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.