Concevoir, braser chaque métal et contrôler : du dessin du joint à son acceptation

Une brasure est un alliage souvent moins résistant que les pièces qu'elle assemble, et elle ne forme qu'une couche très mince, de l'épaisseur du jeu. Pour que le joint soit aussi fort que les pièces, on ne lui demande pas de tenir en traction sur une petite section : on le fait travailler en cisaillement (les deux faces glissent l'une sur l'autre) sur une grande surface. C'est le principe du joint à recouvrement : les deux tôles se chevauchent sur une longueur L, et la brasure remplit l'espace entre elles.

• Bout à bout : la brasure n'a que la section de la tôle pour travailler. C'est le joint le plus faible ; on l'évite, sauf pour des pièces larges peu chargées.
• À recouvrement et emboîtement (tube dans un manchon) : les joints de référence du brasage. La surface brasée grandit avec L.
• En écharpe (bords biseautés) et bout à bout à recouvrement : plus de surface sans surépaisseur, au prix d'un usinage.
• En T : la brasure forme un congé de chaque côté ; on l'utilise pour des raidisseurs, des ailettes, des piquages.

Quand on tire sur un joint à recouvrement, il se passe la même chose qu'avec un pansement : la charge passe d'une tôle à l'autre surtout par les deux extrémités du recouvrement. Le milieu travaille peu. Heureusement, la brasure est un métal ductile : avant de casser, elle se déforme aux extrémités et passe la main au milieu. À la rupture, tout le recouvrement participe.

La règle d'atelier la plus connue en découle : un recouvrement d'au moins trois fois l'épaisseur de la tôle la plus mince. Le but est que l'assemblage casse dans le métal de base, jamais dans la brasure. C'est d'ailleurs le critère de l'essai de cisaillement de l'ISO 17779 : si la rupture passe par la brasure, le recouvrement est trop court.

La longueur de recouvrement

Pour une tôle d'épaisseur t et de largeur b, la tôle casse sous la charge F_b = R_m·t·b, et la brasure cède en cisaillement sous F_j = τ_r·L·b. On veut que la brasure tienne plus que la tôle, avec une marge Y :

Exemple d'un fabricant d'apports : tôle de Monel recuit (alliage nickel-cuivre), t = 1,27 mm, R_m = 483 MPa, brasure à l'argent τ_r ≈ 172 MPa : L_r = 1,25 × 483 × 1,27/172 ≈ 4,5 mm, soit 3,5 t. La règle des 3 t (3,8 mm) serait un peu courte ici, parce que le Monel est résistant. Avec b = 20 mm, la tôle casse sous F_b = 483 × 1,27 × 20 ≈ 12,3 kN.

Pour un tube de diamètre extérieur D emboîté sur la longueur L, la section du tube vaut π·t·(D − t) et la surface brasée π·D·L :

Tube de cuivre recuit 22 × 1 mm (R_m ≈ 220 MPa), brasure à l'argent (τ_r ≈ 170 MPa) : L_r = 1,25 × 1 × 21 × 220/(22 × 170) ≈ 1,5 mm. Les raccords à braser du commerce ont des emboîtements bien plus profonds : ils doivent aussi guider et aligner le tube, tolérer un remplissage imparfait, et résister à la flexion, aux vibrations et à la pression.

La répartition de Volkersen

En 1938, Volkersen a calculé la répartition du cisaillement dans un recouvrement : les tôles s'allongent sous la charge, la couche de brasure glisse, et le cisaillement se concentre aux extrémités. Pour deux tôles identiques, avec x mesuré depuis le milieu du recouvrement :

Le rapport entre le pic, atteint aux extrémités, et la moyenne vaut τ_max/τ_moy = (ωL/2)·coth(ωL/2), où coth = cosh/sinh est la cotangente hyperbolique. Pour un cuivre de 1 mm (E ≈ 120 GPa) et h = 0,08 mm : ω = √(2 × 30 000/(0,08 × 120 000 × 1)) = 2,5 mm⁻¹, soit une longueur caractéristique 1/ω = 0,4 mm. Avec L = 2 mm, le pic vaut 2,5 fois la moyenne ; avec L = 10 mm, 12,5 fois. Tant que tout reste élastique, seuls un ou deux millimètres à chaque bout portent vraiment la charge.

Une brasure ductile se plastifie d'abord aux extrémités ; les zones plastiques gagnent vers le milieu, et à la rupture le cisaillement est presque uniforme. C'est ce qui justifie le calcul simple F_j = τ_r·L·b pour une charge statique. Mais en fatigue, ou avec une brasure fragile (apports au nickel, intermétalliques épais), ce sont les pics élastiques qui commandent : allonger le recouvrement au-delà de quelques 1/ω n'apporte presque rien. On adoucit alors les extrémités : bords amincis ou chanfreinés, congés de brasure. Le recouvrement simple, enfin, fléchit sous la charge parce que les deux tôles ne sont pas alignées : un effort de pelage s'ajoute aux extrémités.

Représenter un joint brasé sur un plan

Les principes de l'ISO 2553 s'appliquent aussi aux joints brasés : une flèche désigne le joint, une ligne de référence porte le symbole et les cotes, et la fourche, au bout de la ligne, reçoit le numéro du procédé selon l'ISO 4063 (912 pour la flamme, par exemple). Trois symboles désignent les assemblages propres au brasage (et au collage) : l'assemblage de surface (deux traits parallèles), l'assemblage oblique (deux traits obliques) et l'assemblage replié (deux crochets agrafés). Ils figuraient dans l'édition de 1992 de l'ISO 2553 ; l'ISO 15785, consacrée aux assemblages collés, agrafés et sertis, les reprend à l'identique.

Premier danger : la dilatation différentielle. Brasons une plaquette de carbure de tungstène sur une tige d'acier. À la température de brasage, l'acier s'est allongé bien plus que le carbure, car son coefficient de dilatation est plus de deux fois plus grand (α ≈ 14 contre 6 × 10⁻⁶ K⁻¹). La brasure se solidifie et colle les deux pièces dans cet état. Au refroidissement, l'acier veut se raccourcir davantage que le carbure, mais il en est empêché : le carbure est comprimé, l'acier tendu, la couche de brasure cisaillée, et l'ensemble se cintre comme un bilame. Si la brasure ou le carbure ne suivent pas, ils se fissurent.

Les remèdes : une brasure ductile, une couche plus épaisse, ou mieux un apport « sandwich », un feuillard dont l'âme en cuivre, très ductile, se déforme pour absorber l'écart ; des plaquettes plus petites ; un refroidissement lent.

Second danger : la fissuration par métal liquide. Certains métaux, s'ils sont tendus au moment où la brasure liquide les touche, se fissurent en quelques secondes : le liquide pénètre entre les grains et les décolle, comme un coin dans une bûche déjà fendue. Les fissures, intergranulaires et ramifiées, se retrouvent remplies de brasure. On parle aussi de fragilisation par métal liquide (en anglais liquid metal embrittlement, LME).

Il faut trois conditions à la fois : un métal sensible (inox austénitiques, alliages de nickel, alliages durcis par précipitation, laitons, maillechorts et bronzes écrouis), une contrainte de traction (écrouissage, formage, emmanchement serré, montage qui bride, chauffe trop rapide) et une brasure liquide. Il suffit d'en supprimer une : détensionner ou recuire la pièce avant le brasage, laisser les pièces libres, chauffer lentement et uniformément, ou choisir un apport plus chaud qui détensionne la pièce avant de fondre.

L'écart de dilatation

Entre la température où la brasure se fige (son solidus) et l'ambiante, l'écart de déformation libre entre les deux pièces vaut :

Exemple : plaquette de carbure de 20 mm sur acier, brasée à l'Ag 449 (solidus 680 °C). ε = 8 × 10⁻⁶ × 660 ≈ 5,3 × 10⁻³, soit 0,11 mm d'écart sur 20 mm. Avec une couche de 0,1 mm, le glissement aux extrémités vaudrait γ ≈ 5,3 × 10⁻³ × 10/0,1 ≈ 0,53, bien plus que ce que la brasure ou le carbure supportent sans se fissurer. Une couche déformable de 0,4 mm, comme l'âme de cuivre d'un feuillard sandwich, divise ce glissement par quatre (γ ≈ 0,13), et le cuivre, très ductile, l'encaisse.

Le mécanisme de la fissuration par métal liquide

Le métal liquide abaisse fortement l'énergie des joints de grains qu'il touche. Sous une contrainte de traction, il s'y propage en quelques secondes : la fissure principale part de la surface mouillée, souvent au bord du congé, et se ramifie entre les grains. Elle se distingue de l'érosion (dissolution du métal de base par la brasure, cours 1), qui ronge la surface sans fissurer, et de la corrosion interfaciale (chapitre 4), qui apparaît en service, des mois plus tard.

En soudage, le même phénomène s'observe avec le zinc liquide des tôles galvanisées d'aciers à haute résistance, ou avec le cuivre fondu au contact d'un acier tendu.

• Les aciers non alliés se brasent facilement. À la flamme ou par induction, on prend un apport à l'argent (Ag 155, vers 680 °C) avec un flux FH10, ou un laiton CuZn40 vers 910 °C avec un flux FH21. En grande série, le cuivre pur au four sous azote hydrogéné, vers 1 110 °C, sans flux, avec un jeu presque nul, brase des milliers de pièces par jour. Une clé est interdite : le cuivre-phosphore, car le phosphore forme avec le fer des phosphures fragiles à l'interface.
• L'acier galvanisé porte du zinc, qui fond à 420 °C et bout à 907 °C. Un brasage à l'argent bref limite les dégâts ; le soudobrasage au fil CuSi3 (cours 3) préserve mieux le revêtement. Les fumées de zinc imposent une aspiration.
• Les fontes exposent en surface des lamelles de graphite, que la brasure ne mouille pas. Il faut les éliminer (grenaillage, oxydation du graphite à la flamme ou bain de sel électrolytique), puis braser à l'argent, à basse température, ou soudobraser au laiton pour une réparation.
• Le cuivre a sa clé à lui : le cuivre-phosphore, autodécapant, qui se passe de flux sur le cuivre pur. C'est l'apport de la plomberie et du froid. Le cuivre électrolytique Cu-ETP, qui contient de l'oxygène, ne supporte pas l'hydrogène à chaud (cours 2) ; le cuivre désoxydé au phosphore Cu-DHP, celui des tubes de plomberie, et le cuivre sans oxygène Cu-OF n'ont pas ce défaut.
• Les laitons contiennent du zinc qui s'évapore si l'on chauffe trop : on prend un apport à bas point de fusion (argent) et un flux FH10. Le cuivre-phosphore y exige un flux, car il n'est autodécapant que sur le cuivre pur. Écroui, un laiton peut se fissurer au contact de la brasure liquide (chapitre 2).

Les phosphures. Le phosphore du CuP désoxyde le cuivre : c'est ce qui le rend autodécapant. Mais au contact du fer ou du nickel, il forme des phosphures (Fe₃P, Ni₃P) qui tapissent l'interface d'une couche dure et fragile : le joint casse au premier choc ou à la première vibration. Le CuP est réservé au cuivre et à ses alliages ; les fabricants le déconseillent aussi sur les cupronickels riches en nickel (au-delà d'environ 10 %).

Le cuivre au four. Très fluide à 1 110 °C, le cuivre pur pénètre des jeux de quelques centièmes de millimètre, voire des emmanchements légèrement serrés ; l'atmosphère réductrice remplace le flux. La température élevée grossit le grain de l'acier et peut le déformer : on le réserve aux pièces conçues pour ce cycle, souvent traitées thermiquement ensuite.

Les cuivreux et le zinc. Les laitons perdent du zinc par évaporation au-delà de quelques minutes au rouge : surface poreuse, fumées blanches. On brase vite, juste au-dessus du liquidus d'un apport à l'argent, et l'on aspire les fumées.

• Les inox sont protégés par un film d'oxyde de chrome, tenace : il faut un flux FH12 à l'air, ou un four sous vide ou sous hydrogène très sec (cours 2). Deux pièges s'y ajoutent. Brasé avec un apport argent-cuivre-zinc sans nickel et plongé dans l'eau, un joint d'inox peut se décoller le long de l'interface au bout de quelques mois : c'est la corrosion interfaciale, que l'on évite avec un apport à l'argent contenant du nickel (Ag 449, par exemple) ou un apport au nickel. Et un inox non stabilisé, maintenu entre environ 450 et 850 °C, précipite des carbures de chrome aux joints de grains et devient sensible à la corrosion (sensibilisation) : on choisit des nuances à bas carbone (304L, 316L) ou stabilisées (321).
• L'aluminium est le cas extrême. Son oxyde, l'alumine, ne se réduit pas : il faut un flux FL ou le vide avec du magnésium. Surtout, ses apports Al-Si fondent à peine plus bas que lui. La température de brasage doit dépasser le liquidus de l'apport sans atteindre le solidus de la pièce : une fenêtre de quelques dizaines de degrés, parfois nulle.
• Les alliages de nickel et les superalliages se brasent au four sous vide avec des apports au nickel (BNi), qui contiennent du bore et du silicium pour abaisser leur point de fusion. Ces éléments diffusent dans la pièce ; s'il en reste trop au milieu du joint, ils y forment des borures durs et fragiles.
• Le titane avale l'oxygène, l'azote et l'hydrogène à chaud et devient cassant : vide ou argon très pur, et apports choisis pour éviter les intermétalliques fragiles avec le cuivre ou le fer.
• Les carbures (outils) se brasent à l'Ag 449, dont le manganèse et le nickel aident le mouillage, avec un flux FH12 ; les grandes plaquettes demandent un feuillard sandwich (chapitre 2).
• Les céramiques ne se laissent pas mouiller par les brasures ordinaires. Deux solutions : les métalliser d'abord (couche de molybdène-manganèse, puis nickel), ou les braser avec un apport actif argent-cuivre-titane sous vide : le titane réagit avec la céramique et forme une couche que la brasure mouille.

L'aluminium : une fenêtre et une teneur en magnésium

La fenêtre se calcule simplement : ΔT_f = T_sol(base) − T_liq(apport). Une charge de four n'est jamais homogène à mieux que quelques degrés près : une fenêtre d'une dizaine de degrés est déjà délicate, une fenêtre nulle ou négative interdit le couple. Le 6061 ne se brase pas avec ces trois apports (cours 1) ; on lui préfère le 6063 ou un alliage de la série 3000.

Un apport hypoeutectique comme le 4343 fond progressivement. Juste au-dessus de l'eutectique (577 °C), la règle des segments donne sa fraction liquide : f_L = (7,5 − 1,65)/(12,6 − 1,65) ≈ 0,53, soit un peu plus de la moitié. Le reste fond entre 577 et 613 °C. Plus la teneur en silicium est proche de l'eutectique (12,6 %), plus l'apport fond franchement.

Le magnésium durcit les alliages 6000 mais gêne le flux : il forme en surface de l'oxyde de magnésium, que le flux dissout mal, et le flux le capte. Limites usuelles : 3 % environ pour un flux FL10, 0,8 % pour un flux FL20, et de l'ordre de 0,3 % en four CAB (sous azote, avec FL20). Sous vide, c'est l'inverse : le magnésium, ajouté à l'apport, s'évapore et piège l'oxygène résiduel (rôle de « getter », de l'anglais to get, capter). Les résidus du FL10, à base de chlorures, sont corrosifs et doivent être lavés ; ceux du FL20 restent en place.

Inox, nickel, titane, céramiques

Corrosion interfaciale de l'inox. Dans l'eau, la corrosion d'un joint d'inox brasé avec un apport Ag-Cu-Zn sans nickel progresse le long de l'interface, comme dans une fente, jusqu'au décollement de la brasure. Les apports qui contiennent du nickel (Ag-Cu-Zn-Ni, ou Ag-Cu-Zn-Mn-Ni comme l'Ag 449) résistent beaucoup mieux à ce mode de ruine ; les apports au nickel, brasés sous vide, l'évitent.

Borures des apports au nickel. Le bore, petit atome, diffuse vite dans la pièce, où il précipite des borures de chrome près de l'interface. S'il n'a pas eu le temps de partir, le centre du joint se solidifie en une bande eutectique continue de borures et de siliciures, dure et fragile. Remèdes : jeu faible (vers 0,05 mm, le bas de la plage du cours 1), palier plus long, voire brasage-diffusion (procédé 919), où l'on maintient la pièce assez longtemps pour que le joint se solidifie à température constante, sans phase fragile au centre.

Titane. Braser sous vide ou sous argon très pur, avec des apports à l'argent ou des apports titane-zirconium-cuivre-nickel, de préférence sous la température de transformation du titane, et sans contact avec le fer (intermétalliques Fe-Ti).

Brasage actif. Un apport Ag-Cu contenant quelques pour cent de titane, chauffé sous vide (de l'ordre de 850 à 900 °C), mouille l'alumine, la zircone ou le nitrure de silicium : le titane réduit la surface de la céramique et forme une couche de réaction (oxydes ou nitrures de titane) que la brasure mouille. Comme la céramique se dilate peu, on soigne la forme des pièces et le refroidissement (chapitre 2).

Un joint brasé contient presque toujours des imperfections. Certaines sont nuisibles dans tous les cas, d'autres sont sans conséquence selon le service du joint. L'ISO 18279 les range en six groupes :

1. Groupe I, les fissures : dans la brasure, à l'interface, dans le métal de base affecté par le brasage, ou plus loin dans le métal de base.
2. Groupe II, les cavités : pores, soufflures, retassures, vides laissés par un remplissage incomplet.
3. Groupe III, les inclusions solides : flux piégé, oxydes.
4. Groupe IV, les défauts de liaison : la brasure est là, mais elle n'a pas mouillé et ne tient pas à une face.
5. Groupe V, les défauts de forme et de dimension : congé incomplet, excès de brasure, coulures, déformation, désalignement.
6. Groupe VI, les imperfections diverses : résidus de flux, coloration, projections, fusion localisée.

Le travail du détective tient en quatre temps : nommer l'imperfection et son groupe, la situer (dans la brasure, à l'interface, dans le métal de base), remonter à sa cause (préparation, jeu, chauffe, flux, contraintes), puis corriger le mode opératoire. Un flux piégé au milieu du joint, par exemple, raconte presque toujours une brasure arrivée par les deux bords à la fois.

L'ISO 18279 (deuxième édition, 2023) distingue quatre zones dans un assemblage brasé : le métal de base, le métal de base affecté par le brasage (sa zone affectée thermiquement, ZAT), la zone de diffusion-transition à l'interface, et le métal d'apport solidifié. Chaque imperfection reçoit une désignation alphanumérique qui commence par le numéro de son groupe : par exemple 1AAAA pour une fissure, avec une dernière lettre qui précise sa position (B dans la brasure, C à l'interface et dans la zone de diffusion, D dans la ZAT, E dans le métal de base non affecté).

La norme liste aussi l'érosion du métal de base, à la surface comme à l'intérieur du joint (alliage excessif de l'apport et du métal de base, cours 1). Elle définit des symboles communs avec le chapitre 1 : l, longueur du recouvrement brasé ; l_r, longueur brasée requise ; l_u, recouvrement avant brasage ; t_j, épaisseur du joint. Elle ne fixe pas de niveau d'acceptation, car il dépend trop de l'application, mais son annexe B suggère des niveaux de qualité pour les applications générales ; l'édition de 2023 en ajoute un plus exigeant pour les applications critiques.

Les contrôles non destructifs examinent le joint sans l'abîmer. L'EN 12799 en décrit sept :

• l'examen visuel, toujours en premier : congés continus des deux côtés, absence de fissure, de coulure et de résidus de flux ;
• l'essai d'étanchéité (bulles, chute de pression, hélium), indispensable pour tout ce qui contient un fluide ;
• le ressuage, qui révèle les fissures débouchantes grâce à un liquide coloré ou fluorescent ;
• la radiographie, qui voit les vides et les inclusions, comme une radio voit une fracture ;
• les ultrasons, qui voient la liaison : une onde traverse une interface brasée, mais rebondit sur une lame d'air. En balayant le recouvrement, on obtient une carte, le C-scan, comme une échographie ;
• l'essai d'épreuve, une charge ou une pression supérieure à celle du service ;
• la thermographie, qui suit la diffusion d'un flash de chaleur : un manque de liaison la freine.

Les essais destructifs, décrits par l'EN 12797, ouvrent ou cassent des éprouvettes : cisaillement, traction, examen métallographique (coupes), dureté, pelage (on arrache une tôle pour voir la surface réellement brasée) et pliage. Ils servent à qualifier un mode opératoire (cours 3) et à surveiller la production sur prélèvements.

Ces deux normes décrivent les méthodes, pas les critères. L'acceptation vient de la norme du produit, du client, des niveaux suggérés par l'ISO 18279 et, pour la qualification, de l'ISO 17779 : à l'essai de cisaillement, par exemple, la rupture doit passer dans le métal de base.

Le débit de fuite s'exprime en mbar·L/s : la quantité de gaz, comptée comme une pression fois un volume, qui traverse la paroi chaque seconde.

Du C-scan à la longueur efficace

La sonde, focalisée et immergée dans l'eau, envoie des impulsions de haute fréquence. À chaque point, l'écho de l'interface est faible si la brasure transmet l'onde à l'autre tôle, fort si une lame d'air la renvoie. La carte des échos donne l'aire liée A_liée sur l'aire du recouvrement L·b :

Exemple : recouvrement de 6 mm sur 20 mm de large (120 mm²), avec 36 mm² non liés : p_lié = 84/120 = 0,70, L_eff = 0,70 × 6 = 4,2 mm. Pour la tôle de Monel du chapitre 1 (L_r ≈ 4,5 mm), le joint est refusé, alors qu'il aurait été accepté avec 30 mm² non liés (L_eff = 4,5 mm). La position compte aussi : un manque situé à une extrémité retire au joint la zone qui porte le plus (chapitre 1), et la pire ligne de la carte renseigne mieux qu'une moyenne.

Les essais destructifs

Au cisaillement, on note la charge et le lieu de rupture ; une rupture dans la brasure signale un recouvrement trop court ou un joint mal lié. Au pelage, on enroule une tôle avec une pince ou un rouleau : la surface arrachée montre directement la part liée et les inclusions. Les coupes métallographiques mesurent le remplissage, les congés, l'érosion, l'épaisseur des intermétalliques et les fissures ; la dureté repère une zone fragile ou un métal de base adouci. Pour un joint à recouvrement, l'ISO 17779 demande au minimum l'examen visuel, deux coupes, puis deux cisaillements ou deux pelages (cours 3).

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Écris la formule littérale, puis les valeurs avec leurs unités (1 MPa = 1 N/mm², donc MPa × mm × mm donne des newtons). Les manipulations 1 à 6 permettent de vérifier tes résultats ; le défi se rejoue dans les manipulations 1 et 6.