Avant de commencer
Les cours 1 et 2 en trois cases
| Chapitre du cours | Ce qu'il apporte à l'IWE | Normes et repères |
|---|---|---|
| 1 Panorama et choix | choisir un procédé selon la série, la pièce et les matériaux | ISO 4063 (numéros de procédés) |
| 2 La flamme et le fer | régler et conduire un brasage manuel | procédé 912 |
| 3 Induction et résistance | régler une induction, comprendre l'effet de peau | procédés 916 et 918 |
| 4 Fours et bains | construire un cycle thermique de four | procédés 921 à 926 |
| 5 Brasage tendre industriel et soudobrasage | lire un profil de refusion, connaître le soudobrasage | groupes 94 et 95, procédé 972 |
| 6 Mode opératoire, qualification, sécurité | rédiger et qualifier un mode opératoire, qualifier les braseurs | ISO 17779, ISO 13585 |
(Formation IWE : International Welding Engineer, ingénieur international en soudage.) Le choix du procédé engage tout le reste : l'investissement, la cadence, le besoin de flux, la qualification des braseurs ou des opérateurs, les contrôles. Le coordinateur doit pouvoir défendre ce choix, écrire le mode opératoire qui le fige, le faire qualifier selon l'ISO 17779 et faire qualifier les braseurs selon l'ISO 13585. C'est aussi lui qui répond des risques : fumées, gaz combustibles, fours à hydrogène.
La série en quatre cours
Le plan du cours
- 1Panorama et choix
Chauffage local ou global, série, pièce, matériaux : quel procédé pour quel joint.
- 2La flamme et le fer
Le chalumeau, ses flammes et son geste ; le fer à braser.
- 3Induction et résistance
La chaleur née dans la pièce, en surface : l'effet de peau.
- 4Fours et bains
Tout chauffer à la fois : cycles, paliers, pièces minces et massives.
- 5Brasage tendre industriel et soudobrasage
Vague, refusion, profil thermique ; le laiton déposé comme une soudure.
- 6Mode opératoire, qualification et sécurité
Du descriptif préliminaire au mode opératoire qualifié, des braseurs qualifiés, des risques maîtrisés.
Panorama et choix
Chauffer le joint, ou chauffer toute la pièce
Tous les procédés de brasage font la même chose : porter le joint au-dessus du liquidus de l'apport, assez longtemps pour qu'il mouille et remplisse, sans fondre les pièces. Ils se rangent en deux familles.
- Le chauffage local ne chauffe que la zone du joint : flamme du chalumeau, induction, résistance électrique, faisceau laser ou infrarouge, fer à braser. Il est rapide, économe en énergie, souvent manuel ou facile à automatiser. Il travaille à l'air, donc presque toujours avec un flux.
- Le chauffage global porte tout l'assemblage à la température de brasage : four sous atmosphère, four sous vide, bain de sel. Il brase des dizaines de joints, même cachés, en une seule fois, souvent sans flux, avec une température uniforme et peu de déformation. Mais les cycles sont longs et l'installation coûteuse.
Le choix se fait sur cinq critères : la taille de la série, la taille et la masse de la pièce, le nombre et l'accès des joints, les matériaux (un oxyde tenace réclame une atmosphère sèche ou le vide), et le lieu (sur chantier, seule la flamme se transporte). Le brasage tendre a ses propres procédés (fer, vague, refusion), et le soudobrasage, qui dépose l'apport comme une soudure, a les siens.
Manipulation 1 : choisir le procédé
Décris le travail : matériaux, taille de la pièce, nombre de joints, lieu et taille de la série. Les barres classent les procédés selon leur adéquation ; le message explique le premier choix. Barème pédagogique, qui résume les usages courants.
L'ISO 4063 numérote les procédés du groupe 9 (brasage fort, brasage tendre et soudobrasage). Pour le brasage fort, ce sont ceux que vise la norme de qualification des modes opératoires, l'ISO 17779 :
| N° | Procédé | Chauffage | Emplois typiques |
|---|---|---|---|
| 911 | brasage par infrarouge | local | petites pièces, électronique, laboratoire |
| 912 | brasage à la flamme (au chalumeau) | local | plomberie, froid, réparation, petites séries |
| 913 | brasage par faisceau laser | local | joints de pavillon de carrosserie, micro-assemblage |
| 914 | brasage par faisceau d'électrons | local, sous vide | applications spéciales |
| 916 | brasage par induction | local | outils carbure, raccords, séries automatisées |
| 918 | brasage par résistance | local | contacts électriques, connecteurs |
| 919 | brasage-diffusion | maintien long | superalliages, aubes de turbines |
| 921 | brasage au four | global, atmosphère | cuivre sur acier en continu, aluminium (CAB) |
| 922 | brasage sous vide | global | inox, superalliages, titane, aluminium au magnésium |
| 923 à 926 | brasage en bain (bain d'apport, de sel, de flux, immersion) | global | assemblages d'aluminium au trempé, petites pièces |
| 972 | soudobrasage à l'arc | local | tôles galvanisées (« brasage MIG ») |
Le brasage tendre occupe les groupes 94 (chauffage local : fer, flamme, induction…) et 95 (chauffage global : vague, four, bains).
| Critère | Penche vers le chauffage local | Penche vers le chauffage global |
|---|---|---|
| Série | pièce unique à série moyenne (sauf induction automatisée) | grandes séries, ou pièces de très grande valeur |
| Joints | un ou quelques joints accessibles | nombreux joints, inaccessibles |
| Pièce | grande pièce dont on ne chauffe qu'un bout | pièce qui entre dans le four |
| Matériaux | oxydes que le flux sait dissoudre | oxydes tenaces (inox, superalliages, titane) |
| Exigences | coût d'installation faible, souplesse | reproductibilité, absence de flux, faible déformation |
La reproductibilité dépend aussi de qui tient la chaleur. Au chalumeau, c'est la main du braseur ; en induction ou au four, c'est le réglage de la machine, préparé par un opérateur de brasage. La norme de qualification du personnel, l'ISO 13585, distingue ces deux métiers (chapitre 6).
Un échangeur cuivre-aluminium de climatisation peut cumuler un brasage au four sous azote (CAB) pour son faisceau en aluminium, un brasage par induction des raccords de cuivre en usine, puis un brasage à la flamme des liaisons frigorifiques sur le chantier. Chacun a son mode opératoire, son apport et son flux.
La flamme et le fer
Le geste du braseur, procédés 912 et brasage tendre manuel
Le chalumeau mélange un gaz combustible (acétylène ou propane) à de l'oxygène, ou à l'air, et produit une flamme très chaude. On la règle selon le rapport des deux gaz :
- flamme neutre : juste assez d'oxygène pour brûler le combustible ; c'est la flamme de base du brasage ;
- flamme réductrice (ou carburante), avec un excès de combustible : un panache autour du dard, qui protège des oxydes ; légèrement réductrice, elle convient aux brasures à l'argent et au cuivre-phosphore ;
- flamme oxydante, avec un excès d'oxygène : dard court et sifflant ; on ne l'emploie qu'en soudobrasage au laiton, où une fine pellicule d'oxyde de zinc freine l'évaporation du zinc.
Le geste compte plus que la flamme. Dans un emboîtement, le raccord, plus massif, met plus de temps à chauffer que le tube, comme une poêle en fonte comparée à une crêpe. On chauffe largement, en balayant, d'abord la pièce massive, puis tout le joint, jusqu'à ce que le flux devienne clair. On présente alors la baguette au bord du joint, sans la fondre dans la flamme : c'est la chaleur des pièces qui doit la faire fondre. Elle file dans le jeu, attirée vers la zone la plus chaude, et ressort en congé de l'autre côté.
Pour le brasage tendre, le fer à braser chauffe par contact une petite zone : panne étamée, posée à la fois sur la patte et sur la plage de cuivre, puis apport du fil d'étain fourré de flux au contact des pièces, pas sur la panne.
Manipulation 2 : chauffer un emboîtement au chalumeau
Un tube de cuivre de 22 mm entre dans un raccord en cuivre deux fois plus lourd ; le tube évacue aussi la chaleur vers le reste de la tuyauterie. Règle la puissance de flamme absorbée par les pièces et la part dirigée sur le raccord, puis lance la chauffe. Le joint est prêt quand le raccord et le tube dépassent la température de travail de l'apport. Modèle pédagogique à deux pièces (inerties, pertes et échanges thermiques simplifiés).
Porter une pièce de masse m et de capacité thermique massique c de la température ambiante à la température de travail demande une énergie :
Q en J ; m en kg ; c en J/(kg·K), 385 pour le cuivre, ≈ 460 à 500 pour l'acier ; ΔT en K (ou en °C)
Exemple. Raccord de cuivre de 60 g porté de 20 à 700 °C : Q = 0,060 × 385 × 680 ≈ 15,7 kJ. La portion de tube voisine, de 30 g, ne demande que 7,9 kJ, mais elle évacue sans cesse la chaleur vers le reste du tube. La flamme doit se partager en proportion de ces besoins : une flamme dirigée sur le seul tube le surchauffe pendant que le raccord reste froid. La brasure fond alors sur le tube, file vers lui et ne mouille pas le raccord.
| Mélange | Température de flamme (ordre de grandeur) | Emplois |
|---|---|---|
| Oxygène-acétylène | ≈ 3 100 °C | chauffe rapide et concentrée, brasage fort, soudobrasage |
| Oxygène-propane | ≈ 2 800 °C | brasage fort, chauffe plus douce et plus large |
| Air-propane | ≈ 1 900 °C | brasage tendre, petits diamètres en brasage fort |
La surchauffe a plusieurs visages : le zinc des apports à l'argent fume (vapeurs blanches), le flux noircit et s'épuise, l'érosion du métal de base s'emballe, le cuivre écroui se recuit et perd sa résistance, l'oxydation gagne tout autour du joint. Une température trop basse, à l'inverse, laisse la brasure en perles sans pénétration. Au fer à braser, la panne est réglée vers 320 à 380 °C selon l'alliage, et le contact dure quelques secondes ; une brasure qui fond sur la panne mais pas sur les pièces donne un joint terne et granuleux, la « soudure froide ».
Mécaniser la flamme. En série, des brûleurs fixes, souvent en couronne, chauffent les pièces portées par un plateau tournant (carrousel), avec un apport en anneau préplacé : la chaleur et le temps sont alors réglés une fois pour toutes.
Sur un chantier de froid ou de plomberie, la flamme reste irremplaçable. Le mode opératoire y précise le diamètre des tubes, l'apport, le flux éventuel, le balayage à l'azote de l'intérieur des tubes pendant le brasage (pour éviter la calamine qui encrasserait le circuit frigorifique), les écrans de protection et le permis de feu.
Induction et résistance
La chaleur naît dans la pièce, procédés 916 et 918
En induction, un courant alternatif circule dans une bobine de cuivre refroidie à l'eau, l'inducteur, placée autour du joint ou tout près. Elle crée un champ magnétique alternatif, qui fait naître dans la pièce des courants tourbillonnaires. Ces courants chauffent la pièce par effet Joule, comme une casserole sur une plaque à induction.
Ces courants ne circulent pas dans toute la pièce : ils se concentrent dans une couche superficielle, la peau, d'autant plus mince que la fréquence est élevée. La chaleur gagne ensuite le cœur par conduction. On choisit donc la fréquence selon la taille de la pièce : basse pour les pièces massives, haute pour les petites pièces ou les parois minces.
L'induction chauffe en quelques secondes, exactement là où l'inducteur est placé, toujours de la même façon : c'est le procédé des séries automatisées (outils à plaquettes de carbure, raccords, rotors). En contrepartie, chaque forme de pièce demande son inducteur.
En brasage par résistance, on fait passer un fort courant à travers le joint, serré entre deux électrodes (graphite, tungstène ou molybdène) : la chaleur naît dans les zones les plus résistantes. On brase ainsi des contacts électriques en argent sur des supports en cuivre, des connecteurs, des petites pièces, avec un apport préplacé en feuillard.
Manipulation 3 : la profondeur de pénétration
Choisis un métal et sa température, puis la fréquence et l'épaisseur de la paroi (ou le rayon d'une pièce pleine). Le graphique donne la profondeur de pénétration δ en fonction de la fréquence f ; la coupe montre la répartition de la chauffe dans la paroi. Résistivités et perméabilités : ordres de grandeur.
La densité des courants induits décroît exponentiellement depuis la surface. On appelle profondeur de pénétration δ la profondeur où elle est divisée par e ≈ 2,72 ; environ 86 % de la puissance est dissipée dans cette couche.
δ en m ; ρ : résistivité électrique (Ω·m) ; μr : perméabilité magnétique relative (1 pour les métaux non magnétiques) ; f : fréquence (Hz) ; √ : racine carrée
| Métal | ρ à 20 °C (Ω·m) | ρ vers 700 à 800 °C | μr | δ à 10 kHz, à chaud |
|---|---|---|---|---|
| Cuivre | 1,7 × 10⁻⁸ | ≈ 5,5 × 10⁻⁸ | 1 | ≈ 1,2 mm |
| Aluminium | 2,7 × 10⁻⁸ | ≈ 8 × 10⁻⁸ (600 °C) | 1 | ≈ 1,4 mm |
| Inox austénitique | 7,2 × 10⁻⁷ | ≈ 1,15 × 10⁻⁶ | 1 | ≈ 5,4 mm |
| Acier non allié, sous 770 °C | 1,6 × 10⁻⁷ | ≈ 9 × 10⁻⁷ (700 °C) | ≈ 200 à froid, ≈ 50 à 700 °C | ≈ 0,7 mm |
| Acier non allié, au-dessus de 770 °C | — | ≈ 1,15 × 10⁻⁶ | 1 | ≈ 5,4 mm |
Exemple. Cuivre à 20 °C et 10 kHz : δ = 503 × √(1,7 × 10⁻⁸/10⁴) ≈ 0,66 mm. Acier à froid, μr ≈ 200 : δ = 503 × √(1,6 × 10⁻⁷/(200 × 10⁴)) ≈ 0,14 mm. Le même acier au-delà de 770 °C n'est plus magnétique (point de Curie) : δ ≈ 503 × √(1,15 × 10⁻⁶/10⁴) ≈ 5,4 mm. La couche chauffée s'épaissit d'un coup, la puissance absorbée chute, et la montée en température ralentit.
Règle pratique : le couplage est bon quand l'épaisseur chauffée (ou le rayon d'une pièce pleine) vaut au moins 2 à 3 fois δ. Si δ dépasse l'épaisseur, le champ traverse la pièce sans y laisser beaucoup d'énergie : il faut monter en fréquence. Ordres de grandeur des générateurs de brasage : quelques kilohertz pour les pièces massives, 10 à 50 kHz pour les pièces moyennes, 100 à 500 kHz pour les petites pièces et les parois minces.
L'inducteur se dessine pour la pièce : forme épousant le joint, écart de quelques millimètres (le couplage s'effondre quand on l'éloigne), concentrateurs de champ en ferrite pour diriger la chaleur. Le générateur se règle en puissance et en durée, ou en boucle fermée sur un pyromètre.
En résistance, la chaleur dégagée vaut Q = R·I²·t (R : résistance du circuit traversé, en Ω ; I : intensité, en A ; t : durée, en s) : elle se concentre là où la résistance est la plus forte, d'où l'intérêt d'électrodes en graphite, résistives, qui chauffent elles-mêmes le joint.
Une plaquette de carbure, un feuillard d'Ag 449, une goutte de flux FH12, un inducteur en épingle sous la tige d'acier : en dix secondes, l'acier rougit, l'apport file sous la plaquette, et le poste suivant arrive. Réglage, positionnement et refroidissement sont fixés par le mode opératoire, et le métier est celui d'un opérateur de brasage.
Fours et bains
Tout chauffer à la fois, procédés 921 à 926
Au four, l'assemblage entier monte en température. Tous les joints, même invisibles, sont brasés en même temps, avec l'apport déjà en place (anneaux, feuillards, pâte, tôles plaquées). L'atmosphère contrôlée ou le vide remplace le flux (cours 2). La température est uniforme, les déformations et les contraintes sont faibles.
- Le four continu à bande fait défiler les pièces dans des zones de chauffe, de brasage et de refroidissement, sous mélange azote-hydrogène ou gaz endothermique : brasage au cuivre de pièces d'acier en grande série.
- Le four sous vide, en charges, chauffe par rayonnement des résistances en graphite ou en molybdène, puis refroidit par injection de gaz : inox, superalliages, titane, aluminium au magnésium.
- Le four CAB, continu et sous azote, brase l'aluminium avec un flux non corrosif : radiateurs, condenseurs.
- Les bains : la pièce plonge dans un bain de sel fondu qui la chauffe très vite et uniformément, et parfois la décape (bain de flux pour l'aluminium), ou dans un bain d'apport fondu.
Le piège du four, c'est l'inertie. Une tôle de 2 mm suit la consigne presque sans retard ; une bride de 40 mm traîne loin derrière. Si l'on monte d'une traite jusqu'à la température de brasage, l'apport fond sur les pièces minces bien avant que les massives soient chaudes : il coule vers les zones chaudes, érode les parois minces, et laisse des joints mal remplis côté massif. D'où le palier d'homogénéisation : on s'arrête quelques dizaines de degrés sous le solidus de l'apport, le temps que tout s'égalise, puis on monte franchement à la température de brasage, pour un palier court.
Manipulation 4 : le cycle du four sous vide
Un échangeur en inox associe une tôle de 2 mm et une bride massive, brasées avec un BNi-2 (solidus 970 °C, liquidus 1 000 °C) à 1 050 °C pendant 15 min. Règle la vitesse de montée, la durée du palier d'homogénéisation à 950 °C et l'épaisseur de la bride. Le graphique compare la consigne du four et les températures des deux pièces. Modèle pédagogique : chaque pièce suit la consigne avec un retard proportionnel à son épaisseur.
Une pièce mince, chauffée sur ses deux faces, suit la consigne avec une constante de temps τ (« tau ») d'autant plus grande qu'elle est épaisse :
ρ : masse volumique (kg/m³) ; c : capacité thermique massique (J/(kg·K)) ; e : épaisseur (m) ; h : coefficient d'échange thermique avec le four (W/(m²·K)) ; v : vitesse de montée de la consigne (K/s)
Exemple (acier, ρc ≈ 4,7 × 10⁶ J/(m³·K), h ≈ 120 W/(m²·K), ordre de grandeur sous vide vers 1 000 °C) : pour 2 mm, τ ≈ 4,7 × 10⁶ × 0,002/240 ≈ 39 s ; pour 40 mm, τ ≈ 785 s, soit 13 min. À 10 °C/min (0,167 K/s), la tôle traîne de 6,5 °C et la bride de 130 °C. Au palier, l'écart fond comme exp(−t/τ) : après 30 min, il ne reste qu'environ un dixième de l'écart initial.
Le cycle type de brasage au four comprend :
- une montée, parfois avec un palier de dégazage (liants des pâtes, humidité) vers quelques centaines de degrés ;
- un palier d'homogénéisation, 20 à 50 °C sous le solidus de l'apport, dont la durée se règle sur la pièce la plus massive ;
- une montée rapide à la température de brasage et un palier court, juste assez pour que tout le joint soit rempli (érosion, cours 1) ;
- un refroidissement réglé : sous gaz neutre dans un four sous vide, assez lent pour éviter les contraintes, ou combiné avec un traitement thermique (trempe, revenu, vieillissement d'un superalliage).
On ne règle pas un four sur la consigne : on place des thermocouples de charge sur la pièce la plus massive et sur la plus mince, et l'on n'entame le palier de brasage que lorsque la plus massive est en place. Les pièces reposent sur des supports en graphite ou en céramique ; un produit d'arrêt empêche la brasure de couler sur les supports.
Les bains de sel chauffent beaucoup plus vite que les fours, par contact liquide, et uniformément. Leurs risques : sels piégés dans les cavités, projections au contact de l'humidité, nettoyage soigneux des pièces après brasage.
Un four sous vide permet de braser puis de tremper ou de vieillir dans le même cycle : on choisit alors un apport dont la température de brasage convient au traitement des pièces (mise en solution d'un superalliage, austénitisation d'un acier), et l'on vérifie que le joint supportera le revenu qui suit sans refondre.
Brasage tendre industriel et soudobrasage
La vague, le four de refusion, et le laiton déposé comme une soudure
L'électronique brase des millions de joints par jour. Deux procédés dominent.
- Le brasage à la vague, pour les composants dont les pattes traversent la carte : la carte, fluxée puis préchauffée, glisse sur une vague d'étain fondu pompée en continu. Chaque patte et chaque trou métallisé prennent leur ménisque.
- La refusion, pour les composants montés en surface : une crème à braser (poudre d'alliage dans un flux) est déposée par sérigraphie sur les plages de cuivre, les composants sont posés dessus, puis la carte traverse un four dont le profil de température fond la crème et forme les joints.
Le profil de refusion se lit comme une recette : un préchauffage progressif, un maintien qui active le flux et égalise les températures, un passage au-dessus du liquidus pendant un temps au-dessus du liquidus mesuré (en anglais time above liquidus, TAL), un pic limité pour ne pas abîmer les composants, puis un refroidissement. Trop court ou trop froid : joints mal mouillés. Trop long ou trop chaud : composants abîmés et intermétalliques épais.
Le soudobrasage dépose un apport de brasage fort dans un chanfrein ou en angle, comme une soudure, sans fondre le métal de base : au chalumeau avec un laiton pour réparer une fonte ou assembler des tubes galvanisés, à l'arc (MIG ou TIG) ou au laser avec un bronze au silicium (CuSi3) pour les tôles galvanisées de carrosserie, dont il préserve le zinc.
Manipulation 5 : le profil de refusion
Choisis l'alliage de la crème, puis règle la durée du maintien, la vitesse de montée finale, la température du pic et la vitesse de refroidissement. Le graphique trace le profil et le message le compare aux fenêtres usuelles. Fenêtres indicatives des fabricants de crèmes : étain-plomb, pic 205 à 230 °C ; SAC305, pic 235 à 250 °C ; dans les deux cas, 45 à 90 s au-dessus du liquidus.
Le temps au-dessus du liquidus
Pour un profil formé d'une montée à la vitesse vm jusqu'au pic Tpic, puis d'une descente à la vitesse vr :
TAL en s ; températures en °C ; vitesses en °C/s
Exemple (SAC305, liquidus 217 °C) : pic à 245 °C, montée à 0,8 °C/s, refroidissement à 2 °C/s : TAL = 28 × (1/0,8 + 1/2) = 28 × 1,75 = 49 s, dans la fenêtre. Avec une montée à 2 °C/s et un refroidissement à 3 °C/s, TAL = 28 × (0,5 + 0,33) ≈ 23 s : trop court, les joints mouillent mal. Le même profil appliqué à l'étain-plomb (liquidus 183 °C) donnerait 62 × 0,83 ≈ 52 s et un pic de 62 °C au-dessus du liquidus, trop chaud pour cet alliage.
| Défaut de refusion | Cause probable |
|---|---|
| Joint terne, granuleux, mal mouillé | pic trop bas ou TAL trop court ; flux épuisé par un maintien trop long |
| Billes d'étain autour des composants | montée trop rapide (le solvant de la crème bout et projette la poudre), crème oxydée |
| Vides dans les joints | dégazage insuffisant du flux, maintien trop court |
| Composant dressé sur une extrémité (effet « pierre tombale ») | les deux extrémités ne fondent pas en même temps : chauffe déséquilibrée |
| Composants ou carte abîmés, intermétalliques épais | pic trop chaud, TAL trop long |
La vague se règle par la température du bain (de l'ordre de 245 à 250 °C en étain-plomb, 255 à 265 °C en sans-plomb), le préchauffage de la carte, la vitesse du convoyeur, qui fixe le temps de contact (quelques secondes), et souvent une atmosphère d'azote qui limite l'oxydation du bain. Le cuivre des pistes se dissout dans la vague : sa teneur dans le bain est surveillée et corrigée, sinon la viscosité et le liquidus du bain dérivent.
Le soudobrasage
Le joint se prépare comme une soudure : chanfrein en V, ou angle. Au chalumeau, on emploie une baguette de laiton enrobée ou un flux FH21, une flamme légèrement oxydante, et l'on dépose l'apport de proche en proche en mouillant les deux bords, sans les fondre. C'est la réparation classique des pièces en fonte : la fonte ne fond pas, ce qui évite la fonte blanche fragile et les fissures du soudage. À l'arc (procédé 972) ou au laser, un fil CuSi3 ou CuAl8, qui fond vers 900 à 1 050 °C, assemble des tôles galvanisées : le zinc, qui bout à 907 °C, est bien moins vaporisé qu'en soudage de l'acier, vers 1 500 °C, et le revêtement reste protecteur près du joint.
Les constructeurs automobiles soudobrasent les tôles galvanisées au fil CuSi3 avec des postes MIG pulsés, puis au laser pour les joints de pavillon visibles. Peu de chaleur, peu de déformation, revêtement préservé, cordon lisse qui se peint sans reprise : le soudobrasage y a remplacé une partie du soudage par points et du soudage à l'arc.
Mode opératoire, qualification et sécurité
Écrire, prouver, puis répéter sans risque
Un joint brasé réussi une fois ne prouve rien ; il faut le réussir à chaque fois. Le savoir-faire se fige dans un mode opératoire de brasage, qui suit la même logique qu'en soudage :
- on rédige un descriptif préliminaire (en anglais pBPS, preliminary brazing procedure specification) : matériaux, joint, jeu, préparation, apport, flux ou atmosphère, procédé, températures et durées ;
- on brase une pièce d'essai représentative de la production, devant un examinateur ou un organisme d'examen ;
- on la contrôle : examen visuel, coupes métallographiques, essais de pelage, de cisaillement, de pliage ou de traction selon le type de joint ;
- si tout est conforme, on établit le procès-verbal de qualification (en anglais BPQR, brazing procedure qualification record), puis le descriptif de mode opératoire de brasage qualifié (en anglais BPS, abrégé ici DMOB), document d'atelier utilisé en production.
C'est l'objet de l'ISO 17779. Les personnes, elles, se qualifient selon l'ISO 13585 : le braseur, qui tient lui-même la source de chaleur (au chalumeau), et l'opérateur de brasage, qui prépare et règle une installation mécanisée (induction, four). Une qualification vaut pour un domaine (procédé, matériaux, type de joint, apport) et pour une durée limitée.
Enfin, le brasage a ses risques : fumées (zinc, fluorures des flux, colophane, cadmium des anciens apports), gaz combustibles et oxygène, fours à hydrogène, brûlures, rayonnement des flammes. Le mode opératoire et le poste de travail les prennent en compte.
Manipulation 6 : construire et tenir un mode opératoire
Choisis un cas qualifié. Son DMOB s'affiche avec le domaine validé par le procès-verbal. Change un paramètre : la manipulation dit s'il reste dans le DMOB, s'il impose une nouvelle qualification, ou s'il est incompatible. Décoche une étape de la gamme pour voir le défaut qu'elle provoque. Règles simplifiées, inspirées de l'ISO 17779.
Procédé, apport, flux ou atmosphère
Le contenu d'un DMOB
Identification et référence du procès-verbal ; procédé (numéro ISO 4063) ; matériaux de base (groupe, désignation, épaisseurs ou diamètres) ; type et dimensions du joint, jeu et recouvrement ; préparation des surfaces ; apport (désignation ISO 17672, forme, mode et lieu de dépôt) ; flux (type ISO 18496) ou atmosphère (nature, point de rosée, pression) ; position et sens d'écoulement de la brasure ; température et durée de brasage, vitesses de chauffe et de refroidissement ; maintien des pièces ; traitement après brasage (élimination des résidus, traitement thermique) ; contrôles.
L'épreuve de qualification selon l'ISO 17779
La pièce d'essai est brasée selon le descriptif préliminaire, dans les conditions de la production, devant l'examinateur. Les contrôles minimaux dépendent du type de joint :
| Pièce d'essai | Contrôles minimaux |
|---|---|
| Joint à recouvrement | examen visuel complet, deux coupes métallographiques, puis deux essais de cisaillement ou deux essais de pelage |
| Joint bout à bout | examen visuel complet, deux coupes, puis deux essais de traction ou deux essais de pliage |
| Joint en T | examen visuel complet, puis deux coupes ou deux essais de pliage |
Les essais destructifs suivent l'EN 12797, les contrôles non destructifs l'EN 12799, et les imperfections se jugent selon l'ISO 18279 (cours 4). Une norme d'application peut demander davantage : radiographie ou ultrasons, essais de corrosion, analyses. L'aéronautique a sa propre norme, l'ISO 11745.
Les variables essentielles sont les paramètres dont le changement, hors du domaine qualifié, impose une nouvelle qualification. L'ISO 17779 les regroupe ainsi : procédé de brasage, type de produit (tôle, tube), type de joint, piquage, groupes de matériaux de base, apport, flux et mode de dépôt de l'apport, dimensions, sens d'écoulement de la brasure, traitement thermique après brasage, et le fabricant lui-même (une qualification n'est pas transférable à un autre atelier). Elle donne aussi, en annexe, des exigences de qualité pour le brasage, comparables à celles que l'ISO 3834 fixe pour le soudage.
Les braseurs et les opérateurs selon l'ISO 13585
Le braseur ou l'opérateur brase une pièce d'essai, contrôlée selon les mêmes principes. Sa qualification vaut 3 ans, à condition qu'un responsable de l'employeur confirme tous les 6 mois qu'il a brasé avec une continuité raisonnable dans son domaine (pas d'interruption de plus de 6 mois), dans des conditions techniques comparables, et sans raison de mettre en doute son savoir-faire. Elle peut être prolongée par périodes de 3 ans si la qualité des productions est démontrée et enregistrée. Une révision de la norme est en cours. Un braseur qui réussit l'épreuve de qualification d'un mode opératoire est qualifié pour le domaine correspondant.
Sécurité
| Risque | Origine | Prévention |
|---|---|---|
| Fumées métalliques | zinc des apports à l'argent et des laitons (« fièvre des fondeurs »), cadmium des anciens apports, plomb | éviter la surchauffe, aspiration à la source, apports sans cadmium, hygiène (ne pas manger au poste) |
| Fumées de flux | fluorures et composés du bore ; colophane des flux de brasage tendre, sensibilisante (asthme) | aspiration, quantité de flux juste nécessaire, flux adaptés |
| Gaz combustibles | acétylène, propane, oxygène | bouteilles arrimées, détendeurs, clapets antiretour et pare-flammes, contrôle d'étanchéité, permis de feu |
| Atmosphères de four | hydrogène explosif, azote et argon asphyxiants, monoxyde de carbone des gaz endothermiques | purges, détection, ventilation, procédures d'ouverture |
| Rayonnement | flammes, pièces incandescentes, laser | lunettes à verres filtrants adaptés, écrans |
| Brûlures et produits chimiques | pièces chaudes, bains de sel, bains de décapage acides | gants, tabliers, lunettes ; manipulation outillée |
| Champs électromagnétiques | inducteurs | distances, signalisation, porteurs d'implants tenus à l'écart |
En production, chaque lot de joints renvoie à un DMOB, à un braseur ou un opérateur qualifié, à un lot d'apport et de flux, et à des enregistrements (courbes du four, réglages du générateur, résultats des contrôles d'étanchéité). C'est cette chaîne qui permet, le jour d'une fuite, de retrouver la cause et les pièces concernées.
Exercices corrigés
Six exercices et un défi, du choix du procédé au cycle de four
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 entièrement dans la manipulation 4.
Exercice 1 : un procédé par situation N1 · chapitre 1
Propose un procédé (nom et numéro ISO 4063 si possible) et justifie-le en une phrase.
a) Raccords de cuivre d'une installation frigorifique, sur chantier.
b) 20 000 raccords cuivre-acier de compresseurs par an, tous identiques.
c) Échangeurs à plaques en inox de 60 joints cachés, quelques centaines par an.
d) Radiateurs automobiles en aluminium, 500 000 par an.
e) Cartes électroniques à composants montés en surface.
f) Pavillon de voiture en tôle galvanisée, joint visible.
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a) Flamme, 912 : seul procédé transportable, souple, pour quelques joints accessibles (cuivre-phosphore sans flux).
b) Induction, 916 (ou flamme mécanisée en carrousel) : joint unique et axisymétrique, grande série, chauffe rapide et répétable, avec un apport à l'argent en anneau et un flux.
c) Four sous vide, 922 : joints nombreux et cachés, oxyde de chrome, brasage sans flux au nickel ou au cuivre.
d) Four sous azote avec flux FL20 (CAB), 921 : grande série, tôles plaquées Al-Si, résidus non corrosifs.
e) Refusion d'une crème à braser dans un four à profil (brasage tendre, groupe 95).
f) Soudobrasage à l'arc (972) ou au laser, au fil CuSi3 : peu de chaleur, zinc préservé, cordon propre.
Exercice 2 : chauffer au chalumeau N1 · chapitre 2
Raccord de cuivre de 60 g sur un tube de 22 mm (portion utile de 30 g) ; c = 385 J/(kg·K) ; température de travail de l'apport : 700 °C.
a) Quelle énergie faut-il pour porter le raccord, puis la portion de tube, de 20 à 700 °C ?
b) Un braseur dirige 1 kW absorbé sur le seul tube. Sans pertes, en combien de temps le tube atteint-il 700 °C ? Que se passe-t-il pour le joint ?
c) Quelle flamme régler pour un brasage au cuivre-phosphore, puis pour un soudobrasage au laiton ?
d) Au fer à braser, un joint sort terne et granuleux. Diagnostic ?
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a) Raccord : Q = 0,060 × 385 × 680 ≈ 15 700 J ≈ 15,7 kJ ; tube : 0,030 × 385 × 680 ≈ 7,9 kJ.
b) t = 7 900/1 000 ≈ 8 s. Le tube est chaud en quelques secondes, le raccord reste froid : la brasure fond sur le tube, file vers lui, et ne mouille pas le raccord. En insistant, on surchauffe le tube. Il faut répartir la flamme selon les besoins, en commençant par le raccord (manipulation 2).
c) Brasage CuP : flamme neutre ou légèrement réductrice. Soudobrasage au laiton : flamme légèrement oxydante, pour former une pellicule d'oxyde de zinc qui freine l'évaporation du zinc.
d) Une « soudure froide » : la brasure a fondu sur la panne mais les pièces n'ont pas atteint la température de mouillage (panne trop petite ou trop froide, contact trop court, flux épuisé). Il faut chauffer patte et plage ensemble, et apporter le fil sur les pièces.
Exercice 3 : l'effet de peau N2 · chapitre 3
δ ≈ 503√(ρ/(μrf)). Données : cuivre, ρ = 1,7 × 10⁻⁸ Ω·m à 20 °C et 5,5 × 10⁻⁸ Ω·m vers 700 °C ; acier non allié à froid, ρ = 1,6 × 10⁻⁷ Ω·m et μr ≈ 200 ; au-delà de 770 °C, ρ ≈ 1,15 × 10⁻⁶ Ω·m et μr = 1.
a) Calcule δ à 10 kHz pour le cuivre à 20 °C, l'acier à froid et l'acier au-delà de 770 °C.
b) Quelle fréquence donne δ = 0,5 mm dans du cuivre vers 700 °C ?
c) Pourquoi la chauffe d'un acier par induction ralentit-elle vers 770 °C ?
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a) Cuivre : δ = 503 × √(1,7 × 10⁻⁸/10⁴) ≈ 6,6 × 10⁻⁴ m = 0,66 mm. Acier à froid : 503 × √(1,6 × 10⁻⁷/(200 × 10⁴)) ≈ 0,14 mm. Acier au-delà de 770 °C : 503 × √(1,15 × 10⁻⁶/10⁴) ≈ 5,4 mm.
b) f = ρ(503/δ)²/μr = 5,5 × 10⁻⁸ × (503/0,0005)² ≈ 5,6 × 10⁴ Hz, soit environ 56 kHz.
c) Au point de Curie, l'acier perd son magnétisme : μr passe d'environ 50 à 1, δ est multipliée par plusieurs, la couche chauffée devient épaisse et la puissance absorbée diminue. Le réglage doit être validé jusqu'à la température de brasage.
Exercice 4 : la mie et la croûte N2 · chapitre 4
Acier : ρc ≈ 4,7 × 10⁶ J/(m³·K) ; coefficient d'échange h ≈ 120 W/(m²·K) ; consigne montant à 10 °C/min.
a) Calcule la constante de temps d'une tôle de 2 mm et d'une bride de 40 mm.
b) Quel retard chacune prend-elle sur la consigne pendant la montée ?
c) Au début d'un palier à 950 °C, l'écart entre les deux pièces vaut 124 °C. Que vaut-il après 30 min de palier ?
d) La manipulation 4 indique pourtant un écart de 28 °C quand la tôle atteint le solidus (970 °C). Pourquoi ?
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a) τ = ρce/(2h) : tôle, 4,7 × 10⁶ × 0,002/240 ≈ 39 s ; bride, 4,7 × 10⁶ × 0,040/240 ≈ 785 s, soit 13 min.
b) v = 10/60 ≈ 0,167 K/s. Retards : 0,167 × 39 ≈ 6,5 °C pour la tôle, 0,167 × 785 ≈ 131 °C pour la bride.
c) 124 × exp(−1 800/785) ≈ 124 × 0,10 ≈ 12,5 °C.
d) Après le palier, la consigne repart vers 1 050 °C : en montant de 950 à 970 °C (2 min), la bride reprend une partie de son retard. Le palier sert à partir d'un état homogène juste sous le solidus ; la montée finale doit rester franche mais pas trop rapide.
Exercice 5 : profils de refusion et soudobrasage N1 · chapitre 5
TAL = (Tpic − Tliq)(1/vm + 1/vr). Fenêtre visée : 45 à 90 s.
a) Crème SAC305 (liquidus 217 °C), pic à 245 °C, montée à 0,8 °C/s, refroidissement à 2 °C/s : TAL ?
b) Même pic, montée à 2 °C/s, refroidissement à 3 °C/s : TAL ? Conséquence ?
c) On passe une crème SAC dans un four réglé pour l'étain-plomb : pic à 220 °C, montée à 1 °C/s, refroidissement à 2 °C/s. TAL ? Verdict ?
d) Pourquoi le soudobrasage au CuSi3 convient-il mieux que le soudage MAG aux tôles galvanisées ?
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a) TAL = 28 × (1/0,8 + 1/2) = 28 × 1,75 = 49 s : dans la fenêtre.
b) TAL = 28 × (0,5 + 0,33) ≈ 23 s : trop court, joints mal mouillés, vides. Ralentir la montée finale ou le refroidissement près du pic.
c) TAL = (220 − 217) × (1 + 0,5) = 4,5 s, avec un pic de 3 °C seulement au-dessus du liquidus : la crème fond à peine, les joints sont granuleux. Il faut le profil SAC (pic 235 à 250 °C).
d) Le zinc bout à 907 °C. Le soudage MAG fond l'acier vers 1 500 °C et vaporise le revêtement autour du joint (fumées, porosités, corrosion). L'apport CuSi3 fond vers 900 à 1 050 °C sans fondre l'acier : le zinc est bien moins vaporisé et la protection subsiste près du joint, avec moins de déformation.
Exercice 6 : le mode opératoire et le braseur N1 · chapitre 6
Un DMOB qualifié prévoit : flamme (912), cuivre-cuivre, CuP 284, sans flux, jeu 0,05 à 0,13 mm, 700 à 750 °C.
a) L'atelier veut passer au CuP 179, moins cher. Faut-il requalifier ?
b) Un lot de raccords donne un jeu de 0,10 mm. Faut-il requalifier ?
c) On remplace le chalumeau par une induction automatisée. Faut-il requalifier ?
d) Un braseur, qualifié le 15 mars 2026 selon l'ISO 13585, a brasé régulièrement jusqu'au 30 avril 2026, puis plus du tout. Peut-il braser en décembre 2026 ? Sinon, jusqu'à quand sa qualification aurait-elle couru ?
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a) Oui : l'apport est une variable essentielle, un autre apport sort du domaine qualifié.
b) Non : 0,10 mm reste dans le domaine qualifié de 0,05 à 0,13 mm ; on reste dans le DMOB.
c) Oui : le procédé est une variable essentielle. Et le personnel change de métier : il faudra des opérateurs de brasage qualifiés.
d) Non : l'interruption dépasse 6 mois (de mai à décembre), la confirmation semestrielle ne peut pas être signée ; il doit repasser l'épreuve. Avec une activité continue et des confirmations signées tous les 6 mois, sa qualification aurait couru jusqu'au 15 mars 2029 (3 ans), puis aurait pu être prolongée.
🏆 Défi : le palier juste suffisant N2 · chapitre 4, à rejouer dans la manipulation 4
Échangeur en inox : tôle de 2 mm et bride de 40 mm, BNi-2 (solidus 970 °C, liquidus 1 000 °C), brasage à 1 050 °C, montée à 10 °C/min. On veut un écart de moins de 30 °C entre les deux pièces au moment où la tôle atteint le solidus.
a) Sans palier, quel est cet écart ?
b) Quelle durée minimale de palier à 950 °C (par pas de 5 min) respecte l'objectif ?
c) Une montée lente à 3 °C/min, sans palier, suffit-elle ? Compare les durées de cycle.
d) Avec une bride de 80 mm, quelle durée de palier faut-il ? Commente.
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a) Environ 124 °C : la bride est encore vers 846 °C quand la tôle commence à fondre l'apport.
b) 25 min donnent environ 33 °C ; 30 min donnent environ 28 °C. Le palier de 30 min suffit.
c) À 3 °C/min, l'écart tombe à environ 37 °C seulement, pour un cycle d'environ 6 h, contre environ 2 h 30 avec la montée à 10 °C/min et le palier de 30 min. Le palier sous le solidus est bien plus efficace qu'une montée lente.
d) La constante de temps double (≈ 1 570 s). Il faut environ 80 min de palier pour passer sous 30 °C (≈ 29,6 °C). Doubler l'épaisseur fait presque tripler le palier, car l'écart de départ double aussi. D'où l'intérêt de charger ensemble des pièces d'épaisseurs voisines.
Quiz : 12 questions éclair
Chaque réponse est expliquée, même quand tu as juste
Fiche mémoire du cours 3
Neuf cases, neuf images : à photographier, puis à redessiner de tête
La caisse à outils
Peu de joints : chauffe le joint (912, 916, 918). Beaucoup de joints ou oxydes tenaces : chauffe la pièce (921, 922). Soudobrasage : 972.
La poêle et la crêpe
Raccord de 60 g : 15,7 kJ. Chauffer d'abord la pièce massive, balayer, présenter la baguette sur les pièces chaudes.
Le réglage de flamme
Neutre ou légèrement réductrice pour l'argent et le CuP ; légèrement oxydante pour le laiton. Flux clair = moment de l'apport.
La plaque à induction
Haute fréquence, peau fine. Cuivre 0,66 mm à 10 kHz ; acier au-delà de 770 °C : δ bondit (Curie).
Le pain au four
La bride traîne de v·τ. Palier 20 à 50 °C sous le solidus, puis brasage court. Thermocouples de charge.
La vague et le four
45 à 90 s au-dessus du liquidus ; pic 205 à 230 °C (étain-plomb), 235 à 250 °C (SAC).
Le mur de laiton
Soudobrasage : fonte au laiton (flamme oxydante, FH21) ; tôles galvanisées au CuSi3 (972), le zinc bout à 907 °C.
La recette signée
ISO 17779. Variables essentielles : procédé, matériaux, joint, apport, flux, dimensions… hors domaine : requalifier.
Le braseur protégé
Fumées (zinc, fluorures, colophane), gaz, hydrogène, champs d'induction : aspiration, purges, distances.
Glossaire
Les mots, symboles et sigles de ce cours
- BPQR, BPS, pBPS
- Sigles anglais de l'ISO 17779 : procès-verbal de qualification du mode opératoire de brasage ; descriptif de mode opératoire qualifié (DMOB) ; descriptif préliminaire (pDMOB).
- Braseur, opérateur de brasage
- Personne qui tient elle-même la source de chaleur (chalumeau) ; personne qui prépare et règle une installation mécanisée (induction, four). Qualifiés selon l'ISO 13585.
- c
- Capacité thermique massique (J/(kg·K)) : 385 pour le cuivre, environ 460 à 500 pour l'acier.
- CAB
- Controlled atmosphere brazing : brasage de l'aluminium au four sous azote, avec un flux FL20 non corrosif.
- Carrousel
- Plateau tournant qui fait défiler les pièces devant des brûleurs fixes : brasage à la flamme mécanisé.
- Chauffage local, global
- Chauffage de la seule zone du joint (flamme, induction, résistance, laser) ; de tout l'assemblage (four, bain).
- Crème à braser
- Poudre d'alliage de brasage tendre dispersée dans un flux, déposée par sérigraphie avant la refusion.
- δ
- Profondeur de pénétration des courants induits (m) ; environ 86 % de la puissance est dissipée dans cette couche.
- DMOB
- Descriptif de mode opératoire de brasage, qualifié par un procès-verbal (QMOB) ; document d'atelier.
- e, h
- Épaisseur d'une pièce (m) ; coefficient d'échange thermique entre le four et la pièce (W/(m²·K)).
- EN 12797, EN 12799
- Normes des essais destructifs et des contrôles non destructifs des joints brasés.
- f
- Fréquence du courant d'induction (Hz).
- Flamme neutre, réductrice, oxydante
- Réglage stœchiométrique ; avec excès de combustible (panache) ; avec excès d'oxygène (dard court et sifflant).
- I, R, Q
- Intensité (A), résistance (Ω) et chaleur dégagée Q = R·I²·t (J) en brasage par résistance ; Q désigne aussi l'énergie de chauffe m·c·ΔT.
- Inducteur
- Bobine de cuivre refroidie à l'eau qui crée le champ magnétique alternatif.
- ISO 11745
- Qualification du brasage pour l'aéronautique.
- ISO 13585
- Qualification des braseurs et des opérateurs de brasage : validité de 3 ans, confirmée tous les 6 mois par l'employeur.
- ISO 17779
- Descriptif et qualification d'un mode opératoire de brasage fort pour les matériaux métalliques.
- ISO 4063
- Numéros des procédés : 911 à 926 pour le brasage fort, groupes 94 et 95 pour le brasage tendre, 972 pour le soudobrasage à l'arc.
- m
- Masse (kg).
- μr, ρ
- Perméabilité magnétique relative (sans unité) ; résistivité électrique (Ω·m). Au chapitre 4, ρ désigne la masse volumique (kg/m³).
- Palier d'homogénéisation
- Maintien à 20 à 50 °C sous le solidus de l'apport, qui laisse les pièces massives rattraper les pièces minces.
- Point de Curie
- Température (≈ 770 °C pour le fer) au-dessus de laquelle l'acier n'est plus magnétique : μr tombe à 1.
- Profil de refusion
- Courbe température-temps d'un four de refusion : préchauffage, maintien, refusion, refroidissement.
- Refusion, vague
- Brasage tendre par fusion d'une crème à braser dans un four ; par passage de la carte sur une vague d'étain fondu.
- Soudobrasage
- Dépôt d'un apport de brasage fort dans un chanfrein, comme une soudure, sans fondre le métal de base (au chalumeau, à l'arc, au laser).
- Soudure froide
- Joint brasé tendre terne et granuleux : la brasure a fondu sans que les pièces atteignent la température de mouillage.
- TAL
- Time above liquidus : temps passé au-dessus du liquidus pendant la refusion.
- τ
- Constante de temps thermique d'une pièce dans un four (s) : ρ·c·e/(2h).
- Thermocouple de charge
- Capteur de température fixé sur une pièce de la charge (la plus massive, la plus mince) pour piloter le cycle.
- v, vm, vr
- Vitesse de montée de la consigne d'un four ; vitesses de montée et de refroidissement d'un profil de refusion (°C/s).
- Variable essentielle
- Paramètre dont le changement hors du domaine qualifié impose une nouvelle qualification du mode opératoire.
Suis-je prêt pour la suite ?
Dix points à cocher de tête
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