FR3121376A1 - ELECTRON BEAM BRAZING - Google Patents

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Eric Paul David ALCALDE
Daniel EZCURRA
Aurélie SALEM
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    • B23K1/0008Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
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Abstract

BRASAGE PAR FAISCEAU D’ELECTRONS L’invention concerne un procédé de brasage fort d’une pièce (4) comprenant une zone à souder (7), dans une enceinte (3) sous vide, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : dépose d’un métal d’apport (5) de brasure sur la pièce (4), mise sous vide de l’enceinte (3), montée en température du métal d’apport (5) de brasure par un faisceau d’électrons (20) jusqu’à la réalisation d’une soudure. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1The invention relates to a method for brazing a part (4) comprising a zone to be welded (7), in an enclosure (3) under vacuum, characterized in that it comprises the following steps : depositing a solder filler metal (5) on the part (4), placing the enclosure (3) under vacuum, raising the temperature of the solder filler metal (5) by a beam of electrons (20) until a weld is made. Figure to be published with abstract: Figure 1

Description

BRASAGE PAR FAISCEAU D’ELECTRONSELECTRON BEAM BRAZING

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTIONTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Le domaine technique de l’invention est celui du brasage fort, c’est à dire réalisé avec un métal d’apport dont la température de fusion est supérieure à 450°C.The technical field of the invention is that of hard soldering, i.e. carried out with a filler metal whose melting temperature is greater than 450°C.

La présente invention concerne en particulier un brasage fort pour des pièces aéronautiques.The present invention relates in particular to hard soldering for aeronautical parts.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTIONTECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION

Le brasage consiste à l’assemblage par capillarité de deux pièces métalliques avec un métal d’apport dont la température de fusion est inférieure à celle des pièces à assembler ou pour réparer des criques par exemple. Pour un brasage fort, les pièces à souder seront par exemple des aciers à base d’inox, cobalt et nickel. On entend par brasage fort, un brasage selon la norme NF EN ISO 4063 de nomenclature des procédés de soudage et brasage.Brazing consists of the assembly by capillarity of two metal parts with a filler metal whose melting temperature is lower than that of the parts to be assembled or to repair cracks, for example. For strong brazing, the parts to be welded will be, for example, steels based on stainless steel, cobalt and nickel. By hard soldering is meant a soldering according to standard NF EN ISO 4063 of nomenclature of welding and soldering processes.

La brasure forte a une forte résistance mécanique qui permet notamment son utilisation dans le domaine aéronautique.The strong solder has a high mechanical resistance which allows its use in particular in the aeronautical field.

Aujourd’hui, les pièces aéronautiques sont brasées dans un four sous vide qui permet d’avoir un chauffage homogène de l’ensemble de la pièce limitant les déformations liées aux hétérogénéités de température. Le fait de travailler sous vide empêche toute oxydation et évite l’utilisation de flux. Cependant, il reste des déformations générales des composants liées au cycle thermique qui nécessitent des outillages spécifiques pour les limiter, il n’est pas possible de faire des retouches locales sans impact potentiel sur le restant de la pièce. D’autre part, le temps de cycle est long car il faut chauffer le four jusqu’à une température comprise entre 1040°C et 1150°C, ce qui entraine un coût important de l'opération de brasage.Today, aeronautical parts are brazed in a vacuum furnace which allows for uniform heating of the entire part, limiting deformations linked to temperature heterogeneities. Working under vacuum prevents any oxidation and avoids the use of flux. However, there remain general deformations of the components linked to the thermal cycle which require specific tools to limit them, it is not possible to make local alterations without potential impact on the rest of the part. On the other hand, the cycle time is long because the furnace must be heated to a temperature between 1040°C and 1150°C, which leads to a significant cost of the brazing operation.

En effet, pour le brasage de plusieurs pièces, la réalisation de multiples passages en four sous vide des éléments à braser génère des contraintes internes dans le matériau qui se traduisent par des déformations géométriques de la pièce. Ces déformations géométriques induisent des aménagements de gammes ou gammes de retouches spécifiques.Indeed, for the brazing of several parts, the realization of multiple passages in vacuum furnace of the elements to be brazed generates internal stresses in the material which result in geometric deformations of the part. These geometric deformations induce adjustments to ranges or ranges of specific retouching.

L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant un brasage fort de précision et bon marché.The invention offers a solution to the problems mentioned above, by allowing high-precision and inexpensive brazing.

L’invention concerne un procédé de brasage fort d’une pièce comprenant une zone à souder, dans une enceinte sous vide, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :

  • dépose d’un métal d’apport de brasure sur la pièce,
  • mise sous vide de l’enceinte,
  • montée en température du métal d’apport de brasure par un faisceau d’électrons jusqu’à la réalisation d’une soudure.
The invention relates to a process for brazing a part comprising a zone to be welded, in a vacuum enclosure, characterized in that it comprises the following steps:
  • depositing a solder filler metal on the part,
  • vacuuming the enclosure,
  • temperature rise of the solder filler metal by an electron beam until a weld is made.

Un chauffage ciblé sur la zone de soudure, ou zone de brasage, et la rapidité de la soudure limitent la déformation des pièces à assembler. Le taux de conversion énergie électrique/chaleur est également très élevé, pouvant atteindre 75 % d'efficacité, comparé par exemple à 10 % pour les méthodes laser. Le soudage par faisceau d’électrons permet d’obtenir des joints ultrarésistants avec une déformation minimale des pièces assemblées. En plus, remplacer l’énergie calorifique apportée par le moyen de chauffage du four sous vide par un faisceau d’électrons consomme moins d’énergie. La puissance du faisceau d’électrons peut être réglée pour s’adapter à la température de fusion du métal d’apport.Targeted heating on the weld zone, or brazing zone, and the speed of the weld limit the deformation of the parts to be assembled. The electrical energy/heat conversion rate is also very high, up to 75% efficiency, compared for example to 10% for laser methods. Electron beam welding makes it possible to obtain ultra-resistant joints with minimal deformation of the assembled parts. In addition, replacing the calorific energy provided by the heating means of the vacuum furnace with an electron beam consumes less energy. The power of the electron beam can be adjusted to match the melting temperature of the filler metal.

Avantageusement, la montée en température se fait avec le faisceau d’électrons défocalisé. Cela permet de chauffer une surface plus grande et d’adapter la température sur le métal d’apport.Advantageously, the temperature rise is done with the defocused electron beam. This makes it possible to heat a larger surface and to adapt the temperature on the filler metal.

Selon un premier mode de réalisation, le faisceau d’électrons est statique sur la zone à souder. Grace à la défocalisation du faisceau d’électrons il est possible de souder de façon statique, en particulier des soudures rondes.According to a first embodiment, the electron beam is static on the zone to be welded. Thanks to the defocusing of the electron beam it is possible to weld statically, in particular round welds.

Selon un deuxième mode de réalisation, le faisceau d’électrons effectue un balayage sur la zone à souder. Cela permet de souder en continue sur une longueur plus ou moins importante, en une ou plusieurs passes.According to a second embodiment, the electron beam scans the area to be welded. This makes it possible to weld continuously over a greater or lesser length, in one or more passes.

Avantageusement, la vitesse d’avance du faisceau d’électrons est de 8 à 12mm/mn, de préférence 10mm/mn (mn=minute).Advantageously, the speed of advance of the electron beam is from 8 to 12mm/min, preferably 10mm/min (min=minute).

Avantageusement, le faisceau d’électrons chauffe le métal d’apport à une température comprise entre 1000°C et 1250°C. Cette température est adaptée au métal d’apport choisi.Advantageously, the electron beam heats the filler metal to a temperature between 1000°C and 1250°C. This temperature is adapted to the chosen filler metal.

Avantageusement, le chauffage du métal d’apport dure 3 à 4 mn, cette durée est en fonction de l’assemblage et du métal d’apport utilisé. Cette durée est suffisante en statique et en balayage pour une soudure d’environ 20mm de long et avec deux passes.Advantageously, the heating of the filler metal lasts 3 to 4 minutes, this duration depends on the assembly and the filler metal used. This duration is sufficient in static and sweeping for a weld of about 20mm long and with two passes.

Avantageusement, le faisceau d’électrons est émis à une distance du métal d’apport comprise entre 100mm et 200mm, de préférence 150mm. Cette distance sera choisie en fonction de l’encombrement de la pièce par rapport à la machine.Advantageously, the electron beam is emitted at a distance from the filler metal of between 100mm and 200mm, preferably 150mm. This distance will be chosen according to the size of the part in relation to the machine.

Avantageusement, la puissance du faisceau d’électrons est comprise entre 0,37kW et 2,5kW, de préférence 0,75kW. Ce paramètre est déterminé lors de la mise au point en fonction de l’assemblage à réaliser.Advantageously, the power of the electron beam is between 0.37 kW and 2.5 kW, preferably 0.75 kW. This parameter is determined during debugging according to the assembly to be made.

Avantageusement, le métal d’apport est un alliage de nickel. On pourra utiliser, par exemple, selon la norme SAE International: AMS 4777, AMS 4779, DF4B, BNi81. Ces métaux pourront se présenter sous forme de pate : une poudre avec un liant, de préforme en rouleau ou de feuillard laminé.Advantageously, the filler metal is a nickel alloy. It is possible to use, for example, according to the SAE International standard: AMS 4777, AMS 4779, DF4B, BNi81. These metals may be in the form of a paste: a powder with a binder, a preform in a roll or a rolled strip.

Le tableau ci-dessous donne les intervalles de température de brasage à appliquer en fonction du métal d’apport : Métal d’apport (ISO 3677) Température conseillée de brasage Intervalle de Température de brasage autorisée DF4B 1100°C 1064 - 1122°C BNi81 1100°C 1060 – 1210°C BNi82 (AMS 4777) 1040°C 1010 – 1175°C BNi95 (AMS 4779) 1130°C 1100 – 1175°C The table below gives the brazing temperature ranges to be applied depending on the filler metal: Filler metal (ISO 3677) Recommended brazing temperature Allowable Brazing Temperature Range DF4B 1100°C 1064 - 1122°C BNi81 1100°C 1060 – 1210°C BNi82 (AMS 4777) 1040°C 1010 – 1175°C BNi95 (AMS 4779) 1130°C 1100 – 1175°C

L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.The invention and its various applications will be better understood on reading the following description and examining the accompanying figures.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF FIGURES

Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.The figures are presented for information only and in no way limit the invention.

est une vue d’un dispositif de brasure par faisceau d’électrons, is a view of an electron beam soldering device,

montre une pièce présentant plusieurs trous avec un métal d’apport avant le brasage, shows a part with several holes with a filler metal before brazing,

montre la pièce de la après le brasage réalisé selon l’invention, show the part of the after the brazing carried out according to the invention,

montre une pièce présentant un trou oblong avec un métal d’apport avant le brasage shows a part with an oblong hole with filler metal before brazing

montre la pièce de la après le brasage réalisé selon l’invention. show the part of the after the brazing carried out according to the invention.

DESCRIPTION DETAILLEEDETAILED DESCRIPTION

Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.Unless specified otherwise, the same element appearing in different figures has a single reference.

Le dispositif de brasure 1 illustré à la comprend un canon à électrons 2 qui émet un faisceau d’électrons 20 dans une enceinte 3 fermée sous vide. Une pièce 4 est placée sous le canon à électrons 2 et un métal d’apport 5 est placé sur la pièce 4. Le faisceau d’électrons 20 va chauffer le métal d’apport 5 et permettre ainsi la brasure.The soldering device 1 illustrated in comprises an electron gun 2 which emits a beam of electrons 20 into an enclosure 3 closed under vacuum. A part 4 is placed under the electron gun 2 and a filler metal 5 is placed on the part 4. The electron beam 20 will heat the filler metal 5 and thus allow brazing.

Selon un premier mode de réalisation, illustré figures 2 et 3, la pièce à braser 40 comprend plusieurs trous circulaires 41 à boucher dans certains desquels on a placé un thermocouple 6 que l’on souhaite fixer sur la pièce 40.According to a first embodiment, illustrated in Figures 2 and 3, the part to be brazed 40 comprises several circular holes 41 to be plugged in some of which a thermocouple 6 has been placed which it is desired to fix on the part 40.

Le canon à électrons 2 est placé à une distance d, dite distance de tir, de la pièce 5. Cette distance d est calculée en fonction de la température de fusion du métal d’apport 5 et de la puissance du canon à électrons 2. une fois, le canon à électrons 2 est positionné dans l’enceinte 3, le faisceau d’électrons 20 est focalisé sur la pièce 40 dans la zone à braser 7.The electron gun 2 is placed at a distance d, called the firing distance, from the part 5. This distance d is calculated according to the melting temperature of the filler metal 5 and the power of the electron gun 2. once the electron gun 2 is positioned in the enclosure 3, the electron beam 20 is focused on the part 40 in the zone to be soldered 7.

Ainsi pour une brasure de BNi81 ou de DF4B sur un support en alliage KCN22W, la distance de tir d est de 150mm pour une puissance du faisceau d’électrons de 0,75kW.Thus for a BNi81 or DF4B solder on a KCN22W alloy support, the firing distance d is 150mm for an electron beam power of 0.75kW.

Préalablement à la brasure les composants sont dégraissés, puis assemblés dans l’enceinte 3, le métal d’apport 5 est disposé sur les zones de brasure 7, puis l’enceinte est mise sous vide. Le faisceau d’électrons 20 est dirigé perpendiculairement à la pièce 40 vers le métal d’apport puis défocalisé, ensuite le métal d’apport 5 monte en température dans une plage comprise entre 1000°C et 1250°C pendant 3 minutes pour fondre complétement. La défocalisation est suffisante pour faire fondre le métal d’apport 5 en mode statique, la zone de brasage 7 étant restreinte.Prior to brazing, the components are degreased, then assembled in the enclosure 3, the filler metal 5 is placed on the brazing areas 7, then the enclosure is placed under vacuum. The electron beam 20 is directed perpendicular to the part 40 towards the filler metal then defocused, then the filler metal 5 rises in temperature in a range between 1000°C and 1250°C for 3 minutes to completely melt . The defocusing is sufficient to melt the filler metal 5 in static mode, the brazing zone 7 being restricted.

La pièce 40 terminée visible montre une première brasure 50 comblant un trou ou une crique et un deuxième brasure 51 liant le thermocouple 6 à la pièce 40.The completed piece 40 visible shows a first solder 50 filling a hole or a crack and a second solder 51 connecting the thermocouple 6 to the part 40.

Selon le deuxième mode de réalisation, visible aux figures 4 et 5, la pièce à braser 42 présente un trou ou une crique de forme allongée 43 et une zone à recharger 44. Les matériaux utilisés dans cet exemple sont les mêmes que pour le premier mode de réalisation.According to the second embodiment, visible in Figures 4 and 5, the part to be brazed 42 has a hole or an elongated crack 43 and an area to be recharged 44. The materials used in this example are the same as for the first mode. of achievement.

Le canon à électrons 2 est disposé selon le même procédé que pour le premier mode de réalisation.The electron gun 2 is placed according to the same method as for the first embodiment.

Préalablement à la brasure la pièce 42 est dégraissée et disposée dans l’enceinte 3, le métal d’apport 5 est placé dans la zone de brasure 7. L’enceinte 3 est mise sous vide. Le faisceau d’électrons 20 est dirigé perpendiculairement à la pièce 42 vers le métal d’apport 5, puis défocalisé et effectue un balayage de la zone à braser 7 pour faire monter en température le métal d’apport 5 dans une plage comprise entre 1000°C et 1250°C pour le fondre. Dans l’exemple illustré, la vitesse d’avance du faisceau d’électrons est de 10mm/mn pendant 4 minutes et deux aller-retours sont suffisants pour fondre complétement le métal d’apport 5.Prior to brazing, part 42 is degreased and placed in enclosure 3, filler metal 5 is placed in brazing area 7. Enclosure 3 is placed under vacuum. The electron beam 20 is directed perpendicular to the part 42 towards the filler metal 5, then defocused and scans the area to be soldered 7 to raise the temperature of the filler metal 5 in a range between 1000 °C and 1250°C to melt it. In the example illustrated, the speed of advance of the electron beam is 10mm/min for 4 minutes and two return trips are sufficient to completely melt the filler metal 5.

Le résultat obtenu illustré , montre la crique réparée.The result obtained illustrated , shows the repaired crack.

Un contrôle non destructif de l’assemblage est ensuite réalisé.Non-destructive testing of the assembly is then carried out.

Claims (10)

Procédé de brasage fort d’une pièce (4, 40, 42) comprenant une zone à souder (7), dans une enceinte (3) sous vide caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
  • dépose d’un métal d’apport (5) de brasure sur la pièce,
  • mise sous vide de l’enceinte (3),
  • montée en température du métal d’apport (5) de brasure par un faisceau d’électrons (20) jusqu’à la réalisation d’une soudure.
Process for brazing a part (4, 40, 42) comprising a zone to be welded (7), in a vacuum chamber (3), characterized in that it comprises the following steps:
  • depositing a solder filler metal (5) on the part,
  • placing the enclosure (3) under vacuum,
  • raising the temperature of the brazing filler metal (5) by an electron beam (20) until a weld is made.
Procédé de brasage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la montée en température se fait avec le faisceau d’électrons (20) défocalisé.Brazing process according to Claim 1, characterized in that the temperature rise takes place with the electron beam (20) defocused. Procédé de brasage selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau d’électrons (20) est statique sur la zone à souder (7).Soldering process according to one of the preceding claims, characterized in that the electron beam (20) is static on the region to be soldered (7). Procédé de brasage selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau d’électrons (20) effectue un balayage sur la zone à souder (7).Brazing method according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the electron beam (20) scans the area to be welded (7). Procédé de brasage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vitesse de balayage du faisceau d’électrons (20) est de 8 à 12mm/mn.Brazing process according to the preceding claim, characterized in that the scanning speed of the electron beam (20) is 8 to 12 mm/min. Procédé de brasage selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau d’électrons (20) chauffe le métal d’apport à une température comprise entre 1000°C et 1250°C.Brazing process according to one of the preceding claims, characterized in that the electron beam (20) heats the filler metal to a temperature between 1000°C and 1250°C. Procédé de brasage selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage du métal d’apport dure 3 à 4 mn.Brazing process according to one of the preceding claims, characterized in that the heating of the filler metal lasts 3 to 4 min. Procédé de brasage selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau d’électrons (20) est émis à une distance d du métal d’apport comprise entre 100mm et 200mm, de préférence 150mm.Brazing process according to one of the preceding claims, characterized in that the electron beam (20) is emitted at a distance d from the filler metal of between 100mm and 200mm, preferably 150mm. Procédé de brasage selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance du faisceau d’électrons (20) est comprise entre 0,37kW et 2,5kW, de préférence 0,75kW.Brazing process according to one of the preceding claims, characterized in that the power of the electron beam (20) is between 0.37 kW and 2.5 kW, preferably 0.75 kW. Procédé de brasage selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le métal d’apport (5) est un alliage de nickel.Brazing method according to one of the preceding claims, characterized in that the filler metal (5) is a nickel alloy.
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