VIDE et ULTRA-VIDE Par Marc ALNOT LPM - Vandoeuvre les nancy et Manuel ACOSTA IPCMS -Strasbourg
VIDE et ULTRA-VIDEPar
Marc ALNOTLPM - Vandoeuvre les nancy
etManuel ACOSTA
IPCMS -Strasbourg
CNRS/ULP UMR 7504CNRS/ULP UMR 7504
Directeur :Directeur : B. CARRIEREB. CARRIEREDirecteur adjoint : Marc DrillonDirecteur adjoint : Marc Drillon(180 personnes)(180 personnes)
Institut de Physique et ChimieInstitut de Physique et Chimie
des Matériaux de Strasbourgdes Matériaux de Strasbourg
M.A.IPCMS 2002
GONLO
Groupe d’OptiqueNonlinéaire et
d’Optroélectronique60 personnes
MA IPCMS 2002
GEMMGEMM
Groupe d’ÉtudesGroupe d’Étudesdes Matériauxdes Matériaux
MétalliquesMétalliques40 personnes40 personnes
GSI
GroupeSurfaces-Interfaces
35 personnes
GMO
Groupe desdes Matériaux
Organiques23 personnes
Services Généraux
10 personnesGMI
Groupe desdes MatériauxInorganiques32 personnes
PS chaudPS chaud20° à 800°C20° à 800°C
PS froidPS froid--196° à 150°C196° à 150°C
RFRF13,56Mhz13,56Mhz
Arrivés -courants ~ / --thermocouple
Vide Vide
PompeCryo
Pompage différentiel
Arrivé-Retour EAU
Arrivé Azoteliquide
Platine
Enceinte800mm
SPUTTERINGSPUTTERINGPlatine HautePlatine Haute
M.A.IPCMS 2002
Vanne
Projet Projet –– POMME POMME Chambre de Gravure Chambre de Gravure
IoniqueIonique
M.A. IPCMS 2002
Logiciel de DessinLogiciel de DessinEUCLIDEUCLID
Responsable scientifiqueResponsable scientifiqueÉric BEAUREPAIREÉric BEAUREPAIRE
Dessiné par Dessiné par Manuel ACOSTAManuel ACOSTA
Ingénieur de RechercheIngénieur de Recherchedu projetdu projet
Jacek ARABSKIJacek ARABSKI
Plan1) Qu'est que le Vide et pourquoi faire ?2) Pompage
TechniquesConductanceExemples
3) Mesure du VideJaugesSpectromètre de masseDétection de fuite
4) Matériaux pour le VideMatériauxTraitementEtuvage
5) Techniques d'assemblage pour le VideSouduresBrides et JointsPassages sous vide (électriques, fluides)Mouvements (translation, rotation, transfert)
6) Présentation d'une installation MBE
IMPORTANT Avant soudure le dégraissage doit être soigneusement effectué. ( Voir : Méthode générale de nettoyage )
M.A.IPCMS 2002
La soudure TIG peut être utilisée avec :les aciers Inoxydables, l’aluminium, le nickel, le cuivre, et le titane .
On peut réaliser par TIG des soudures combinant l’acier Inoxydable, le Cuivre, le Nickel, et le Monel.
Elle ne doit pas être utilisée pour le laiton ou certains alliages d’aluminium ou d’aciers.
L’aluminium (pour le vide) est plus difficile à souder que l’acier inoxydable, mais un bon soudeur y arrive .
M.A.IPCMS 2002
C ourant continu, polarité norm ale
+
+
+
+
----
+
-
C C PN +
-Courant continus polarité inversée
+
+
+
+
----
+
-
CCPI-
+
Zéro Zéro
Alternancenégative
1 cycle
- - - -- - -
- -
+ + + ++ + +
+ +
Courant continu Courant continu Polarité normalePolarité normale
Courant continu Courant continu Polarité Polarité inverséeinversée
La couche d'oxyde éclate (lors de la polarité inverse). Le seul inconvénient est que l'arc doit se réamorcer à chaque cycle ; pour cela,
on superpose à la tension à vide une tension très élevée à haute fréquence. M.A.IPCMS 2002
Moyenne
Courant continuPolarité normale
CCPNCCPN
Courant continu Polarité inversée
CCPICCPI
Courant alternatif
~~
Caractéristiquesde pénétration
Influence du type de courant et de la polaritéInfluence du type de courant et de la polarité
Action nettoyantedes oxydes
Répartitionde la chaleurdans l'arc
Pénétration
Nulle OuiOui, une fois
tous les demi-cycles
70 % à la pièce
30% à l'électrode
30 % à la pièce
70% à l'électrode
50 % à la pièce
50 % à l'électrode
Étroite etProfonde
Large etpeu profonde
++
+---
+
-++
+---
+
-++
+---
+
-
-
+
L'argon produit un arc stable. L'hélium est recommandé ( pour de forte épaisseur) on obtient une
meilleure pénétration. Un mélange argon + 5 % hydrogène est idéal pour l'aspect et la
qualité de la soudure.
L'argon avec courant alternatif à haute fréquence est préféré; produit un arc stable et un bon effet de nettoyage.
Argon + hélium avec courant alternatif: produit un arc moins stable, a une bonne action de nettoyage, permet une plus grande vitesse, produit une meilleure pénétration.
Hélium avec CCPN (Courant Continu Polarité Normal): produit un arc stable, autorise une grande vitesse de soudage sur des matériaux chimiquement propres.
Alliages d'aluminiumAlliages d'aluminium
Acier inoxydableAcier inoxydable
M.A.IPCMS 2002
Soudure TIG sur l‘Aluminium pour Soudure TIG sur l‘Aluminium pour enceinte à Vide et «enceinte à Vide et « UltraUltra--Vide !Vide ! »»
Les principaux problèmes de compacité sont la présence de souffluresinternes (porosités) ou parfois débouchantes (piqûres), des cratères de terminaison avec fissuration en étoile et des inclusions de tungstène pour le soudage
Pour la soudure (TIG) d’enceinte en aluminium destiné à l’ ultra-vide.
Il est important d’utiliser un tungstène :réf. WZ8 de couleur blanc (0,7-0,9 % Zr O2)
Ceci pour éliminer tous risques de projections d’impuretés de tungstène et d’oxyde de thorium
Ces inclusions d’impuretés seront la cause de fuitesou de micro-fuites importantes .
Choix de l’électrodes tungstèneChoix de l’électrodes tungstène
M.A.IPCMS 2002
Origine probable des problèmesOrigine probable des problèmes
La mauvaise étanchéité du circuit de protection gazeuse(introduction d'air)
La présence d'humidité par condensation à la surface des pièces à souder
Un mauvais nettoyage et grattage des bords à souder (présence d'oxyde d'alumine)
Une longueur d'arc trop importante Des paramètres de soudage inadaptés Une position de soudage peu favorable
au libre dégazage du bain de fusion ( plafond et corniche à éviter )Une vitesse de soudage inadaptéeLe mauvais choix de l’électrodes de tungstène
Soudure TIG sur l‘Aluminium pour enceinte à Vide et UltraSoudure TIG sur l‘Aluminium pour enceinte à Vide et Ultra--VideVide
M.A.IPCMS 2002
2017 A (AU4G) 2017 A (AU4G) Aluminium :Aluminium :Bonnes caractéristiques mécaniques. Le plus utilisé en Mécaniquegénérale. Soudabilité et Anodisation difficiles.
5083 ( AG 4,5)5083 ( AG 4,5)AluminiumAluminium
Principal alliage de mécanique soudable remplaçant du 5056 (AG5).
Bonnes caractéristiques mécaniques et résistance à la corrosion.Soudabilité et anodisation excellentes.5086 (AG 4 MC) 5086 (AG 4 MC) Aluminium Aluminium Alliage voisin du 5083.
Meilleure tenue à la corrosion (Atmosphère saline.). Bonne résistance à basse température. Soudabilité et anodisation excellentes.L’addition de chrome dans ces deux derniers alliages améliore encore leur soudabilité.
M.A.IPCMS 2002
Les pièces minces peuvent être soudées sans employer de baguette d'apport.
La composition chimique des baguettes doit généralement être semblable à celle du métal de base afin de produire un cordon de soudure d'apparence uniforme.
La classification des baguettes indique la résistance à la traction, la composition chimique et la résilience du métal déposé.
BAGUETTES D'APPORTBAGUETTES D'APPORT
ÉÉvanouissement de l'arcvanouissement de l'arc : Évite le cratère en fin de soudage et les risque de fissuration (surtout sur alliages légers).
Dans certaines conditions on peut utiliser la brasure sous vide .
Mais il faut disposer de fours spécialisés .
Il faut surtout choisir des pâtes de brasure (décapant) qui ne contiennent ni cadmium, ni zinc, ni plomb .
BRASAGEBRASAGE
M.A.IPCMS 2002
Pour souder avec du courant alternatif ou du courant continu avec polarité inversée (CCPI), le bout de l'électrode doit être hémisphérique.
Pour obtenir un tel profil, on utilise un branchement CCPI, on amorce un arc sur une plaque assez épaisse pour absorber la chaleur qui sera générée et on maintient une intensité assez élevée pour faire fondre l'extrémité de l'électrode.
Avec une électrode au zirconium, la boule se forme automatiquement lorsqu'on utilise du courant alternatif avec haute fréquence. Une fois fondu, le bout de l'électrode conserve sa forme hémisphérique, ce qui produit un arc stable.
CCPI : + à l’électrode.CCPN : - à l’électrode
M.A.IPCMS 2002
L'affûtage de l'électrode infusible pour le soudage TIG :L'affûtage de l'électrode est réalisé par un cône avec un angle compris entre 30 et 60 degrés. Les stries d'usinage ou de meulage doivent être dans le sens longitudinal de l'électrode. Hauteur de la pointe 1,5 à 3 fois le diamètre de l’électrode.La pointe d'extrémité du cône doit être adoucie pour supporter les densités de courant
L'affûtage est exécuté à l'aide d'une meuleuse à grain fin avec récupération des poussières.
.
On peut parfois faire un petit méplat au bout de l'électrode, d'environ le tiers du diamètre de l'électrode, pour augmenter son pouvoir émissif (capacité d'émettre des électrons) et concentrer la colonne de l'arc.
.
M.A.IPCMS 2002
N N °° du verre teintdu verre teintéé IntensitIntensitéé du (A)du (A)
66 5 5 àà 3030
88 30 30 àà 7575
1010 75 75 àà 100100
1212 200 200 àà 400400
1414 Plus de 400Plus de 400
Numéros de verres pour le soudage avec le procédé TIG
Identification des Bouteilles de Gaz
Inerte/Asphyxiant.
Toxique/ corosif.
Inflammable.
Oxydant.
Dans le cas d'enceinte à ultravide, il faut souder en TIG côté vide
La figure ci-dessous présente quelques types de raccords par soudure utilisés en technique du VIDE
M.A.IPCMS 2002
Chambre de Gravuresous ultra-Vide
Toutes les SouduresToutes les Souduressont réalisées à sont réalisées à
l’intérieurel’intérieure
M.A. IPCMS-2002
Après SoudureAprès Soudure
On fait une détection de fuite à l’héliumOn fait une détection de fuite à l’hélium
Et si possible, on fait le test avant le montage sur site Et si possible, on fait le test avant le montage sur site M.A.IPCMS 2002
Composants KFComposants KF
Pour Vide moyenPour Vide moyen--Grande souplesse d’utilisationGrande souplesse d’utilisation-- Ils assurent une Ils assurent une étanchéité de haute qualitéétanchéité de haute qualité
CFCFKFKF
Composants CF pour «Composants CF pour « Ultra Ultra –– Vide Vide »»
Bride CFBride CF
ULTRA ULTRA -- VIDEVIDEBride inox amagnétique316L et 316LN
Sont étuvables à 400°C
70°70°M.A.IPCMS 2002
Joints pour Joints pour Vide et ULTRA Vide et ULTRA --
VIDEVIDE
Joints Cu OFHC «Joints Cu OFHC « USAUSA » équivalent du Cu » équivalent du Cu –– c «c « FrançaisFrançais »»
Le Cu-a et le Cu–b n’est pas recommandé pour le Vide
Cu-c1 = 99,95 % de CuCu-c2 = 99,99 % de Cu
Cu-c est le plus pur il est « désoxydé »
Joints pour ULTRA Joints pour ULTRA -- VIDEVIDE Joints pour VIDE moyenJoints pour VIDE moyen
Perbunan :Perbunan : --25 à 150°C25 à 150°CViton :Viton : --35 à 200°35 à 200°-- 250°C250°C
Le plus utilisé est le VitonLe plus utilisé est le Viton1010--8 à 5. 108 à 5. 10--99
M.A.IPCMS 2002
ddXX
XXdd
Rapport de compressionRapport de compression
Pour les joints VitonPour les joints Viton
X / d = 0,7X / d = 0,7
Ra=0,4
M.A.IPCMS 2002
Joint HélicoflexJoint Hélicoflex
*Réunies une haute étanchéité “*Réunies une haute étanchéité “ ultraultra--videvide ” ” *Ultra*Ultra--propreté propreté *Réduction des efforts de serrage*Réduction des efforts de serrage*Très bonne tenue*Très bonne tenue : corrosion et température: corrosion et température
Passages de mouvements Passages de mouvements mécaniques mécaniques
par soufflets métalliquespar soufflets métalliques
Pour Vide et UltraPour Vide et Ultra--VideVide
M.A.IPCMS 2002
A : TranslationA : Translation
B : RotationB : Rotation
AABB
M.A.IPCMS 2002
Mouvement de translation «Mouvement de translation « ultraultra--videvide »»
Porte échantillons
VolantVolant
Écrou
coussinetAnneau de
réglage
Orifice de test He
Joint
Joint
Soufflet soudéButé de fin course
Bride CF
Tige fileté
Rep. A
A-A
Vis percéesdégazage
coussinet
M.A.IPCMS 2002
RoulementRoulementRoulement
Soudure A et BSoudure A et BTIG inoxTIG inox
Pompage différentielPompage différentiel
AA BB
Soudure A et BSoudure A et B
Joints ToriqueJoints ToriqueVitonViton
Côté VIDE Côté VIDE
AXE tournantAXE tournant~100 tr/min~100 tr/min
Douille à aiguillesDouille à aiguilles
Réalisation Réalisation d’un axe tournantd’un axe tournantdans un vide moyendans un vide moyen
1010--8 mb8 mb
ZZ
XX
YY
Manipulateur 5 AxesManipulateur 5 Axes
M.A.IPCMS 2002
Vannes UltraVannes Ultra-- VideVide
MicroMicro--fuitefuite
Vanne Tiroir UltraVanne Tiroir Ultra--VideVideM.A.IPCMS 2002
Rep.D
XX
AA
D D -- DD
Soudure TIGSoudure TIG
e
YY
ZZ
X = 3 . eY = 2,5 . eZ = er = 2 mm
rr
Passage électriquePassage électrique
M.A.IPCMS 2002
SPUTTERINGSPUTTERINGPlatine bassePlatine basse
MagnétronsMagnétronsRF et DCRF et DC
M.A.IPCMS 2002
Plan1) Qu'est que le Vide et pourquoi faire ?2) Pompage
TechniquesConductanceExemples
3) Mesure du VideJaugesSpectromètre de masseDétection de fuite
4) Matériaux pour le VideMatériauxTraitementEtuvage
5) Techniques d'assemblage pour le VideSouduresBrides et JointsPassages sous vide (électriques, fluides)Mouvements (translation, rotation, transfert)
6) Présentation d'une installation MBE
Bibliographie
Site internetSociété Française du Videhttp://www.vide.org/
LivresLa technique du videA. Richard et I. Richard, IN FINE Edit.Physique appliquée aux industries du vide et de l'électronique, tomes 1 et 2G.A. Boutry, Masson & Cie, édit.Le vide, ses applications et obtentionP. Duval, SFV, Edit.Notions de base en technique du videG. Rommel, SFV, Edit.
Cours de sciences et technique du vide, tomes 1 et 2R.P. Henry, SFV, Edit.