Analyse du processus de brasage NOCOLOK pour les plaques froides liquides composites en acier-aluminium

I. Fondamentaux du processus et positionnement de l'application

1. Structure des plaques froides liquides composites en acier-aluminium

Configuration courante : substrat en acier au carbone/acier inoxydable recouvert d'une couche composite d'aluminium -silicium (couche de métal d'apport 4343/4045 + 3003 noyau en aluminium). Les canaux de refroidissement liquide sont emboutis ou fraisés côté aluminium ; la couche d'acier offre une rigidité structurelle, une résistance à la déformation et une capacité portante à la pression-, tandis que le côté en aluminium offre une conductivité thermique et une compatibilité de brasage supérieures.

2. Mécanisme de base du brasage NOCOLOK

Le flux de brasage est du sel de fluoroaluminate de potassium eutectique (K₃AlF₆–KAlF₄) avec un point de fusion allant de 565 degrés à 572 degrés. Les pièces sont chauffées dans un four à atmosphère continue d'azote. Le flux fondu dissout l'Al₂O₃ film d'oxyde sur les surfaces en aluminium, permettant au métal d'apport Al-Si de mouiller l'interface acier-aluminium et de former une liaison métallurgique. Ce processus laisse des résidus non-corrosifs, convient à une production continue de masse et présente des coûts inférieurs et un débit plus élevé par rapport au brasage sous vide.

3. Difficultés inhérentes au brasage d'aciers différents-aluminium (spécifiques aux plaques froides liquides)

1. Composés intermétalliques fragiles (IMC) Fe- Al : à haute température, l'aluminium se diffuse dans l'acier pour former des couches dures et cassantes de FeAl.₃ et Fe₂Al₅. Une fois que l’épaisseur de la couche dépasse 8 µm, la résistance des joints diminue fortement, des fissures se produisent facilement sous l’effet des cycles thermiques et le risque de fuite de liquide de refroidissement sous pression augmente considérablement.
2. Coefficients de dilatation thermique incompatibles : L'aluminium a un coefficient de dilatation linéaire ≈ 23,5×10⁻⁶/degré, tandis que l'acier ≈ 11,5×10⁻⁶/degré. Une contrainte de cisaillement interfaciale importante est générée pendant le chauffage et le refroidissement, entraînant une déformation du canal à paroi mince, un délaminage des joints de brasage et une section transversale réduite du canal qui augmente la résistance à l'écoulement.
3. Exigence d'élimination du double film d'oxyde : alumine dense sur l'aluminium et oxyde de fer sur l'acier. Le flux conventionnel présente une mauvaise mouillabilité sur les surfaces en acier, provoquant facilement un étalement insuffisant du mastic, une liaison incomplète et des zones non soudées.
4. Contraintes de propreté pour les cavités de refroidissement internes : le flux résiduel, les billes de brasage et les débris métalliques bloquent les microcanaux, augmentant la résistance à l'écoulement, déclenchant des blocages d'air et une surchauffe localisée. Les résidus de fluorure soluble doivent être éliminés pour éviter la corrosion des canaux induite par le milieu.

5. Fenêtre de température de traitement étroite : le métal d'apport fond à 577 degrés, tandis que le métal de base en aluminium 3003 fond à 650 degrés. Un chauffage inégal des plaques composites acier-aluminium provoque facilement une surcombustion locale et une érosion des métaux de base.

II. Flux de processus complet (spécialisé pour les plaques froides liquides composites en acier-aluminium)

Étape 1 : Inspection et découpe des matières premières

1. Inspect thickness uniformity of steel-aluminum composite strips; control the 4343 filler metal layer at 80–120 μm. Aluminum alloys with magnesium content >0,1% sont interdits, le MgO ne pouvant être dissous par le flux NOCOLOK.
2. Les surfaces en acier inoxydable doivent être exemptes de rouille-et d'huile- ; l'acier au carbone nécessite une pré-phosphatation ou une passivation pour atténuer l'oxydation à haute-température.

Étape 2 : Formation de canaux (estampage/fraisage)

• Contrôlez strictement les tolérances dimensionnelles des espaces entre les canaux et des hauteurs des ailettes à ±0,05 mm, ce qui entraîne un espace de brasage de 0,1 à 0,2 mm après l'assemblage. Les espaces plus larges que 0,2 mm provoquent un ruissellement du métal d’apport et un taux d’adhérence insuffisant ; les espaces inférieurs à 0,08 mm affaiblissent l’action capillaire et le remplissage incomplet des espaces.
• Ébavurez toutes les pièces formées pour éliminer les saillies pointues à l’intérieur des canaux, qui autrement augmenteraient la résistance à l’écoulement et induiraient des fissures de contrainte localisées.

Étape 3 : Dégraissage et nettoyage (critique pour le succès du brasage NOCOLOK)

1. Séquence du processus : Dégraissage alcalin → Rinçage à l'eau pure → Neutralisation de l'acide nitrique dilué → Rinçage final à l'eau pure. Réussir le test de rupture d'eau (mouillage complet et continu de l'eau sans rupture de film).
2. Exigences : Pas d'huile d'estampage, d'agents de dessin ou de poussière à l'intérieur des cavités. La graisse résiduelle isole le flux, empêchant l'élimination du film d'oxyde et entraînant une liaison incomplète et des évents.
3. Prioriser l’élimination de la rouille sur les surfaces en acier ; les traces d'oxyde de fer consomment du flux et altèrent la mouillabilité interfaciale.

Étape 4 : Revêtement de flux NOCOLOK et séchage

1. Formulation de suspension de flux : eau pure mélangée à 5 % à 10 % de poudre de flux. Appliquer localement une boue à haute -concentration (15 % à 30 %) sur les joints en acier-aluminium et les parois intérieures des canaux pour améliorer la mouillabilité de la surface de l'acier.
2. Contrôle du poids du revêtement : 4–6 g/m². Un flux insuffisant ne parvient pas à éliminer complètement les films d'oxyde ; un flux excessif génère d'abondants résidus de scories post-brasage qui obstruent les microcanaux et altèrent la résistance à la corrosion.
3. Séchage par étapes : Pré-séchage à 80 degrés → Déshydratation complète à 180 degrés. L'humidité résiduelle se vaporise pendant le chauffage, formant des trous de soudure et des fuites de pression dans les plaques froides liquides.

Étape 5 : Assemblage de l'outillage et serrage

1. Compression uniforme via des outils en graphite/acier inoxydable à 0,08–0,12 MPa pour contrecarrer la déformation induite par l'inadéquation de dilatation thermique de l'acier-aluminium et empêcher le délaminage des canaux.
2. Réservez les passages d'échappement à l'entrée/sortie du canal pour éviter un sous-chauffage localisé et une suppression du débit de remplissage provoqué par le gaz de four piégé.
3. Évitez tout contact direct entre l'outillage et les zones de canal pour éviter une surchauffe localisée et l'érosion du revêtement en aluminium.

Étape 6 : Brasage au four continu à l'azote (étape de contrôle de la température à cœur)

Le four est divisé en quatre zones : Zone de préchauffage → Zone de chauffage → Zone de maintien du brasage → Zone de refroidissement. Maintenir une atmosphère d'azote avec une teneur en oxygène<10 ppm and dew point <−40℃ throughout the process.

Cycle thermique standard recommandé pour les plaques froides liquides composites en acier-aluminium

1. Zone de préchauffage (température ambiante → 450 degrés, 60 à 90 min) Un chauffage lent élimine l'humidité résiduelle et active progressivement le flux pour éviter la déformation de la pièce due au choc thermique. L'azote purge les cavités internes pour éliminer les contaminants volatils de l'huile.
2. Zone de chauffage (450 degrés → 570 degrés, 30 à 45 min) Le flux fond progressivement pour dissoudre l'alumine et éliminer simultanément les oxydes de surface de l'acier. Limiter la vitesse de chauffage inférieure ou égale à 4 degrés/min pour éviter la fissuration sous contrainte due à une différence excessive de température interfaciale entre l'acier et l'aluminium.
3. Zone de maintien du brasage (578 à 590 degrés, 3 à 6 min)

• Température maximale strictement plafonnée à 595 degrés : chaque augmentation de température de 10 degrés double le taux de croissance des composés intermétalliques Fe-Al. Des durées de maintien supérieures à 8 minutes conduisent à des couches fragiles trop épaisses.
• Un temps de maintien court est au cœur du brasage de l'acier -aluminium différent : il permet uniquement l'étalement complet de la charge et le remplissage des espaces tout en limitant l'interdiffusion du Fe-Al pour contrôler l'épaisseur de l'IMC inférieure à 5 μm.

4. Zone de refroidissement rapide (590 degrés → 200 degrés, refroidissement par air forcé à l'azote)

Un refroidissement rapide met fin à l'interdiffusion élémentaire à l'interface pour arrêter l'épaississement continu des couches fragiles. Il réduit également les contraintes résiduelles provenant du retrait différentiel de l'aluminium et de l'acier, éliminant ainsi le gauchissement des canaux et les microfissures dans les joints de brasure.

Étape 7 : Nettoyage après-brasage et purification de la cavité interne

1. Surfaces externes : éliminez les scories de flux par un jet d'air chaud à haute-pression et un lavage acide doux.

2. Traitement critique de la cavité interne : circulation d'eau pure à haute-pression suivie d'un soufflage d'air comprimé-pour éliminer complètement les scories de flux détachées et la poudre d'aluminium, évitant ainsi le blocage des microcanaux et une résistance à l'écoulement élevée.

3. Sécher et sceller les pièces finies pour éviter la re-rouille des substrats en acier.

Étape 8 : Tests de performances spécialisés pour les plaques froides liquides

1. Test d'étanchéité aux gaz/Fuite à l'Hélium : Taux de fuite Inférieur ou égal à 1×10⁻⁶ Pa·m³/s.
2. Inspection par échantillonnage métallographique : épaisseur IMC de l'interface acier-aluminium<5 μm, no continuous thick brittle layers.
3. Mesure de la résistance à l'écoulement : comparez les données de test aux valeurs de conception pour identifier les blocages causés par les billes de brasage à l'intérieur des canaux.
4. Test de cycle thermique (−40 degrés à 120 degrés, 500 cycles) : Aucune fuite ou délaminage interfacial autorisé.

III. Schémas de correspondance pour les matériaux clés

1. Flux : Flux NOCOLOK standard non-corrosif. Des activateurs à base de silicium à l'état de traces-peuvent être ajoutés pour les joints différents en acier-aluminium afin d'améliorer la mouillabilité des surfaces en acier au carbone et en acier inoxydable.
2. Métal d'apport plaqué : 4343 (7,5 % de Si, point de fusion de 577 degrés) est le choix principal. 4045 (10 % de Si, point de fusion de 565 degrés) est adopté pour les plaques froides liquides à haute densité de flux thermique afin d'atténuer les restrictions sur la fenêtre de température de brasage.
3. Substrat en acier

• Applications légères à basse-pression : acier au carbone laminé à froid-SPCC (pré-passivation requise pour résister à l'oxydation à haute-température).
• Applications résistantes à la corrosion-et à haute-pression : acier inoxydable 304, qui offre une mouillabilité de brasage NOCOLOK supérieure à celle de l'acier au carbone, à un coût de matériau plus élevé.

4. Couche centrale en aluminium : 3003 Al-alliage de Mn avec une bonne résistance à l'érosion et une résistance moyenne à la corrosion. 5xxx-magnésium de la série-contenant des alliages d'aluminium sont strictement interdits.

IV. Impacts des paramètres de processus de base sur les interfaces acier-aluminium et les performances de refroidissement liquide

1. Température de brasage

• <575℃: Incomplete filler melting, poor steel surface wettability, incomplete bonding, and insufficient channel pressure resistance.
• 578–590 degrés : fenêtre de processus optimale formant de fines couches métallurgiques IMC continues.
• 595 degrés : une diffusion massive d'aluminium dans l'acier génère du FeAl épais et cassant₃ couches, réduisant ainsi la résistance au cisaillement des joints de plus de 40 %. L'érosion du revêtement en aluminium amincit les ailettes du canal et affaiblit la résistance à la pression ; des cordons de brasage excessifs rétrécissent les canaux et augmentent considérablement la résistance à l'écoulement

2. Temps de détention

Tenir plus de 6 minutes accélère l’épaississement de l’IMC. Pour les plaques froides à microcanaux à paroi mince, limitez le temps de maintien maximum à 4 minutes.

3. Pureté de l'atmosphère d'azote

Oxygen content >15 ppm déclenchent une oxydation persistante de l'aluminium et de l'acier lors du chauffage, accélérant la consommation de flux et provoquant des zones non soudées localisées et des soufflures de soudure. Les scories d'oxydation piégées à l'intérieur des cavités bloquent les microcanaux.

4. Pression de serrage de l'outillage

• Pression insuffisante : l'aluminium se dilate et se sépare de l'acier pendant le chauffage, élargissant les espaces de brasage, provoquant un ruissellement de charge et des vides interfaciaux qui augmentent la résistance thermique et dégradent les performances de dissipation thermique.
• Pression excessive : les sections transversales des canaux-sont extrudées et rétrécies, ce qui entraîne une résistance à l'écoulement très-hors-des spécifications ou même des ailettes de refroidissement écrasées.

5. Poids du revêtement de flux

• Flux excessif : les résidus de scories fluorées après-brasage piégés à l'intérieur des cavités bloquent les microcanaux et provoquent une corrosion à long-des parois en aluminium.
• Flux insuffisant : l'élimination incomplète des oxydes de surface de l'acier provoque des interfaces localisées non liées -, sujettes aux fuites sous cycle thermique.

V. Causes fondamentales typiques des défauts et contre-mesures de contrôle du processus (exclusives pour les plaques froides liquides)

1. Couches IMC épaisses et cassantes aux interfaces acier-aluminium, fissures et fuites après un cycle thermique

Causes profondes : température de pointe excessive, temps de maintien prolongé, vitesse de chauffage excessivement lente.

Contre-mesures : plafonner la température maximale en dessous de 590 degrés, raccourcir le temps de maintien à 3 à 5 minutes, appliquer un refroidissement rapide forcé après la sortie du four et adopter un métal d'apport 4045 à point de fusion bas-point de fusion- pour abaisser la température maximale de brasage.

2. Mauvaise mouillabilité de la surface de l'acier, liaison incomplète et zones locales non soudées

Causes profondes : élimination de la rouille et dégraissage inadéquats sur les surfaces en acier, concentration de flux insuffisante, point de rosée du four élevé. Contre-mesures : Pré-passiver les pièces en acier, brosser localement un flux à forte concentration-sur les joints en acier-aluminium et stabiliser le point de rosée du four en dessous de −40 degrés.

3. Perles de brasage du canal interne, blocages et résistance excessive à l’écoulement

Causes profondes : revêtement en métal d'apport trop épais, temps de maintien prolongé, pression d'outillage inégale, revêtement de flux excessif. Contre-mesures : contrôlez l'épaisseur du revêtement, raccourcissez la durée de maintien, effectuez un post-brasage de rinçage interne à haute-pression-et optimisez l'outillage pour une compression uniforme.

4. Déformation de la plaque froide liquide et constriction de la section transversale du canal

Causes profondes : inadéquation de la dilatation thermique de l'acier -aluminium, vitesse de refroidissement lente, pression d'outillage déséquilibrée. Contre-mesures : chauffage et refroidissement par étapes, refroidissement rapide à l'azote après le brasage, outillage à pression uniforme symétrique - et contrôle de température par zones pour minimiser les gradients de température.

5. Trous de soudure denses et fuite d’hélium

Causes profondes : humidité résiduelle due à un nettoyage incomplet, séchage insuffisant du flux, teneur élevée en oxygène du four.

Contre-mesures : prolongez l'étape de séchage à 180 degrés, refroidissez complètement les pièces avant de charger le four et maintenez une purge continue à l'azote de haute pureté-.

6. Corrosion des canaux et fuites par piqûres à long terme

Causes profondes : Résidus de flux NOCOLOK non éliminés piégés à l’intérieur des cavités.

Contre-mesures : rinçage à l'eau pure à circulation multi-passes après-brasage, suivi d'une purge à l'air comprimé des zones mortes dans les canaux avant séchage.

VI. Avantages et inconvénients du brasage NOCOLOK par rapport au brasage sous vide pour les plaques froides liquides en acier-aluminium

Avantages

1. La production de masse via des fours à bande continue à mailles offre un débit élevé, avec un coût unitaire deux fois moins élevé que celui du brasage sous vide.
2. Les cycles thermiques réglables en continu minimisent la déformation des plaques composites en -acier à paroi mince-aluminium.
3. Le flux élimine activement les films d'oxyde double sur l'acier et l'aluminium, présentant une mouillabilité supérieure pour des métaux différents par rapport au brasage sous vide sans flux-.
4. Convient à la fabrication en série de plaques froides liquides intégrées avec des structures complexes en serpentine et à microcanaux

Inconvénients

1. Les procédures de rinçage supplémentaires des cavités internes augmentent les coûts de contrôle de la propreté.
2. Les alliages d'aluminium de la série magnésium-sont incompatibles, ce qui limite la plage de sélection des matériaux.
3. Un contrôle strict des résidus de flux est obligatoire ; les microcanaux sont susceptibles de se bloquer, ce qui augmente la difficulté de la gestion des spécifications de résistance à l'écoulement.
4. Les plaques froides liquides hermétiques sous ultra-vide poussé pour les applications aérospatiales nécessitent un traitement de passivation post-supplémentaire après brasage.

VII. Concepts de conception d'optimisation des processus (équilibre entre la résistance des soudures et la faible résistance à l'écoulement)

1. Optimisation de la métallurgie interfaciale : adopter des cycles thermiques de maintien à basse-température courte-pour limiter l'épaisseur Fe-Al IMC à moins de 5 μm, garantissant ainsi la solidité des joints et la résistance aux cycles thermiques.
2. Préservation des dimensions du canal : appliquez une pression d'outillage uniforme et contrôlez strictement la température maximale pour éviter la déformation de l'extrusion du canal et la constriction de la section transversale due à l'érosion du métal de base.
3. Contrôle de la propreté de la cavité interne en boucle fermée :{{1}gestion complète du processus couvrant le nettoyage, le séchage, le revêtement de flux de faible-poids et le rinçage post-brasage en plusieurs-étapes-pour éliminer les blocages de scories.
4. Atténuation des contraintes résiduelles : le chauffage et le refroidissement par étapes combinés à un refroidissement rapide après-brasage réduisent les contraintes résiduelles induites par le décalage de dilatation thermique de l'acier-aluminium, empêchant ainsi les microfissures des joints de brasage et la déformation des canaux.
5. Optimisation de l'adaptation des matériaux : associez des substrats en acier inoxydable avec du métal d'apport 4045 pour abaisser la température maximale de brasage, supprimer l'interdiffusion élémentaire interfaciale et réduire l'érosion des parois des canaux.

Notes de traduction

1. Les termes professionnels adoptent les normes de l’industrie du soudage/gestion thermique reconnues internationalement (NOCOLOK, IMC, résistance à l’écoulement, test de fuite à l’hélium, etc.).
2. Les formules métallurgiques, les nuances d'alliage, les paramètres de température/pression et les valeurs de tolérance conservent les spécifications numériques d'origine.
3. Les longues phrases logiques composées chinoises sont restructurées en paragraphes techniques anglais concis, conformes aux conventions internationales de rédaction de documents de processus.
4. La terminologie spécialisée dans la fabrication de plaques froides (microcanal, ailette, cordon de brasage, point de rosée, four à bande maillée) suit les expressions habituelles de l'industrie de la gestion thermique automobile.