Brevet FR2731018A1 — publié le 19960830

TOLE POUR CONSTRUCTION SOUDEE EN ALLIAGE ALMGMN A RESISTANCE MECANIQUE AMELIOREE Domaine technique L'invention concerne le domaine des tôles en alliage d'aluminium du type AlMgMn à Mg > 3% en poids, destinees à des constructions soudées présentant une limite élastique élevée, une bonne résistance à la fatigue et une bonne tenacite pour des applications structurales, comme, par exemple, les bateaux et les véhicules industriels. Etat de la technique Le dimensionnement optimal des structures soudes en alliage d'aluminium conduit à utiliser des alliages AlMg de la série 5000 selon la nooenclature de 1 'Aluminum Association, à l'état écroui (état H1 selon la norme NF-A-02006), ou partielle.ent adouci (état H2), ou stabilise (état H3), tout en conservant une bonne résistance à la corrosion (état 11116), plutôt qu'à l'état recuit (état 0). Mais, le plus souvent, l'augmentation des caractéristiques mécaniques par rapport à l'état 0 ne subsiste pas après soudage, et les recommandations des organismes de certification et de contrôle conseillent généralement, pour les structures soudees, de ne tenir compte que des caractéristiques à l'état 0. On doit prendre en copte également, pour le dimensionnement, la tenue à la fatigue et la vitesse de propagation des fissures. Dans ce domaine, les travaux de recherche se sont surtout concentres sur la conduite de l'opération de soudage elle se. De plus, on a cherché, par des traitements thermomécaniques appropriés, à améliorer la tenue à la corrosion de la pièce. La demande de brevet japonais JP 06-212373 propose, pour minimiser la réduction de la résistance mécanique de au soudage, d'utiliser un alliage contenant de 1,0 à 2,0% de Mn, de 3,0 à 6,0* de Mg et moins de 0,15% de fer. Mais, l'utilisation d'un alliage avec une teneur aussi élevée en manganèse conduit à un abaissement de la résistance à la fatigue et de la tenacité. Objet de l'invention L'invention a pour but, dans des conditions de soudage determinees, d'améliorer de manière significative la résistance mécanique et la tenue à la fatigue des structures soudées en alliage AlMgMn, sans conséquences défavorables sur d'autres paramètres tels que la tenacite, la résistance à la corrosion et la déformation à la decoupe, dûe aux contraintes internes. L'invention a pour objet des tôles destinees à des constructions soudees en alliage AlMgMn de composition (en poids %): 3,0 0,5 Fe Si Zn 0,08 0,02 0,05 0,05 avec la relation: Mn + 2Zn > 0,75 Decripttcn de l'invention Contrairement aux recherches anterieures concentrées sur le procédé de soudage et les traitements thermomécaniques, les inventeurs ont trouvé un domaine de composition particulier pour les éléments d'addition mineurs, en particulier le fer, le manganèse et le zinc, conduisant à un ensemble de propriétés intéressantes associant les caractéristiques mécaniques statiques, la ténacité, la résistance à la fatigue, la résistance à la corrosion et la déformation à la decoupe, cet ensemble de propriétés étant particulièrement bien adapte à l'utilisation de ces tôles pour la contruction navale ou les véhicules utilitaires. Cet ensemble de propriétés est obtenu par la combinaison d'une basse teneur en fer, 0,75%, de préférence > 0,8%. La teneur en Mn doit être > 0,5% pour avoir des caracteristiques mécaniques suffissntes, mais ne doit pas dépasser pour autant 1%, si on veut éviter une degradation de la tenacité et de la résistance à la fatigue. L'addition de zinc en combinaison avec le manganèse s'est révélée avoir un effet bénéfique sur les caractéristiques mécaniques des tôles et des joints soudés. Toutefois, il vaut lieux ne pas dépasser 0,4%, car on pourrait rencontrer des problèmes au soudage. Le magnésium est maintenu de préférence > 4,3%, car il a un effet favorable sur la limite élastique et la résistance à la fatigue, mais au-delà de 5% la résistance a la corrosion est oins bonne. L' addition de Cu et Cr sont également favorables à la limite élastique, mais Cr est maintenu de préférence Les tôles selon l'invention, assembles par soudage bout à bout à l'aide d'un procédé MIG ou TIG et avec un chanfrein de l'ordre de 45- sur environ les 2/3 de l'épaisseur, presentent dans la zone soudee une limite élastique R0,2 pouvant être superieure d'au moins 25 MPa à celle d'un alliage conventionnel ayant la même teneur en magnésium, soit un gain de l'ordre de 20%. Elles présentent également une résistance à la rupture qui, pour les joints soudés, dépasse le minimum imposé par les organismes de contrôle pour les tôles brutes écrouies non soudées Les tôles selon l'invention présentent une résistance à la fatigue, mesurée en flexion plane avec un rapport de contraintes R = 0,1 sur des éprouvettes prélevées dans le sens travers-long, supérieure à:: 105 cycles pour une contrainte maximale > 280 MPa 106 cycles " n n n > 220 MPa 107 cycles " n n i > 200 MPa La vitesse de propagation de fissure hK, mesurée pour R - 0,1, est > 22 MPa#m pour da/dN = 5 10-4 mm/cycle et > 26 MPa#m pour da/dN - 10-3 mm/cycle. Elles présentent une résistance à la corrosion aussi bonne que les alliages habituels à même teneur en magnésium, par exemple le 5083 de composition courante, largement utilise en construction navale. Les tôles selon l'invention sont le plus souvent d'épaisseur supérieure à 1,5 mm. Pour les épaisseurs superieures à 2,5 mm, elles peuvent être obtenues directement par laminage à chaud, sans nécessite d'un laminage à froid ultérieur, et, de plus, ces tôles laminées à chaud présentent à la decoupe une distorsion plus faible que les tôles laminées à froid. On a préparé 8 échantillons de tôles par coulee selon continue conventionnelle sous forme de plaques, rechauffées pendant 20 h à une température > 500 C, puis laminées à chaud jusqu'à l'épaisseur finale de 6 mm. Deux (références 0 et 1) ont une composition en dehors de 1' invention et six (réf. 2 à 8) une composition selon l'invention. Les compositions étaient les suivantes (% en poids): Réf Mg Cu Mn Fe Cr Zn Ti Zr 0 4,40 1 4,68 2 4,56 3 4,60 4 4,62 5 4,80 0,09 0,80 0,11 0,03 0,02 0,01 6 4,72 7 4,88 0,05 0,78 0,16 0,02 0,01 0,09 8 4,92 0,06 0,94 0,08 0,02 0,19 0,01 Les échantillons présentent tous, après laminage, une limite élastique Ro,2 > 220 MPa dans le sens L. On a mesure la résistance mécanique des joints soudes à partir de ces tôles dans les conditions suivantes: soudage MIG bout à bout continu automatique, avec un chanfrein symétrique de pente 45- par rapport à la verticale sur une épaisseur de 4 et fil d'apport en alliage 5183. Les caractéristiques mécaniques (résistance à la rupture Rs, limite élastique Ro,2) ont été obtenues par traction sur des éprouvettes normalisées par l'organisme norvegien de contrôle DNV pour la construction navale, de longueur 140 mm, de largeur 35 mm, le cordon de soudure de largeur 15 mm étant au centre et la longueur de la partie étroite de l'éprouvette étant de 27 r, soit la somme de la largeur du cordon et de 2 fois l'épaisseur (15 + 12 mm). Les résultats sont les suivants (en MPa): Réf. Rm Ro,2 0 285 141 1 292 144 2 302 150 3 300 146 4 310 158 5 309 149 6 305 155 7 315 166 8 318 164 On a mesure aussi la resistance à la fatigue des tôles non soudees en flexion plane, avec R - 0,1, en déterminant la contrainte maximale (en MPa) correspondant respectivement à 106 et 107 cycles, ainsi que la vitesse de propagation de fissure #K mesurée pour da/dn - 5 x 10-4 mm/cycle (en MPa#m). Les resultats ont été les suivants: Réf. 106 cycles 107 cycles 0 220 200 22 1 235 205 22 2 230 200 23 3 225 200 23 4 230 205 22 5 225 200 22 REVENDICATIONS 1) Tôle pour construction soudée en alliage d'aluminium AlMgMn de composition (% en poids): 3,0 0,5 Fe Si Zn éventuellement un ou plusieurs des éléments Cr, Cu, Ti, Zr tels que: 0,08 0,02 0,05 0,05 autres éléments avec Mn + 2Zn > 0,75 2) Tôle selon la revendication 1, caractérisée en ce que Mg > 4,3%. 3) Tôle selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que Mn + 2Zn > 0,8%. 4) Tôle selon l'une des revendications 1 a 3, caractérisée en ce que Fe 5) Tôle selon la revendication 4, caractérisée en ce que Fe 6) Tôle selon l'une des revendications 1 å 5, caractérisée en ce qu'elle est d'épaisseur > 2,5 mm et qu'elle est unique eut laminée à chaud. 7) Tôle non soudée selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle présente une résistance à la fatigue, mesurée en flexion plane avec R - 0,1 dans le sens travers-long, superieure à: 105 cycles pour une contrainte maximale > 280 MPa 106 cycles " " " " > 220 MPa 107 cycles " " " " > 200 MPa 8) Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle présente une vitesse de propagation de fissure #K, , mesurée pour R = 0,1, supérieure a: 22 MPa#m pour da/dn = 5 10-4 mm/cycle 26 MPa#m pour da/dn - 10-3 mm/cycle.