Qu’est-ce que le soudage par diffusion ?

Références

Le soudage par diffusion (DFW) est une technique de soudage à l'état solide qui produit une liaison solide en faciliter la diffusion et la coalescence dans des conditions contrôlées utilisant la chaleur et la pression. Parce qu'elle peut éviter les difficultés métallurgiques courantes observées dans les procédures de soudage conventionnelles, cette technologie spécialisée est vitale dans le domaine de la métallurgie. Il maintient intacte la résistance à la corrosion des joints et permet de fabriquer des composants aux dimensions exactes, notamment en titane et en zirconium. DFW est idéal pour certaines applications hautes performances car il peut produire des sections volumineuses avec des qualités constantes, comme les stratifiés de titane. Pour que les joints DFW réussissent, les composants doivent être soigneusement conçus et usinés.

Processus de soudage par diffusion

Dans le processus de soudage par diffusion à l'état solide, les surfaces correctement préparées sont rassemblées sous des contraintes précises de pression, de température et de temps. Un contact uniforme avec la surface est assuré par la pression appliquée, ce qui empêche toute déformation macroscopique. Afin d'éviter une déformation plastique importante des surfaces, la température utilisée est généralement de 50 % du point de fusion des métaux. Un métal d'apport, qui peut être plaqué ou utilisé comme insert, est fréquemment utilisé. Ce métal d'apport permet de souder dans un environnement moins coûteux ou de réduire la température, la pression ou le temps de soudage nécessaires.

Références

La pression peut être fournie via un chargement par poids mort, des presses, une pression différentielle de gaz ou une dilatation thermique différentielle des composants ou des outils. Les méthodes de chauffage pour le soudage par diffusion comprennent les fours, les cornues et les approches par résistance. Un ensemble spécial d'outils pour le soudage d'assemblages avec des surfaces planes qui se croisent sont constitués d'autoclaves à haute pression et de méthodes de pression différentielle de gaz. Cependant, pour souder des surfaces planes parallèles perpendiculaires à la direction de la charge, les méthodes de pression uniaxiale sont appropriées. Un équipement spécialisé est nécessaire pour ces processus hautement mécanisés. Il est avantageux d'utiliser la mise en conserve ou l'encapsulation de pièces pour des méthodes autres que les approches par pression différentielle.

Étapes du processus de soudage par diffusion

• Alignez les surfaces de contact des plaques pour vous assurer qu’elles sont sur le même plan, une exigence essentielle pour la diffusion.

• Usinez, polissez et nettoyez soigneusement les surfaces pour éliminer toutes les impuretés chimiques qui pourraient gêner la diffusion.

• Empilez les plaques ensemble à l’aide de pinces pour les maintenir en place.

• Appliquez une haute pression et de la chaleur à l’assemblage pour lancer le processus de diffusion.

• Maintenir ces conditions pendant une période prolongée pour permettre une bonne diffusion.

• Initialement, une déformation locale peut se produire à l'interface en raison des processus de fluage et d'élasticité.

• Au fur et à mesure de la diffusion, l’interface se transforme et les surfaces se mélangent, formant un lien fort.

• Finalement, la ligne d’interface disparaît, ce qui donne lieu à un joint ayant les mêmes propriétés et résistance que le matériau de base.

Principes et mécanismes de diffusion

La diffusion implique le mouvement et la redistribution des atomes, qui se produisent à des rythmes dépendant de la vitesse des atomes en migration.

Références

La diffusion dans les systèmes métalliques est souvent classée en trois processus : la diffusion volumique, la diffusion aux limites des grains et la diffusion en surface, en fonction du trajet parcouru par les atomes diffusants. Différentes constantes de diffusivité s'appliquent à chacun de ces processus ; la diffusion en surface et aux limites des grains se produit plus rapidement que la diffusion en volume.

Diffusion volumique : Elle a lieu dans la majorité de la substance. En raison de la nécessité de franchir les barrières énergétiques posées par les atomes rapprochés dans le réseau, la migration des atomes à travers le réseau cristallin est souvent un processus plus lent.

Diffusion aux limites des grains : cela se produit aux interfaces entre des cristaux ou des grains distincts dans un matériau polycristallin ou le long des bordures des grains. Par rapport au volume, il y a moins d’ordre dans la disposition atomique à ces frontières, ce qui facilite une diffusion plus rapide.

Diffusion superficielle : elle se produit à la surface du matériau. La diffusion superficielle se produit plus rapidement car les atomes y sont moins étroitement liés que ceux de la masse.

Diffusion selon la première loi de Fick

Selon la première loi de Fick, la formule sous-jacente contrôlant la diffusion dans les métaux est la suivante :

Où? :

• dm/dt est le taux d'écoulement du métal à travers un plan perpendiculaire à la direction de diffusion (g/s),

• D est le coefficient de diffusion (cm²/s), qui varie avec le système métallique, la température, la concentration et la structure cristalline,

• A est la surface du plan à travers laquelle se produit la diffusion (cm²),

• &x/&x​ est le gradient de concentration au plan considéré (g/cm³).

Le signe négatif indique que la diffusion se produit depuis les régions de concentration plus élevée vers les régions de concentration plus faible.

Coefficient de diffusion et facteurs d’influence

Les facteurs suivants affectent le coefficient de diffusion D, qui n'est pas constant :

Température : Le taux de diffusion augmente avec l’augmentation de la température. En règle générale, la constante de diffusion double avec une augmentation de température de 11°C (20°F).

Concentration : La constante de diffusion peut être fortement affectée par les variations de concentration. Par exemple, à 930°C (1700°F), la constante de diffusion du carbone dans le fer triple avec une augmentation de la concentration en carbone de 0 à 1.4 %.

Structure cristalline : des formes cristallines variées ont des taux de diffusion variés. Par exemple, le fer diffuse 100 fois plus rapidement dans la ferrite que dans l’austénite.

Directionnalité et distorsion du cristal : L'orientation du cristal ainsi que les éventuelles distorsions provoquées par la déformation plastique ont un impact sur les taux de diffusion.

Mécanismes de diffusion

Références

Les deux principales façons dont les atomes se dispersent dans les métaux sont les mécanismes de lacune et les mécanismes interstitiels, bien qu'il existe également d'autres mécanismes.

Le mouvement des atomes plus petits à travers les vides, ou interstices, du réseau cristallin est connu sous le nom de mécanisme interstitiel. Ces atomes sont capables de migrer d'un interstice à un autre sans provoquer de perturbations majeures au niveau des atomes de la matrice car ils ont des rayons atomiques plus petits que les atomes de la matrice.

Mécanisme de vacance : ce mécanisme concerne les atomes plus gros qui sont incapables de s'insérer dans les espaces interstitiels, tels que les atomes matriciels ou de substitution. En sautant dans des espaces inoccupés du réseau, ces atomes migrent. Le nombre réduit de sites vacants disponibles entraîne un ralentissement du rythme, même si l'énergie nécessaire à ces mouvements est comparable à celle de la diffusion interstitielle.

Variables affectant le soudage par diffusion

Le temps est un facteur important dans le soudage par diffusion. La température a une influence majeure sur la durée de la diffusion. Les durées plus longues perdent leur efficacité au fil du temps. La durée requise doit être déterminée de manière empirique, car elle ne peut pas être prévue à l'avance. Une fois le soudage terminé, un temps supplémentaire n'améliore pas les propriétés de la liaison.

La pression a un effet direct sur les résultats du soudage par diffusion, en particulier dans les premières phases. Elle est associée à la limite d’élasticité des composants constitutifs, même s’il est difficile en théorie de déterminer une valeur précise. Pour de meilleurs résultats, la pression doit être exercée suffisamment, même si la déformation locale au point de liaison fait naturellement partie du processus. Afin de réussir à former des liaisons solides, il est crucial d’équilibrer la chaleur et la pression, car une compression élevée est corrélée à des coûts d’équipement élevés.

En soudage par diffusion, la température est la variable la plus importante. Pour éviter les altérations de la matière et assurer une liaison solide et stable, il faut choisir la température idéale. Pour que le processus de soudage réussisse, un bon maintien de la température est nécessaire.

Équipements et matériaux appropriés utilisés dans le soudage par diffusion

Des outils spécialisés sont nécessaires pour le soudage par diffusion, notamment des accessoires, des sources de chaleur, des presses et des autoclaves spécialement conçus. Pour créer l'atmosphère idéale, ces outils sont fréquemment combinés avec des composants en céramique. Cette technique est parfaite pour assembler des matériaux comme les alliages de titane, d'aluminium et de nickel, qui sont difficiles à assembler avec les techniques traditionnelles. Bien qu'il existe des méthodes moins coûteuses pour souder l'acier, le soudage par diffusion peut être une approche rentable pour souder de grandes surfaces planes d'acier à faible teneur en carbone sans avoir besoin de métal d'apport lorsque les circonstances appropriées sont remplies.

Avantages du soudage par diffusion

Le soudage par diffusion présente de nombreux avantages.

Les caractéristiques chimiques et physiques du joint obtenu sont comparables à celles du métal de base. Il garantit une soudure impeccable, dépourvue de porosité et de fractures. Ce procédé est parfait pour les composants de précision car il offre une grande précision dimensionnelle. Contrairement au soudage à l'arc, il peut combiner des matériaux similaires ou différents sans nécessiter de matériau d'apport. Le soudage est une technologie peu coûteuse qui peut être utilisée pour assembler efficacement des formes et des matériaux complexes. Il contourne les difficultés liées au soudage par fusion et est facile à utiliser. Le soudage par diffusion est également très efficace et automatisé, nécessitant peu de travail d'expert car il peut fixer plusieurs pièces en une seule configuration.

Inconvénients et limites du soudage par diffusion

Le soudage par diffusion présente plusieurs avantages, mais il présente également quelques inconvénients. L'équipement est coûteux, en particulier pour les grandes soudures, et nécessite une configuration spécifique avec un nettoyage et une préparation de surface précis. Il n'est pas idéal pour les cadences de production élevées car il nécessite une atmosphère protégée ou un vide et prend du temps. Malgré des coûts d'exploitation modestes, la configuration initiale est coûteuse. La préparation des pièces est importante mais peut être difficile. Les machines limitent la taille des soudures et il n'y a pas beaucoup d'options d'inspection. En raison de sa grande dépendance à des paramètres de soudage exacts (température, pression, finition de surface et matériaux utilisés), le procédé n'est pas adapté à la fabrication en série. Une attention particulière doit également être accordée aux différentes dilatations thermiques des matériaux.

Applications du soudage par diffusion

Le soudage par diffusion (DFW) est largement utilisé dans des industries comme l'aérospatiale et le nucléaire pour assembler des métaux à haute résistance et réfractaires. Un exemple notable de l’utilisation généralisée du DFW dans l’industrie aérospatiale est le support moteur de la navette spatiale, composé de 28 pièces en titane soudées par diffusion pour gérer trois millions de livres de poussée. Le DFW est également utilisé dans la fabrication de tubes d'une taille maximale de 203 mm sur 255 cm sur 457 cm. En utilisant le DFW pour la première fois dans un composant de moteur rotatif, l'industrie des turbines à gaz est en mesure de créer des composants Ti-6%Al-4%V pour les moteurs avancés à forte poussée. Pour ces applications difficiles, DFW rend possible les structures solides et performantes requises.