thumb|Brasage de composants électroniques. Le brasage des métaux, aussi appelé brasure ou brasement, est un procédé d'assemblage consistant à réunir deux métaux ou deux morceaux de métal, le plus souvent par un métal intermédiaire différent plus fusible : la liaison métallique établie entre les pièces réunies est permanente.. Contrairement au soudage, c'est-à-dire à une soudure, il n'y a pas fusion des bords assemblés.
Notons qu'il peut y avoir ou non utilisation d'un . Le brasage s'explique par la diffusion/migration atomique de part et d'autre de l'interface solide/solide dans le cas d'un brasage sans métal d'apport et de l'interface solide/liquide/solide lorsqu'un métal d'apport est utilisé. Ce processus est obtenu par action calorique et/ou mécanique.
Le brasage est très largement utilisé comme technique d'assemblage dans les industries de pointe telles l'aérospatiale, l'aéronautique, l'automobile ainsi que la conception des petites pièces creuses aux profils compliqués et en métal noble (micro-mécanique de précision, prothèses, capteurs, etc.). Dans les techniques de brasage mettant en œuvre la chaleur, on distingue : le brasage tendre, qui met en œuvre des températures inférieures à ; le terme technique anglais correspondant est soldering (parfois incorrectement traduit par le mot « soudure ») ; le brasage dur ou fort (brazing), incluant le soudobrasage (braze welding), qui met en œuvre des températures supérieures à . Par exemple, les brasures eutectiques argent-cuivre, titane-nickel ou encore titane-cuivre-nickel peuvent avoir des températures de fusion comprises entre et ; les brasures de cuivre et de laiton les moins coûteuses ont une température de fusion comprise entre et .
Histoire du brasage thumb|Le Petit chien à bélière. Le Petit chien à bélière — une pendeloque en or retrouvée dans les fouilles de Suse (Iran) et datée de 3300 à 3100 — est le premier témoignage connu d'une technique de brasage...
Le brasage ou brasement était couramment mis en œuvre à l'âge du fer, bien avant le soudage. Les forgerons effectuent des assemblages permanents en combinant les effets de la chaleur aux effets mécaniques. Cette technique, encore utilisée de nos jours, consiste à chauffer au blanc-soudant deux morceaux de fer (« d'acier »), de les juxtaposer puis de marteler ce montage jusqu'à ce que les pièces soient réunies de manière permanente. Pierre Larousse décrit cette façon de braser le fer directement, sans employer de métal intermédiaire, par l'application sur les parties à réunir, d'une chaude suantePierre Larousse, Grand Dictionnaire universel du XIXe siècle, , entrée brasage ou brasement.. L'opérateur projette un peu de sable pour dissoudre l'oxyde formé, qui se combine avec la silice produisant un silicate très fusible qui s'écoule sous le choc du marteau, mettant à nu les parties ainsi bien décapées que le forgeage unit. C'est la forme la plus ancienne du brasage et il s'agit bien là de brasage car les bords des pièces n'ont pas atteint leur point de fusion ; cependant, dans la littérature, il est parfois désigné comme un procédé de « soudage à l'état solide ».
Le brasage au milieu du distingue trois espèces de brasure, celle de cuivre, celle d'argent et celle d'étainA.O. Paulin-Désormaux, Manuel Roret de serrurerie, 1866, § 364, p. 168.. Pour la première, sont privilégies souvent en métal intermédiaire, divers alliages : un alliage de cuivre rouge et de zinc, et de plus en plus coûteux, de cuivre jaune et d'argent, ou encore un alliage d'or, d'argent et de cuivre rouge. Il faut nettoyer préalablement avec soin les surfaces à joindre, d'abord à la lime et au burin, et d'éviter ensuite de les souiller même par les contacts avec les doigts. Les pièces sont rapprochées et maintenues par du fil de fer, nommé fil à lier. Le joint est recouvert de borax en poudre, d'eau et d'une quantité suffisante d'alliage choisi, réduit en petits copeaux ou grains. L'ensemble est chauffé, soit au chalumeau, soit au four, suivant la nature des pièces et la dimension de l'assemblage. Le borax fond avant l'alliage, en formant à la surface du métal une espèce de vernis couvrant protecteur d'oxydation, avec la particularité de dissoudre les oxydes formés à la surface. Le borax employé peut être remplacé par des substances avides d'oxygène, l'acide borique, le chlorure de zinc en solution aqueuse
Procédé d'assemblage Le brasage est l'assemblage de deux matériaux : soit à l'aide d'un métal d'apport ayant une température de fusion inférieure à celle des métaux à assembler et mouillant, par capillarité, les surfaces à assembler et mettant en œuvre un mécanisme de diffusion atomique ; soit par contact des deux surfaces correctement ajustées suivi d'une chauffe du montage ainsi préparé pour permettre la migration des atomes de part et d'autre du plan de contact. Cette opération est appelée brasage diffusion.
Le brasage est l'opération, la brasure est le résultat. Le résultat est généralement un assemblage « hétérogène » ; cependant, dans le cas du brasage diffusion de matériaux de même nuance, l'interface peut ne plus être détectable à l'examen macroscopique.
Le chauffage de la zone à braser peut se faire, selon le mode opératoire employé, avec différents moyens tels que : le fer à souder ; la lampe à souder ; l'air chaud ; la flamme (chalumeau), il s'agit alors de soudo-brasage ; le four (à air, sous atmosphère contrôlée, sous vide), par exemple dans le cas du brasage diffusion ; l'arc électrique ; l'induction électromagnétique ; le laser.
Les techniques de brasage sont grandement utilisées dans les industries suivantes : l'automobile (pièces moteur, fusées, carburateurs, pompes à injection, tôlerie) ; l'aéronautique et l'aérospatiale (brasage sous vide d'alliages métalliques exotiques et fortement sollicités) ; les instruments de précision (fabrication de pièces d'instruments de mesure, détendeurs, capteurs) ; l'électronique (composants sur circuits imprimés mais aussi en fabrication de composant actifs / semi-conducteurs) ; la fabrication de diverses prothèses médicales (implants dentaires, articulations, valves) ; la tuyauterie (plomberie sanitaire, ligne d'instrumentation) ; la dinanderie (objets d'art en cuivre et/ou en laiton) ; la facture instrumentale, et en particulier celle des instruments à vent (trompettes, trombones, flûtes, clarinettes, saxophones) ; l'orfèvrerie (objets de culte, luminaires, objets d'art) et la bijouterie (bagues, bracelets, colliers) ; brasage à l'étain et à l'argent.
Le métal d'apport peut être un alliage d'étain, de cuivre, d'argent, d'aluminium, de titane, de nickel ou autres alliages de métaux précieux.
L'emploi de flux solides, pâteux, liquides ou gazeux est souvent préconisé dans les modes opératoires de brasage pour décaper (nettoyer) et conférer la mouillabilité souhaitée aux surfaces à joindre et agir sur la tension superficielle du métal d'apport en fusion.
Aspects physico-chimiques du brasage Pour que deux matériaux puissent être brasés, il est nécessaire de connaître et d'agir sur trois propriétés physico-chimiques : la capillarité, le mouillage et la diffusion. Capillarité
Le dictionnaire définit la capillarité comme un terme de la physique ayant trait à l'ensemble des phénomènes qui se passent dans le contact des liquides avec les solides présentant des espaces très étroits ou capillaires (fig. 1).
La capillarité peut être vue comme une variété de l'adhésion, ou comme une force qui produit les phénomènes capillaires. Ses effets sont observables lorsque les buvards aspirent l'encre ou quand les éponges s'imbibent d'eau et, dans le cas du brasage, lorsqu'un métal fondu remonte entre les deux surfaces à réunir lorsqu'elles sont espacées d'un jeu approprié.
La loi de Jurin donne la hauteur à laquelle un liquide monte dans un tube capillaire.
Cette loi s'exprime par :
où : h est la hauteur du liquide ; γ est la tension superficielle du liquide (c'est la force motrice du phénomène de capillarité) ; θ est l'angle de raccordement entre le liquide et la paroi du tube (fig. 3) ; ρ est la masse volumique du liquide ; r est le rayon du tube ; g est la constante d'accélération de la pesanteur.
Les conditions de validité sont les suivantes : il faut que le diamètre du tube soit petit devant la longueur capillaire, qui vaut d'ordinaire deux millimètres pour de l'eau à la température et pression ambiante. Si le tube est tenu oblique, alors la loi de Jurin donne la hauteur verticale et non pas la hauteur mesurée le long du tube.
La capillarité intervient dans la détermination du jeu à laisser entre pièces emboîtées (ou qui se recouvrent) pour permettre au métal d'apport en fusion de monter le plus haut possible dans l'interface ainsi réalisée.
Mouillage
Le mouillage d'un liquide (métal d'apport en fusion) sur un solide (pièces à réunir) est le degré d'étalement du liquide sur ce solide. Les effets produits sont le contraire de ce que l'on constate lorsqu'on observe une goutte d'eau sur une feuille de chou ou des gouttes d'eau déposées par la rosée (fig. 2).
On parle de « mouillage total » lorsque le liquide s'étale totalement et de « mouillage partiel » lorsque le liquide forme une goutte sur le solide.
La loi de Young-Dupré donne l'expression de l'angle de contact statique d'une goutte liquide déposée sur un substrat solide (ménisque), en équilibre avec une phase vapeur (fig. 3) :
où :
, et désignent respectivement la tension superficielle des interfaces solide/vapeur, solide/liquide et liquide/vapeur.
Dans les procédés de brasage avec métaux d'apport (brasage tendre ou fort), le mouillage intervient, en préalable de la diffusion, en deux étapes : d'abord en mettant en œuvre des liaisons faibles, du type forces de van der Waals : c'est l'adsorption physique ou physisorption ; puis en mettant en œuvre des énergies de liaison importantes. On parle alors d'adsorption chimique ou chimisorption. L'adsorption chimique s'accompagne d'une profonde modification de la répartition des charges électroniques des atomes adsorbés, les forces mises en jeu sont du même type que celles qui agissent lors de la formation des liaisons métalliques et/ou des liaisons chimiques.
On améliore la mouillabilité par l'emploi de flux décapants appropriés aux métaux de base. Une fois l'opération de brasage effectuée, toute trace de flux doit être supprimée afin d'éviter des problèmes ultérieurs de corrosion.
Diffusion
La diffusion désigne la tendance naturelle d'un système à rendre homogènes les concentrations des espèces métalliques ou chimiques en son sein. C'est un phénomène de transport irréversible qui se traduit par la migration d'espèces métalliques ou chimiques dans un milieu. Sous l'effet de l'agitation thermique on observe un déplacement des constituants des zones de forte concentration vers celles de faible concentration. D'un point de vue phénoménologique, et au premier ordre, ce phénomène est régi par une loi de Fick.
Le déplacement des atomes, ions ou molécules dans un milieu, que celui-ci soit solide (cristallin ou amorphe), liquide ou gazeux, est appelé de manière générale « migration ». La diffusion est la migration sous l'effet de l'agitation thermique, à l'exception des autres phénomènes. Elle intervient par exemple dans des procédés d'amélioration des caractéristiques mécaniques (traitements de surface comme la nitruration ou cémentation).
Lorsqu'un atome se déplace parmi des atomes de même nature, on parle d'autodiffusion. Par exemple, on parle d'autodiffusion du fer pour désigner la migration d'un atome de fer dans un cristal de fer.
Lorsque l'on a deux milieux homogènes différents mis en contact, on parle d'interdiffusion. C'est ce qui se produit, en brasage, au travers de la zone de liaison entre le métal d'apport et le métal de base : il y a formation d'un alliage de ces deux métaux.