bords des deux pièces, souvent avec un métal d'apport de même nature. Les métaux liquides se mélangent dans un bain de fusion, puis se solidifient ensemble : il n'y a plus deux pièces, mais une seule.

Braser, c'est chauffer les pièces sans les fondre, et apporter un autre métal, le métal d'apport, qui fond à plus basse température qu'elles. Ce métal liquide s'accroche aux surfaces (il les mouille, chapitre 2), il est aspiré dans le mince interstice laissé entre les pièces, le jeu (chapitre 3), puis il se solidifie. Le joint ressemble à un mur de pierres jointoyées au mortier, à une différence près : ce « mortier » est un métal, et il s'accroche aux pierres par de vraies liaisons métalliques (chapitre 6), pas par une simple adhérence.

Dans l'atelier, le métal d'apport s'appelle souvent la brasure (« une brasure à 40 % d'argent ») ; le mot désigne aussi parfois le joint lui-même. Ce cours dit apport ou brasure pour l'alliage, et joint brasé pour le résultat.

Une seule température sépare les deux grandes familles, celle de la fin de fusion de l'apport, son liquidus :

La condition thermique, en une ligne

Exemple. Apport Ag 155 (55 % d'argent, intervalle de fusion 630 à 660 °C), brasé vers 680 °C sur un acier non allié (solidus ≈ 1 470 °C) : brasage fort, marge ≈ 790 °C, très confortable. Le même apport sur un aluminium 3003 (solidus ≈ 643 °C) est impossible : l'aluminium fondrait avant que l'apport soit liquide. Pour l'aluminium, on utilise des apports aluminium-silicium vers 600 °C, avec une marge d'à peine 40 °C.

Les numéros de procédés

L'ISO 4063 numérote les procédés de soudage et techniques connexes. Le brasage fort, le brasage tendre et le soudobrasage forment le procédé principal 9 :

• 91 brasage fort avec chauffage local : 912 à la flamme (au chalumeau), 916 par induction, 918 par résistance, 919 brasage-diffusion ;
• 92 brasage fort avec chauffage global : 921 au four, 922 sous vide, 923 et 924 en bain ;
• le brasage tendre a ses propres groupes, à partir de 94 ;
• 97 soudobrasage, par exemple 972 à l'arc (le « brasage MIG » des tôles galvanisées).

Ces numéros figurent sur les descriptifs de modes opératoires et sur les plans (ISO 2553). Le cours 3 de la série détaille les procédés.

Avantages et limites

Au cœur d'un liquide, chaque atome est entouré de voisins qui le retiennent de tous côtés. En surface, il lui manque des voisins : il est moins lié, donc dans un état d'énergie plus élevé. Créer de la surface coûte de l'énergie. Livré à lui-même, un liquide réduit sa surface au minimum : il se met en boule, comme une goutte de mercure.

Posée sur un solide, la goutte arbitre entre deux tendances : rester en boule (sa propre cohésion), ou s'étaler parce que le solide « préfère » être recouvert par elle. Le résultat se lit sur un seul nombre, l'angle de contact θ (« thêta ») : l'angle que fait la surface du liquide avec le solide, au bord de la goutte, mesuré à travers le liquide.

• θ proche de 0° : la goutte s'étale en film, le liquide mouille parfaitement le solide ;
• θ < 90° : le liquide mouille, d'autant mieux que θ est petit ;
• θ > 90° : il ne mouille pas, la goutte perle et roule.

Pour braser, il faut un angle petit : moins de 30° environ, idéalement quelques degrés. Or un métal propre a une énergie de surface très élevée : il « réclame » d'être recouvert, et un métal liquide l'enveloppe volontiers. Mais il suffit d'une pellicule d'oxyde ou d'un film de graisse, dont l'énergie est bien plus faible, pour que la même brasure se mette en perle. Le flux du braseur (cours 2) joue le rôle du liquide vaisselle : il nettoie la surface pour que la goutte s'étale.

À l'équilibre, la ligne triple ne bouge pas : les composantes horizontales des trois tensions s'équilibrent. C'est l'équation de Young (1805) :

Le mouillage est bon quand γ_SV est grand (surface propre et métallique), γ_SL petit (le liquide et le solide « s'entendent » bien, par exemple parce qu'ils se dissolvent un peu l'un dans l'autre) et γ_LV modéré.

Deux grandeurs complètent le tableau :

W_a = γ_LV(1 + cos θ)

Travail d'adhésion (relation de Young-Dupré) : l'énergie à fournir pour décoller un mètre carré de liquide du solide. Il double quand θ passe de 90° à 0°.

S = γ_SV − γ_SL − γ_LV

Coefficient d'étalement : si S ≥ 0, l'équation de Young n'a plus de solution, la goutte s'étale complètement (θ = 0).

Exemple. Un étain liquide (γ_LV = 0,50 N/m) sur un cuivre décapé, avec γ_SV − γ_SL = 0,48 N/m : cos θ = 0,48/0,50 = 0,96, soit θ ≈ 16°, et W_a = 0,50 × 1,96 = 0,98 J/m². Sur un cuivre oxydé, γ_SV − γ_SL devient négatif, par exemple −0,20 N/m : cos θ = −0,4, θ ≈ 114°, la goutte perle.

Ce qui améliore le mouillage

• Une surface métallique propre : dégraissée, désoxydée par un flux, une atmosphère réductrice ou le vide (cours 2).
• Une réaction à l'interface : un apport qui dissout un peu le métal de base ou forme un composé avec lui abaisse γ_SL. Le mouillage d'un métal par son propre alliage est excellent ; les brasures dites « actives » contiennent du titane pour réagir avec une céramique.
• La température : quelques dizaines de degrés au-dessus du liquidus, le liquide est plus fluide, le flux plus actif, les réactions plus rapides. Mais trop chaud, tout s'emballe (chapitre 6).
• Une légère rugosité, seulement si le liquide mouille déjà : la rugosité amplifie la tendance existante (loi de Wenzel, cos θ* = r·cos θ, avec r ≥ 1 le rapport entre surface réelle et surface apparente). Un sablage fin aide un bon mouillage à s'étendre ; il aggrave un mauvais mouillage.

Trempe le coin d'un sucre dans le café : le liquide grimpe jusqu'en haut. Un essuie-tout, une mèche de bougie, une éponge font de même. Dans un passage étroit, un liquide qui mouille les parois prend une surface creusée, le ménisque. Cette courbure crée une dépression sous la surface : le liquide est aspiré dans le passage. C'est la capillarité, et plus le passage est étroit, plus l'aspiration est forte.

Le jeu d'un joint brasé est un passage de ce genre, d'un dixième de millimètre environ. La brasure liquide y est aspirée avec une telle force que :

• elle monte de plus de 20 cm dans un jeu vertical de 0,1 mm : la gravité ne compte presque pas, on brase dans toutes les positions ;
• elle remplit un joint de 2 cm en quelques centièmes de seconde, dès que tout le joint est assez chaud ;
• elle ne coule que là où le joint est chaud : la brasure suit la chaleur. Une zone restée froide l'arrête net.

Revers de la médaille : la capillarité aspire aussi la brasure dans les fentes non désirées (filetages, joints voisins). On les protège avec un produit d'arrêt, une peinture qui empêche le mouillage.

Une surface liquide courbe sépare deux pressions différentes. La loi de Laplace donne l'écart Δp (« delta p ») en fonction des deux rayons de courbure R₁ et R₂ de la surface : Δp = γ(1/R₁ + 1/R₂). Entre deux plaques parallèles séparées de h, le ménisque est un demi-cylindre de rayon R = h/(2 cos θ), et l'autre courbure est nulle :

Dans un jeu vertical, le liquide monte jusqu'à ce que le poids de la colonne, ρ·g·H par unité de surface, équilibre Δp. C'est la loi de Jurin :

La vitesse de remplissage est freinée par la viscosité μ (« mu », en Pa·s) du liquide. Pour un écoulement visqueux entre deux plaques, la longueur remplie ℓ croît comme la racine du temps : c'est la loi de Washburn, ici sans gravité (joint horizontal, ou ℓ petit devant H) :

Exemple. Brasure Ag72Cu28 liquide (γ ≈ 0,95 N/m, ρ ≈ 8 900 kg/m³, μ ≈ 3,5 mPa·s), θ = 20° (cos θ = 0,94), jeu h = 0,1 mm = 10⁻⁴ m :

• Δp = 2 × 0,95 × 0,94 / 10⁻⁴ ≈ 17 900 Pa, soit 0,18 bar : une succion modeste, mais appliquée sur un passage minuscule ;
• H = 17 900 / (8 900 × 9,81) ≈ 0,20 m : la brasure monterait de 20 cm ;
• t = 3 × 0,0035 × 0,02² / (0,95 × 10⁻⁴ × 0,94) ≈ 0,05 s pour un joint de 20 mm.

Curiosité : l'eau monte presque aussi haut (≈ 15 cm dans le même jeu). Le métal liquide est neuf fois plus lourd, mais sa tension superficielle est treize fois plus forte ; seul compte le rapport γ/ρ.

Ordres de grandeur pour des liquides propres ; un flux ou une atmosphère modifie γ.

Trois conséquences pratiques :

• La gravité est négligeable tant que la hauteur du joint reste petite devant H : on brase au plafond comme à plat. Elle reprend la main dans les jeux larges (H ≈ 2 cm pour un jeu de 1 mm).
• Le remplissage est limité par la chaleur, pas par l'écoulement : le liquide s'arrête là où la température tombe sous le liquidus, ou là où le flux n'a pas désoxydé la surface.
• La racine du temps pénalise les grandes longueurs : deux fois plus long, quatre fois plus de temps.

Le jeu est le paramètre que le concepteur fixe sur le plan, et il commande tout le reste. Comme les poils d'un pinceau, il doit être assez serré pour retenir le liquide, mais pas au point de l'empêcher d'entrer.

• Jeu trop large : la succion capillaire faiblit (chapitre 3), la brasure ne remplit plus tout le joint ou retombe, laisse des vides, et la couche épaisse n'a plus que la résistance de l'alliage d'apport. On consomme aussi beaucoup plus d'apport.
• Jeu trop serré : la brasure entre mal, et surtout le flux fondu et les gaz ne peuvent plus être chassés devant elle. Ils restent piégés : inclusions de flux, soufflures, manques de remplissage.
• Bon jeu : quelques centièmes à un ou deux dixièmes de millimètre, selon l'apport et le procédé.

Mais le jeu qui compte est celui à la température de brasage, pas celui mesuré à l'atelier. Chauffées, les pièces se dilatent, et deux métaux différents ne se dilatent pas autant. Si la pièce extérieure se dilate plus que la pièce intérieure, le jeu s'ouvre ; dans le cas contraire, il se ferme, parfois jusqu'au serrage.

Les jeux recommandés

Ordres de grandeur d'après les recommandations usuelles des manuels de brasage (AWS, American Welding Society) ; les fiches techniques des fabricants d'apports font foi.

Pourquoi le four tolère-t-il des jeux presque nuls ? Sans flux à chasser, sous une atmosphère qui désoxyde les surfaces, un cuivre pur liquide, très fluide, pénètre même un léger serrage. Sous flux, il faut laisser au flux la place de s'échapper devant la brasure.

Jeu et résistance du joint

Une couche mince de brasure, prise entre deux pièces plus résistantes, ne peut pas se contracter latéralement quand on la tire : les pièces la brident. Elle est alors dans un état de contraintes triaxial et ne plastifie que sous une contrainte plus élevée (c'est le même effet de bridage que dans le cœur d'une tôle épaisse). Résultat : à son jeu optimal, de quelques centièmes de millimètre, un joint bout à bout en acier brasé à l'argent peut résister nettement mieux que l'alliage d'apport massif. Quand le jeu grandit, le bridage disparaît et la résistance retombe vers celle de l'apport ; quand il devient trop petit, le remplissage incomplet la fait chuter.

Allure qualitative, sans échelle de résistance : le maximum et sa position dépendent de l'apport, du métal de base et de la forme du joint.

Le jeu à chaud

Un tube de diamètre D dans un manchon : chauffés de 20 °C à T, leurs diamètres augmentent de α·D·ΔT, chacun avec son propre coefficient α. Le jeu radial change de la moitié de la différence :

Exemple. Tube de cuivre de diamètre 20 mm dans un manchon d'acier, brasé à 750 °C : Δh = 10 × (14 − 18) × 10⁻⁶ × 730 ≈ −0,029 mm. Un jeu de 0,05 mm à froid tombe à 0,021 mm à chaud : trop serré pour un brasage sous flux. Inverse les matériaux (acier dedans, cuivre dehors) : le jeu passe à 0,079 mm, en plein dans la plage.

Le refroidissement compte aussi. Si la pièce extérieure est la plus dilatable, elle se rétracte davantage en refroidissant et vient serrer la pièce intérieure : la brasure travaille en compression, ce qui lui convient. Dans le cas inverse, la pièce intérieure se rétracte plus et tire sur la brasure. C'est pourquoi un insert de carbure (α ≈ 6) dans un logement d'acier (α ≈ 14) voit son jeu s'ouvrir au chauffage puis se retrouve comprimé au refroidissement : bon pour le jeu, mais source de contraintes résiduelles sur les grandes plaquettes (cours 4).

Un métal pur, comme un glaçon, fond à une seule température. La plupart des alliages, comme le beurre, ramollissent sur un intervalle de fusion : ils commencent à fondre au solidus, restent pâteux (un mélange de cristaux et de liquide), et ne sont entièrement liquides qu'au liquidus. Seuls les alliages de composition eutectique fondent d'un coup, comme un métal pur, et plus bas que leurs constituants (Métallurgie, cours 0).

• Un apport eutectique ou à intervalle étroit coule d'un coup, très fluide : il convient aux jeux serrés, au four, aux cycles automatisés.
• Un apport à large intervalle reste pâteux sur des dizaines de degrés : il se « travaille », comble un jeu un peu large, forme un beau congé. Mais il a un piège.

Ce piège, c'est la liquation. Si l'on chauffe lentement un apport à large intervalle, le premier liquide qui apparaît, riche en éléments à bas point de fusion, est aussitôt aspiré par la capillarité. Il laisse sur place un squelette appauvri en ces éléments, qui ne fond plus à la température de brasage : un résidu infusible au bord du joint, et un joint mal rempli. Remède : traverser vite l'intervalle de fusion, ou choisir un apport eutectique pour les chauffes lentes (au four).

La température de brasage se règle en général quelques dizaines de degrés au-dessus du liquidus, pour que l'apport soit bien fluide. Les fiches techniques européennes indiquent aussi une température de travail : la plus basse température de surface à laquelle l'apport mouille et s'étale. Pour un alliage à large intervalle, elle peut se situer sous le liquidus, dans la zone pâteuse.

Quatre eutectiques à connaître

Des apports du commerce

Les apports de brasage fort sont désignés dans l'ISO 17672 par leur famille et un numéro (Ag 155, CuP 284…) ; les alliages de brasage tendre, dans l'ISO 9453, par leur composition. Ordres de grandeur des intervalles de fusion :

Chaque élément a un rôle. L'argent abaisse la température de fusion et donne de la ductilité. Le zinc et l'étain l'abaissent encore, mais le zinc s'évapore si l'on surchauffe (fumées, porosités). Le phosphore abaisse le point de fusion du cuivre et réduit l'oxyde de cuivre : les apports cuivre-phosphore sont autodécapants sur le cuivre, sans flux. Le silicium joue ce rôle d'abaisseur dans l'aluminium, le bore et le silicium dans le nickel. Les apports au cadmium, autrefois courants, ne s'emploient plus en raison de la toxicité de leurs fumées (cours 2).

La liquation, chiffrée

Prends l'alliage Ag50Cu50 sur le diagramme simplifié argent-cuivre. Son solidus est l'eutectique, 779 °C ; son liquidus, sur la droite qui joint le cuivre pur (1 085 °C) à l'eutectique, vaut 1 085 − 306 × 50/71,9 ≈ 872 °C. À 820 °C, la conode coupe le solidus du cuivre α à C_s ≈ 6,9 % Ag et le liquidus à C_L ≈ 62,3 % Ag. Règle du levier :

Si ce liquide file dans le joint, le squelette restant (6,9 % Ag) a un liquidus d'environ 1 056 °C : il ne refondra jamais au cours du brasage. D'où la règle : chauffer vite à travers l'intervalle, ou choisir l'eutectique Ag72Cu28 pour les chauffes lentes.

Quand la brasure mouille le métal de base, leurs atomes se touchent et forment des liaisons métalliques, les mêmes qu'à l'intérieur d'un métal. Trois échanges suivent, chacun avec son bon et son mauvais côté.

1. Dissoudre. Le liquide dissout un peu de métal de base, comme le thé dissout le sucre jusqu'à saturation. C'est utile, car l'interface devient un alliage continu. Mais c'est aussi l'érosion : une paroi mince ou une ailette peut être rongée, voire percée. La quantité dissoute est limitée par la saturation du liquide, qui se lit sur le diagramme de phases et augmente vite avec la température.
2. Diffuser. Des atomes de l'apport migrent dans le métal de base, et inversement, sur quelques micromètres (µm, millièmes de millimètre). La zone de diffusion assure une transition progressive ; sa profondeur croît comme la racine du temps.
3. Réagir. Certains couples forment à l'interface des composés intermétalliques : des cristaux de composition fixe, durs et fragiles, comme Cu₆Sn₅ entre l'étain et le cuivre. Une couche mince et continue, de l'ordre du micromètre, est la signature d'une bonne liaison ; une couche épaisse devient le maillon faible.

La règle du braseur en découle : assez chaud et assez longtemps pour mouiller et remplir, pas plus. Chaque degré et chaque seconde en trop augmentent l'érosion et l'épaisseur d'intermétallique.

Le brasage-diffusion exploite au contraire la diffusion. On prolonge volontairement le maintien : les éléments qui abaissent le point de fusion de l'apport (bore, silicium, phosphore) diffusent hors du joint, si bien que le liquide se solidifie à la température de brasage, sans refroidir. Le joint refond ensuite bien au-dessus de la température de brasage, ce qui intéresse les pièces chaudes des turbines.

La diffusion

Les atomes d'un solide sautent de site en site. Leur vitesse moyenne de migration se mesure par le coefficient de diffusion D (en m²/s), qui suit une loi d'Arrhenius. La profondeur atteinte en un temps t suit la loi de Fick :

Exemple. Argent dans le cuivre, diffusion en volume (ordre de grandeur : D₀ ≈ 6 × 10⁻⁵ m²/s, Q ≈ 194 kJ/mol). À 820 °C (1 093 K) : D ≈ 6 × 10⁻⁵ × exp(−194 000/(8,314 × 1 093)) ≈ 3,2 × 10⁻¹⁴ m²/s. En 60 s : x ≈ 2√(3,2 × 10⁻¹⁴ × 60) ≈ 2,8 µm. Les joints de grains offrent des chemins bien plus rapides : la brasure peut s'y infiltrer plus loin, ce qui prépare la fissuration par métal liquide (cours 4).

La dissolution : c'est la saturation qui commande

Le liquide dissout le métal de base jusqu'à atteindre la composition du liquidus à la température de brasage. Exemple de l'eutectique Ag72Cu28 (28,1 % Cu) entre deux pièces de cuivre, avec le diagramme simplifié :

• à 820 °C, le liquide en équilibre avec le cuivre contient 100 − 71,9 × (1 085 − 820)/306 ≈ 37,7 % Cu ;
• bilan de matière : chaque gramme d'apport dissout x = (0,377 − 0,281)/(1 − 0,377) ≈ 0,155 g de cuivre ;
• dans un jeu h = 0,1 mm, les masses volumiques de l'apport et du cuivre étant voisines (≈ 9 g/cm³), l'érosion vaut sur chaque face e ≈ x·h/2 ≈ 7,7 µm.

À 900 °C, le liquide en équilibre contient 56,5 % Cu : x ≈ 0,65 et e ≈ 33 µm par face, plus de quatre fois plus. Dans un jeu mince, la saturation est atteinte en une seconde environ : la durée compte peu, c'est la surchauffe et la quantité de liquide qui commandent. Un congé volumineux, un excès d'apport ou un liquide qui circule (bain, vague de brasage) dissolvent bien davantage.

Les intermétalliques

Entre l'étain et le cuivre se forment Cu₆Sn₅ (côté brasure, en festons) et Cu₃Sn (une couche plus mince, côté cuivre). Au contact du liquide, leur épaisseur croît à peu près comme t^1/3 ; à l'état solide, en service, comme √t, d'autant plus vite que la température est élevée. Ordres de grandeur : 1 à 3 µm après un brasage tendre normal, nettement plus après des refusions répétées ou un long séjour à chaud. D'autres couples forment des composés bien plus nuisibles : un apport cuivre-phosphore sur un acier forme des phosphures de fer fragiles, c'est pourquoi il est réservé au cuivre et à ses alliages ; les apports au nickel forment des borures si le bore n'a pas le temps de diffuser.

Le brasage-diffusion

Avec un apport au nickel contenant du bore, le bore, petit atome très mobile, diffuse rapidement dans le métal de base. Le liquide s'appauvrit en bore, son liquidus remonte jusqu'à la température de brasage, et il se solidifie sans refroidir : c'est la solidification isotherme. Le temps nécessaire croît comme le carré de l'épaisseur du joint, d'où des jeux très faibles. Si le maintien est trop court, des borures fragiles subsistent au milieu du joint.

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Écris la formule littérale, puis les valeurs avec leurs unités. Les manipulations 1 à 6 permettent de vérifier tes résultats ; le défi se rejoue dans les manipulations 4 et 3.