Analyse des causes de fuite dans le brasage sous vide de l'échangeur de chaleur en plaque d'aluminium

Résumé :

Cet article présente le processus de brasage sous vide pour les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes en alliage d'aluminium. Il analyse l'impact de l'épaisseur de la couche de placage du matériau, de la rugosité de surface, de l'assemblage de l'échangeur de chaleur, de la température et du temps de maintien du brasage sous vide, du niveau de vide et des facteurs environnementaux sur la qualité du brasage de l'échangeur de chaleur. Des mesures de processus correspondantes sont proposées et des résultats positifs ont été obtenus en pratique.

Mots-clés :

Échangeur de chaleur à plaques et ailettes ; Brasage sous vide ; Processus

Le brasage sous vide est une méthode de brasage effectuée dans une atmosphère de vide sans utilisation de flux. L'un des principes fondamentaux du brasage sous vide consiste à utiliser l'action capillaire pour attirer le métal d'apport dans les surfaces de contact entre les pièces à joindre, formant ainsi une liaison entre les métaux brasés. Comparé à d'autres méthodes de soudage, le brasage offre des avantages tels qu'une déformation minimale, la possibilité de joindre plusieurs composants simultanément et la capacité de joindre des métaux dissemblables. Les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes en alliage d'aluminium sont classés comme récipients sous pression et doivent répondre aux exigences correspondantes en matière de résistance à la pression lors de leur application. En raison de leurs caractéristiques structurelles, le processus de jointoiement ne peut être réalisé que par brasage.

La structure centrale d'un échangeur de chaleur à plaques et ailettes en aluminium se compose uniquement de longues barres d'étanchéité, de courtes barres d'étanchéité, de tôles de séparation, d'ailettes externes, d'ailettes internes et de plaques latérales.

1. Découpe des matériaux : Façonnage et dimensionnement des tôles de séparation, des ailettes, des barres d'étanchéité et des plaques latérales.

2. Traitement de surface : Nettoyage par ultrasons.

3. Assemblage : Assemblage mécanique et formage des tôles de séparation, des ailettes, des barres d'étanchéité, des plaques latérales, etc.

4. Brasage sous vide dans un four : Le brasage sous vide emploie généralement un processus de chauffage et de maintien en trois étapes :

Évacuation préliminaire du vide.

Étape 1 Préchauffage : Maintenu à 380-470°C.

Étape 2 Accumulation d'énergie : Maintenu à 560-575°C.

Étape 3 Brasage : Maintenu à 598-603°C pendant 15-25 minutes.

Le chauffage s'arrête ; la pièce est retirée du four après refroidissement à la température spécifiée.

5. Redressage du noyau : Correction mécanique de la déformation du noyau de l'échangeur de chaleur après brasage sous vide.

6. Soudage des couvercles d'extrémité : Les couvercles d'extrémité sont soudés aux deux extrémités du noyau de l'échangeur de chaleur à l'aide de soudage TIG (Tungsten Inert Gas).

7. Test de pression : De l'air comprimé à 1,6 MPa est introduit pour vérifier les fuites dans l'échangeur de chaleur et identifier les points de fuite. Après avoir réussi le test d'étanchéité, de l'air comprimé à 3,0 MPa est introduit pour un test de résistance à la pression ; le produit ne doit présenter aucune déformation significative.

8. Réparation : Les échangeurs de chaleur qui fuient sont coupés, réparés par soudage, puis soumis à un autre test de pression.

9. Revêtement : L'échangeur de chaleur est organisé, revêtu et séché pour améliorer l'apparence de la surface.

10. Emballage et livraison

La performance de brasage de la tôle de séparation se reflète dans sa fluidité, son mouillage, sa capacité de remplissage des jeux, ses caractéristiques d'érosion et sa résistance de joint. La teneur en silicium (Si) dans la couche de placage détermine non seulement le point de fusion de l'alliage, mais affecte également sa fluidité, son mouillage et son comportement d'érosion vis-à-vis de l'alliage de base. Une teneur plus élevée en Si entraîne une meilleure fluidité et une meilleure capacité de remplissage des jeux. Cependant, si le Si diffuse vers l'interface du métal de base et provoque la composition en phase solide à atteindre la composition de brasage, cela peut entraîner la fusion de la phase solide et provoquer une érosion. Le magnésium (Mg) dans l'alliage de placage est un activateur métallique essentiel et un piégeur pour garantir la qualité du brasage sous vide. Le magnésium dans le métal d'apport commence à s'évaporer de manière significative au-dessus de 550°C, créant une atmosphère de magnésium dans la chambre de brasage. Cette vapeur de magnésium se combine avec l'oxygène résiduel ou la vapeur d'eau dans l'atmosphère de brasage, protégeant les surfaces des pièces chauffées de la ré-oxydation, et peut également pénétrer et consommer toute couche d'oxyde restante qui n'a pas été complètement retirée des surfaces des pièces. Une épaisseur non uniforme de la couche de placage de la tôle de séparation peut entraîner des défauts tels qu'un brasage insuffisant, une brûlure, un brasage discontinu et des fuites. Par conséquent, la teneur en magnésium dans le métal d'apport est généralement contrôlée entre 1,0 % et 2,0 %. De plus, il est nécessaire d'assurer l'épaisseur effective du métal d'apport pour obtenir des fillets de brasage complets et améliorer la capacité de résistance à la pression du produit. Typiquement, l'épaisseur de la couche de placage de chaque côté de la tôle de séparation est de 0,1 à 0,15 mm, ce qui s'est avéré très efficace en pratique.

Avant l'assemblage de l'échangeur de chaleur, les ailettes, les tôles de séparation et les barres d'étanchéité nécessitent un nettoyage pour éliminer la saleté, l'huile et les couches d'oxyde de surface. Les résidus d'huile se décomposent pendant le brasage sous vide, réduisant le niveau de vide à l'intérieur du four et provoquant l'oxydation des ailettes, des tôles de séparation et des barres d'étanchéité. La couche d'oxyde sur les alliages d'aluminium est très dense et a un point de fusion plus élevé que celui du métal de base ; elle ne fond pas facilement pendant le brasage, affectant ainsi la qualité du brasage. Pour garantir la qualité des composants brasés, un contrôle strict du traitement de surface des pièces et du métal d'apport avant le brasage est nécessaire, ainsi qu'une minimisation du temps d'assemblage avant le brasage.

La rugosité de surface des composants structurels affecte la force capillaire. Généralement, une surface trop lisse rend difficile la répartition uniforme du métal d'apport sur toute la zone de contact, et les vides résultants peuvent réduire la résistance du brasage. Ceci est particulièrement vrai pour la rugosité de surface des barres d'étanchéité. Pour assurer une répartition uniforme du métal d'apport le long du joint de contact, les surfaces de brasage des barres d'étanchéité doivent être appropriées en termes de rugosité.

La qualité de l'assemblage des composants est étroitement liée à la qualité finale du brasage du produit et mérite une attention particulière. Premièrement, les tolérances de hauteur des composants doivent être contrôlées. Selon les normes nationales, la tolérance de hauteur pour les ailettes est de -0,02 mm à +0,05 mm, et pour les barres d'étanchéité de -0,03 mm à +0,03 mm. En pratique, les assemblages avec des ailettes à tolérance négative associées à des barres d'étanchéité à tolérance positive doivent être évités ; un ajustement à jeu nul entre les tolérances des ailettes et des barres d'étanchéité est généralement considéré comme optimal. L'échangeur de chaleur est serré avec des fixations après assemblage. En raison de la différence de coefficients de dilatation thermique entre l'aluminium et les fixations en acier inoxydable, une force de serrage excessive peut facilement provoquer le pliage ou l'effondrement des ailettes après brasage, tandis qu'une force de serrage insuffisante peut entraîner un brasage insuffisant ou un desserrage des ailettes.

La tôle de séparation est plaquée avec du métal d'apport, qui nécessite une température spécifique pour fondre. La température de brasage affecte non seulement le mouillage du métal d'apport, mais aussi la résistance du joint brasé. Si la température est trop basse, la température de brasage requise n'est pas atteinte et les températures dans les différentes zones sont inégales. Cela entraîne une mauvaise fluidité du métal d'apport, pouvant causer un brasage insuffisant, un brasage discontinu, une porosité interne et des inclusions de scories, entraînant une réduction de la résistance du joint et un risque accru de fuite, voire même des cloques ou des déchirures graves. Ce phénomène est occasionnellement observé en production et est souvent lié à l'ajustement du jeu entre les ailettes internes ou les passages et la barre d'étanchéité. La pratique a montré que si une section de 100 mm de longueur d'ailettes internes ou de passages n'est pas brasée, elle peut se déchirer sous une pression inférieure à 2,0 MPa. Si la température est trop élevée, le métal d'apport fond complètement, ce qui peut facilement entraîner une porosité. De plus, une oxydation sévère du métal d'apport peut se produire, causant des défauts tels que l'écoulement du métal d'apport, l'érosion et le pliage. Pendant le chauffage, il existe un gradient de température entre la surface du composant et son noyau. Si les températures interne et externe du noyau à plaques et ailettes peuvent être maintenues de manière constante pendant le brasage sous vide, la qualité du brasage peut être bien assurée. Si le gradient de température est trop faible, le temps de chauffage et de maintien requis devient plus long, et un maintien excessif peut facilement provoquer une érosion. Inversement, si le gradient de température est trop important, cela entraîne inévitablement une inégalité des joints brasés (c'est-à-dire que certaines zones sont correctement brasées, d'autres non) entre l'intérieur et l'extérieur de l'assemblage. Des cas d'érosion interne se sont produits. L'analyse post-mortem a révélé que les points d'érosion étaient principalement situés sur les deux couches les plus externes (supérieure et inférieure) du produit, apparaissant sous forme de points ou de stries, se produisant principalement aux joints entre les ailettes. Les mesures préventives comprennent le contrôle de la température du four de brasage, en particulier en veillant à ce que la température externe maximale du produit ne soit pas trop élevée. Après que le métal d'apport ait subi une transformation de phase, la température externe peut être augmentée de manière appropriée. L'objectif principal est d'éviter l'érosion causée par une température externe excessive ou une exposition prolongée à haute température. L'utilisation du contrôle de zone pendant le brasage, où les zones de chauffage sont éteintes séquentiellement une fois que le produit dans cette zone atteint la température de brasage (arrêt des zones lorsqu'elles atteignent la température), est également une méthode efficace pour prévenir l'érosion.

Dans le brasage sous vide, les interactions entre le métal d'apport et certains composants de vapeur peuvent affecter de manière significative les caractéristiques de brasage. Lorsque le niveau de vide dans le four de brasage est bas, les gaz oxydants tels que l'oxygène et la vapeur d'eau réagissent chimiquement avec l'aluminium, formant des films d'oxyde d'aluminium durs. Ces films sont difficiles à décomposer aux températures de brasage typiques, entravant la liaison entre le métal d'apport et le métal de base. Lorsque la température de brasage est inférieure à 400°C, la nature protectrice du film d'oxyde le rend moins sensible aux facteurs environnementaux dans le four. Par conséquent, la présence d'un peu d'air pendant la phase de préchauffage est acceptable, et le processus dans cette plage de température est effectué pendant que le pompage sous vide est en cours. Lorsque la température dépasse 400°C, certains éléments commencent à s'évaporer de manière significative. À ce stade, les contaminants réagissent rapidement avec la surface, formant des couches d'oxyde et dégradant simultanément les caractéristiques de brasage. Par conséquent, un niveau de vide plus élevé est requis, nécessitant une limitation efficace des pressions partielles d'oxygène et d'eau. Généralement, les processus de pompage sous vide et de chauffage sont interdépendants ; la durée de chacun varie en fonction de la taille et du poids de la pièce. Généralement, pour des températures inférieures à 450°C, le niveau de vide doit être contrôlé en dessous de 0,05 Pa. Pendant la phase de brasage, il doit être inférieur à 0,005 Pa. Un bon niveau de vide a un impact significatif sur la qualité du joint brasé.

Pendant le brasage sous vide, la température ambiante et l'humidité peuvent affecter de manière significative la qualité du brasage des échangeurs de chaleur à plaques. L'assemblage dans des conditions d'humidité élevée entraîne une plus grande quantité d'humidité adhérant aux ailettes, aux tôles de séparation et aux barres d'étanchéité. Lorsqu'ils sont placés dans le four sous vide pour le brasage, cette humidité libère plus de gaz, abaissant le niveau de vide de brasage. De plus, l'évaporation de la vapeur d'eau nécessite une quantité importante de chaleur, ce qui peut affecter la température du noyau de l'échangeur de chaleur. La température ambiante influence directement le degré d'oxydation de surface des fines plaques d'alliage d'aluminium, affectant ainsi la qualité du brasage sous vide.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, les mesures suivantes doivent être mises en œuvre pour réduire ou abaisser le taux de fuite des échangeurs de chaleur après brasage sous vide :

1. Lors de la commande de matières premières, elles doivent être achetées auprès de fabricants spécialisés et réputés pour garantir la qualité et les performances des matériaux.

2. Les assemblages avec des ailettes à tolérance négative associées à des barres d'étanchéité à tolérance positive doivent être évités ; un ajustement à jeu nul entre les ailettes et les barres d'étanchéité est généralement optimal.

3. Respecter strictement les procédures de processus pour la préparation des matériaux, le nettoyage et l'assemblage.

4. En pratique, optimiser et contrôler strictement les paramètres de processus tels que la température de brasage sous vide, le temps de maintien et le niveau de vide ; ajuster le processus de brasage en fonction des conditions internes et externes variables.

5. Contrôler l'humidité ambiante.