FR2997645A1 - Procede et dispositif de soudage par diffusion a compression uni-axiale, utilisation pour des plaques portant des canaux - Google Patents

Abstract

Le procédé de soudage par diffusion à compression uni-axiale d'un ensemble de plaques (3, 11) comprend les étapes suivantes : - placer les plaques (3, 11) dans une enceinte étanche (102), les plaques (3, 11) étant disposées parallèles les unes aux autres, posées les unes sur les autres et formant un empilement (104) ; - chauffer les plaques (3, 11) et exercer en même temps une pression sur les plaques (3, 11) selon un axe de compression (C) déterminé sensiblement perpendiculaire aux plaques (3, 11). La pression est créée par un gaz sous pression, remplissant une chambre (110) de pression étanche de l'enceinte (102).

Description

Procédé et dispositif de soudage par diffusion à compression uni-axiale, utilisation pour des plaques portant des canaux L'invention concerne en général les procédés de soudage par diffusion à compression uni-axiale.

Plus précisément, l'invention concerne selon un premier aspect un procédé de soudage par diffusion à compression uni-axiale d'un ensemble de plaques, le procédé étant du type comprenant les étapes suivantes : - placer les plaques dans une enceinte étanche, les plaques étant disposées parallèles les unes aux autres, posées les unes sur les autres et formant un empilement ; - chauffer les plaques et exercer en même temps une pression sur les plaques selon un axe de compression déterminé sensiblement perpendiculaire aux plaques. L'enceinte étanche est sous vide ou gaz approprié. Les procédés connus ne sont pas adaptés au soudage de plaques en un alliage de titane superplastique connu sous le sigle TA6V, quand la zone de contact entre les plaques est de faible étendue au regard de la surface totale de chaque plaque du fait que la contrainte d'assemblage est appliquée sous la forme d'une force ou d'une pression et non d'un déplacement imposé. Ceci est le cas notamment pour des échangeurs de chaleur à plaques dans lesquels les passages de circulation des fluides sont constitués d'un réseau de canaux creusé dans les grandes faces des plaques. Les canaux sont séparés les uns des autres par des isthmes, le bord libre des isthmes devant être soudés par diffusion sur la plaque située immédiatement au-dessus ou immédiatement en dessous dans l'empilement. La périphérie de la plaque, en extrémité de canaux ou sur les pourtours des canaux, dénommée rive, présente une grande section au regard de celle des isthmes. La rive comporte une surépaisseur permettant notamment la chute des chants des plaques sur environ lOmm, cette zone étant généralement mal soudée. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un procédé de soudage qui soit mieux adapté à de telles plaques pour des matériaux sujets à un fort fluage dans les conditions de soudage par diffusion, nécessitant une pression de contact modérée.

L'invention concerne plus particulièrement la façon d'appliquer l'effort de contact entre les plaques. L'invention inclue également la possibilité de parachever l'opération de soudage pour augmenter le taux de soudage ou réparer la pièce préalablement assemblée sans risquer de la déformer. L'invention a également pour objet un dispositif de soudage, prévu pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Dans ce but, l'invention porte sur un procédé de soudage du type ci-dessus, caractérisé en ce que la pression est créée par un gaz sous pression, remplissant une chambre de pression étanche de l'enceinte. L'effort de compression est transmis aux plaques à assembler au travers d'une membrane et d'une plaque de répartition rigide. En utilisant un gaz pour mettre en pression les plaques les unes contre les autres, il est possible de maitriser la pression de contact dans l'assemblage de façon fine, celle-ci découlant directement de la pression uniformément répartie sur la surface des plaques à assembler. Ceci est particulièrement important lorsque les plaques sont sujettes à un fort fluage, par exemple pour les plaques en alliage de titane du type TA6V, qui ont un comportement superplastique à chaud. La pressurisation au gaz permet également de faire évoluer la pression de contact de façon très simple, en douceur mais rapidement - 2 bar minutes- pour limiter les contraintes de fluage lors des phases de chauffage ou lors du refroidissement d'une part, et de dissocier l'application de la pression de la température d'autre part. En particulier, il est alors possible d'appliquer une pré contrainte aux plaques à assembler avant de chauffer la pièce, d'appliquer l'effort de soudage une fois seulement la température de soudage obtenue et de la relâcher au bout d'un temps donné pour maintenir les plaques en température hors pression. La répartition homogène de zone de continuité de matière dans l'assemblage, par exemple dans le cas d'un échangeur à plaques en superposant les canaux des 2 réseaux de plaques, constitue une première clé dans la maitrise du fluage lors du soudage de l'assemblage. De surcroit, si la pièce à assembler présente une géométrie alternant des zones de continuité de matière dans l'épaisseur de l'assemblage très disparate dans l'empilage, le procédé peut être complété aisément d'un dispositif de butée permettant de limiter l'écrasement du massif et en définitive de réaliser le soudage sous déplacement imposé et non effort imposé. En particulier, lors du soudage à déplacement imposé, rendu possible par l'emploi d'une plaque de répartition très rigide, la contrainte est uniforme dans toutes les zones de continuité de matière, ce qui supprime tout risque de fluage différentiel. A contrario, un soudage à effort imposé peut engendrer un fluage important dans les zones les moins résistantes, la contrainte étant décuplée par un effet de piston entre la section sur laquelle s'appuie l'effort coté membrane et la section de continuité de matière dans la zone concernée. Le procédé de l'invention est particulièrement adapté aux plaques de grandes tailles, pour lesquelles la répartition uniforme de la pression est difficile à maîtriser.

Le procédé est également particulièrement avantageux pour les plaques qui sont au contact les unes des autres par des zones de faible superficie au regard de la taille des plaques. Ceci est le cas notamment, comme indiqué ci-dessus, des échangeurs de chaleur à plaques dans lesquels les canaux de circulation des fluides sont creusés dans les grandes faces des plaques. Un mauvais contrôle de la répartition de la pression sur la surface des plaques peut conduire à un affaissement des isthmes séparant les canaux les uns des autres. Le procédé peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'enceinte comprend une chambre de soudage dans laquelle sont disposées les plaques, la pression étant transmise du gaz remplissant la chambre de pression aux plaques par une membrane souple qui forme une barrière étanche aux gaz entre la chambre de pression et la chambre de soudage ; - la pression exercée par la membrane souple est répartie sur les plaques par une cale de répartition placée en appui sur une grande face supérieure de l'empilement perpendiculaire à l'axe de compression ; - une grande face inférieure de l'empilement, opposée à la grande face supérieure et sensiblement perpendiculaire à l'axe de compression, repose sur une cale de compensation ; - les plaques ne sont pas bloqués en position par rapport à l'enceinte dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression ou le sont par des cornières élastiques disposées entre l'empilement et des cales latérales disposées dans la chambre de soudage, ou directement entre l'empilement et l'enceinte étanche ; - les plaques sont maintenues en position les unes par rapport aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression par soit des points de soudures, soit des cordons de soudures, soit par au moins un axe de centrage parallèle à l'axe de compression, l'axe de centrage étant engagé dans des orifices des plaques, lesdits orifices étant superposés les uns aux autres parallèlement à l'axe de compression ; et - le procédé comporte une étape de compression isostatique à chaud de l'empilement, après l'étape de chauffage et de mise en pression selon l'axe de compression, effectuée dans l'enceinte, la membrane n'étant pas présente de manière à mettre en communication la chambre de pression et la chambre de soudage. Selon un second aspect, l'invention porte sur un dispositif de soudage par diffusion par compression axiale d'un ensemble de plaques comprenant: - une enceinte étanche, les plaques étant disposées dans l'enceinte parallèles les unes aux autres, posées les unes sur les autres et formant un empilement ; - un dispositif de chauffage des plaques ; - un dispositif de mise en pression des plaques selon un axe de compression déterminé sensiblement perpendiculaire aux plaques ; caractérisé en ce que le dispositif de mise en pression comprend une chambre de pression étanche ménagée dans l'enceinte, la pression étant créée par un gaz sous pression remplissant la chambre de pression. Le dispositif peut également présenter ou une plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'enceinte comprend une chambre de soudage dans laquelle sont disposées les plaques, le dispositif de soudage comprenant une membrane souple qui forme une barrière étanche aux gaz entre la chambre de pression et la chambre de soudage, la pression étant transmise du gaz remplissant la chambre de pression aux plaques par la membrane ; - le dispositif comprend une cale de répartition placée en appui sur une grande face supérieure de l'empilement perpendiculaire à l'axe de compression, la pression exercée par la membrane souple étant répartie sur les plaques par ladite cale de répartition ; - le dispositif comprend une cale de compensation sur laquelle repose une grande face inférieure de l'empilement, opposée à la grande face supérieure et sensiblement perpendiculaire à l'axe de compression ; - les plaques ne sont pas bloqués en position par rapport à l'enceinte dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression où le sont par des cornières élastiques disposées entre l'empilement et des cales latérales disposées dans la chambre de soudage, ou directement entre l'empilement et l'enceinte étanche ; - le dispositif comprend au moins un axe de centrage sensiblement parallèle à l'axe de compression, prévu pour maintenir les plaques en position les unes par rapport aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression, l'axe de centrage étant engagé dans des orifices des plaques, lesdits orifices étant superposés les uns aux autres parallèlement à l'axe de compression. Selon un troisième aspect, l'invention porte sur l'utilisation d'un procédé ayant les caractéristiques ci-dessus, pour le soudage les unes aux autres d'une pluralité de plaques, chaque plaque comprenant une pluralité de canaux creusés sur au moins une première grande face de la plaque et séparés les uns des autres par des isthmes, les isthmes de chaque plaque étant soudés par diffusion à une autre plaque voisine dans l'empilement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique simplifiée d'un dispositif de soudage par diffusion à compression uni-axiale conforme à l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique en coupe d'un échangeur de chaleur à plaques obtenu conformément au procédé de l'invention ; - la figure 3 est une vue de face d'une plaque de l'empilement de la figure 1 ; et - la figure 4 est une représentation schématique illustrant une variante des moyens de centrage des plaques. Le dispositif de soudage 100 représenté sur la figure 1 est destiné à souder les unes aux autres un ensemble de plaques 3, 11 par diffusion à compression uni-axiale.

Le dispositif de soudage 100 comprend : - une enceinte étanche 102, les plaques 3, 11 étant disposées dans l'enceinte 100 parallèles les unes aux autres, posées les unes sur les autres et formant un empilement 104; l'enceinte comporte deux chambres, une chambre pressurisée 110 et une autre chambre 114 recevant les plaques à assembler raccordée à un dispositif de mise sous vide ; - un dispositif 106 de chauffage de l'enceinte étanche 102, interne à l'enceinte étanche comme des résistances chauffantes, soit autour de l'enceinte 102 comme un four comportant des résistances chauffantes ; - un dispositif 108 de mise en pression des plaques selon un axe de compression C déterminé, sensiblement perpendiculaire aux plaques 3, 9, l'axe C est matérialisé sur la figure 1 ; - un dispositif 200 de mise au vide de la chambre 114 de l'enceinte étanche recevant les plaques ; - éventuellement un dispositif 202 reprenant l'effet de fond lié à la pression, si l'enceinte étanche 102 n'est pas dimensionné pour le faire par elle-même. Le dispositif 108 de mise en pression comprend la chambre de pression 110 étanche ménagée dans l'enceinte 102, et un circuit 112 de pressurisation de la chambre 110. Le circuit 112 est prévu pour remplir la chambre de pression 110 en gaz et pour maintenir cette chambre à une pression prédéterminée.

Le gaz est typiquement un gaz inerte, par exemple de l'argon ou l'azote.

Le circuit 112 comporte typiquement un dispositif de pressurisation comme une réserve de gaz sous pression ou un compresseur, un système de régulation de pression et de purge et est raccordé fluidiquement à la chambre de pression 110. Le dispositif de soudage 100 comporte encore : - une membrane souple 116 formant une barrière étanche aux gaz entre la chambre de pression 110 et la chambre de soudage 114; - une cale de répartition 118 placée en appui sur une grande face supérieure 120 de l'empilement de plaques ; - une cale de compensation 122 sur laquelle repose une grande face inférieure 124 de l'empilement de plaques, destinée à amener la face supérieure de la pièce à souder au niveau du plan de la membrane, - des cales latérales 126 disposées de manière à occuper l'espace vide dans l'enceinte d'une part et à assurer une butée dans le déplacement de la cale de répartition 120 sous l'effet de la pression en cas de fluage des plaques à assembler.

Comme visible sur la figure 1, la cale de répartition 118 est interposée entre la grande face supérieure 120 de l'empilement de plaques et la membrane souple 116. Ainsi, la pression est transmise du gaz remplissant la chambre de pression 110 par la membrane 116 à la cale de répartition 118, puis depuis la cale de répartition 118 à l'empilement de plaques 104.

La membrane souple 116 est par exemple en alliage de titane TA6V du fait de son comportement superplastique ou en acier inoxydable de type 304, ou 304L, ou 316 ou 316L. C'est une feuille de métal d'une épaisseur typiquement comprise entre 0,5 et 2 mm. L'enceinte 102 comporte dans l'exemple représenté une cuve 128 et un couvercle 130. La cuve comporte un fond inférieur 132 et une paroi périphérique 134 solidaire du fond inférieur 130. La paroi périphérique 134 délimite à l'opposé du fond 132 une ouverture 136. La cuve 128 délimite intérieurement la chambre de soudage 114. Le couvercle 130 comporte quant à lui un fond supérieur 138 entouré par un bord dressé 139. Le couvercle 130 délimite intérieurement la chambre de pression 110. Dans l'exemple représenté, la membrane souple 116 est pincée par son bord périphérique entre le bord dressé 139 du couvercle et le bord supérieur de la paroi périphérique 134. Elle ferme l'ouverture 136. Elle délimite également la chambre de pression 110, à l'opposé du fond supérieur 138. La cale 118 présente une géométrie douce - comme un rayon - au niveau de l'encastrement de la membrane 116 sur l'enceinte 102 de sorte à ne pas engendrer de rupture de la membrane lors des déplacements de la cale lors du fluage éventuel des plaques 104 à assembler.

L'enceinte 102 est réalisée en acier inoxydable réfractaire comme par exemple un acier inoxydable 301. Les plaques 3, 11 sont des plaques minces. Elles présentent chacune une faible épaisseur parallèlement à l'axe C au regard de leurs dimensions perpendiculairement à l'axe C. Les plaques sont typiquement en un alliage de titane connu sous le sigle TA6V. Elles présentent, considérées dans un plan perpendiculaire à l'axe C, toutes sensiblement la même forme. Avantageusement, les motifs usinées dans les plaques 3 et 11 laissent des zones de continuités de matière dans la hauteur de l'empilage 104 sur toute sa hauteur de façon homogène et suffisante pour combattre la tendance au fluage de l'empilage dans les conditions de soudage. L'empilement 104 est délimité vers le haut, c'est-à-dire vers la chambre de pression 110 par la grande face supérieure 120, qui s'étend perpendiculairement à l'axe de compression C. Vers le bas, l'empilement est délimité par la grande face inférieure 124, qui est tournée vers le fond inférieur 132. La grande face inférieure 124 est sensiblement perpendiculaire à l'axe de compression C. Latéralement, c'est-à-dire suivant des directions perpendiculaires à l'axe de compression C, l'empilement 104 est délimité par une surface latérale 140. La cale de compensation 122 est un bloc massif reposant sur le fond inférieur 132. Typiquement, la cale 122 présente perpendiculairement à l'axe de compression C une section conjuguée de celle de la chambre de soudage. La cale de compensation 122 est typiquement en acier inoxydable, par exemple en acier 301, ou 304 ou 316 La cale de compensation a pour fonction de ramener la face supérieure de l'empilage 104 dans le plan de positionnement de la membrane. Elle n'est nécessaire que si l'empilage 104 est moins haut que la chambre 114 ou pour régler finement le positionnement. La grande face inférieure 124 de l'empilement 104 repose directement sur la cale de compensation 122. Les cales latérales 142 , avantageusement monobloc - sont réparties autour de l'empilement 104, et sont placées autour de la surface latérale 140 avec un jeu calibré.

Elles sont réparties autour de l'axe de compression C de manière à bloquer les plaques 3, 11 en position par rapport à l'enceinte selon toutes les directions, dans le cas où les dilatations différentielles entre les cales latérales 142 et l'empilage 104 permettent des les rattraper le jeu à la température de soudage. Les cales 142 s'étendent, parallèlement à l'axe de compression C, sensiblement sur toute la hauteur de l'empilement 104.

Les cales latérales 142 sont en acier inoxydable, par exemple en acier inoxydable de type 301, ou 304, ou 316. La cale de répartition 118 est placée au-dessus de la grande face supérieure 120 de l'empilement 104. Elle repose directement sur la grande face supérieure 120. Elle recouvre entièrement la grande face supérieure 120 et s'étend, dans un plan perpendiculaire à l'axe C, au-delà de la grande face 120 jusqu'à la paroi périphérique 134. Ainsi, les cales latérales 142 sont interposées, parallèlement à l'axe C, entre la cale de répartition 118 et la cale de compensation 122. Elles sont en appui sur les cales 122 et laissent un jeu J sous la cale 118.

J est ici le jeu à froid entre les cales latérales 142 et le plaque de répartition 118, cette plaque étant en appui sur l'empilement 104. La cale de répartition 118 est prévue pour répartir la pression transmise par la membrane 116 sur la grande face supérieure 120 de l'empilement 104. La cale de répartition 118 présente typiquement une raideur très élevée à la température de soudage de sorte à contre carrer les phénomènes de fluage des zones de la pièce à souder présentant une propension au fluage plus importante, comme par exemple la zone de canaux. La cale 118 peut donc être une plaque de 10 à 100mm d'acier inoxydable type 301 ou 304 voire une plaque d'alliage de molybdène - ou autres matériau suffisamment rigide à la température de soudage - plus épaisse si la conception des plaques 3 et 11 ne permet pas de limiter le fluage dans les conditions de soudage. La rigidité de la cale 118 permet, après rattrapage du jeu J entre les cales latérales 142 et la cale de répartition 118 , à la température de soudage, d'assurer un soudage en limitant le fluage dans la structure. Le soudage est alors fait à pression de contact uniforme dans toutes les zones de continuité de matière dans la hauteur de l'empilage.

Les composants en contact avec les pièces à souder, ou ne devant pas se souder entre elles, sont recouverts d'un anti diffusant ou présentent des incompatibilités de soudage comme par exemple le molybdène ou l'acier 304,316 vis-à-vis de TA6V. De surcroit, les jeux et les couples de matériaux voisins dans l'enceinte sont choisis de sorte à ce que la pièce à souder ne soit pas contrainte de façon significative pendant le soudage sous l'effet des gradients de température et des dilatations différentielles, y compris lors des réchauffages et refroidissement. Le couple TA6V et cales en acier inoxydable est compatible avec des jeux initiaux de l'ordre de quelques dixièmes latéralement (jeu ayant tendance à augmenter avec la température). Le dispositif de chauffage 106, dans le mode de réalisation représenté, est un four représenté de manière symbolique par un trait mixte sur la figure 1. Le four comporte une cavité chauffée, de taille adaptée pour recevoir l'enceinte 102.

Le dispositif de soudage 100 comporte encore un dispositif 144 de centrage, prévu pour maintenir les plaques 3, 11 en position les unes par rapport aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression C. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le dispositif de centrage 144 comporte une pluralité d'axes de centrage 146, parallèles à l'axe de compression C, et solidaires ou non de la cale de compensation 122. Ces axes 146 sont des tiges qui se dressent à partir de la cale 122 et pointent vers le couvercle 138. Ils sont solidaires de la cale de compensation 122. Les plaques 3, 11 comportent, comme visible sur la figure 2, des orifices 148 dans lesquels sont engagés les axes 146. Les orifices des plaques 3, 11 sont superposés les uns aux autres selon l'axe de compression C. La section extérieure des axes 146 correspond sensiblement à la section interne des orifices 148. Les axes 146 s'étendent sur toute la hauteur de l'empilement 104, et arrivent au ras de la cale de répartition 118, y compris en température ou après fluage de la pièce à assembler. Les axes peuvent être en inox dans le cas de plaques en TA6V, si on prévoit un jeu de montage limitant le sur serrage lors du réchauffage de l'ensemble. Les axes assurent aussi une certaine rigidité à l'ensemble, pour les opérations de chargement et pour éviter un effondrement de la charge lors de l'application de la pression de soudage. Les axes utiles pour permettre un alignement précis des plaques entre elles, peuvent être complétés ou remplacés par des cordons de soudure ou des points de soudure sur les plaques, idéalement réalisés empilage sous presse. Le procédé de soudage des plaques va maintenant être décrit. On considère un état initial où l'enceinte 102 est vide, et est située hors du dispositif de chauffage 106. Après avoir séparé le couvercle 130 de la cuve 128, la cale de compensation 122 est d'abord mise en place sur le fond inférieur 132. Puis, les plaques 3, 11 sont déposées sur la cale de compensation 122. Les plaques 3, 11 sont enfilées de telle sorte que les axes 146 soient insérés dans les orifices 148. Les cales latérales 142, en plusieurs morceaux ou monobloc sont disposées ensuite. Les plaques 3,11 sont disposées parallèles les unes aux autres, et sont posées les unes sur les autres de manière à former un empilement 104. En variante, l'assemblage des plaques 3,11 est réalisé au préalable. Les plaques sont immobilisées entre elles par soudures par cordon ou point ou via des axes, puis introduites dans l'enceinte. En autre variante, la cale de compensation 122 comporte des axes 146. L'empilage 104 constitué de plaques 3 et 11, est monté directement sur la cale, l'ensemble étant ensuite introduit dans le dispositif de soudage.

Puis, la cale de répartition 118 est déposée sur la grande face supérieure 120 de l'empilement 104. La membrane 116 est ensuite déposée de telle sorte que son bord périphérique repose sur la tranche de la paroi latérale 134, une partie centrale de la membrane 116 reposant sur la cale de répartition 118. Le couvercle 130 est ensuite monté sur la cuve 128, de manière à pincer le bord périphérique de la membrane 116 entre le rebord 140 et la paroi latérale 134. Le couvercle 130 est alors solidarisé de la cuve 128, par des moyens non représentés. L'air est ensuite évacué de la chambre de soudage 114, jusqu'à ce qu'un taux de vide satisfaisant soit obtenu, idéalement un vide secondaire.

La chambre de soudage est purgée d'air puis remplie d'un gaz inerte, tel que de l'argon ou de l'azote. Puis, l'enceinte 102 est placée dans la cavité du four 106 éventuellement préchauffé au préalable, et le chauffage du four est démarré. Un premier talon de pression de quelques bar - typiquement 5 à 10 bar - est alors injecté dans la chambre de pression pour immobiliser l'empilage 104. La pression de gaz dans la chambre de pression 110 par le dispositif de mise sous pression 112 est alors réglée pour avoir le réglage pression/température désiré. Typiquement, la température à l'intérieur du four est contrôlée pour que les plaques 3, 11 soient à une température de pallier de soudage comprise pour le TA6V, entre la température de recuit - soit environ 700°C - et une température correspondant au transus béta de l'alliage moins 10 à 20°C, de sorte à conserver la structure initiale de l'alliage et limiter les évolutions microstructurales. La pression de gaz dans la chambre de pression 110, pendant le pallier de soudage, est contrôlée à une valeur de variable comprise entre 20 et environ 40 bars pour le soudage du TA6V de sorte à ce qu'en tout point de la pièce, la pression de contact local soit au moins égale à la pression de contact nécessaire au soudage pour la température de soudage choisie, c'est dire au plus environ 20 bars à 920 °pendant une heure mais au moins 5 à 10 bars pour assurer un niveau de diffusion suffisant. Plus la pression sera faible, plus le fluage d'ensemble sera faible. D'autres points de soudage sont possibles sur la base d'équivalence temps / température. Dans les cas de risque élevé de déformation, la mise en butée de la cale 118 sur les cales latérales 142 empêche un fluage excessif de l'empilage. La chaleur est transmise aux plaques à travers la cuve 128 et à travers les cales 142,122 et 118.

Le gaz de la chambre de pression 110 exerce sur les plaques un effort uniquement suivant l'axe de compression C. Cet effort est transmis d'abord à la membrane 116, puis de la membrane 116 à la cale de répartition 118, puis de la cale de répartition 118 à l'empilement de plaque 104. Il est repris par la cale de compensation 122. On peut également choisir, lorsque la structure est trop disparate en matière de continuité de matière dans l'épaisseur de réaliser le soudage en deux temps. Le premier cycle est conforme au procédé décrit ci-dessus. Il sert à étancher les joints à souder sous vide par un effet de pression modérée. A l'issue de ce premier cycle de « pré assemblage », la pièce est réintroduite dans l'enceinte étanche sans mettre en place la membrane, ce qui permet d'exposer l'empilement 104 à la pression de gaz Un cycle de soudage complémentaire de parachèvement, de type compaction isostatique à chaud, à forte pression peut alors être réalisé, sans risque de déformations d'ensemble de la structure. C'est ce cycle là qui conférera les propriétés mécaniques aux joints soudés, préalablement rendus étanches par le premier cycle. Typiquement, les valeurs de cycle pour du TA6V peuvent atteindre 50 bars! 950°C pendant 1 à 3 heures. Ce type de cycle peut également être utilisé pour compléter un cycle standard de soudage dont les prélèvements sur sur-longeurs auraient révélé une qualité insuffisante. Le procédé et le dispositif décrits ci-dessus sont particulièrement adaptés pour le soudage par diffusion à compression uni-axiale des plaques d'un échangeur de chaleur à plaques du type représenté sur les figures 2 et 3. L'échangeur 1 comporte : - une pluralité de plaques primaires 3, chaque plaque primaire 3 ayant une première grande face 5 dans laquelle sont réalisés une pluralité de passages primaires 7 prévus pour la circulation d'un premier fluide, et une seconde grande face 9, opposée à la première et dépourvue de passages primaires ; - une pluralité de plaques secondaires 11, chaque plaque secondaire 11 ayant une première grande face 13 dans laquelle sont réalisés une pluralité de passages secondaires 15 prévus pour la circulation d'un second fluide, et une seconde grande face 17, opposée à la première et dépourvue de passages secondaires.

Dans l'exemple représenté, l'échangeur 1 comporte également des premier et second collecteurs 19 et 21 d'alimentation des passages secondaires 15 en fluide secondaire et un collecteur unique 23 d'évacuation du fluide secondaire sortant des passages secondaires, dans lequel débouchent les passages secondaires 15. Comme visible sur la Figure 2, les plaques primaires et secondaires 3 et 11 sont empilées les unes sur les autres de manière alternée, chaque plaque primaire étant encadrée par deux plaques secondaires et réciproquement. L'aménagement des canaux à isthmes superposés, outre d'autres avantages thermohydrauliques, cherche à homogénéiser les zones de continuité de matière dans la hauteur de l'empilage 104 afin de limiter le fluage du massif lors du soudage. Les passages primaires 7 sont des canaux gravés dans la première grande face 5 de chaque plaque primaire. Ces canaux sont débouchant à leurs deux extrémités opposées. Ils sont ouverts au niveau de la première grande face 5. De même, les passages secondaires 15 sont des canaux gravés dans la première grande face 13 de chaque plaque secondaire 11. A leurs extrémités amont 25, ils débouchent dans l'un des deux collecteurs d'alimentation secondaire 19 ou 21. A leurs extrémités aval 27, ils débouchent dans le collecteur d'évacuation secondaire. Chaque canal secondaire 15 est ouvert au niveau de la grande face 13. Les plaques primaires et secondaires 3 et 11 sont empilées de telle sorte que la seconde grande face 9 d'une plaque primaire donnée soit appliquée contre la première grande face 13 de la plaque secondaire située immédiatement en dessous. De même, la seconde grande face 17 de la plaque secondaire est appliquée contre la première grande face 5 de la plaque primaire située immédiatement en dessous d'elle. Ainsi, les passages primaires 7 sont fermés au niveau de la première grande face 5 par la plaque secondaire située immédiatement au-dessus. De même, les passages secondaires 15 sont fermés au niveau de la première grande face 13 par la plaque primaire située immédiatement au- dessus. Les plaques primaires et secondaires 3 et 11 sont soudées les unes aux autres par diffusion, selon le procédé décrit plus haut. Comme visible sur les Figures 2 et 3, les plaques primaires et secondaires 3 et 11 présentent sensiblement la même forme. Ces plaques sont allongées suivant un axe longitudinal X. Elles sont toutes parallèles les unes aux autres. Elles sont typiquement sensiblement symétriques par rapport à un plan médian P, contenant l'axe longitudinal X et sensiblement perpendiculaire aux plaques. Le collecteur d'évacuation secondaire 23 est situé par exemple à une première extrémité longitudinale 29 des plaques. Plus précisément, chaque plaque présente une ouverture 31 découpée à sa première extrémité 29, les ouvertures 31 des différentes plaques étant placées en coïncidence les unes avec les autres. Les ouvertures 31 définissent ensemble le collecteur 23. Au contraire, les premier et second collecteurs d'alimentation secondaire 19 et 21 sont par exemple placés à la seconde extrémité longitudinale 32 des plaques. Ils sont placés de manière symétrique l'un de l'autre par rapport au plan médian P. Ils sont écartés de ce plan P.

Chaque plaque présente deux ouvertures 33, 35, les ouvertures 33, 35 découpées dans les différentes plaques étant placées en coïncidence les unes avec les autres. Elles définissent ensemble respectivement les collecteurs 19 et 21. Comme visible sur la Figure 2, les passages primaires sont séparés les uns des autres par des isthmes 59, typiquement continus, chaque isthme 59 séparant deux passages primaires 7 voisins l'un de l'autre. Les isthmes 59 sont soudés par diffusion à la seconde grande face de la plaque située immédiatement au-dessus. Les passages secondaires 15 d'une même plaque sont séparés les uns des autres par des isthmes 66, qui sont continus ou qui présentent des interruptions.

Les isthmes 66 sont soudés par diffusion à la seconde grande face de la plaque primaire située immédiatement au-dessus. Les isthmes 56, 66 est par exemple une largeur de 1 mm. L'échangeur de chaleur comporte typiquement, en plus des plaques primaires et secondaires 3 et 11, des plaques externes 77 et 79, plaquées l'une au-dessus et l'autre en dessous de l'empilement de plaques primaires et secondaires. Dans une variante de réalisation non représentée, les plaques de l'échangeur de chaleur portent des rainures sur leurs deux grandes faces opposées. Les rainures sont séparées les unes des autres par des isthmes. Ces rainures coïncident les unes avec les autres quand les plaques sont empilées, de même que les isthmes. Les rainures en vis-à- vis situées entre deux plaques données, à un niveau primaire, définissent des passages primaires 7. Les rainures en vis-à-vis situées entre deux plaques données, à un niveau secondaire, définissent des passages secondaires 15. Dans une variante non représentée, le dispositif de chauffage 106 peut ne pas être un four. Le dispositif de chauffage 106 est par exemple logé à l'intérieur de l'enceinte 102.

Plus précisément, il est logé dans la chambre de soudage 114. Par exemple, le dispositif 106 comprend une pluralité d'organes chauffants plaqués contre la cuve 128, à l'intérieur de cette cuve 128. Ces organes chauffants sont interposés notamment entre la cuve 128 et la cale de compensation 122, et entre la cuve 128 et les cales intermédiaires 142. Les organes chauffants sont par exemple des organes résistifs.

En variante, comme illustré sur la figure 4, le dispositif de centrage 144 comporte une pluralité de cornières élastiques souples 152, interposées entre la surface latérale 140 et les cales latérales 142, ou directement la surface latérale 140 et la paroi périphérique 134 de la cuve. On préserve ainsi un vide autour de l'empilement 104, permettant la dilatation thermique de l'empilement 104 moyennant la déformation des cornières 152. Le dispositif et le procédé de l'invention présentent de multiples avantages.

Comme indiqué plus haut, du fait que les plaques sont mises en pression par l'intermédiaire d'un gaz sous pression, la pression est répartie de manière extrêmement uniforme sur toute la surface des plaques. L'utilisation d'une membrane souple pour séparer la chambre de pression et la chambre de soudage permet d'assurer de manière simple à la fois l'étanchéité de la chambre de soudage et la transmission de la pression du gaz. La membrane est choisie suffisamment souple pour suivre les mouvements de la cale de répartition qui pourraient résulter d'une éventuelle légère déformation des plaques. La membrane la mieux adaptée possède des propriétés superplastiques (allongement très important) aux conditions de température de soudage de la pièce. Par exemple on pourra utiliser une membrane en TA6V pour une température de soudage comprise entre 700°C et 1000°C. Ce déplacement de la membrane 118 se fait sans rompre l'étanchéité de la chambre de pression 110 et de la chambre de soudage 114. L'utilisation d'une cale de répartition interposée entre la membrane et la face supérieure de l'empilement de plaques permet d'assurer une répartition extrêmement homogène de la pression sur la face supérieure de l'empilement de plaques. Le procédé et le dispositif de l'invention peuvent présenter de multiples variantes. Au cas où le contrôle de la répartition de pression sur l'empilement de plaques est moins critique, notamment car la structure de continuité de matière dans l'empilage 104 seraient suffisante en section et en homogénéité pour résister au fluage, il est possible de faire porter la membrane directement sur la grande face supérieure de l'empilement de plaques. On doit alors veiller à avoir un porte à faux de la membrane faible entre les cales latérales 142 et l'empilement 104 pour éviter un cisaillement de la membrane. Le procédé a été décrit pour un exemple d'application consistant à souder par diffusion les plaques d'un échangeur de chaleur. Toutefois, l'invention est applicable à toutes sortes de plaques, qui ne sont pas nécessairement destinées à constituer un échangeur de chaleur, ou toutes autres structures qu'on cherche à assembler avec des plans de joints perpendiculaire à la force exercée par la membrane. . Les plaques peuvent être constituées de toutes sortes de matériaux, et ne sont pas nécessairement en titane ou en un alliage de titane, bien que les conditions de soudage typique, moins de 50 bars/ 1000°C correspondent bien au domaine de soudage diffusion pour les alliages de titane. Elles peuvent être en un acier inoxydable, en un acier au carbone ou tout autre type de métal, en adaptant la durée de soudage et l'état de préparation de soudage aux conditions de soudage disponibles dans le dispositif de soudage. Un parachèvement de la pièce par un cycle de compaction isostatique de l'assemblage est alors conseillé.

De même, l'invention est particulièrement adaptée au cas où les plaques sont soudées les unes aux autres sur des zones dont l'étendue est faible par rapport à la superficie totale de la plaque. Il est applicable aussi à des plaques pleines, ou à des plaques ayant des zones en creux ne constituant qu'une faible partie de la superficie des plaques.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1.- Procédé de soudage par diffusion à compression uni-axiale d'un ensemble de plaques (3, 11), le procédé comprenant les étapes suivantes : - placer les plaques (3, 11) dans une enceinte étanche (102), les plaques (3, 11) étant disposées parallèles les unes aux autres, posées les unes sur les autres et formant un empilement (104) ; - chauffer les plaques (3, 11) et exercer en même temps une pression sur les plaques (3, 11) selon un axe de compression (C) déterminé sensiblement perpendiculaire aux plaques (3, 11) ; caractérisé en ce que la pression est créée par un gaz sous pression, remplissant une chambre (110) de pression étanche de l'enceinte (102).
2. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (102) comprend une chambre de soudage (114) dans laquelle sont disposées les plaques (3, 11), la pression étant transmise du gaz remplissant la chambre de pression (110) aux plaques (3, 11) par une membrane (116) souple qui forme une barrière étanche aux gaz entre la chambre de pression (110) et la chambre de soudage (114).
3. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pression exercée par la membrane souple (116) est répartie sur les plaques (3, 11) par une cale de répartition (118) placée en appui sur une grande face supérieure (120) de l'empilement (104) perpendiculaire à l'axe de compression (C).
4. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une grande face inférieure (124) de l'empilement (104), opposée à la grande face supérieure (120) et sensiblement perpendiculaire à l'axe de compression (C), repose sur une cale de compensation (122).
5. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (3, 11) ne sont pas bloqués en position par rapport à l'enceinte (102) dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression (C) ou le sont par des cornières élastiques (152) disposées entre l'empilement (104) et des cales latérales (142) disposées dans la chambre de soudage (114), ou directement entre l'empilement (104) et l'enceinte étanche (102).
6. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (3, 11) sont maintenues en position les unes par rapport aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression (C) par soit des points de soudures, soit des cordons de soudures, soit par au moins un axe de centrage (146, 152) parallèleà l'axe de compression (C), l'axe de centrage (146, 152) étant engagé dans des orifices (148, 156) des plaques (3, 11), lesdits orifices (148, 156) étant superposés les uns aux autres parallèlement à l'axe de compression (C).
7. 7.- Dispositif de soudage par diffusion à compression uni-axiale d'un ensemble de plaques, le dispositif (100) comprenant: - une enceinte étanche (102), les plaques (3, 11) étant disposées dans l'enceinte (102) parallèles les unes aux autres, posées les unes sur les autres et formant un empilement (104) ; - un dispositif (106) de chauffage des plaques (3, 11) ; - un dispositif (108) de mise en pression des plaques (3, 11) selon un axe de compression (C) déterminé sensiblement perpendiculaire aux plaques (3, 11) ; caractérisé en ce que le dispositif (108) de mise en pression comprend une chambre de pression (110) étanche ménagée dans l'enceinte (102), la pression étant créée par un gaz sous pression remplissant la chambre de pression (110).
8. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enceinte (102) comprend une chambre de soudage (114) dans laquelle sont disposées les plaques (3, 11), le dispositif de soudage (1) comprenant une membrane souple (116) qui forme une barrière étanche aux gaz entre la chambre de pression (110) et la chambre de soudage (114), la pression étant transmise du gaz remplissant la chambre de pression (110) aux plaques (3, 11) par la membrane (116).
9. 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une cale de répartition (118) placée en appui sur une grande face supérieure (120) de l'empilement (104) perpendiculaire à l'axe de compression (C), la pression exercée par la membrane souple (116) étant répartie sur les plaques (3, 11) par ladite cale de répartition (118).
10. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une cale de compensation (122) sur laquelle repose une grande face inférieure (124) de l'empilement (104), opposée à la grande face supérieure (120) et sensiblement perpendiculaire à l'axe de compression (C).
11. 11.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce les plaques (3, 11) ne sont pas bloqués en position par rapport à l'enceinte (102) dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression (C) où le sont par des cornières élastiques (152) disposées entre l'empilement (104) et des cales latérales (142) disposées dans la chambre de soudage (114), ou directement entre l'empilement (104) et l'enceinte étanche (102).
12. 12.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un axe de centrage (146, 152) sensiblement parallèle à l'axe decompression (C), prévu pour maintenir les plaques (3, 11) en position les unes par rapport aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression (C), l'axe de centrage (146, 152) étant engagé dans des orifices (148, 156) des plaques (3, 11), lesdits orifices (148, 156) étant superposés les uns aux autres parallèlement à l'axe de compression (C).
13. 13. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour le soudage les unes aux autres d'une pluralité de plaques (3, 11), chaque plaque (3, 11) comprenant une pluralité de canaux (7, 15) creusés au moins dans une première grande face (5, 13) de la plaque et séparés les uns des autres par des isthmes (59, 66), les isthmes (59, 66) de chaque plaque (3, 11) étant soudés par diffusion à une autre plaque voisine (11,3) dans l'empilement (104).
14. 14. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de compression isostatique à chaud de l'empilement (104), après l'étape de chauffage et de mise en pression selon l'axe de compression (C), effectuée dans l'enceinte (102), la membrane (116) n'étant pas présente de manière à mettre en communication la chambre de pression (110) et la chambre de soudage (114).