Brevet FR2825375A1 — publié le 20021206

Procédé et dispositif de renforcement localisé d'une tôle de structure. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de renforcement localisé de tôles de structure, en particulier un dispositif de renforcement localisé par bandes durcies espacées. Les contraintes réglementaires de limitation des émissions automobiles poussent à la réduction de la consommation des véhicules, notamment à travers la réduction du poids. Concernant les carrosseries, les performances accrues demandées aux véhicules en terme de sécurité passive peuvent jouer en sens inverse en poussant à des surépaisseurs ou à des pièces de renfort. Les constructeurs sont donc à la recherche de structures de carrosserie plus efficaces ou éventuellement de matériaux plus légers comme l'aluminium ou les matériaux organiques. Une autre solution consiste à utiliser des aciers de plus en plus résistants dans des assemblages de conception traditionnelle. Pour les aciers en tôle, une limite d'élasticité de 600 MPa semble être la limite du moyen conventionnel de mise en forme par emboutissage. On peut contourner cette limite en pratiquant un traitement thermique sur la pièce une fois la mise en forme effectuée. Des limites d'élasticité supérieures à 1000 MPa peuvent être atteintes par ce procédé. Des procédés classiques de trempe au four ou sous l'outil d'emboutissage sont aujourd'hui largement répandus. Toutefois, ces procédés présentent divers inconvénients, comme des temps de cycle importants, ou un prix de revient élevé. Pour remédier à ces problèmes, on a imaginé, comme la société TOYOTA, (Method of Improving Side impact Protection Performance by induction Hardening of Body Reinforcement, Masashi Shibata, Masazumi Oonishi, Kouji Makino and Shinji kurach, SAE Transactions-107 (6)-1998) de pratiquer l'opération de trempe par chauffage par induction sur les seules zones fortement sollicitées. Cette opération n'est pas encore satisfaisante du fait des déformations importantes liées au procédé. La présente invention propose un procédé et un dispositif de renforcement localisé de tôles de structure remédiant à ces inconvénients. En particulier, la présente invention propose un procédé de renforcement de tôles de structure limitant les déformations des tôles et permettant ainsi d'opérer sur des tôles déjà assemblées. Selon l'invention, le procédé de renforcement localisé d'une tôle de structure à base d'acier consiste à chauffer une ou plusieurs zones localisées de la tôle, de façon à ce que l'acier ainsi chauffé ne soit que partiellement austénitisé, puis à soumettre la ou les zones localisées chauffées à un refroidissement à l'aide d'un gaz, de façon à transformer en structure de trempe l'acier ainsi chauffé. Le procédé est particulièrement bien adapté à une tôle de structure faisant partie d'un assemblage de plusieurs tôles. Selon le procédé de l'invention, le chauffage est réalisé par induction moyenne fréquence, ou à l'aide de diodes laser. De préférence, la ou les zones localisées chauffées sont celles amenées à subir des contraintes mécaniques. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le chauffage est effectué sur des zones de forme prédéfinie. Ces zones peuvent être en forme de bandes allongées, de croisillons, de nervures ou de sinusoïdes. De préférence, on chauffe la ou les zones localisées de la tôle jusqu'à 800 C. De préférence, la ou les zones localisées chauffées sont refroidies jusqu'à une température comprise entre 300 et 400 C. Selon le procédé de l'invention, le refroidissement est effectué à l'aide d'un flux gazeux de refroidissement d'air ou d'azote. Avantageusement, la tôle de structure comprend de 0,15 à 0,20% en poids de carbone, de 1,5 à 2% en poids de manganèse, et de 0 à 2% de silicium. L'invention concerne également un dispositif de renforcement localisé d'une tôle de structure à base d'acier, le dispositif comprenant au moins un élément conducteur d'électricité destiné à chauffer une ou plusieurs zones localisées de la tôle, ce ou ces éléments conducteurs d'électricité étant reliés à un dispositif d'alimentation électrique, et un dispositif de refroidissement acheminant un flux gazeux à l'aide d'au moins une buse de soufflage sur les parties des zones localisées venant d'être chauffées. De préférence, le ou les éléments conducteurs d'électricité comportent un matériau concentreur de champ, par exemple du ferrotron, de façon à concentrer le chauffage sur la ou les zones localisées. De préférence, les parties du ou des éléments conducteurs en regard de la tôle de structure à traiter sont munies d'un revêtement électriquement isolant. Selon un mode de réalisation de l'invention, le ou les éléments conducteurs d'électricité sont placés à une distance prédéterminée d'une ou plusieurs buses de soufflage, et le ou les éléments conducteurs ainsi que la ou les buses de soufflage sont reliés à l'aide de portiques à un dispositif d'entraînement en translation au-dessus de la tôle à renforcer. Selon un mode de réalisation de l'invention, le ou les éléments conducteurs d'électricité sont en forme de barres. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif du procédé de l'invention, et illustré par la figure annexée. Tel qu'il est illustré sur la figure annexée, le dispositif de renforcement d'une tôle de structure 10 à base d'acier selon l'invention comprend un inducteur 1 qui comporte deux éléments conducteurs d'électricité sous forme de barres conductrices 2 et 3 traversées par un conducteur 4a relié à un dispositif d'alimentation électrique 4. Un dispositif de refroidissement 5 est composé de deux buses de soufflage 6a et 6b. Les deux barres conductrices 2 et 3, ainsi que le dispositif d'alimentation électrique 4 sont reliées à un bras mécanique 7 pouvant être robotisé à l'aide de portiques 14 et 15. Le dispositif de refroidissement 5 composé des deux buses de soufflages 6a et 6b est également relié au bras mécanique 7 à l'aide d'un portique 16. Les portiques 14,15 et 16 peuvent être fixés au bras mécanique 7, ou coulisser à l'intérieur de celui-ci. L'inducteur 1 est avantageusement un inducteur plan monospire. Les barres conductrices 2 et 3 sont destinées à chauffer des zones localisées sous forme de bandes allongées 8 et 9 qui doivent être renforcées. Les barres conductrices 2 et 3 peuvent être de section carrée ou circulaire. Elles peuvent être maintenues avec un faible écartement de 2 à 10 mm au-dessus de la tôle de structure 10. Dans le mode de réalisation de l'invention illustré, les parties inférieures 2a et 3a des barres conductrices 2 et 3 en regard de la tôle de structure 10 sont électriquement isolées, de façon à permettre un contact entre les barres conductrices 2 et 3 et la tôle de structure 10, les barres conductrices 2 et 3 glissant sur la surface de celle-ci. De préférence, les deux barres conductrices 2 et 3 comportent du ferrotron, de façon à concentrer le chauffage sur les bandes allongées 8 et 9. A titre d'exemples, nullement limitatifs, des dimensions de l'inducteur 1, on pourra utiliser des barres conductrices 2 et 3 larges d'environ 1 cm, espacées de l'ordre de 5 cm, et longues ZD d'environ 10 cm, la distance entre les buses de soufflage 6a et 6b et les barres conductrices 2 et 3, qui a été exagérée pour la clarté de la figure, étant en réalité de l'ordre de 2 à 3 cm. Le chauffage des bandes allongées 8 et 9 est fait de façon à n'austénitiser qu'une partie de l'acier chauffé. De préférence, on s'arrange pour chauffer de telle sorte que seules les zones perlitiques de l'acier composant la tôle de structure 10 soient austénitisées. De préférence, on chauffe jusqu'à 800 C environ. Le chauffage est réalisé par induction moyenne fréquence, de l'ordre de 10 kHz, le dispositif d'alimentation électrique 4 alimentant l'inducteur 1 avec une puissance de préférence comprise entre 10 et 50 kW. On peut également envisager un chauffage par diodes laser, éventuellement complétées de fibres optiques, mais le chauffage par induction présente l'avantage de faciliter le contrôle de la température. Afin de limiter le gradient thermique dans l'épaisseur de la tôle à une dizaine de degrés, la densité de puissance sera avantageusement comprise entre 300 et 500 W/cm2. Les parties 8a et 9a des bandes conductrices 8 et 9 venant d'être chauffées, sont ensuite soumises, lors du déplacement en translation de l'ensemble du dispositif, dans le sens de la flèche 13, à un refroidissement ou trempe thermique, suffisamment rapide pour transformer l'acier chauffé en structure de trempe. La structure de trempe comprend de la martensite, de la bainite, et de l'austénite résiduelle. De préférence, on refroidit jusqu'à une température comprise entre 300 et 400 C. La vitesse de refroidissement est de préférence comprise entre 10 et 20 C/s. Cette opération de trempe thermique est réalisée à l'aide du dispositif de refroidissement 5 composé des deux buses de soufflage 6a et 6b acheminant deux flux gazeux Il et 12 de refroidissement sur les parties 8a et 9a des bandes 8 et 9 venant d'être chauffées. De préférence, les flux gazeux 11 et 12 comprennent de l'air ou de l'azote. On utilisera avantageusement deux jets d'air comprimé, par exemple sous une pression de l'ordre de 7 bars. L'enchaînement chauffage/trempe thermique est assuré grâce au bras mécanique 7 portant le dispositif d'alimentation électrique 4, les deux barres conductrices 2 et 3, et les buses de soufflage 6a et 6b, et qui translate ces éléments dans le sens de la flèche 13 au-dessus de la tôle de structure 10. La vitesse de translation est de préférence de l'ordre de 10 cm/s. Le fonctionnement au défilé et en décalé du chauffage et du refroidissement accéléré nécessite évidemment une mise au point de l'inducteur par l'homme du métier, notamment de la largeur et de l'espacement des bandes, ainsi que de la distribution du flux de refroidissement. La tôle de structure utilisée doit être capable de supporter les différentes étapes du procédé. Les tôles de structure, et en particulier le revêtement des tôles prérevêtues, utilisées dans l'industrie automobile, doivent être capables de tenir 30 secondes à 800 C sans coulures, et assurer une bonne tenue en service à la corrosion, notamment dans les zones frontalières du traitement thermique. Selon une variante du procédé selon l'invention, les pièces renforcées sont issues de tôles de structure de type ferrito/perlitique (20%) comprenant de 0,15 à 0,20% en poids de carbone, de 1,5 à 2% en poids de manganèse, et 0 à 2% de silicium. De préférence, la ou les parties de la tôle de structure soumises au procédé et ainsi renforcées sont celles amenées à subir des contraintes mécaniques. Ces contraintes mécaniques peuvent être importantes ou susceptibles de contribuer à l'inertie en flexion de l'assemblage soudé. Il est intéressant de remarquer que le procédé de l'invention permet de dessiner des zones de durcissement plus complexes que des simples bandes, comme par exemple des croisillons, des nervures ou des sinusoïdes, en particulier si l'on utilise des diodes laser pour le chauffage. On peut également imaginer, pour optimiser le procédé, de déterminer préalablement les zones les plus sollicitées en fonctionnement, et d'imposer au bras mécanique une trajectoire mémorisée qui suive ces zones de forme prédéfinie. Ainsi, au lieu de réaliser le renforcement par durcissement de bandes allongées ZD régulièrement espacées, on peut utiliser des inducteurs de formes diverses qui suivent des nervures, des croisillons ou des sinusoïdes ou limiter le durcissement à des plages que la conception et le calcul ont désignées comme spécialement sollicitées ou participant au renforcement global de la pièce, voire d'un assemblage plus étendu. Le fait de pouvoir éviter le traitement thermique des joints soudés ou des zones proches des bords ou congés est un avantage par rapport aux procédés classiques traitant les pièces de manière homogène. Le traitement in situ présente également un grand intérêt économique. La taille et l'espacement des zones localisées à renforcer peuvent aussi être optimisés en fonction du renforcement des propriétés souhaitées pour la pièce, par exemple, du moment fléchissant d'une traverse. Typiquement, pour une traverse en acier de structure ferrito-perlitique ayant une limite d'élasticité de 400 MPa, des bandes allongées de largeur de l'ordre du cm, et espacées de quelques centimètres, permettent d'augmenter de 50% le moment fléchissant de la pièce au seuil d'apparition d'une flèche plastique. Le procédé selon l'invention, du fait qu'il entraîne peu de déformations, convient particulièrement pour des tôles de structure déjà assemblées, voire soudées, comme par exemple les carrosseries centrales de véhicules automobiles. Ainsi, les pièces peuvent être renforcées par durcissement de zones localisées in situ sur la caisse des véhicules automobiles, après mise en forme à froid et assemblage par points. Avantageusement, le renforcement localisé des zones critiques permet de réduire l'épaisseur de tôle et par conséquent le poids de l'assemblage. REVENDICATIONS 1. Procédé de renforcement localisé d'une tôle de structure à base d'acier, caractérisé en ce qu'on chauffe une ou plusieurs zones localisées de la tôle, de façon que l'acier ainsi chauffé ne soit que partiellement austénitisé, puis qu'on soumet la ou les zones localisées chauffées à un refroidissement à l'aide d'un gaz, de façon à transformer en structure de trempe l'acier ainsi chauffé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tôle de structure fait partie d'un assemblage de plusieurs tôles. c 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les zones localisées chauffées sont celles amenées à subir des contraintes mécaniques. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage est effectué sur des zones de forme prédéfinie. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage est effectué sur des zones en forme de bandes allongées, de croisillons, de nervures ou de sinusoïdes. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on chauffe la ou les zones localisées de la tôle jusqu'à 800 C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les zones localisées chauffées sont refroidies jusqu'à une température comprise entre 300 et 400 C. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le refroidissement est effectué à l'aide d'un flux gazeux de refroidissement d'air ou d'azote. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé par induction moyenne fréquence. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé à l'aide de diodes laser. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tôle de structure comprend de 0,15 à 0,20% en poids de carbone, de 1,5 à 2% en poids de manganèse, et 0 à 2 % de silicium. 12. Dispositif de renforcement localisé d'une tôle de structure (10) à base d'acier, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément conducteur d'électricité destiné à chauffer une ou plusieurs zones localisées de la tôle (10), ce ou ces éléments conducteurs d'électricité étant reliés à un dispositif d'alimentation électrique, et un dispositif de refroidissement (5) acheminant un flux gazeux à l'aide d'au moins une buse de soufflage sur les parties des zones localisées venant d'être chauffées. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le ou les éléments conducteurs d'électricité comportent un matériau concentreur de champ, de façon à concentrer le chauffage sur la ou les zones localisées. 14. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le ou les éléments conducteurs d'électricité comportent du ferrotron. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les parties du ou des éléments conducteurs en regard de la tôle de structure (10) à traiter sont munies d'un revêtement électriquement isolant. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que le ou les éléments conducteurs d'électricité sont placés à une distance prédéterminée d'une ou plusieurs buses de soufflage, et en ce que le ou les éléments conducteurs ainsi que la ou les buses de soufflage sont reliés à l'aide de portiques à un dispositif d'entraînement en translation au-dessus de la tôle à renforcer. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que le ou les éléments conducteurs d'électricité sont en forme de barres.