Brevet FR2823767A1 — publié le 20021025

l'anneau avec un taux de recouvrement supérieur à 100%. s Blocs métalliques de forte épaisseur destinés à l'usinage Domaine de l'invention L' invention concerne des blocs métalliques de forte épaisseur destinés à étre transformés par usinage, par exemple pour la fabrication d'outillages ou de moules de grande dimension, ou d'éléments de structure d'avions de grande capacité. 0 Etat de la technique Les blocs métalliques de forte épaisseur utilisés pour l'usinage de pièces de grande dimension sont généralement des tôles laminées ou des blocs forgés. Lors de la fabrication de toles métalliques épaisses, on n'obtient en général pas des caractéristiques mécaniques statiques aussi bonnes que celles obtenues sur des toles plus minces. Plus précisément, la résistance à la traction Rm, la limite conventionnelle d'élasticité Rpo2 et l'allongement à rupture A tendent à baisser lorsque l'on augmente, dans un procédé de fabrication donné, l'épaisseur des tôles. A tibe d'exemple, la norme européenne EN 485-2 de novembre 1994 préconise pour les toles laminées en alliage d'aluminium EN AW-6061 à l'état métallurgique T651 les valeurs minimales suivantes: Rm min = 290 MPa pour des toles d'une épaisseur comprise entre 12,5 mm et 100 mm, Rm min = 265 MPa pour des toles d'une épaisseur comprise entre 150 mm et 175 mm. Pour l'allongement à rupture, la diminution est encore plus importante: la valeur minimale garantie est de 8% pour les tôles d'une épaisseur comprise enke 12,5 mm et 40 mm, et de 4% pour les t81es d'une épaisseur comprise entre 150 mm et 175 mm. Selon la norme EN 485-1, pour les toles d'une épaisseur supérieure à 40 mm, l' axe longitudinal de l ' éprouvette doit étre situé à une distance de l'une des surfaces égale au quart d'épaisseur, et pour des toles moins épaisses à mi-épaisseur. Cette baisse des propriétés mécaniques statiques est plus importante lorsque l'on l' analyse localement en fonction de l' épaisseur, par exemple dans le cas d'une tôle d'une épaisseur de 200 mm par prélèvement d'une éprouvette à 25 mm, 50 mm et mm au-dessous de la surface. Ce phénomène est bien connu de l'homme du métier et ses causes sont multiples. L'écrouissage de la tôle lors du laminage peut augmenter ses valeurs de Rm et Rpo 2, mais se trouve limité par la conception du laminoir à chaud: pour obtenir une tôle d'épaisseur finale de 100 mm par un procédé de laminage conduisant à une réduction de l'épaisseur de moitié, il faut partir d'une plaque de laminage d'une épaisseur d'au moins 200 mm. Pour obtenir de la même facon une tôle d'épaisseur finale de 400 mm, il faut partir d'une plaque de laminage d'une épaisseur d' au moins 800 mm, mais on ne dispose pas habituellement d'un laminoir permettant de laminer une plaque aussi épaisse. On peut écrouir des plaques 0 épaisses par forgeage, mais pour cela, il faut disposer de presses de forge très puissantes, qui n'existent que dans de rares endroits, et le procédé est très coûteux. Dans le cas de tôles épais ses en al liages durcis sables par trempe, la vitesse de trempe influe sur les propriétés mécaniques statiques. Or, la vitesse locale de trempe d'un volume donné de la t81e est déterminée par la conductivité thermique du matériau, et IS dépend donc de l'épaisseur de la tôle. Dans le cas de tôles épaisses trempées, la trempe induit de s c o ntrainte s ré si due l l es susceptib l es de c ondui re à l a déform ati on de la tôle, notamment lors de son usinage. Ces contraintes sont donc indésirables et doivent être minimisées, par exemple par traction de la tôle. Les bancs de traction disponibles dans la plupart des usines n'acceptent souvent pas des tôles d'une épaisseur supérieure à une ou deux centaines de millimètres, et leur puissance est limitée. Le détensionnement de la tôle peut aussi être effectué par compression de la tôle sous une presse de forge. Dans ce cas, l'épaisseur de la tôle peut être plus grande, mais c'est alors l' effort maximum de compression que peut fournir la presse qui devient le facteur limitant. Cette baisse des propriétés mécaniques statiques en fonction de l'épaisseur est de façon générale indésirable. Ainsi, lors de la fabrication de pièces usinées à partir de tôles épaisses, ce sont les caractéristiques mécaniques locales, proches de la nouvelle surface créée par usinage, qui déterminent certaines propriétés d' usage de la pièce usinée. Par exemple, lors de la fabrication d ' un moule d' inj ection pour pièces en plastique par usinage d' un bloc épais en acier ou en alliage d'aluminium, le concepteur du moule doit prendre en compte le gradient des caractéristiques mécaniques statiques dans l'épaisseur de la tôle et ne peut se contenter des propriétés mécaniques globales du bloc. Un autre inconvénient est lié à l'opération de l'usinage elle-même. Ainsi, pour les tôles épaisses en alliages d' aluminTum, on observe lors de l' usinage en grande profondeur que l'aptitude du métal à l'usinage diminue à mesure que l'on s'enfonce à l'intérieur de la tôle, car le métal est plus mou en profondeur qu'en surface. De s même, le polissage de la surface usinée et son grainage par voie chimique ou électrolytique sont de plus mauvaise qualité pour une surface usinée en grande profondeur que dans une zone proche de la surface originaire de la tôle épaisse. Pour pallier ces inconvénients, l'homme du métier a privilégié jusqu'ici une approche métallurgique en jouant sur la composition de l'alliage utilisé ou sur la lo gamme de fabrication. C'est le cas notamment pour les alliages d'aluminium. Ainsi, dans le brevet US 6 088 363 de la demanderesse, les contraintes résiduelles d'une tôle en alliage AlCuMg sont minimisées par le choix d'une composition chimique optimisée, notamment en ce qui concerne le manganèse, le fer et le silicium, et d'un procédé de fabrication comprenant plusieurs étapes de transformation thermomécanique. Le brevet US 5 277 719 (Aluminum Company of America) présente une méthode pour fabriquer une tôle épaisse en alliage d'aluminium de la série 7xxx à faible taux de porosité, comprenant une première étape de préforgeage avec un taux de réduction d'au moins 30% qui précède le laminage à chaud. La demande de brevet EP 723 033 A1 (Hoogovens Aluminium Walzprodukte) présente une méthode pour fabriquer une tôle épaisse en alliage d'aluminium, comprenant une ou plusieurs étapes de forgeage après une première étape de laminage à chaud. L'objectif de ces deux procédés est principalement l'amélioration de la résistance à la fatigue, mais le procédé décrit dans EP 723 033 conduit également à une légère réduction de la chute de la 2s résistance à la traction pour des tôles d'une épaisseur supérieure à 8 inches (environ 205 mm). La demande de brevet EP 989195 (Alusuisse Technology & Management AG) propose une méthode pour diminuer les contraintes résiduelles de tôles en alliage AlCuMg, visant à obtenir une précipitation homogène de phases submicroniques de Al3Zr dans l'épaisseur de la tôle. Ces tôles peuvent être obtenues par laminage à chaud d'une plaque de laminage, ou fabriquées directement à partir de plaques coulées, sans aucun laminage. Ces différents moyens proposés par l'état de la technique induisent des contraintes dans le choix des alliages, des états métallurgiques, du procédé de fabrication de la tôle et de son épaisseur. Par ailleurs, ils ne donnent pas entièrement satisfaction: à titre d'exemple, il n'existe pas de méthode pour fabriquer une tole épaisse d'aluminium, notamment d'une épaisseur supérieure à 200 mm, en alliages à traitement thermique, dont les valeurs locales de Rm et Rpo,2 ne diminuent pas considérablement lorsque l'on avance de la surface jusqu'à mi-épaisseur. Pouvoir disposer d'un tel produit permettrait de fabriquer dans de nombreux domaines industriels des outils plus légers. Un tel produit, disponible en plus grande épaisseur que les tôles selon l'art antérieur, permettrait également de fabriquer des pièces de taille plus grande, telles que des moules ou des outillages, et d'améliorer le polissage et le grainage dans toute l'épaisseur. Le but de la présente invention est de fournir un produit métallique épais, c'est-à-dire d'épaisseur supérieure à 25 mm, voire très épais par exemple d'épaisseur supérieure à 200 ou 400 mm, présentant de bonnes caractéristiques mécaniques dans toute son épaisseur, et un faible niveau de contraintes résiduelles. Objet de l'invention L' invention a pour objet un bloc métallique destiné à l'usinage, comportant deux faces parallèles d'épaisseur entre ces deux faces d'au moins 25 mm, obtenu par assemblage d'au moins deux tôles superposées, d'épaisseur unitaire supérieure à 12,5 mm, de même composition et de méme état métallurgique, avec une liaison telle que la limite d'élasticité du bloc soit au moins égale à 75% de celle des tôles de départ. 2s Elle a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel bloc à partir de deux ou plusieurs tôles épaisses. Elle a également pour objet des pièces mécaniques fabriquées par usinage dans de tels blocs, notamment des moules de plasturgie en acier ou en alliage d'aluminium. Description de l'invention - Les blocs métalliques selon l'invention peuvent êhe obtenus à partir de t81es des différents métaux et alliages utilisés pour l'usinage de pièces de grande dimension, notamment des aciers, des alliages cuivreux et des alliages d'aluminium. il est avantageux d'utiliser des alliages durcissables à la trempe, qui conduisent à une résistance mécanique élevée à l'état trempé. Ainsi, les alliages d'aluminium à durcissement structural des séries 2000, 6000 et 7000 sont utilisés de prétérence à l'état T3 (trempé mûri) ou T6 (trempé revenu). Quel que soit le mode d'assemblage utilisé, les t81es doivent être aussi planes que possible et avec un niveau faible de contraintes résiduelles, ce qui peut être obtenu notamment par traction entre les mors 0 d'une machine de traction, ou par compression à l'aide d'une presse à forger. L'assemblage des t81es épaisses entre elles peut être effectué par n'importe quel procédé permettant d'obtenir une résistance mécanique du bloc assemblé voisine de celle des tôles de départ, et notamment une limite d'élasticité Rpo2 au moins égale à %, et de préLérence 90%, de celle des t81es de départ. Par ailleurs, la liaison doit présenter une bonne stabilité mécanique et thermique ainsi que les autres caractéristiques, telles que la conductivité thermique du joint entre deux t81es ou son aspect de surface, nécessaires à l' application finale visée du bloc assemblé. Ainsi, les tôles épaisses peuvent être assemblées par collage à l'aide de films adhésifs, de feuilles plastiques ou de colles liquides. On peut par exemple appliquer un film mince adhésif, polymérisable à chaud, et d'effectuer cette polymérisation, lorsque l'alliage est à durcissement structural, lors du revenu des t81es. On peut aussi appliquer une colle liquide mono- ou bi-composant sur la surface de l'une ou des deux tôles à assembler, et obtenir un durcissement de la colle soit en laissant reposer le bloc assemblé à la température ambiante pendant un temps suffisant, soit en chauffant à une température suffisante. On peut également utiliser une feuille plastique polymérisable, intercalée en deux t81es épaisses, et chauffer de manière appropriée. Dans tous ces cas, on peut assembler deux ou plusieurs tôles à la fois, et on peut laisser polymériser ou durcir la colle pendant que l'assemblage repose à plat, soit sous le propre poids des t81es, soit en exerçant une pression sur les joints collés. Un autre procédé d' assemblage utilisable est la déformation à chaud de deux ou plusieurs tôles épaisses superposées, par exemple par laminage ou forgeage; on obtient ainsi le même type de liaison métallurgique que dans le procédé connu du placage des tôles. Ce procédé peut être avantageusement utilisé pour l'assemblage de tôles épaisses en alliages d'aluminium sans traitement thermique, tels que les alliages de la série 5000. Il est moins bien adapté aux alliages à durcissement structural, car il nécessite en général un préchauffage des tôles qui peut modifier leur état s métallurgique de façon indésirable. L'utilisation de ce procédé peut se trouver limitée par la capacité des laminoirs ou presses de forge d'accepter des tôles très épaisses, ou par l'effort maximum que peuvent fournir ces laminoirs ou presses de forge. Les tôles peuvent être également assemblées par soudage, notamment par soudage sous faisceau d'électrons, procédé qui dégrade peu les caractéristiques mécaniques. lo Mais le procédé d'assemblage utilisé préférentiellement est le soudage par explosion. Ce procédé est connu depuis de nombreuses années, et est utilisé le plus souvent pour plaquer des tôles minces sur des tôles épaisses d'un métal différent, notamment pour obtenir une couche en métal noble sur une tôle épaisse en acier ordinaire. Les brevets FR 1381594, FR 1397963 et FR 1458506 d'Asahi Kasei illustrent cette technologie. 1S La plupart des nombreux exemples décrits concernent le placage d'une tôle mince sur une tôle d'acier, et quelques uns décrivent l' assemblage de deux toles minces, de l'ordre de 1 mm d'épaisseur, constituées du même métal (acier inoxydable ou aluminium). De même, le brevet US 3,024,526 (Atlantic Richfield Corporation) décrit le soudage de deux tôles d'aluminium d'une épaisseur de 0,062 inches (soit environ 1,6 mm) par explosion. A la connaissance des inventeurs, ce procédé n'a jamais été utilisé pour former des bloc épais constitués de deux ou plusieurs tôles épaisses d'un même métal, en particulier en alliages d'aluminium. Les tôles épaisses à assembler sont du même alliage et de même état métallurgique, c'est-à-dire produites selon une gamme de fabrication similaire, pour obtenir des propriétés homogènes; elles peuvent être de même épaisseur ou d'épaisseur différente, et on peut assembler deux tôles ou plusieurs tôles en une seule opération. Le procédé d'assemblage est analogue à celui utilisé dans l'art antérieur, notamment les brevets précités. Il consiste à préparer la surface des tôles par brossage, à superposer les tôles, de même format, en ménageant entre elles un espace à l'aide de pièces intercalaires, à fermer l'interstice ou les interstices entre les tôles, par exemple à l'aide d'un ruban adhésif, à placer un explosif, par exemple sous forme de poudre, au dessus de la tôle supérieure sur toute la surface de celle-ci, et enfin à procéder à la détonation de cet explosif, de manière à obtenir une soudure des tôles sur toute leur surface. Le procédé selon l' invention permet de fabriquer des blocs dont l ' épaisseur n' est plus limitée par la capacité des outils utilisés pour fabriquer les tôles (laminoirs ou presses de forge). Ces blocs permettent de réaliser dans de bonnes conditions des pièces usinées de très grande dimension, comme des éléments de structure d'avions de grande capacité en alliages d'aluminium à durcissement structural, des outillages ou des moules d'injection pour plastiques en acier, en alliages cuivreux ou en alliages d'aluminium. La fabrication de ces pièces usinées peut faire intervenir un ou plusieurs procédés tels que le tournage, le fraisage, le perçage, l'alésage, le taraudage, l'électroérosion, la rectifcation, le polissage. Il est également possible de déposer sur la surface ainsi créée une couche d'un métal dur, par des procédés connus tel que celui décrit dans la demande de brevet EP 997 253 A1 (Werkzeugbau Leiss GmbH). La demanderesse a découvert qu'un tel dépôt métallique est particulièrement utile dans le cas de blocs assemblés par collage, lorsque l'usinage profond a traversé le joint collé. On peut ainsi déposer une couche d'aluminium, ou un autre métal. Pour la fabrication de blocs en alliage d'aluminium à durcissement structural, la demanderesse a trouvé un procédé de fabrication qui donne des résultats particulièrement bons: les tôles épaisses sont fournies dans un état détensionné, par exemple à l'état T351 (désignation selon la norme EN S1S), et assemblées par explosion. Puis le bloc épais est soumis à un traitement de revenu. L'utilisation de tôles épaisses détensionnées permet d'obtenir des blocs à très faible niveau de contraintes résiduelles qui se prêtent particulièrement bien à l'usinage. Par ailleurs, on observe que les tôles à l'état T351 présentent une meilleure ductilité, ce qui évite la cas se accidentelle lors de leur assemblage ou manipulation. La demanderes se a par ailleurs observé que, dans certains cas, le soudage par explosion lui-même conduit au détensionnement des tôles. Exemples Exemple 1: (art antérieur) Des t81es épaisses en alliage d'aluminium 7449 en été fabriquées à l'état T6 selon des techniques connues de l'homme du métier. L'épaisseur de ces tôles était comprise entre 50 mm et 150 mm. On a mesuré la limite d'élasticité Rpo 2 sens TL à quart épaisseur. Les résultats sont résumés sur le tableau 1. On observe une très forte s décroissance de Rpo.2 lorsque l'épaisseur e de la t81e augmente. Tableau 1 |e(mm) 15 175 |100 |150 1 Rpo,2 (MPa) 1584 1575 1 s64 1508 lo Exemple 2: (invention) On a préparé deux t81es deux toles en alliage d'aluminium 7075 de méme format et d'épaisseur respective 25 et 70 mm. La composition de l'alliage était la suivante (% en poids): Si = 0,08 Fe = 0,15 Cu = 1, 56 Mn = 0,03 Mg = 2,30 Cr = i5 0,19 Zn = 5,92 Ti = 0,03 Ces t81es ont été mises en solution à une température de 465 C, puis trempées à l'eau froide, vieillies naturellement et kactionnées jusqu'à une déformation permanente de 1,5%, ce qui correspond à un état T351. Les t81es ont été ensuite assemblées par explosion sur le site de la Société NobelClad Europe à Rivesaltes (France). Le bloc soudé a été soumis ensuite à un revenu de 48 h à 120 C pour l'amener à l'état T651. L'examen de la zone de liaison ne révèle aucune interface visible à l'état brut de polissage. Après attaque chromique, l'interface entre les t81es de départ devient visible, avec une zone de 0,3 mm de part et d'autre de la soudure comportant des bandes de glissement inclinées, orientées dans le sens de la propagation de l'onde de 2s choc, qui témoignent d'un écrouissage important. On a prélevé des éprouvettes de traction cylindriques à quart-épaisseur de la tole de mm et dans la zone d' interface entre les deux tôles, et on a mesuré les caractéristiques mécaniques statiques: résistance à la rupture Rm (en MPa), limite d'élasticité Rpo,2 (en MPa) et allongement à la rupture A (en %), dans les directions L, TL et TC. Les résultats sont indiqués au tableau 2: Tableau 2 Eprouvette Sens Rpo 2 (MPa) Rm (MPa) A (%) Tôle 464 528 13,3 Interface L 501 553 11,6 Tôle TL 528 548 10,3 Interface TL 553 555 8,7 Tôle TC 456 532 5,5 Interface TC 478 540 4,5 s On constate que la résistance à la rupture et la limite élastique, quel que soit le sens de la mesure, sont augmentées dans la zone de liaison par rapport aux valeurs des tôles de départ, avec un allongement faiblement réduit. On a mesuré également la durée de vie en fatigue cyclique sous contrainte de 200 MPa, à une fréquence de 50 Hz, avec R = 0,1, sur des éprouvettes rondes lisses de sens TC, avec un facteur de concentration de contrainte K, = 1, selon la norme ASTM E466, prélevées l'une dans la tôle de 70 mm, l'autre dans la zone de liaison entre les deux tôles. Le nombre de cycles jusqu'à rupture a été respectivement de 206375 et 321271, ce qui montre une amélioration de la résistance à la fatigue dans la zone de liaison. Revendications 1. Bloc métallique destiné à l'usinage, comportant deux faces parallèles d'épaisseur entre ces deux faces d'au moins 25 mm, obtenu par assemblage d'au moins deux tôles superposces, d'épaisseur unitaire supérieure à 12,5 mm, de même composition et de même état métallurgique, avec une liaison telle que la limite d'élasticité du bloc soit au moins égale à 75% de celle des tôles de départ. 2. Bloc métallique selon la revendication 1, caractérisé en ce que son épaisseur est d'au moins 200 mm. 3. Bloc métallique selon la revendication 2, caractérisé en ce que son épaisseur est d'au moins 400 mm. 4. Bloc métallique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est en acier. 5. Bloc métallique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est en alliage d'aluminium. 6. Bloc métallique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est en alliage d'aluminium à durcissement structural. 7. Bloc métallique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tôles qui le composent sont à l'état trempé. 8. Bloc métallique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tôles qui le composent sont à l'état trempé revenu. - 9. Bloc métallique selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les tôles qui le composent sont détensionnées par traction contrôlée. 10. Bloc métallique selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les tôles qui le composent sont détensionnées par compression. 11. Bloc métallique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que sa limite d'élasticité est supérieure à 90% de celle des tôles de départ. lo 12.Bloc métallique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l' assemblage des toles est réalisé par collage. 13. Bloc métallique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'assemblage des tôles est réalisé par co-laminage ou co-forgeage. 14. Bloc métallique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'assemblage des tôles est réalisé par soudage à l'aide d'un faisceau d'électrons. 15. Bloc métallique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l' assemblage des tôles est réalisé par soudage par explosion. 16. Procédé de fabrication d'un bloc selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on superpose des tôles de même format en les séparant par des pièces intercalaires, qu' on ferme les interstices entre les tôles, qu' on couvre la face 2s supérieure de la tôle supérieure avec un explosif sur toute sa surface et qu'on procède à la détonation de cet explosif. 17. Procédé de fabrication selon la revendication 16, caractérisé en ce que les tôles sont en alliage d'aluminium à durcissement structural. 18. Procédé de fabrication selon la revendication 17, caractérisé en ce que les tôles sont à l'état trempé. 19. Utilisation d'un bloc scion l'une des revendications 1 à 15 pour la fabrication par usinage d'éléments de structure d'avions. 20. Utilisation d'un bloc scion l'une des revendications 1 à 15 pour la fabrication par