Presque tous les processus d'assemblage peuvent être réalisés de plusieurs manières. L'option choisie par un fabricant ou un intégrateur pour obtenir les meilleurs résultats est généralement celle qui associe une technologie éprouvée à une application spécifique.
Le brasage est un procédé de ce type. Il s'agit d'un procédé d'assemblage de métaux dans lequel deux ou plusieurs pièces métalliques sont assemblées en faisant fondre un métal d'apport et en l'injectant dans le joint. Ce métal d'apport a un point de fusion inférieur à celui des pièces métalliques adjacentes.
La chaleur nécessaire au brasage peut être fournie par des chalumeaux, des fours ou des bobines à induction. Lors du brasage par induction, une bobine à induction crée un champ magnétique qui chauffe le substrat pour faire fondre le métal d'apport. Le brasage par induction s'avère être le meilleur choix pour un nombre croissant d'applications d'assemblage.
« Le brasage par induction est bien plus sûr que le brasage au chalumeau, plus rapide que le brasage au four et plus reproductible que les deux », a déclaré Steve Anderson, responsable des essais et des tests sur le terrain chez Fusion Inc., une entreprise d'intégration fondée il y a 88 ans et basée à Willoughby, dans l'Ohio. « De plus, le brasage par induction est plus simple. Contrairement aux deux autres méthodes, il ne nécessite qu'une alimentation électrique standard. »
Il y a quelques années, Fusion a mis au point une machine entièrement automatisée à six stations pour l'assemblage de 10 fraises en carbure destinées au travail des métaux et à la fabrication d'outils. Ces fraises sont fabriquées en fixant des ébauches cylindriques et coniques en carbure de tungstène sur une tige en acier. La cadence de production est de 250 pièces par heure, et le plateau porte-pièces séparé peut contenir 144 ébauches et porte-outils.
« Un robot SCARA à quatre axes prélève une poignée sur le plateau, la présente au distributeur de pâte à braser et la charge dans le système de préhension », explique Anderson. « Le robot prélève ensuite une pièce brute sur le plateau et la place à l'extrémité de la tige sur laquelle elle sera collée. Le brasage par induction est réalisé à l'aide d'une bobine électrique enroulée verticalement autour des deux pièces, portant le métal d'apport en argent à une température de fusion de 700 °C (1 305 °F). Une fois la pièce ébavurée alignée et refroidie, elle est éjectée par une goulotte et récupérée pour les étapes suivantes. »
L'utilisation du brasage par induction pour l'assemblage est en hausse, principalement parce qu'il crée une liaison solide entre deux pièces métalliques et qu'il est très efficace pour assembler des matériaux dissemblables. Les préoccupations environnementales, l'amélioration des technologies et les applications non traditionnelles incitent également les ingénieurs de production à examiner de plus près le brasage par induction.
Le brasage par induction existe depuis les années 1950, bien que le concept de chauffage par induction (utilisant l'électromagnétisme) ait été découvert plus d'un siècle auparavant par le scientifique britannique Michael Faraday. Les chalumeaux portatifs ont été la première source de chaleur pour le brasage, suivis par les fours dans les années 1920. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les méthodes utilisant des fours ont été fréquemment employées pour fabriquer de grandes quantités de pièces métalliques avec un minimum de main-d'œuvre et de dépenses.
La demande croissante des consommateurs en matière de climatisation dans les années 1960 et 1970 a créé de nouvelles applications pour le brasage par induction. En effet, le brasage en masse de l'aluminium à la fin des années 1970 a permis de fabriquer de nombreux composants que l'on retrouve aujourd'hui dans les systèmes de climatisation automobile.
« Contrairement au brasage à la flamme, le brasage par induction est sans contact et minimise le risque de surchauffe », note Rick Bausch, directeur des ventes chez Ambrell Corp., dans TEST.temperature.
Selon Greg Holland, directeur des ventes et des opérations chez eldec LLC, un système de brasage par induction standard se compose de trois éléments : l’alimentation électrique, la tête de travail avec la bobine d’induction et le système de refroidissement.
L'alimentation est connectée à la tête de travail et les bobines sont conçues sur mesure pour s'adapter à la zone de soudure. Les inducteurs peuvent être fabriqués à partir de barres pleines, de câbles flexibles, de billettes usinées ou imprimés en 3D à partir d'alliages de cuivre en poudre. Le plus souvent, cependant, ils sont constitués de tubes de cuivre creux dans lesquels circule de l'eau pour plusieurs raisons. L'une d'elles est de refroidir la bobine en compensant la chaleur réfléchie par les pièces pendant le brasage. La circulation d'eau empêche également l'accumulation de chaleur dans les bobines due à la présence fréquente de courant alternatif et au transfert de chaleur inefficace qui en résulte.
« On place parfois un concentrateur de flux sur la bobine pour renforcer le champ magnétique en un ou plusieurs points de la jonction », explique Holland. « Ces concentrateurs peuvent être de type laminé, constitués de fines barres d'acier électrique étroitement empilées, ou de tubes ferromagnétiques contenant de la poudre de matériau ferromagnétique et des liaisons diélectriques comprimées sous haute pression. L'avantage du concentrateur est qu'il réduit le temps de cycle en apportant plus rapidement plus d'énergie à des zones spécifiques de la jonction, tout en maintenant les autres zones à une température plus basse. »
Avant de positionner les pièces métalliques pour le brasage par induction, l'opérateur doit régler correctement la fréquence et la puissance du système. La fréquence peut varier de 5 à 500 kHz ; plus la fréquence est élevée, plus la surface chauffe rapidement.
Les alimentations électriques sont souvent capables de produire des centaines de kilowatts d'électricité. Cependant, le brasage d'une pièce de la taille de la paume de la main en 10 à 15 secondes ne nécessite que 1 à 5 kilowatts. En comparaison, les pièces plus grandes peuvent nécessiter de 50 à 100 kilowatts et prendre jusqu'à 5 minutes à braser.
« En règle générale, les composants plus petits consomment moins d’énergie, mais nécessitent des fréquences plus élevées, de l’ordre de 100 à 300 kilohertz », a déclaré Bausch. « À l’inverse, les composants plus grands nécessitent plus d’énergie et des fréquences plus basses, généralement inférieures à 100 kilohertz. »
Quelle que soit leur taille, les pièces métalliques doivent être correctement positionnées avant d'être fixées. Il convient de veiller à maintenir un faible jeu entre les métaux de base afin de permettre une bonne capillarité du métal d'apport. Les assemblages bout à bout, à recouvrement et bout à recouvrement sont les meilleurs moyens d'assurer ce jeu.
Les fixations traditionnelles ou auto-fixantes sont acceptables. Les fixations standard doivent être fabriquées à partir de matériaux moins conducteurs tels que l'acier inoxydable ou la céramique, et entrer le moins possible en contact avec les composants.
En concevant des pièces avec des coutures imbriquées, un sertissage, des creux ou des moletages, on peut obtenir une auto-fixation sans avoir besoin de support mécanique.
Les joints sont ensuite nettoyés avec une éponge abrasive ou un solvant pour éliminer les contaminants tels que l'huile, la graisse, la rouille, le tartre et la saleté. Cette étape améliore encore l'action capillaire du métal d'apport fondu qui se propage à travers les surfaces adjacentes du joint.
Une fois les pièces correctement positionnées et nettoyées, l'opérateur applique un composé à joints (généralement une pâte) sur le joint. Ce composé est un mélange de métal d'apport, de flux (pour éviter l'oxydation) et d'un liant qui maintient le métal et le flux ensemble avant la fusion.
Les métaux d'apport et les flux utilisés en brasage sont formulés pour résister à des températures plus élevées que ceux utilisés en soudage tendre. Les métaux d'apport utilisés en brasage fondent à des températures d'au moins 450 °C (842 °F) et sont plus résistants une fois refroidis. Ils comprennent les alliages aluminium-silicium, cuivre, cuivre-argent, laiton, bronze, or-argent, argent et nickel.
L'opérateur positionne ensuite la bobine d'induction, qui se décline en différents modèles. Les bobines hélicoïdales sont de forme circulaire ou ovale et entourent complètement la pièce, tandis que les bobines en forme de fourche (ou de pince) sont placées de chaque côté du joint et les bobines en forme de canal s'accrochent à la pièce. Parmi les autres types de bobines, on trouve les bobines à diamètre intérieur (DI), à diamètre intérieur/extérieur (DE), plates, ouvertes et multipositions.
Un chauffage uniforme est essentiel pour des connexions brasées de haute qualité. Pour ce faire, l'opérateur doit s'assurer que la distance verticale entre chaque boucle de bobine d'induction est faible et que la distance de couplage (largeur de l'espace entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur de la bobine) reste uniforme.
Ensuite, l'opérateur met l'appareil sous tension pour démarrer le processus de chauffage du joint. Cela implique le transfert rapide d'un courant alternatif de fréquence moyenne ou élevée d'une source d'alimentation vers un inducteur afin de créer un champ magnétique alternatif autour de celui-ci.
Le champ magnétique induit un courant à la surface du joint, ce qui génère de la chaleur pour faire fondre le métal d'apport, lui permettant de s'écouler et de mouiller la surface de la pièce métallique, créant ainsi une liaison solide. Grâce à des bobines multipositions, ce processus peut être réalisé simultanément sur plusieurs pièces.
Il est recommandé de procéder au nettoyage et à l'inspection finale de chaque composant brasé. Le lavage des pièces à l'eau chaude (au moins 49 °C) permettra d'éliminer les résidus de flux et les dépôts formés lors du brasage. La pièce doit être immergée dans l'eau une fois le métal d'apport solidifié, mais lorsque l'assemblage est encore chaud.
Selon la pièce, une inspection minimale peut être suivie de tests non destructifs et destructifs. Les méthodes CND comprennent l'inspection visuelle et radiographique, ainsi que les tests d'étanchéité. Les méthodes de tests destructifs courantes sont les essais métallographiques, de pelage, de traction, de cisaillement, de fatigue, de transfert et de torsion.
« Le brasage par induction exige un investissement initial plus important que le brasage au chalumeau, mais il en vaut la peine grâce à son efficacité et à son contrôle accrus », a déclaré Holland. « Avec l'induction, il suffit d'appuyer quand on a besoin de chaleur, et quand on n'en a pas besoin, on appuie à nouveau. »
Eldec fabrique une large gamme de sources d'alimentation pour le brasage par induction, notamment la gamme de fréquences intermédiaires ECO LINE MF, disponible en différentes configurations pour s'adapter au mieux à chaque application. Ces alimentations sont disponibles avec des puissances allant de 5 à 150 kW et des fréquences de 8 à 40 Hz. Tous les modèles peuvent être équipés d'une fonction de suralimentation permettant d'augmenter la puissance nominale continue de 50 % en 3 minutes. Parmi les autres caractéristiques clés, citons le contrôle de température par pyromètre, l'enregistreur de température et l'interrupteur de puissance à transistor bipolaire à grille isolée (IGBT). Ces consommables nécessitent peu d'entretien, fonctionnent silencieusement, sont compacts et s'intègrent facilement aux contrôleurs de postes de travail.
Dans plusieurs secteurs industriels, les fabricants utilisent de plus en plus le brasage par induction pour assembler des pièces. Bausch cite les fabricants de matériel automobile, aérospatial, médical et minier comme les principaux utilisateurs des équipements de brasage par induction Ambrell.
« Le nombre de composants en aluminium brasés par induction dans l’industrie automobile ne cesse d’augmenter en raison des efforts de réduction du poids », souligne Bausch. « Dans le secteur aérospatial, des plaquettes de protection en nickel et autres matériaux sont souvent brasées sur les pales des réacteurs. Ces deux industries utilisent également le brasage par induction pour divers raccords de tuyauterie en acier. »
Les six systèmes EasyHeat d'Ambrell ont une plage de fréquences de 150 à 400 kHz et sont idéaux pour le brasage par induction de petites pièces de géométries variées. Les modèles compacts (0112 et 0224) offrent un contrôle de puissance avec une résolution de 25 watts ; les modèles de la série LI (3542, 5060, 7590, 8310) offrent un contrôle avec une résolution de 50 watts.
Les deux séries sont dotées d'une tête de travail amovible jusqu'à 3 mètres de la source d'alimentation. Les commandes du panneau avant du système sont programmables, permettant à l'utilisateur de définir jusqu'à quatre profils de chauffage différents, chacun avec jusqu'à cinq niveaux de temps et de puissance. La commande à distance est disponible par contact ou entrée analogique, ou via un port de données série en option.
« Nos principaux clients pour le brasage par induction sont des fabricants de pièces contenant du carbone ou des pièces de grande masse à forte teneur en fer », explique Rich Cukelj, responsable du développement commercial chez Fusion. « Certaines de ces entreprises desservent les industries automobile et aérospatiale, tandis que d'autres fabriquent des armes à feu, des ensembles d'outils de coupe, des robinets et des canalisations de plomberie, ou des blocs de distribution électrique et des fusibles. »
Fusion commercialise des systèmes rotatifs sur mesure capables de braser par induction de 100 à 1 000 pièces par heure. Selon Cukelj, des rendements supérieurs sont possibles pour un même type de pièce ou pour une série spécifique. La surface de ces pièces varie de 2 à 14 pouces carrés.
« Chaque système comprend un indexeur de Stelron Components Inc. avec 8, 10 ou 12 postes de travail », explique Cukelj. « Certains postes de travail sont utilisés pour le brasage, tandis que d'autres sont utilisés pour l'inspection, à l'aide de caméras de vision ou d'équipements de mesure laser, ou pour effectuer des tests d'arrachement afin de garantir des joints brasés de haute qualité. »
Les fabricants utilisent les alimentations standard ECO LINE d'eldec pour diverses applications de brasage par induction, telles que le frettage de rotors et d'arbres ou l'assemblage de carters de moteurs, a déclaré Holland. Plus récemment, un modèle de 100 kW de ce générateur a été utilisé dans une application de pièces de grande taille impliquant le brasage d'anneaux de circuit en cuivre sur des connexions de prise en cuivre pour des générateurs de barrages hydroélectriques.
Eldec fabrique également des alimentations portables MiniMICO, facilement transportables en usine, avec une plage de fréquences de 10 à 25 kHz. Il y a deux ans, un fabricant de tubes d'échangeurs de chaleur pour l'automobile a utilisé MiniMICO pour braser par induction les coudes de retour de chaque tube. Une seule personne a réalisé l'ensemble du brasage, et l'assemblage de chaque tube a pris moins de 30 secondes.
Jim est rédacteur en chef chez ASSEMBLY et possède plus de 30 ans d'expérience dans le domaine éditorial. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était ingénieur PM et rédacteur en chef de l'Association for Equipment Engineering Journal et du Milling Journal. Jim est titulaire d'une licence en anglais de l'université DePaul.
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