Au cours de mes vingt années d'expérience dans le secteur de la fabrication électronique, j'ai entendu de nombreuses affirmations concernant l'utilisation de l'azote dans les procédés de soudage sous atmosphère inerte : beaucoup d'entre elles sont totalement erronées. Dans cette analyse, je prendrai pour exemple le soudage par refusion dans un four fermé, bien que bon nombre de ces considérations puissent s'appliquer au soudage à la vague, voire au soudage sous vide.
Commençons par la véritable raison pour laquelle un ingénieur d'assemblage utilise de l'azote dans le soudage inerte : parce que c'est le gaz le moins cher disponible qui ne réagit pas avec les surfaces métalliques chaudes pour former un film empêchant la soudure. C'est tout. Point final. Ceux qui utilisent l'azote pour le refusionnement ne le font pas parce qu'il possède des propriétés exceptionnelles, mais parce qu'il présente de faibles teneurs en oxygène et en humidité, et qu'il permet de purger (diluer) l'oxygène jusqu'à un niveau suffisamment bas pour empêcher ou ralentir l'oxydation des surfaces métalliques pendant le chauffage.
Pour comprendre tout processus faisant appel à des gaz inertes (non réactifs), il faut connaître la composition de l’air, le gaz le plus abondant à notre disposition. L’air est composé d’environ 78 % d’azote, 20,9 % d’oxygène et 0,9 % d’argon, avec de faibles quantités d’autres gaz, comme le dioxyde de carbone, ainsi que des quantités variables de vapeur d’eau. La vapeur d’eau peut atteindre environ 4 % et, bien sûr, à ce niveau, elle dilue les concentrations des autres gaz d’un facteur de (96/100), au cas où vous penseriez qu’il y a un problème de calcul. La concentration en oxygène (20,9 %) équivaut à 209 000 ppm (parties par million). L'unité « ppm » est une mesure bien plus pratique lorsque l'on se situe à de faibles niveaux de pourcentage ; par exemple, 0,01 % = 100 ppm. Il est également important de noter que la mesure fractionnaire (ppm ou %) correspond à la quantité en volume et, d'après l'équation des gaz parfaits, également au pourcentage molaire.
Je vais aborder la moitié de ces idées reçues aujourd'hui, et l'autre moitié la prochaine fois.
Mythe n° 1 : « L’azote élimine les oxydes »
Réalité : L’azote utilisé aux températures de refusion ne possède aucune propriété de flux (élimination des oxydes) et ne réagit chimiquement avec aucun élément à ces températures. L’azote empêche ou ralentit l’oxydation ou (dans le cas d’une surface nettoyée au flux) la réoxydation, simplement parce qu’il ne s’agit pas d’un gaz oxydant. Le gaz de formage (un mélange d’hydrogène et d’azote) est très différent, et j’aborderai ce sujet dans une note ultérieure.
Mythe n° 2 : « L'azote améliore le transfert thermique »
Réalité : Il n'a aucun effet thermique concret sur le processus de soudure. Le transfert thermique dans les gaz, à pression et température identiques, est déterminé par le poids moléculaire des gaz : rien d'autre. Étant donné que l'azote a un poids moléculaire de 28 et que celui de l'oxygène est presque identique (32), la différence entre les propriétés de transfert thermique de l'air et de l'azote est minime, qu'il s'agisse d'un écoulement laminaire ou turbulent.
Mythe n° 3 : « Si je mesure la teneur en oxygène de l'azote entrant, je connais alors la teneur dans le four »
Réalité : Même un four de refusion inerte apparemment bien étanche mélange en réalité, dans une certaine mesure, l'air ambiant avec votre azote. Ce phénomène se produit par simple diffusion (due à la différence de pression partielle d'oxygène entre l'air extérieur et l'intérieur du four) ou par un mélange turbulent de l'azote avec l'air à proximité d'une ouverture. L’illustration ci-dessus montre ce qui se passe dans un four réel. Introduire un faible débit d’azote dans le four n’aura que peu ou pas d’effet (a) ; en augmenter le débit réduira le niveau, mais vous observerez d’importantes variations (b) ; enfin, vous atteindrez un plateau (c) où vous aurez obtenu le niveau d’oxygène le plus bas possible, mais le mélange turbulent continuera d’introduire de l’oxygène provenant de l’air extérieur. En augmentant le débit d’azote, vous ne faites qu’accroître la turbulence, et donc la vitesse de mélange.
Mythe n° 4 : « Un azote plus pur me donnera de meilleurs résultats »
Réalité : L’azote standard de qualité cryogénique contient environ 2 à 5 ppm d’oxygène. Même en purgeant un four bien hermétique, vous ne parviendrez pas à atteindre exactement le même niveau que le gaz d’alimentation. Vous ne constaterez aucune différence si vous utilisez une source d’azote contenant 10 ppm ou 10 ppt (parties par trillion) d’oxygène. Comme le montre l’illustration ci-dessus (c), l’effet du gaz de haute pureté est complètement annulé par le mélange avec l’air.
Mythe n° 5 : « L'azote élimine tous les défauts de soudure »
Réalité : L'azote peut aider à résoudre certains défauts liés au mouillage et permet souvent de transformer un processus de soudure médiocre (à la limite de l'acceptable) en un processus acceptable. Autre réalité : non seulement il peut augmenter de manière incontrôlable le mouillage (« capillarité ») sur les grilles de connexion ou d’autres surfaces, mais il peut également provoquer des projections de soudure et contribuer à l’inclinaison de la puce (assemblage de semi-conducteurs de puissance) ou au « tombstoning » ( montage en surface).
À suivre. La deuxième partie de cet article est disponible ici.
Santé ! Andy
