WO2015086915A1 - Procédé de soudage par diffusion et puis par compression isostatique a chaud d'un ensemble comprenant une pluralité de plaques - Google Patents

Procédé de soudage par diffusion et puis par compression isostatique a chaud d'un ensemble comprenant une pluralité de plaques Download PDF

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WO2015086915A1
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welding
pressure
chamber
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Laurent CANDILLIER
Thomas MIGNOT
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Societe Technique Pour L'energie Atomique
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    • F28F9/0268—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box in the form of multiple deflectors for channeling the heat exchange medium

Definitions

  • the invention generally relates to diffusion welding methods.
  • the invention relates to a method of diffusion welding an assembly comprising a plurality of plates, the method being of the type comprising the following steps:
  • US790081 1 describes a process of this type, applied to the production of a chemical reactor with microchannels.
  • the uni-axial compression diffusion welding step is a step intended to obtain a first bond between the plates, which is not strong enough for the desired application. It is followed by a hot isostatic pressing step, which makes it possible to obtain a bond between the plates having the desired final mechanical strength.
  • the invention aims to provide a method that is more suitable for large objects.
  • the invention relates to a method of the aforementioned type, characterized in that the method further comprises the following steps:
  • the operating parameters in the uniaxial compression welding stage are chosen to directly obtain a connection between the plates which has the desired final mechanical strength.
  • the hot isostatic pressing step makes it possible to diffusion weld one or more accessories to the stack of plates, or to detension welded connections between the accessory (s) and the stack of plates.
  • Said welded connections are, for example, welds obtained by a TIG process, by an electron beam, or by any other method.
  • the accessories here are the elements other than the plates, which dress the stack. These accessories are for example flanges, shutter taps, covers, or any other accessory welded to the stack of plates.
  • the hot isostatic pressing step is not necessary to obtain between the plates of a link having the desired final mechanical strength.
  • the method may also include one or more of the following features, considered individually or in any technically feasible combination:
  • the plates are in TA6V;
  • the stack of plates is maintained for a duration of between 1 and 3 hours:
  • the uni-axial compression diffusion welding step is carried out by placing the stack of plates in a sealed enclosure, by heating the plates and at the same time exerting pressure on the plates along a substantially perpendicular determined compression axis; the plates, the pressure being created by a gas under pressure, filling a sealed pressure chamber of the enclosure;
  • the enclosure comprises a welding chamber in which the plates are arranged, the pressure being transmitted from the gas filling the pressure chamber to the plates by a flexible membrane which forms a gas-tight barrier between the pressure chamber and the welding chamber; ;
  • the plates are not locked in position relative to the enclosure in a plane perpendicular to the compression axis or are supported by elastic angles arranged between the stack and side shims disposed in the welding chamber, or directly between the stack and the sealed enclosure;
  • the plates are held in position relative to one another in a plane perpendicular to the compression axis by either weld points or weld seams, or by at least two centering axes parallel to the compression axis, each centering axis being engaged in orifices of the plates, said orifices being superimposed on each other parallel to the axis of compression, or by lateral angles;
  • the hot isostatic pressing step is carried out in the chamber, the membrane not being present so as to put in communication the pressure chamber and the welding chamber;
  • the assembly comprises a plurality of openings opening out of the assembly, the accessory attached to the exchanger body being one of a closing tape of one of the lights and a pierced flange a passage opening placed in coincidence with one of the lights;
  • the assembly comprises at least one manifold constituted by aligned orifices cut into the plates, the accessory being a fluid supply duct opening into the manifold, the duct being attached by welding on the exchanger body; and
  • each plate comprises a plurality of channels hollowed out at least in a first large face of the plate and separated from one another by isthms, the isthmns of each plate being diffusion welded to another adjacent plate in the stack during the uni-axial compression diffusion welding step.
  • FIG. 1 is a simplified schematic representation of a uni-axial compression diffusion welding device adapted for implementing the method of the invention
  • FIG. 2 is a schematic sectional representation of a stack of plates obtained according to the method of the invention after the uniaxial compression diffusion welding step;
  • FIG. 3 is a front view of a plate of the stack of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a simplified side view of a plate heat exchanger obtained according to the method of the invention, after the hot isostatic pressing stage;
  • FIG. 5 is a schematic representation illustrating a variant of the centering means of the plates;
  • FIG. 6 and 7 are perspective views of the stack of plates and accessories reported on this stack;
  • FIG. 8 is a partial sectional view of the stack of plates of Figures 6 and 7;
  • FIG. 9 is a partial view, in section, of a variant of the welding device of FIG.
  • the process of the invention is particularly intended for the manufacture of plate heat exchangers. It is more particularly intended for the manufacture of plate heat exchangers whose plates are made of a superplastic titanium alloy known under the acronym TA6V, when the zone of contact between the plates is of small extent with respect to the total surface of each plate .
  • TA6V superplastic titanium alloy
  • the fluid circulation passages consist of a network of channels dug in the large faces of the plates.
  • the channels are separated from each other by isthms, the free edge of the isthmus to be diffusion welded to the plate immediately above or immediately below in the stack.
  • the periphery of the plate, at the end of channels or on the periphery of the channels, called shore, has a large section with respect to that of the isthmus.
  • the shore has an excess length allowing the songs of the plates to fall about 10mm, this zone being generally poorly welded.
  • the method of the invention is well suited to plates made of materials subject to high creep under diffusion bonding conditions, requiring moderate contact pressure.
  • the welding device 100 shown in FIG. 1 is intended for implementing the method of the invention. It firstly makes it possible to weld together a set of plates 3, 1 1 by uni-axial compression diffusion. It also allows you to perform isostatic hot pressing operations.
  • the welding device 100 comprises:
  • the plates 3, 1 1 being disposed in the enclosure 100 parallel to each other, placed one on top of the other and forming a stack 104;
  • the enclosure comprises two chambers, a pressurized chamber 1 10 and another chamber 1 14 receiving the plates to be assembled connected to a vacuum device;
  • a device 106 for heating the sealed enclosure 102 either internal to the sealed enclosure such as heating resistors, or around the enclosure 102 such as an oven having heating resistors; a device 108 for pressurizing the plates along a determined compression axis C, substantially perpendicular to the plates 3, 9; the C axis is shown in Figure 1;
  • the device 108 for pressurizing comprises the pressure chamber 1 10 sealed in the chamber 102, and a circuit 1 12 for pressurizing the chamber 1 10.
  • the circuit 1 12 is provided to fill the pressure chamber 1 10 in gas and to maintain this chamber at a predetermined pressure.
  • the gas is typically an inert gas, for example argon or nitrogen.
  • the circuit 1 12 typically comprises a pressurizing device such as a pressurized gas supply or a compressor, and a pressure and purge control system. It is fluidly connected to the pressure chamber 1 10.
  • the welding device 100 further comprises:
  • a flexible membrane 1 16 forming a gas-tight barrier between the pressure chamber 1 10 and the welding chamber 1 14;
  • a compensation shim 122 on which a large lower face 124 of the stack of plates rests, intended to bring the upper face of the workpiece to be welded at the plane of the membrane;
  • lateral shims 142 arranged so as to occupy the empty space in the enclosure on the one hand and to ensure a stop in the displacement of the distribution shim 1 18 under the effect of the pressure in the event of creep of the plates to assemble.
  • the distribution shim 1 18 is interposed between the large upper face 120 of the stack of plates and the flexible membrane 1 16.
  • the pressure is transmitted from the gas filling the pressure chamber 1 10 through the membrane 1 16 to the distribution shim 1 18, then from the distribution shim 1 18 to the stack of plates 104.
  • the flexible membrane 1 16 is for example titanium alloy TA6V because of its superplastic behavior or type 304 stainless steel, or 304L, or 316 or 316L. It is a sheet of metal with a thickness typically between 0.5 and 2 mm.
  • the enclosure 102 comprises in the example shown a tank 128 and a cover 130.
  • the tank comprises a lower bottom 132 and a peripheral wall 134 integral with the lower bottom 130.
  • the peripheral wall 134 delimits, opposite the bottom 132, an opening 136.
  • the tank 128 internally defines the welding chamber 1 14.
  • the cover 130 has meanwhile an upper bottom 138 surrounded by an erected edge 139.
  • the cover 130 internally defines the pressure chamber 1 10.
  • the flexible membrane 1 16 is pinched by its peripheral edge between the upright edge 139 of the lid and the upper edge of the peripheral wall 134. It closes the opening 136. It also defines the pressure chamber 1 10 , opposite the upper bottom 138.
  • the shim 1 18 has a soft geometry - such as a radius - at the embedment of the membrane 1 16 on the enclosure 102 so as not to cause rupture of the membrane when the shim moves during the eventual creep plates 104 to assemble.
  • the enclosure 102 is made of refractory stainless steel such as for example a stainless steel 301.
  • the plates 3, 1 1 are thin plates. They each have a small thickness parallel to the axis C with respect to their dimensions perpendicular to the axis C.
  • the plates are typically made of a titanium alloy known under the acronym TA6V. They have, considered in a plane perpendicular to the axis C, all substantially the same shape.
  • the patterns machined in the plates 3 and 1 1 leave areas of continuity of material in the height of the stack 104 over its entire height in a homogeneous manner and sufficient to combat the creep tendency of the stack under the conditions of welding.
  • the stack 104 is delimited upwards, that is to say toward the pressure chamber 1 10 by the large upper face 120, which extends perpendicularly to the compression axis C. Downwards, the stack is delimited by the large lower face 124, which is turned towards the bottom bottom 132. The large lower face 124 is substantially perpendicular to the compression axis C. Laterally, that is to say in directions perpendicular to the compression axis C, the stack 104 is delimited by a lateral surface 140.
  • the compensation wedge 122 is a solid block resting on the bottom bottom 132. Typically, the wedge 122 has perpendicular to the compression axis C a cross section of that of the welding chamber.
  • the compensation shim 122 is typically made of stainless steel, for example steel 301, or 304 or 316
  • the compensation wedge has the function of bringing the upper face of the stack 104 into the plane of positioning of the membrane. It is necessary only if the stack 104 is lower than the chamber 1 14 or to finely adjust the positioning. The large lower face 124 of the stack 104 rests directly on the compensation wedge 122.
  • the lateral shims 142 are distributed around the stack 104, and are placed around the lateral surface 140 with a calibrated clearance. They are distributed around the compression axis C so as to block the plates 3, 1 1 in position with respect to the enclosure in all directions, in the case where the differential expansions between the lateral shims 142 and the stack 104 allow them to catch up to the play at the welding temperature.
  • the shims 142 extend, parallel to the compression axis C, substantially over the entire height of the stack 104.
  • the lateral shims 142 are made of stainless steel, for example type 301 stainless steel, or 304, or 316.
  • the shim 1 18 is placed above the large upper face 120 of the stack 104. It rests directly on the large upper face 120. It completely covers the large upper face 120 and extends in a perpendicular plane to the axis C, beyond the large face 120 to the peripheral wall 134. Thus, the lateral wedges 142 are interposed, parallel to the axis C, between the distribution shim 1 18 and the compensation wedge 122. They rest on the holds 122 and leave a clearance J under the hold 1 18.
  • J is here the cold clearance between the lateral shims 142 and the distribution plate 1 18, this plate being in support on the stack 104.
  • the shim 1 18 is provided to distribute the pressure transmitted by the membrane 1 16 on the large upper face 120 of the stack 104.
  • the distribution shim 1 18 typically has a very high stiffness at the welding temperature so as to counter the creep phenomena of the areas of the workpiece having a greater propensity for creep, such as the channel area.
  • the shim 1 18 may therefore be a plate of 10 to 100 mm of stainless steel type 301 or 304 or even a molybdenum alloy plate - or other material sufficiently rigid at the welding temperature - thicker if the design of the plates 3 and 1 1 does not limit creep under welding conditions.
  • the rigidity of the shim 1 18 allows, after catching the clearance J between the lateral shims 142 and the distribution shim 1 18, the welding temperature, to ensure welding by limiting the flow in the structure. The welding is then done at uniform contact pressure in all areas of continuity of material in the height of the stack.
  • the components in contact with the parts to be welded, or not to be welded together, are covered with an anti-diffusing agent or have incompatibilities of welding such as molybdenum or 304,316 steel vis-à-vis TA6V.
  • an anti-diffusing agent such as molybdenum or 304,316 steel vis-à-vis TA6V.
  • the sets and pairs of adjacent materials in the enclosure are chosen so that the workpiece is not significantly constrained during welding under the effect of temperature gradients and differential expansions, including included during heating and cooling.
  • the TA6V pair and stainless steel wedges are compatible with initial games of the order of a few tenths laterally (play tending to increase with temperature).
  • the heater 106 in the illustrated embodiment, is an oven symbolically represented by a dashed line in FIG.
  • the oven comprises a heated cavity of a size adapted to receive the enclosure 102.
  • the welding device 100 also comprises a centering device 144, designed to hold the plates 3, 1 1 in position relative to one another in a plane perpendicular to the compression axis C.
  • the centering device 144 comprises at least two centering pins 146, parallel to the compression axis C, and integral or not with the compensation wedge 122.
  • These axes 146 are rods which rise from the shim 122 and point to the cover 138. They are secured to the compensation wedge 122.
  • the plates 3, 1 1 have, as shown in Figure 2, orifices 148 in which are engaged the pins 146.
  • the orifices of the plates 3 , 1 1 are superimposed on each other along the axis of compression C.
  • the outer section of the axes 146 corresponds substantially to the internal section of the orifices 148.
  • the axes 146 extend over substantially the entire height of the stack 104, and arrive flush with the distribution shim 1 18, including temperature or after creep of the part to be assembled.
  • the axes can be made of stainless steel in the case of TA6V plates, if a mounting clearance is provided limiting the over-tightening during the reheating of the assembly, or in TA6V if it is planned to keep them in the stack of plates.
  • the axes also provide a certain rigidity to the assembly, for the loading operations and to avoid a collapse of the load during the application of the welding pressure.
  • the axes useful to allow precise alignment of the plates together, can be completed or replaced by weld seams or weld points on the plates, ideally made stack 104 in press.
  • the heater 106 may not be a furnace.
  • the heating device 106 is for example housed inside the enclosure 102. More specifically, it is housed in the welding chamber 1 14.
  • the device 106 comprises a plurality of heating elements pressed against the tank 128, inside of this tank 128. These heating elements are interposed in particular between the tank 128 and the compensation block 122, and between the tank 128 and the intermediate blocks 142.
  • the heating members are, for example, resistive members.
  • the centering device 144 comprises a plurality of flexible elastic angles 152 interposed between the lateral surface 140 and the lateral wedges 142, or directly the lateral surface 140 and the peripheral wall 134 of the tank . This preserves a vacuum around the stack 104, allowing the thermal expansion of the stack 104 by deformation of the angles 152.
  • the process of the invention is particularly suitable for the manufacture of a plate heat exchanger of the type shown in FIGS. 2, 3 and 4.
  • the exchanger 1 comprises:
  • each primary plate 3 having a first large face 5 in which a plurality of primary passages 7 are provided for the circulation of a first fluid, and a second large face 9, opposite to the first and devoid of primary passages;
  • each secondary plate 1 1 having a first large face 13 in which are formed a plurality of secondary passages 15 provided for the circulation of a second fluid, and a second large face 17, opposite to the first and devoid of secondary passages.
  • the heat exchanger 1 also comprises first and second collectors 19 and 21 for supplying the secondary passages 15 with secondary fluid and a single collector 23 for evacuating the secondary fluid leaving the secondary passages, into which the secondary passages 15.
  • the primary and secondary plates 3 and 1 1 are stacked on each other alternately, each primary plate being flanked by two secondary plates and reciprocally.
  • the arrangement of the superimposed isthmus channels seeks to homogenize the zones of continuity of material in the height of the stack 104 in order to limit the creep of the solid mass during welding.
  • the primary passages 7 are etched channels in the first major face 5 of each primary plate. These channels are opening at their opposite ends. They are open at the level of the first big face 5.
  • the secondary passages 15 are etched channels in the first large face 13 of each secondary plate January 1. At their upstream ends 25, they open into one of the two secondary supply manifolds 19 or 21. To their downstream ends 27, they open into the secondary discharge manifold. Each secondary passage 15 is open at the level of the large face 13.
  • the primary and secondary plates 3 and 11 are stacked so that the second large face 9 of a given primary plate is applied against the first large face 13 of the secondary plate located immediately below. Similarly, the second large face 17 of the secondary plate is applied against the first major face 5 of the primary plate located immediately below it.
  • the primary passages 7 are closed at the first large face 5 by the secondary plate located immediately above.
  • the secondary passages 15 are closed at the first large face 13 by the primary plate located immediately above.
  • the primary and secondary plates 3 and 1 1 are soldered to one another by diffusion, according to the method described below. They together form an exchanger body 105.
  • the primary and secondary plates 3 and 1 1 have substantially the same shape. These plates are elongated along a longitudinal axis X. They are all parallel to each other. They are typically substantially symmetrical with respect to a median plane P, containing the longitudinal axis X and substantially perpendicular to the plates.
  • the secondary discharge manifold 23 is located for example at a first longitudinal end 29 of the plates. More specifically, each plate has an opening 31 cut at its first end 29, the openings 31 of the different plates being placed in coincidence with each other. The openings 31 together define the collector 23. But one can imagine as many collectors 23 as necessary or a collector 23 not necessarily central.
  • first and second secondary supply manifolds 19 and 21 are for example placed at the second longitudinal end 32 of the plates. They are placed symmetrically to one another with respect to the median plane P. They are removed from this plane P. But we can imagine as many collectors as necessary, or even a single
  • Each plate has two openings 33, 35, the openings 33, 35 cut in the different plates being placed in coincidence with each other. They define together collectors 19 and 21 respectively.
  • the primary passages are separated from one another by isthms 59, which are typically continuous, each isthmus 59 separating two primary passages 7 neighbors of each other.
  • the isthms 59 are diffusion bonded to the second large face of the plate immediately above.
  • the secondary passages 15 of the same plate are separated from each other by isthms 66, which are continuous or have interruptions.
  • the isthms 66 are diffusion bonded to the second large face of the primary plate immediately above.
  • the isthmus 59, 66 have for example a width of 1 mm.
  • the heat exchanger typically includes, in addition to the primary and secondary plates 3 and 11, external plates 77 and 79, one above and one below the stack of primary and secondary plates.
  • the plates of the heat exchanger carry channels on their two large opposite faces.
  • the channels are separated from each other by isthms. These channels coincide with each other when the plates are stacked, as are the isthmus.
  • the channels facing each other between two given plates, at a primary level define primary passages 7.
  • the channels facing each other between two given plates, at a secondary level define secondary passages 15.
  • the heat exchanger 1 comprises, in addition to the exchanger body 105, several accessories attached to the exchanger body 105.
  • the heat exchanger as described above, comprises a plurality of lumens (collectors 19/21 / 23), opening out of the heat exchanger.
  • a first category of accessories corresponds to closing steps of these lights, or flanges pierced with orifices placed in coincidence with the end of a light.
  • the heat exchanger 1 comprises an outlet flange 81 welded by diffusion to the body of the exchanger 105.
  • the outlet flange 81 has an outlet orifice 82 placed in coincidence with one end of the exhaust manifold. 23.
  • the end of the exhaust manifold 23 opposite the flange 81 is closed by a tape 83 welded by diffusion on the exchanger body 105.
  • the heat exchanger 1 also comprises, at the two opposite ends of each supply manifold 19, 21, taps 84 welded by diffusion on the heat exchanger body 105.
  • the taps 84 close off the ends of the collectors.
  • the steps and flanges 81, 83, 84 are:
  • One or more pistons 2000 may however be arranged in the plate 1 to allow the membrane 1 16 to transmit fully the force both the force on the large face of the stack and on the end of the flange 81 or the tape 83 placed side plate 1 16 of the stack;
  • the circulation channels defining the primary passages 7 are opening at their opposite ends. They open by upstream ends on a first face 87 ( Figure 4) of the exchanger body 105, and by downstream ends on a second face 88 ( Figure 4) of the exchanger body 105.
  • the plate 3 is shown with areas of material 89, 90 extending beyond the lines 91, 92 intended to constitute the extreme longitudinal edges of the plate.
  • the edges of the various plates together form the first and second faces 87 and 88.
  • These areas of materials 89, 90 are cut during the welding process, as explained below, to obtain the exchanger body 105 from the stack of plates 104.
  • FIG. 3 also shows material zones 93 extending laterally on either side of the zone of the plate carrying the primary passages 7.
  • the orifices 148 are formed in these zones 93.
  • the zones 93 are typically not not completely cut during the welding process in order to retain the rods 146. Alternatively, these areas are cut, the exchanger body 105 then having no passages 85 or rods 146.
  • the heat exchanger 1 has a free primary inlet at the primary channels 7 of the face 87 and a free exhaust at the face 88.
  • the heat exchanger 1 comprises, for example, a single secondary inlet flange 97, serving the manifolds 19,21 each through several pipes 96. Other arrangements are possible depending on the implementation constraints of the heat exchanger ( Figure 4).
  • the ducts 96 are not diffusion bonded to the exchanger body 105 or to the flange 97. They are welded by any other suitable method, for example by a TIG process, by electron beam, etc.
  • An initial state is considered in which the enclosure 102 is empty, and is located outside the heating device 106.
  • the compensation block 122 is first put in place on the bottom bottom 132. Then, the plates 3, 1 1, 77, 79 are deposited on the compensation block 122. The plates 3, 1 1, 77, 79 are threaded so that the pins 146 are inserted into the orifices 148.
  • the lateral shims 142 in several pieces or in one piece, are then arranged.
  • the plates 3.1 1, 77, 79 are arranged parallel to each other, and are placed one on the other so as to form a stack 104.
  • the assembly of the plates 3.1 1, 77, 79 is done beforehand.
  • the plates are immobilized together by cords or welding spots, or via pins, and then introduced into the enclosure.
  • the compensation wedge 122 comprises pins 146.
  • the stack 104 consisting of plates 3, 1 1, 77, 79 is mounted directly on the shim, the assembly then being introduced into the welding device.
  • the shim 1 18 is deposited on the large upper face 120 of the stack 104.
  • the membrane 1 16 is then deposited so that its peripheral edge rests on the edge of the side wall 134, a central portion of the membrane 1 16 resting on the distribution block 1 18.
  • the cover 130 is then mounted on the tank 128, so as to pinch the peripheral edge of the membrane 1 16 between the flange 140 and the side wall 134.
  • the cover 130 is then secured to the vessel 128, by means not shown.
  • the air is then removed from the weld chamber 14 until a satisfactory vacuum level is achieved, ideally a secondary vacuum.
  • the welding chamber is then filled with an inert gas, such as argon or nitrogen.
  • an inert gas such as argon or nitrogen.
  • the chamber 102 is placed in the oven cavity 106 possibly preheated beforehand, and the heating of the oven is started.
  • a first pressure heel of a few bars - typically 5 to 10 bars - is then injected into the pressure chamber to immobilize the stack 104.
  • the gas pressure in the pressure chamber 1 10 by the pressurizing device 1 12 is then set to have the desired pressure / temperature torque.
  • the stack of plates 104 is maintained at the desired pressure / temperature pair during a plateau lasting between 1 and 3 hours.
  • the temperature is controlled so that the plates 3, 1 1 are at a welding bearing temperature of, for TA6V, between the annealing temperature - about 700 ° C. - and a temperature corresponding to the beta transus of the alloy less 50 ° C, so as to maintain the initial structure of the alloy and limit microstructural evolutions, advantageously between 700 and 750 ' ⁇ .
  • the gas pressure in the pressure chamber 1 10, during the welding bearing, is controlled to a value such that the contact pressure induced at the joints to be welded is at least equal to the contact pressure required for welding for the welding. chosen welding temperature, without exceeding the pressure for which creep becomes unacceptable.
  • the contact pressure is between 20 and 50 bar.
  • the contact pressure to be aimed is 10 to 20 bar to ensure a sufficient level of diffusion .. The lower the pressure, the lower overall creep.
  • the abutment of the shim 1 18 on the lateral shims 142 prevents excessive creep of the stack.
  • the clearance J is determined so that the rods 146 do not come into contact with the shim 120.
  • the heat is transmitted to the plates through the tank 128 and through the shims 142, 122 and 1 18.
  • the gas of the pressure chamber 1 10 exerts on the plates a force only along the axis of compression C. This force is transmitted first to the membrane 1 16, then from the membrane 1 16 to the distribution shim 1 18 , then of the distribution block 1 18 to the stack of plates 104. It is taken up by the compensation block 122.
  • the method of the invention aims to obtain a heat exchanger whose plates, in the final state, are bonded to each other with a predetermined mechanical resistance R.
  • the smooth progress of the operation can be achieved by mechanical tests on samples 1000 placed in non-useful areas of the stack 104, far enough from the edge edges of the stack 104.
  • the method then comprises a step during which the exchanger body 105 is cut, that is to say cut, in the stack of plates 104. This step makes it possible in particular to create the faces 87 and 88 of the body. exchanger 105.
  • the method of the invention after the uni-axial compression diffusion welding step, comprises the following steps: - Assemble at least one accessory on the exchanger body 105 from the stack of plates 104;
  • the accessories reported on the exchanger body 105 are non-plate elements which are attached to the exchanger body 105. These accessories include one or more of the items listed above, namely:
  • the outlet flange 81 and the taps 83, 84 are preferably welded to the heat exchanger body 105, by sealed welds 3001, 3002, 3003, 3004 making it possible to generate diffusion planes 3000, 3005 that can be welded by diffusion. during the isostatic compaction cycle.
  • the electron beam welding process because of its ability to transparent welding and its implementation under vacuum, is particularly well suited to the realization of the last sealing weld making sealing tightness see Figure 7.
  • This assembly step does not give the connection between the flanges / tapes and the exchanger body the desired final strength.
  • the method of the invention aims to obtain a heat exchanger whose pipes 96, in the final state, are fixed with a predetermined mechanical strength R 'to the exchanger body 105.
  • the conduits 96 are reported by welding on the body This welding constitutes, from the outset, a connection having the predetermined mechanical strength R ', before the hot isostatic pressing step.
  • This welding is performed by a TIG process, or by electron beam or by any other suitable method.
  • the exchanger body 105 and the accessories are placed in a compaction furnace or advantageously reintroduced into the sealed enclosure without putting in place the membrane, which makes it possible to expose the exchanger body 105 and the accessories to the gas pressure.
  • a supplementary welding cycle of completion, of the hot isostatic compaction type, is performed on the previously welded seals 3000, 3005
  • the exchanger body 105 and the accessories are maintained for a period of between 1 and 3 hours: at a temperature between the annealing temperature and the temperature corresponding to the beta transus of the alloy minus 50 ° C., that is to say substantially in the same temperature range as that of the uniaxial compression step;
  • the pressure is between 20 bar and 1200 bar, preferably between 500 bar and 1200 bar.
  • This isostatic compression step makes it possible to ensure the diffusion welding of the outlet flange 81 and the steps 83, 84 on the exchanger body 105 via the welding of the joints 3001, 3005.
  • the flange 81 and the steps 83, 84 are for example TA6V or TA3V.
  • this step makes it possible to relax the welds solidarisant these elements on the body of exchanger 105.
  • the initial welding ducts 96 and other accessories on the stack of plates 104 creates thermomechanical stresses in the thermally affected areas adjacent to the welds, as these areas are locally carried at high temperature. These thermomechanical stresses remain after cooling of the weld and said zones.
  • the isostatic compression step constitutes a thermal cycle making it possible to relieve the heat-affected zones and to eliminate - or greatly reduce - the residual thermomechanical stresses.
  • the hot isostatic pressing stage can also be used to complete a standard welding cycle whose samples on excess length 1000 would have revealed an insufficient quality.
  • the metallurgical state at the end of the compaction cycle can be validated by mechanical and metallographic tests on lengths 1001.
  • the method of the invention has many advantages.
  • the contact pressure in the assembly By using a gas to press the plates against each other, it is possible to control the contact pressure in the assembly in a fine manner, the latter resulting directly from the pressure evenly distributed on the surface of the plates to be assembled. . This is particularly important when the plates are subject to high creep, for example for TA6V-type titanium alloy plates, which exhibit superplastic hot behavior.
  • the gas pressurization also allows to change the contact pressure in a very simple way, smoothly but quickly - 2 bar minutes - to limit the creep stresses during the heating phases or during cooling on the one hand, and to dissociate the application of the pressure of the temperature on the other hand.
  • the homogeneous distribution of material continuity zone in the assembly constitutes a first key in the control of the creep during the welding of the assembly.
  • the method can be completed easily with a stop device to limit the crushing of the solid mass and finally to achieve the welding under imposed displacement and non imposed effort.
  • the stress is uniform in all areas of continuity of material, which eliminates any risk of differential creep.
  • an imposed force welding can cause a large creep in the weakest zones, the stress being increased tenfold by a piston effect between the section on which the membrane side force rests and the material continuity section in the area concerned.
  • a flexible membrane to separate the pressure chamber and the welding chamber makes it possible to ensure in a simple manner both the sealing of the welding chamber and the transmission of the pressure of the gas.
  • the membrane is chosen sufficiently flexible to follow the movements of the distribution wedge which could result from a slight slight deformation of the plates.
  • the most suitable membrane has superplastic properties (very long elongation) at the welding temperature conditions of the part.
  • a TA6V membrane may be used for a welding temperature of between 700 ° and 950 ° C. This displacement of the membrane 1 18 is done without breaking the seal of the pressure chamber 1 10 and the welding chamber 1 14.
  • the method of the invention is particularly suitable for large plates, for which the uniform distribution of pressure is difficult to control.
  • the method is also particularly advantageous for the plates which are in contact with one another by areas of small area with respect to the size of the plates. This is particularly the case, as indicated above, plate heat exchangers in which the fluid circulation channels are dug in the large faces of the plates. Poor control of the distribution of pressure on the surface of the plates can lead to a collapse of the isthmus separating the channels from each other.
  • the method and the device of the invention may have multiple variants.
  • control of the pressure distribution on the stack of plates is less critical, in particular because the material continuity structure in the stack 104 would be sufficient in section and homogeneity to resist creep, it is possible to make carry the membrane directly on the large upper face of the stack of plates.
  • the method has been described for an exemplary application of diffusion welding plates of a heat exchanger.
  • the invention is applicable to all kinds of plates, which are not necessarily intended to constitute a heat exchanger, or any other structure that seeks to assemble with joint planes perpendicular to the force exerted by the membrane.
  • the plates can be made of all kinds of materials, and are not necessarily made of titanium or a titanium alloy, although the typical welding conditions, less than 50 bar / 1000 ° C correspond well to the field of diffusion welding for titanium alloys. They can be made of stainless steel, carbon steel or any other type of metal, by adapting the welding time and the welding preparation state to the welding conditions available in the welding device.
  • the invention is particularly suitable in the case where the plates are welded to each other on areas whose extent is small relative to the total area of the plate. It is also applicable to solid plates, or to plates having recessed zones constituting only a small part of the surface of the plates.
  • the hot isostatic compaction step is not necessarily performed in the same device as the uni-axial compression diffusion welding. It can be performed in another device.

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Abstract

Un procédé de soudage par diffusion d'un ensemble comprenant une pluralité de plaques comprend les étapes suivantes : - empiler les plaques, - souder les plaques de l'empilement (104) par diffusion à compression uni-axiale, - assembler au moins un accessoire sur un corps d'échangeur issu de l'empilement (104) de plaques, et soumettre le corps d'échangeur et l'accessoire à une compression isostatique à chaud.

Description

PROCÉDÉ DE SOUDAGE PAR DIFFUSION ET PUIS PAR COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD D'UN ENSEMBLE COMPRENANT UNE PLURALITÉ DE PLAQUES
L'invention concerne en général les procédés de soudage par diffusion.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de soudage par diffusion d'un ensemble comprenant une pluralité de plaques, le procédé étant du type comprenant les étapes suivantes :
- placer les plaques parallèlement les unes aux autres, posées les unes sur les autres, en formant un empilement ;
- souder les plaques de l'empilement les unes aux autres par diffusion à compression uni-axiale.
US790081 1 décrit un procédé de ce type, appliqué à la réalisation d'un réacteur chimique à micro-canaux. L'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale est une étape visant à obtenir une première liaison entre les plaques, qui n'est pas suffisamment forte pour l'application recherchée. Elle est suivie d'une étape de compression isostatique à chaud, qui permet d'obtenir une liaison entre les plaques ayant la résistance mécanique finale recherchée.
Après ces deux étapes, divers accessoires doivent être rapportés sur l'empilement de plaques, par exemple pour permettre l'alimentation des micro-canaux en réactifs chimiques.
Un tel procédé est assez complexe à mettre en œuvre sur un appareil volumineux.
Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un procédé qui soit plus adapté à des objets de grandes dimensions.
A cette fin, l'invention porte sur un procédé du type précité, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre les étapes suivantes :
- assembler au moins un accessoire sur l'empilement de plaques ;
- soumettre l'empilement de plaques et l'accessoire à une compression isostatique à chaud.
Les paramètres de fonctionnement à l'étape de soudage par compression uni- axiale sont choisis pour obtenir directement une liaison entre les plaques qui ait la résistance mécanique finale recherchée.
L'étape de compression isostatique à chaud permet de souder par diffusion un ou plusieurs accessoires sur l'empilement de plaques, ou de détensionner des liaisons soudées entre le ou les accessoires et l'empilement de plaques. Lesdites liaisons soudées sont par exemple des soudures obtenues par un procédé TIG, par faisceau d'électron, ou par tout autre procédé. Les accessoires sont ici les éléments autres que les plaques, qui habillent l'empilement. Ces accessoires sont par exemples des brides, des tapes d'obturation, des capots, ou tout autre accessoire soudé sur l'empilement de plaques.
L'étape de compression isostatique à chaud n'est pas nécessaire pour l'obtention entre les plaques d'une liaison ayant la résistance mécanique finale recherchée.
Le procédé peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- les plaques sont en TA6V ;
- à l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale, l'empilement de plaques est maintenu pendant une durée comprise entre 1 et 3 heures :
. à une température comprise entre une température de recuit du matériau constituant les plaques et le transus béta moins 50 'Ό pour ledit matériau ;
. à une pression comprise entre 20 et 50 bars ;
- l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale est réalisée en plaçant l'empilement de plaques dans une enceinte étanche, en chauffant les plaques et en exerçant en même temps une pression sur les plaques selon un axe de compression déterminé sensiblement perpendiculaire aux plaques, la pression étant créée par un gaz sous pression, remplissant une chambre de pression étanche de l'enceinte ;
- l'enceinte comprend une chambre de soudage dans laquelle sont disposées les plaques, la pression étant transmise du gaz remplissant la chambre de pression aux plaques par une membrane souple qui forme une barrière étanche aux gaz entre la chambre de pression et la chambre de soudage ;
- pendant l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale, les plaques ne sont pas bloquées en position par rapport à l'enceinte dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression ou le sont par des cornières élastiques disposées entre l'empilement et des cales latérales disposées dans la chambre de soudage, ou directement entre l'empilement et l'enceinte étanche ;
- pendant l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale, les plaques sont maintenues en position les unes par rapport aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression par soit des points de soudures, soit des cordons de soudures, soit par au moins deux axes de centrage parallèles à l'axe de compression, chaque axe de centrage étant engagé dans des orifices des plaques, lesdits orifices étant superposés les uns aux autres parallèlement à l'axe de compression, soit par des cornières latérales ; - l'étape de compression isostatique à chaud est effectuée dans l'enceinte, la membrane n'étant pas présente de manière à mettre en communication la chambre de pression et la chambre de soudage ;
- à l'étape de compression isostatique à chaud, le corps d'échangeur et l'accessoire, sont maintenus pendant une durée comprise entre 1 et 3 heures :
. à une température comprise entre la température de recuit et la température du Transus beta moins 50 'Ό;
. à une pression comprise entre 20 bars et 1200 bars, de préférence entre 500 bars et 1200 bars ;
- l'ensemble comporte une pluralité de lumières débouchant à l'extérieur de l'ensemble, l'accessoire rapporté sur le corps d'échangeur étant l'un d'une tape de fermeture d'une des lumières et d'une bride percé d'un orifice de passage placé en coïncidence avec l'une des lumières ;
- l'ensemble comporte au moins un collecteur constitué d'orifices alignés découpés dans les plaques, l'accessoire étant un conduit d'alimentation en fluide débouchant dans le collecteur, le conduit étant rapporté par soudage sur le corps d'échangeur ; et
- chaque plaque comprend une pluralité de canaux creusés au moins dans une première grande face de la plaque et séparés les uns des autres par des isthmes, les isthmes de chaque plaque étant soudés par diffusion à une autre plaque voisine dans l'empilement au cours de l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique simplifiée d'un dispositif de soudage par diffusion à compression uni-axiale adapté pour la mise en œuvre du procédé de l'invention ;
- la figure 2 est une représentation schématique en coupe d'un empilement de plaques obtenu conformément au procédé de l'invention après l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale;
- la figure 3 est une vue de face d'une plaque de l'empilement de la figure 2 ;
- la figure 4 est une vue de côté, simplifiée, d'un échangeur de chaleur à plaques obtenu conformément au procédé de l'invention, après l'étape de compression isostatique à chaud ;
- la figure 5 est une représentation schématique illustrant une variante des moyens de centrage des plaques ; - les figures 6 et 7 sont des vues en perspective de l'empilement de plaques et d'accessoires rapportés sur cet empilement ;
- la figure 8 est une vue partielle en coupe de l'empilement de plaques des figures 6 et 7 ; et
- la figure 9 est une vue partielle, en coupe, d'une variante du dispositif de soudage de la figure 1 .
Le procédé de l'invention est notamment destiné à la fabrication d'échangeurs à plaques. Il est plus particulièrement destiné à la fabrication d'échangeurs à plaques dont les plaques sont en un alliage de titane superplastique connu sous le sigle TA6V, quand la zone de contact entre les plaques est de faible étendue au regard de la surface totale de chaque plaque.
Ceci est le cas notamment des échangeurs de chaleur à plaques dans lesquels les passages de circulation des fluides sont constitués d'un réseau de canaux creusé dans les grandes faces des plaques. Les canaux sont séparés les uns des autres par des isthmes, le bord libre des isthmes devant être soudés par diffusion sur la plaque située immédiatement au-dessus ou immédiatement en dessous dans l'empilement.
La périphérie de la plaque, en extrémité de canaux ou sur les pourtours des canaux, dénommée rive, présente une grande section au regard de celle des isthmes. La rive comporte une surlongueur permettant notamment la chute des chants des plaques sur environ 10mm, cette zone étant généralement mal soudée.
Le procédé de l'invention est bien adapté à des plaques en des matériaux sujets à un fort fluage dans les conditions de soudage par diffusion, nécessitant une pression de contact modérée.
Le dispositif de soudage 100 représenté sur la figure 1 est destiné à la mise en œuvre du procédé de l'invention. Il permet en premier lieu de souder les unes aux autres un ensemble de plaques 3, 1 1 par diffusion à compression uni-axiale. Il permet également d'effectuer des opérations de compression isostatique à chaud.
Le dispositif de soudage 100 comprend :
- une enceinte étanche 102, les plaques 3, 1 1 étant disposées dans l'enceinte 100 parallèles les unes aux autres, posées les unes sur les autres et formant un empilement 104 ; l'enceinte comporte deux chambres, une chambre pressurisée 1 10 et une autre chambre 1 14 recevant les plaques à assembler raccordée à un dispositif de mise sous vide ;
- un dispositif 106 de chauffage de l'enceinte étanche 102, soit interne à l'enceinte étanche comme des résistances chauffantes, soit autour de l'enceinte 102 comme un four comportant des résistances chauffantes ; - un dispositif 108 de mise en pression des plaques selon un axe de compression C déterminé, sensiblement perpendiculaire aux plaques 3, 9 ; l'axe C est matérialisé sur la figure 1 ;
- un dispositif 200 de mise au vide de la chambre 1 14 de l'enceinte étanche recevant les plaques ;
- éventuellement un dispositif 202 reprenant l'effet de fond lié à la pression, si l'enceinte étanche 102 n'est pas dimensionné pour le faire par elle-même.
Le dispositif 108 de mise en pression comprend la chambre de pression 1 10 étanche ménagée dans l'enceinte 102, et un circuit 1 12 de pressurisation de la chambre 1 10. Le circuit 1 12 est prévu pour remplir la chambre de pression 1 10 en gaz et pour maintenir cette chambre à une pression prédéterminée.
Le gaz est typiquement un gaz inerte, par exemple de l'argon ou l'azote.
Le circuit 1 12 comporte typiquement un dispositif de pressurisation comme une réserve de gaz sous pression ou un compresseur, et un système de régulation de pression et de purge. Il est raccordé fluidiquement à la chambre de pression 1 10.
Le dispositif de soudage 100 comporte encore :
- une membrane souple 1 16 formant une barrière étanche aux gaz entre la chambre de pression 1 10 et la chambre de soudage 1 14 ;
- une cale de répartition 1 18 placée en appui sur une grande face supérieure 120 de l'empilement de plaques ;
- une cale de compensation 122 sur laquelle repose une grande face inférieure 124 de l'empilement de plaques, destinée à amener la face supérieure de la pièce à souder au niveau du plan de la membrane ;
- des cales latérales 142 disposées de manière à occuper l'espace vide dans l'enceinte d'une part et à assurer une butée dans le déplacement de la cale de répartition 1 18 sous l'effet de la pression en cas de fluage des plaques à assembler.
Comme visible sur la figure 1 , la cale de répartition 1 18 est interposée entre la grande face supérieure 120 de l'empilement de plaques et la membrane souple 1 16.
Ainsi, la pression est transmise du gaz remplissant la chambre de pression 1 10 par la membrane 1 16 à la cale de répartition 1 18, puis depuis la cale de répartition 1 18 à l'empilement de plaques 104.
La membrane souple 1 16 est par exemple en alliage de titane TA6V du fait de son comportement superplastique ou en acier inoxydable de type 304, ou 304L, ou 316 ou 316L. C'est une feuille de métal d'une épaisseur typiquement comprise entre 0,5 et 2 mm.
L'enceinte 102 comporte dans l'exemple représenté une cuve 128 et un couvercle 130. La cuve comporte un fond inférieur 132 et une paroi périphérique 134 solidaire du fond inférieur 130. La paroi périphérique 134 délimite, à l'opposé du fond 132, une ouverture 136. La cuve 128 délimite intérieurement la chambre de soudage 1 14.
Le couvercle 130 comporte quant à lui un fond supérieur 138 entouré par un bord dressé 139. Le couvercle 130 délimite intérieurement la chambre de pression 1 10.
Dans l'exemple représenté, la membrane souple 1 16 est pincée par son bord périphérique entre le bord dressé 139 du couvercle et le bord supérieur de la paroi périphérique 134. Elle ferme l'ouverture 136. Elle délimite également la chambre de pression 1 10, à l'opposé du fond supérieur 138. La cale 1 18 présente une géométrie douce - comme un rayon - au niveau de l'encastrement de la membrane 1 16 sur l'enceinte 102 de sorte à ne pas engendrer de rupture de la membrane lors des déplacements de la cale lors du fluage éventuel des plaques 104 à assembler.
L'enceinte 102 est réalisée en acier inoxydable réfractaire comme par exemple un acier inoxydable 301 .
Les plaques 3, 1 1 sont des plaques minces. Elles présentent chacune une faible épaisseur parallèlement à l'axe C au regard de leurs dimensions perpendiculairement à l'axe C. Les plaques sont typiquement en un alliage de titane connu sous le sigle TA6V. Elles présentent, considérées dans un plan perpendiculaire à l'axe C, toutes sensiblement la même forme. Avantageusement, les motifs usinés dans les plaques 3 et 1 1 laissent des zones de continuités de matière dans la hauteur de l'empilage 104 sur toute sa hauteur de façon homogène et suffisante pour combattre la tendance au fluage de l'empilage dans les conditions de soudage.
L'empilement 104 est délimité vers le haut, c'est-à-dire vers la chambre de pression 1 10 par la grande face supérieure 120, qui s'étend perpendiculairement à l'axe de compression C. Vers le bas, l'empilement est délimité par la grande face inférieure 124, qui est tournée vers le fond inférieur 132. La grande face inférieure 124 est sensiblement perpendiculaire à l'axe de compression C. Latéralement, c'est-à-dire suivant des directions perpendiculaires à l'axe de compression C, l'empilement 104 est délimité par une surface latérale 140.
La cale de compensation 122 est un bloc massif reposant sur le fond inférieur 132. Typiquement, la cale 122 présente perpendiculairement à l'axe de compression C une section conjuguée de celle de la chambre de soudage. La cale de compensation 122 est typiquement en acier inoxydable, par exemple en acier 301 , ou 304 ou 316
La cale de compensation a pour fonction de ramener la face supérieure de l'empilage 104 dans le plan de positionnement de la membrane. Elle n'est nécessaire que si l'empilage 104 est moins haut que la chambre 1 14 ou pour régler finement le positionnement. La grande face inférieure 124 de l'empilement 104 repose directement sur la cale de compensation 122.
Les cales latérales 142, avantageusement monobloc, sont réparties autour de l'empilement 104, et sont placées autour de la surface latérale 140 avec un jeu calibré. Elles sont réparties autour de l'axe de compression C de manière à bloquer les plaques 3, 1 1 en position par rapport à l'enceinte selon toutes les directions, dans le cas où les dilatations différentielles entre les cales latérales 142 et l'empilage 104 permettent des les rattraper le jeu à la température de soudage.
Les cales 142 s'étendent, parallèlement à l'axe de compression C, sensiblement sur toute la hauteur de l'empilement 104.
Les cales latérales 142 sont en acier inoxydable, par exemple en acier inoxydable de type 301 , ou 304, ou 316.
La cale de répartition 1 18 est placée au-dessus de la grande face supérieure 120 de l'empilement 104. Elle repose directement sur la grande face supérieure 120. Elle recouvre entièrement la grande face supérieure 120 et s'étend, dans un plan perpendiculaire à l'axe C, au-delà de la grande face 120 jusqu'à la paroi périphérique 134. Ainsi, les cales latérales 142 sont interposées, parallèlement à l'axe C, entre la cale de répartition 1 18 et la cale de compensation 122. Elles sont en appui sur les cales 122 et laissent un jeu J sous la cale 1 18.
J est ici le jeu à froid entre les cales latérales 142 et le plaque de répartition 1 18, cette plaque étant en appui sur l'empilement 104.
La cale de répartition 1 18 est prévue pour répartir la pression transmise par la membrane 1 16 sur la grande face supérieure 120 de l'empilement 104.
La cale de répartition 1 18 présente typiquement une raideur très élevée à la température de soudage de sorte à contre carrer les phénomènes de fluage des zones de la pièce à souder présentant une propension au fluage plus importante, comme par exemple la zone de canaux. La cale 1 18 peut donc être une plaque de 10 à 100mm d'acier inoxydable type 301 ou 304 voire une plaque d'alliage de molybdène - ou autres matériau suffisamment rigide à la température de soudage - plus épaisse si la conception des plaques 3 et 1 1 ne permet pas de limiter le fluage dans les conditions de soudage. La rigidité de la cale 1 18 permet, après rattrapage du jeu J entre les cales latérales 142 et la cale de répartition 1 18, à la température de soudage, d'assurer un soudage en limitant le fluage dans la structure. Le soudage est alors fait à pression de contact uniforme dans toutes les zones de continuité de matière dans la hauteur de l'empilage.
Les composants en contact avec les pièces à souder, ou ne devant pas se souder entre elles, sont recouverts d'un anti diffusant ou présentent des incompatibilités de soudage comme par exemple le molybdène ou l'acier 304,316 vis-à-vis de TA6V. De surcroit, les jeux et les couples de matériaux voisins dans l'enceinte sont choisis de sorte à ce que la pièce à souder ne soit pas contrainte de façon significative pendant le soudage sous l'effet des gradients de température et des dilatations différentielles, y compris lors des réchauffages et refroidissements. Le couple TA6V et cales en acier inoxydable est compatible avec des jeux initiaux de l'ordre de quelques dixièmes latéralement (jeu ayant tendance à augmenter avec la température).
Le dispositif de chauffage 106, dans le mode de réalisation représenté, est un four représenté de manière symbolique par un trait mixte sur la figure 1 . Le four comporte une cavité chauffée, de taille adaptée pour recevoir l'enceinte 102.
Le dispositif de soudage 100 comporte encore un dispositif 144 de centrage, prévu pour maintenir les plaques 3, 1 1 en position les unes par rapport aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression C. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1 , le dispositif de centrage 144 comporte au moins deux axes de centrage 146, parallèles à l'axe de compression C, et solidaires ou non de la cale de compensation 122. Ces axes 146 sont des tiges qui se dressent à partir de la cale 122 et pointent vers le couvercle 138. Ils sont solidaires de la cale de compensation 122. Les plaques 3, 1 1 comportent, comme visible sur la figure 2, des orifices 148 dans lesquels sont engagés les axes 146. Les orifices des plaques 3, 1 1 sont superposés les uns aux autres selon l'axe de compression C. La section extérieure des axes 146 correspond sensiblement à la section interne des orifices 148.
Les axes 146 s'étendent sur pratiquement toute la hauteur de l'empilement 104, et arrivent au ras de la cale de répartition 1 18, y compris en température ou après fluage de la pièce à assembler. Les axes peuvent être en inox dans le cas de plaques en TA6V, si on prévoit un jeu de montage limitant le sur-serrage lors du réchauffage de l'ensemble, ou en TA6V si on envisage de les conserver dans l'empilement de plaques.
Les axes assurent aussi une certaine rigidité à l'ensemble, pour les opérations de chargement et pour éviter un effondrement de la charge lors de l'application de la pression de soudage. Les axes utiles pour permettre un alignement précis des plaques entre elles, peuvent être complétés ou remplacés par des cordons de soudure ou des points de soudure sur les plaques, idéalement réalisés empilement 104 sous presse.
Dans une variante non représentée, le dispositif de chauffage 106 peut ne pas être un four. Le dispositif de chauffage 106 est par exemple logé à l'intérieur de l'enceinte 102. Plus précisément, il est logé dans la chambre de soudage 1 14. Par exemple, le dispositif 106 comprend une pluralité d'organes chauffants plaqués contre la cuve 128, à l'intérieur de cette cuve 128. Ces organes chauffants sont interposés notamment entre la cuve 128 et la cale de compensation 122, et entre la cuve 128 et les cales intermédiaires 142.
Les organes chauffants sont par exemple des organes résistifs.
En variante, comme illustré sur la figure 5, le dispositif de centrage 144 comporte une pluralité de cornières élastiques souples 152, interposées entre la surface latérale 140 et les cales latérales 142, ou directement la surface latérale 140 et la paroi périphérique 134 de la cuve. On préserve ainsi un vide autour de l'empilement 104, permettant la dilatation thermique de l'empilement 104 moyennant la déformation des cornières 152.
Le procédé de l'invention est particulièrement adapté pour la fabrication d'un échangeur de chaleur à plaques du type représenté sur les figures 2, 3 et 4.
L'échangeur 1 comporte :
- une pluralité de plaques primaires 3, chaque plaque primaire 3 ayant une première grande face 5 dans laquelle sont réalisés une pluralité de passages primaires 7 prévus pour la circulation d'un premier fluide, et une seconde grande face 9, opposée à la première et dépourvue de passages primaires ;
- une pluralité de plaques secondaires 1 1 , chaque plaque secondaire 1 1 ayant une première grande face 13 dans laquelle sont réalisés une pluralité de passages secondaires 15 prévus pour la circulation d'un second fluide, et une seconde grande face 17, opposée à la première et dépourvue de passages secondaires.
Dans l'exemple représenté, l'échangeur 1 comporte également des premier et second collecteurs 19 et 21 d'alimentation des passages secondaires 15 en fluide secondaire et un collecteur unique 23 d'évacuation du fluide secondaire sortant des passages secondaires, dans lequel débouchent les passages secondaires 15.
Comme visible sur la Figure 2, les plaques primaires et secondaires 3 et 1 1 sont empilées les unes sur les autres de manière alternée, chaque plaque primaire étant encadrée par deux plaques secondaires et réciproquement. L'aménagement des canaux à isthmes superposés, outre d'autres avantages thermohydrauliques, cherche à homogénéiser les zones de continuité de matière dans la hauteur de l'empilement 104 afin de limiter le fluage du massif lors du soudage. Les passages primaires 7 sont des canaux gravés dans la première grande face 5 de chaque plaque primaire. Ces canaux sont débouchant à leurs deux extrémités opposées. Ils sont ouverts au niveau de la première grande face 5.
De même, les passages secondaires 15 sont des canaux gravés dans la première grande face 13 de chaque plaque secondaire 1 1 . A leurs extrémités amont 25, ils débouchent dans l'un des deux collecteurs d'alimentation secondaire 19 ou 21 . A leurs extrémités aval 27, ils débouchent dans le collecteur d'évacuation secondaire. Chaque passage secondaire 15 est ouvert au niveau de la grande face 13.
Les plaques primaires et secondaires 3 et 1 1 sont empilées de telle sorte que la seconde grande face 9 d'une plaque primaire donnée soit appliquée contre la première grande face 13 de la plaque secondaire située immédiatement en dessous. De même, la seconde grande face 17 de la plaque secondaire est appliquée contre la première grande face 5 de la plaque primaire située immédiatement en dessous d'elle. Ainsi, les passages primaires 7 sont fermés au niveau de la première grande face 5 par la plaque secondaire située immédiatement au-dessus. De même, les passages secondaires 15 sont fermés au niveau de la première grande face 13 par la plaque primaire située immédiatement au- dessus.
Les plaques primaires et secondaires 3 et 1 1 sont soudées les unes aux autres par diffusion, selon le procédé décrit plus loin. Elles forment ensemble un corps d'échangeur 105.
Comme visible sur les Figures 2 et 3, les plaques primaires et secondaires 3 et 1 1 présentent sensiblement la même forme. Ces plaques sont allongées suivant un axe longitudinal X. Elles sont toutes parallèles les unes aux autres. Elles sont typiquement sensiblement symétriques par rapport à un plan médian P, contenant l'axe longitudinal X et sensiblement perpendiculaire aux plaques.
Le collecteur d'évacuation secondaire 23 est situé par exemple à une première extrémité longitudinale 29 des plaques. Plus précisément, chaque plaque présente une ouverture 31 découpée à sa première extrémité 29, les ouvertures 31 des différentes plaques étant placées en coïncidence les unes avec les autres. Les ouvertures 31 définissent ensemble le collecteur 23. Mais on peut imaginer autant de collecteurs 23 que nécessaires ou un collecteur 23 pas forcement central.
Au contraire, les premier et second collecteurs d'alimentation secondaire 19 et 21 sont par exemple placés à la seconde extrémité longitudinale 32 des plaques. Ils sont placés de manière symétrique l'un de l'autre par rapport au plan médian P. Ils sont écartés de ce plan P. Mais on peut imaginer autant de collecteurs que nécessaire, voire un seul
Chaque plaque présente deux ouvertures 33, 35, les ouvertures 33, 35 découpées dans les différentes plaques étant placées en coïncidence les unes avec les autres. Elles définissent ensemble respectivement les collecteurs 19 et 21 .
Comme visible sur la Figure 2, les passages primaires sont séparés les uns des autres par des isthmes 59, typiquement continus, chaque isthme 59 séparant deux passages primaires 7 voisins l'un de l'autre. Les isthmes 59 sont soudés par diffusion à la seconde grande face de la plaque située immédiatement au-dessus.
Les passages secondaires 15 d'une même plaque sont séparés les uns des autres par des isthmes 66, qui sont continus ou qui présentent des interruptions.
Les isthmes 66 sont soudés par diffusion à la seconde grande face de la plaque primaire située immédiatement au-dessus.
Les isthmes 59, 66 ont par exemple une largeur de 1 mm.
L'échangeur de chaleur comporte typiquement, en plus des plaques primaires et secondaires 3 et 1 1 , des plaques externes 77 et 79, plaquées l'une au-dessus et l'autre en dessous de l'empilement de plaques primaires et secondaires.
Dans une variante de réalisation non représentée, les plaques de l'échangeur de chaleur portent des canaux sur leurs deux grandes faces opposées. Les canaux sont séparées les unes des autres par des isthmes. Ces canaux coïncident les uns avec les autres quand les plaques sont empilées, de même que les isthmes. Les canaux en vis-à- vis situés entre deux plaques données, à un niveau primaire, définissent des passages primaires 7. Les canaux en vis-à-vis situées entre deux plaques données, à un niveau secondaire, définissent des passages secondaires 15.
Comme visible sur la figure 5, l'échangeur de chaleur 1 comporte, en plus du corps d'échangeur 105, plusieurs accessoires rapportés sur le corps d'échangeur 105.
L'échangeur de chaleur, comme décrit plus haut, comprend une pluralité de lumières (collecteurs 19/21 /23), débouchant à l'extérieur de l'échangeur de chaleur. Une première catégorie d'accessoires correspond à des tapes de fermeture de ces lumières, ou à des brides percées d'orifices placées en coïncidence avec l'extrémité d'une lumière.
Plus précisément, l'échangeur de chaleur 1 comprend une bride de sortie 81 soudée par diffusion au corps de l'échangeur 105. La bride de sortie 81 présente un orifice de sortie 82, placé en coïncidence avec une des extrémités du collecteur d'évacuation 23. L'extrémité du collecteur d'évacuation 23 opposée à la bride 81 est obturée par une tape 83 soudée par diffusion sur le corps d'échangeur 105.
L'échangeur de chaleur 1 comprend également, aux deux extrémités opposées de chaque collecteur d'alimentation 19, 21 , des tapes 84 soudées par diffusion sur le corps d'échangeur 105. Les tapes 84 obturent les extrémités des collecteurs.
Les tapes et brides 81 ,83, 84 sont :
- soit soudées par diffusion lors du cycle de soudage uniaxial, bien que cela complique la forme des outillages de soudage. Un ou plusieurs pistons 2000 (figure 9) peut/peuvent cependant être aménagés dans la plaque 1 18 pour permettre à la membrane 1 16 de transmettre intégralement l'effort à la fois l'effort sur la grande face de l'empilement et sur l'extrémité de la bride 81 ou de la tape 83 placée coté plaque 1 16 de l'empilement ;
- soit avantageusement par diffusion lors du cycle de compaction après avoir été préalablement soudés - TIG ou faisceau d'électron ou autres - de façon étanche sur les plaques 77, 79 avant empilage des plaques 77,79, 3 et 1 1
- à défaut ou dans des cas particuliers par soudures résistantes - TIG ou faisceau d'électron ou autres, avec un risque d'endommagement de l'empilement plus important.
D'autres accessoires sont également rapportés sur le corps d'échangeur 105.
Comme indiqués plus haut, les canaux de circulation définissant les passages primaires 7 sont débouchant à leurs extrémités opposées. Ils débouchent par des extrémités amont sur une première face 87 (figure 4) du corps d'échangeur 105, et par des extrémités aval sur une seconde face 88 (figure 4) du corps d'échangeur 105.
Sur la figure 3, la plaque 3 est représentée avec des zones de matière 89, 90 s'étendant au-delà des lignes 91 , 92 destinées à constituer les bords longitudinaux extrêmes de la plaque. Les bords des différentes plaques forment ensemble les première et seconde faces 87 et 88. Ces zones de matières 89, 90 sont découpées au cours du procédé de soudage, comme expliqué plus loin, pour obtenir le corps d'échangeur 105 à partir de l'empilement de plaques 104.
On voit également sur la figure 3 des zones de matières 93 s'étendant latéralement de part et d'autre de la zone de la plaque portant les passages primaires 7. Les orifices 148 sont ménagés dans ces zones 93. Les zones 93 ne sont typiquement pas intégralement découpées au cours du procédé de soudage afin de pouvoir conserver les tiges 146. En variante, ces zones sont découpées, le corps d'échangeur 105 ne comportant alors pas de passages 85 ni de tiges 146.
L'échangeur de chaleur 1 comporte une admission primaire libre au niveau des canaux primaires 7 de la face 87 et un échappement libre au niveau de la face 88.
L'échangeur de chaleur 1 comporte, par exemple, une admission secondaire unique par bride 97, desservant les collecteurs 19,21 chacun par le biais de plusieurs tuyauteries 96. D'autres arrangements sont possibles en fonction des contraintes d'implantation de l'échangeur de chaleur (figure 4).
Les conduits 96 ne sont pas soudés par diffusion au corps d'échangeur 105 ou à la bride 97. Ils sont soudés par tout autre procédé adapté, par exemple par un procédé TIG, par faisceau d'électrons, etc.
Le procédé de soudage par diffusion de l'invention va maintenant être décrit.
On considère un état initial où l'enceinte 102 est vide, et est située hors du dispositif de chauffage 106. Après avoir séparé le couvercle 130 de la cuve 128, la cale de compensation 122 est d'abord mise en place sur le fond inférieur 132. Puis, les plaques 3, 1 1 , 77, 79 sont déposées sur la cale de compensation 122. Les plaques 3, 1 1 , 77, 79 sont enfilées de telle sorte que les axes 146 soient insérés dans les orifices 148. Les cales latérales 142, en plusieurs morceaux ou monobloc, sont disposées ensuite.
Les plaques 3,1 1 , 77, 79 sont disposées parallèles les unes aux autres, et sont posées les unes sur les autres de manière à former un empilement 104. En variante, l'assemblage des plaques 3,1 1 , 77, 79 est réalisé au préalable. Les plaques sont immobilisées entre elles par des cordons ou points de soudure, ou via des axes, puis introduites dans l'enceinte. En autre variante, la cale de compensation 122 comporte des axes 146. L'empilement 104 constitué de plaques 3, 1 1 , 77, 79 est monté directement sur la cale, l'ensemble étant ensuite introduit dans le dispositif de soudage.
Puis, la cale de répartition 1 18 est déposée sur la grande face supérieure 120 de l'empilement 104. La membrane 1 16 est ensuite déposée de telle sorte que son bord périphérique repose sur la tranche de la paroi latérale 134, une partie centrale de la membrane 1 16 reposant sur la cale de répartition 1 18. Le couvercle 130 est ensuite monté sur la cuve 128, de manière à pincer le bord périphérique de la membrane 1 16 entre le rebord 140 et la paroi latérale 134. Le couvercle 130 est alors solidarisé de la cuve 128, par des moyens non représentés.
L'air est ensuite évacué de la chambre de soudage 1 14, jusqu'à ce qu'un taux de vide satisfaisant soit obtenu, idéalement un vide secondaire.
La chambre de soudage est ensuite remplie d'un gaz inerte, tel que de l'argon ou de l'azote.
Puis, l'enceinte 102 est placée dans la cavité du four 106 éventuellement préchauffé au préalable, et le chauffage du four est démarré. Un premier talon de pression de quelques bars - typiquement 5 à 10 bars - est alors injecté dans la chambre de pression pour immobiliser l'empilement 104.
La pression de gaz dans la chambre de pression 1 10 par le dispositif de mise sous pression 1 12 est alors réglée pour avoir le couple pression/température désiré.
L'empilement de plaques 104 est maintenu au couple pression/ température désiré pendant un palier d'une durée comprise entre 1 et 3 heures.
Typiquement, la température est contrôlée pour que les plaques 3, 1 1 soient à une température de palier de soudage comprise, pour le TA6V, entre la température de recuit - soit environ 700 °C - et une température correspondant au transus béta de l'alliage moins 50 °C, de sorte à conserver la structure initiale de l'alliage et limiter les évolutions microstructurales, avantageusement entre 700 et 750 'Ό. La pression de gaz dans la chambre de pression 1 10, pendant le palier de soudage, est contrôlée à une valeur telle que la pression de contact induite au niveau des joints à souder soit au moins égale à la pression de contact nécessaire au soudage pour la température de soudage choisie, sans excéder la pression pour laquelle le fluage devient rédhibitoire. Dans le cas du TA6V, pour une température de soudage comprise entre 700 et 750 °C, maintenue pendant une heure, la pression de contact est comprise entre 20 et 50 bars. Pour une température de soudage de 920 °C maintenue pendant une heure, la pression de contact à viser est de 10 à 20 bars pour assurer un niveau de diffusion suffisant.. Plus la pression sera faible, plus le fluage d'ensemble sera faible.
D'autres points de soudage sont possibles sur la base d'équivalence temps / température.
Dans les cas de risque élevé de déformation, la mise en butée de la cale 1 18 sur les cales latérales 142 empêche un fluage excessif de l'empilage. Le jeu J est déterminé pour que les tiges 146 ne viennent pas en contact avec la cale 120.
La chaleur est transmise aux plaques à travers la cuve 128 et à travers les cales 142, 122 et 1 18.
Le gaz de la chambre de pression 1 10 exerce sur les plaques un effort uniquement suivant l'axe de compression C. Cet effort est transmis d'abord à la membrane 1 16, puis de la membrane 1 16 à la cale de répartition 1 18, puis de la cale de répartition 1 18 à l'empilement de plaques 104. Il est repris par la cale de compensation 122.
Le procédé de l'invention vise à obtenir un échangeur de chaleur dont les plaques, à l'état final, sont liées les unes aux autres avec une résistance mécanique R prédéterminée.
A l'issue de cette étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale, les plaques sont déjà soudées les unes aux autres avec ladite résistance mécanique R prédéterminée.
Le bon déroulement de l'opération peut être réalisée via des essais mécaniques sur des prélèvements 1000 placés dans des zones non utiles de l'empilage 104, suffisamment loin des chants des bords de l'empilage 104.
Le procédé comporte ensuite une étape au cours de laquelle le corps d'échangeur 105 est taillé, c'est-à-dire découpé, dans l'empilement de plaques 104. Cette étape permet notamment de créer les faces 87 et 88 du corps d'échangeur 105.
Le procédé de l'invention, après l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale, comporte les étapes suivantes : - assembler au moins un accessoire sur le corps d'échangeur 105 issu de l'empilement de plaques 104 ;
- soumettre l'empilement corps d'échangeur 105 ainsi équipé à une compression isostatique à chaud.
Les accessoires rapportés sur le corps d'échangeur 105 sont des éléments qui ne sont pas des plaques et qui sont fixés sur le corps d'échangeur 105. Ces accessoires comprennent un ou plusieurs des éléments listés plus haut, à savoir :
- la bride de sortie 81 ;
- les tapes 83, 84;
- les conduits 96 et éventuellement la bride 97.
La bride de sortie 81 et les tapes 83, 84 sont préférentiellement soudées sur le corps d'échangeur 105, par des soudures étanches 3001 , 3002, 3003, 3004 permettant de générer des plans de joints 3000, 3005 susceptibles d'être soudés par diffusion lors du cycle de compaction isostatique. Le procédé de soudage par faisceau d'électrons, de part sa capacité au soudage en transparence et sa mise en œuvre sous vide, est particulièrement bien adapté à la réalisation de la dernière soudure d'étanchéité rendant le soudage étanche voir figure 7.
Cette étape d'assemblage ne confère pas à la liaison entre les brides/tapes et le corps d'échangeur la résistance finale recherchée..
Le procédé de l'invention vise à obtenir un échangeur de chaleur dont les conduits 96, à l'état final, sont fixés avec une résistance mécanique prédéterminée R' au corps d'échangeur 105. Les conduits 96 sont rapportés par soudage sur le corps d'échangeur 105. Ce soudage constitue d'emblée une liaison ayant la résistance mécanique prédéterminée R', avant l'étape de compression isostatique à chaud. Ce soudage est effectué par un procédé TIG, ou par faisceau d'électrons ou par tout autre procédé adapté.
Après assemblage des accessoires, le corps d'échangeur 105 et les accessoires sont placés dans un four de compaction ou avantageusement réintroduits dans l'enceinte étanche sans mettre en place la membrane, ce qui permet d'exposer le corps d'échangeur 105 et les accessoires à la pression de gaz. Un cycle de soudage complémentaire de parachèvement, de type compaction isostatique à chaud, est réalisé sur les plans de joints 3000, 3005 précédemment rendus étanches par soudure
Au cours de cette étape, le corps d'échangeur 105 et les accessoires sont maintenus pendant une durée comprise entre 1 et 3 heures : - à une température comprise entre la température de recuit et la température correspondant au transus béta de l'alliage moins 50 'C, c'est-à-dire sensiblement dans la même plage de température que celle de l'étape de compression uniaxiale ;
- à une pression a minima supérieure à la pression de soudage uniaxial à la température considérée et inférieure à celle engendrant un risque de fluage.
Typiquement, la pression est comprise entre 20 bars et 1200 bars, de préférence comprise entre 500 bars et 1200 bars.
A titre d'exemple pour du TA6V, un cycle de 3 heures, à 850 °C, sous 800 bars est très satisfaisant quand bien même la pression pourrait être réduite.
Cette étape de compression isostatique permet d'assurer le soudage par diffusion de la bride de sortie 81 et des tapes 83, 84 sur le corps d'échangeur 105 via le soudage des joints 3001 , 3005. La bride 81 et les tapes 83, 84 sont par exemple en TA6V ou TA3V.
Pour les conduits 96 ou tous autres accessoires rapportés par soudure, cette étape permet de détensionner les soudures solidarisant ces éléments sur le corps d'échangeur 105. En effet, le soudage initial des conduits 96 et autres accessoires sur l'empilement de plaques 104 crée des contraintes thermomécaniques dans les zones affectées thermiquement jouxtant les soudures, du fait que ces zones sont portées localement à haute température. Ces contraintes thermomécaniques subsistent après refroidissement de la soudure et desdites zones. L'étape de compression isostatique constitue un cycle thermique permettant de détensionner les zones affectées thermiquement et de supprimer - ou fortement diminuer- les contraintes thermomécaniques résiduelles.
Il est à noter que l'étape de compression isostatique à chaud peut également être utilisée pour compléter un cycle standard de soudage dont les prélèvements sur surlongueurs 1000 auraient révélés une qualité insuffisante.
L'état métallurgique à l'issue du cycle de compaction peut être validé par essais mécaniques et métallographique sur des sur longueurs 1001 .
Le procédé de l'invention présente de multiples avantages.
En utilisant un gaz pour mettre en pression les plaques les unes contre les autres, il est possible de maîtriser la pression de contact dans l'assemblage de façon fine, celle-ci découlant directement de la pression uniformément répartie sur la surface des plaques à assembler. Ceci est particulièrement important lorsque les plaques sont sujettes à un fort fluage, par exemple pour les plaques en alliage de titane du type TA6V, qui ont un comportement superplastique à chaud. La pressurisation au gaz permet également de faire évoluer la pression de contact de façon très simple, en douceur mais rapidement - 2 bar minutes - pour limiter les contraintes de fluage lors des phases de chauffage ou lors du refroidissement d'une part, et de dissocier l'application de la pression de la température d'autre part. En particulier, il est alors possible d'appliquer une pré contrainte aux plaques à assembler avant de chauffer la pièce, d'appliquer l'effort de soudage une fois seulement la température de soudage obtenue et de la relâcher au bout d'un temps donné pour maintenir les plaques en température hors pression.
La répartition homogène de zone de continuité de matière dans l'assemblage, par exemple dans le cas d'un échangeur à plaques en superposant les canaux des 2 réseaux de plaques, constitue une première clé dans la maîtrise du fluage lors du soudage de l'assemblage.
De surcroît, si la pièce à assembler présente une géométrie alternant des zones de continuité de matière dans l'épaisseur de l'assemblage très disparate dans l'empilement, le procédé peut être complété aisément d'un dispositif de butée permettant de limiter l'écrasement du massif et en définitive de réaliser le soudage sous déplacement imposé et non effort imposé. En particulier, lors du soudage à déplacement imposé, rendu possible par l'emploi d'une plaque de répartition très rigide, la contrainte est uniforme dans toutes les zones de continuité de matière, ce qui supprime tout risque de fluage différentiel. A contrario, un soudage à effort imposé peut engendrer un fluage important dans les zones les moins résistantes, la contrainte étant décuplée par un effet de piston entre la section sur laquelle s'appuie l'effort coté membrane et la section de continuité de matière dans la zone concernée.
L'utilisation d'une membrane souple pour séparer la chambre de pression et la chambre de soudage permet d'assurer de manière simple à la fois l'étanchéité de la chambre de soudage et la transmission de la pression du gaz. La membrane est choisie suffisamment souple pour suivre les mouvements de la cale de répartition qui pourraient résulter d'une éventuelle légère déformation des plaques. La membrane la mieux adaptée possède des propriétés superplastiques (allongement très important) aux conditions de température de soudage de la pièce. Par exemple on pourra utiliser une membrane en TA6V pour une température de soudage comprise entre 700^ et 950 °C. Ce déplacement de la membrane 1 18 se fait sans rompre l'étanchéité de la chambre de pression 1 10 et de la chambre de soudage 1 14.
L'utilisation d'une cale de répartition interposée entre la membrane et la face supérieure de l'empilement de plaques permet d'assurer une répartition extrêmement homogène de la pression sur la face supérieure de l'empilement de plaques.
Le procédé de l'invention est particulièrement adapté aux plaques de grandes tailles, pour lesquelles la répartition uniforme de la pression est difficile à maîtriser. Le procédé est également particulièrement avantageux pour les plaques qui sont au contact les unes des autres par des zones de faible superficie au regard de la taille des plaques. Ceci est le cas notamment, comme indiqué ci-dessus, des échangeurs de chaleur à plaques dans lesquels les canaux de circulation des fluides sont creusés dans les grandes faces des plaques. Un mauvais contrôle de la répartition de la pression sur la surface des plaques peut conduire à un affaissement des isthmes séparant les canaux les uns des autres.
Le procédé et le dispositif de l'invention peuvent présenter de multiples variantes.
Au cas où le contrôle de la répartition de pression sur l'empilement de plaques est moins critique, notamment car la structure de continuité de matière dans l'empilage 104 seraient suffisante en section et en homogénéité pour résister au fluage, il est possible de faire porter la membrane directement sur la grande face supérieure de l'empilement de plaques. On doit alors veiller à avoir un porte à faux de la membrane faible entre les cales latérales 142 et l'empilement 104 pour éviter un cisaillement de la membrane.
Le procédé a été décrit pour un exemple d'application consistant à souder par diffusion les plaques d'un échangeur de chaleur. Toutefois, l'invention est applicable à toutes sortes de plaques, qui ne sont pas nécessairement destinées à constituer un échangeur de chaleur, ou toutes autres structures qu'on cherche à assembler avec des plans de joints perpendiculaire à la force exercée par la membrane.
Les plaques peuvent être constituées de toutes sortes de matériaux, et ne sont pas nécessairement en titane ou en un alliage de titane, bien que les conditions de soudage typique, moins de 50 bars/ l OOO 'C correspondent bien au domaine de soudage diffusion pour les alliages de titane. Elles peuvent être en un acier inoxydable, en un acier au carbone ou tout autre type de métal, en adaptant la durée de soudage et l'état de préparation de soudage aux conditions de soudage disponibles dans le dispositif de soudage.
De même, l'invention est particulièrement adaptée au cas où les plaques sont soudées les unes aux autres sur des zones dont l'étendue est faible par rapport à la superficie totale de la plaque. Il est applicable aussi à des plaques pleines, ou à des plaques ayant des zones en creux ne constituant qu'une faible partie de la superficie des plaques.
L'étape de compaction isostatique à chaud n'est pas nécessairement réalisée dans le même dispositif que le soudage par diffusion à compression uni-axiale. Elle peut être réalisée dans un autre dispositif.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Procédé de soudage par diffusion d'un ensemble comprenant une pluralité de plaques, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- placer les plaques (3, 1 1 ) parallèles les unes aux autres, posées les unes sur les autres en formant un empilement (104) ;
- souder les plaques (3, 1 1 ) de l'empilement (104) les unes aux autres par diffusion à compression uni-axiale;
caractérisé en ce que le procédé comprend en outre les étapes suivantes :
- assembler au moins un accessoire (81 , 83, 84, 96) sur un corps d'échangeur (105) issu de l'empilement de plaques (104);
- soumettre le corps d'échangeur (105) et l'accessoire (81 , 83, 84, 96) à une compression isostatique à chaud.
2. - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les plaques (3, 1 1 ) sont en TA6V.
3. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale, l'empilement de plaques (104) est maintenu pendant une durée comprise entre 1 et 3 heures :
- à une température comprise entre une température de recuit du matériau constituant les plaques (3, 1 1 ) et le transus béta moins 50 'Ό pour ledit matériau ;
- à une pression comprise entre 20 et 50 bars.
4. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale est réalisée en plaçant l'empilement de plaques (104) dans une enceinte étanche (102), en chauffant les plaques (3, 1 1 ) et en exerçant en même temps une pression sur les plaques (3, 1 1 ) selon un axe de compression (C) déterminé sensiblement perpendiculaire aux plaques (3, 1 1 ), la pression étant créée par un gaz sous pression, remplissant une chambre (1 10) de pression étanche de l'enceinte (102).
5. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enceinte (102) comprend une chambre de soudage (1 14) dans laquelle sont disposées les plaques (3, 1 1 ), la pression étant transmise du gaz remplissant la chambre de pression (1 10) aux plaques (3, 1 1 ) par une membrane (1 16) souple qui forme une barrière étanche aux gaz entre la chambre de pression (1 10) et la chambre de soudage (1 14).
6. - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, pendant l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale, les plaques (3, 1 1 ) ne sont pas bloquées en position par rapport à l'enceinte (102) dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression (C) ou le sont par des cornières élastiques (152) disposées entre l'empilement (104) et des cales latérales (142) disposées dans la chambre de soudage (1 14), ou directement entre l'empilement (104) et l'enceinte étanche (102).
7. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que, pendant l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale, les plaques (3, 1 1 ) sont maintenues en position les unes par rapport aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de compression (C) par soit des points de soudures, soit des cordons de soudures, soit par au moins deux axes de centrage (146) parallèles à l'axe de compression (C), chaque axe de centrage (146) étant engagé dans des orifices (148) des plaques (3, 1 1 ), lesdits orifices (148) étant superposés les uns aux autres parallèlement à l'axe de compression (C), soit par des cornières latérales (152)
8. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'étape de compression isostatique à chaud est effectuée dans l'enceinte (102), la membrane (1 16) n'étant pas présente de manière à mettre en communication la chambre de pression (1 10) et la chambre de soudage (1 14).
9. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l'étape de compression isostatique à chaud, le corps d'échangeur (105) et l'accessoire (81 , 83, 84, 96), sont maintenus pendant une durée comprise entre 1 et 3 heures :
- à une température comprise entre la température de recuit et la température du Transus beta moins 50 'Ό;
- à une pression comprise entre 20 bars et 1200 bars, de préférence entre 500 bars et 1200 bars.
10. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble comporte une pluralité de lumières (19, 21 , 23) débouchant à l'extérieur de l'ensemble, l'accessoire rapporté sur le corps d'échangeur (105) étant l'un d'une tape de fermeture (83, 84) d'une des lumières (19, 21 , 23) et d'une bride (81 ) percé d'un orifice de passage (82) placé en coïncidence avec l'une des lumières (23).
1 1 . - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble comporte au moins un collecteur (19, 21 ) constitué d'orifices alignés découpés dans les plaques (3, 1 1 ), l'accessoire étant un conduit (96) d'alimentation en fluide débouchant dans le collecteur (19, 21 ), le conduit (96) étant rapporté par soudage sur le corps d'échangeur (105).
12. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque plaque (3, 1 1 ) comprend une pluralité de canaux (7, 15) creusés au moins dans une première grande face (5, 13) de la plaque et séparés les uns des autres par des isthmes (59, 66), les isthmes (59, 66) de chaque plaque (3, 1 1 ) étant soudés par diffusion à une autre plaque voisine (1 1 , 3) dans l'empilement (104) au cours de l'étape de soudage par diffusion à compression uni-axiale.
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