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 )

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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 .

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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.

.

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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

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Chambre de Gravuresous ultra-Vide

Toutes les SouduresToutes les Souduressont réalisées à sont réalisées à

l’intérieurel’intérieure

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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

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ddXX

XXdd

Rapport de compressionRapport de compression

Pour les joints VitonPour les joints Viton

X / d = 0,7X / d = 0,7

Ra=0,4

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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

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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.