Brevet FR2875153A1 — publié le 20060317

FIL D'APPORT POUR SOUDER DES ALLIAGES D'ALUMINIUM Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les fils d'apport pour souder des alliages d'aluminium. Etat de la technique ' Dans le domaine du soudage par fusion des alliages d'aluminium, il est connu que la croissance de grains grossiers est néfaste car elle peut conduire à des fissures et au hot tearing . Une des méthodes pour empêcher la croissance de grains grossiers est l'ajout de zirconium ou de titane dans le fil d'apport (fil de soudure). Un fil d'apport typique pour souder des pièces en alliage d'aluminium est un fil en alliage d'aluminium d'un diamètre typiquement compris entre 0.8 et 3.2 mm, qui contient les éléments chimiques que l'on veut apporter au joint soudé. Il convient de distinguer dans ce contexte la base de l'alliage du fil, qui appartient habituellement à la même série d'alliage que le produit à souder, et des additifs dont le rôle est de modifier la structure de solidification du joint soudé. La base de l'alliage du fil d'apport doit permettre d'obtenir une zone soudée avec une résistance mécanique élevée. Mais c'est surtout la structure de solidification du joint soudé qui peut être source de défauts, dont certains seront visibles immédiatement, alors que d'autres ne se révèlent qu'après une certaine durée d'usage de la construction soudée. Pour un mode opératoire de soudage donné, et à condition que ce mode opératoire n'introduise pas en lui-même des défauts de soudure (qu'il se fasse donc dans les règles de l'art), l'influence de la composition chimique du fil d'apport sur certaines caractéristiques du cordon de soudure peut donc être importante. L' article Effects of grain refinement of aluminum weldability par M. J. Dvornal, R.H. Frost et D.L. Oison, paru dans Weldability of Materials, ASM International 1990, enseigne que ces éléments additifs ne sont efficaces que s'il sont présents sous forme de phases intermétalliques de type TiAl3 ou ZrA13. Le brevet US 5,104,456 (Colorado School of Mines) décrit un procédé de fabrication de fil d'apport qui contient ces phases avec une forme, morphologie et distribution granulométrique contrôlées. La demande de brevet EP 1 249 303 Al (McCook Metals L.L.C.) décrit un fil d'apport pour soudure à base d'aluminium contenant du zirconium et /ou du titane dans une concentration supérieure à 0,25%, qui peut contenir également les élements Sc, Hf, V, Mn, Cu, Fe et Si. Ce fil a été développé pour le soudage par fusion de l'alliage AA2195 (alliage de type Al-Cu-Li). Dans l'alliage AA2090 (également de type Al-Cu-Li), il a été constaté que l'ajout de Ti, Zr ou Ti + B à des fils d'apport en alliage 2319 ou 4043 conduit à l'affinage du grain dans la zone soudée, ce qui permet de réduire la fissuration à chaud dans les soudures de pièces en alliage 2219. Les meilleurs résultats sont obtenus avec le zirconium seul à raison d'environ 0,18% (voir Use of inoculants to refine weld solidification structure and improve weldability in type 2090 Al-Li alloy" par G.D. Janaki Ram et al., paru dans la revue Materials Science and Engineering A276 (2000), p. 48 57). Dans le domaine de la fonderie des alliages d'aluminium, on connaît par ailleurs l'usage de fil affinant, un fil en alliage d'aluminium contenant des ajouts de titane. Ces fils sont typiquement disponibles dans un diamètre de 9,5 mm. Un fil fréquemment utilisé pour l'affinage des alliages d'aluminium est un alliage contenant 5% Ti et 1% B qui contient des particules de TiB2 et du titane libre. On entend par titane libre du titane non combiné au bore, mais éventuellement combiné à l'aluminium sous forme de A13Ti. Le problème que la demanderesse s'est posé dans le cadre de la présente invention est de proposer de nouveaux fils d'apport pour soudure, qui permettent, par rapport aux fils de soudure habituels, d'obtenir dans le cordon de soudure un meilleur affinage, c'est-à-dire un grain plus fin et plus régulier, et qui permettent simultanément d'obtenir une bonne résistance mécanique du joint soudé. Objet de l'invention Un premier objet de la présente invention est un fil d'apport à base d'aluminium pour soudure, caractérisé en ce qu'il contient entre 0,3 et 10% de titane, dont une partie sous 5 forme de particules de TiB2 et / ou de TiC, et une partie sous forme de titane libre. Un autre objet de la présente invention est un procédé de soudage par fusion pour souder l'aluminium ou un alliage d'aluminium, dans lequel on utilise un fil d'apport à base d'aluminium qui contient des particules de TiB2 et / ou de TiC. Encore un autre objet de la présente invention est une construction soudée caractérisée en ce qu'au moins un de ses cordons de soudure comporte des particules de TiB2 et / ou de TiC. Description de l'invention a)Terminologie Sauf mention contraire, toutes les indications relatives à la composition chimique des alliages sont exprimées en pourcent massique. La désignation des alliages suit les règles de The Aluminum Association, connues de l'homme du métier. Les états métallurgiques sont définis dans la norme européenne EN 515. La composition chimique d'alliages d'aluminium normalisés est définie par exemple dans la norme EN 573-3. La taille de grains a été mesurée avec la méthode des intercepts. Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1 s'appliquent. Le terme tôle est utilisé ici pour des produits laminés de toute épaisseur. b) Description détaillée de l'invention Selon l'invention, le problème est résolu par l'utilisation d'un fil d'apport à base d'aluminium qui contient des particules de TiB2 et / ou de TiC et du titane libre. Sa teneur totale en titane doit se situer entre 0,3% et 10%. Une partie de ce titane doit être du titane libre, c'est-à-dire non combiné au bore ou au carbone. Dans un mode de réalisation avantageux, la teneur totale du fil d'apport en titane libre se situe entre 0,05% (préférablement 0,10%) et 2,5%, de telle sorte que la teneur en titane libre du cordon n'excède pas 0,80% (compte tenu de la dilution au soudage, le cordon étant formé par solidification d'un mélange de métal liquide constitué par le métal du fil d'apport dilué dans le métal des pièces à souder). On préfère que la teneur totale en titane ne dépasse pas 6%. Une teneur comprise entre 1% et 6% convient bien. Si le fil d'apport contient trop de titane libre, on observe la formation de phases primaires grossières de type A13Ti dans le cordon de soudure. Une teneur en titane libre inférieure à 0,05% ne conduit pas à une taille de grains suffisamment fine. L'alliage de base du fil d'apport selon l'invention peut être un alliage de type Al-Mg, par exemple un alliage qui répond aux normes de composition des alliages normalisés AA5183, 5356 ou 5556 ou 5087, auquel on ajoute les éléments Ti, B et C de manière à former les phases de TiB2 et / ou TiC en quantité et distribution granulométrique voulues. On préfère que la granulométrie soit caractérisée par, soit une distribution resserrée des tailles de germes, soit une faible proportion de fines particules. On préfère qu le fil selon l'invention contienne des particules de TiB2 et / ou TiC tel que B 0,05 2 et / ou C 0,05 -1. Notamment pour souder des produits en alliages de la série 5xxx, on préfère un fil d'apport qui contient (en % de masse) : Mg 3 5,5 Mn 0,05 -1,0 Cr 0 0,25 Fe 0 0,50 Cu 0 0,10 Si 0 0,50 Zn 0 0,25 V 0 0, 25 Ti 0,3 10 Zr 0 0,25 Be 0 0,0008. Dans des modes de réalisation avantageux, qui peuvent être cumulés, la teneur en Mg de ce fil d'apport préféré est comprise entre 4,0 (et encore plus préférentiellement: 4,3) et 5,2% , sa teneur en Cr est comprise entre 0,05 et 0,20%, et sa teneur en Be ne dépasse pas 0,0005%, et préférentiellement ne dépasse pas 0,0003% car les normes applicables aux fils d'apport pour soudage (par exemple la norme EN 18273) tendent à limiter la teneur en béryllium à 0,0003%. Ces fils de soudure en alliage Al-Mg selon l'invention conviennent particulièrement bien pour souder des alliages de la série 5xxx, de la série 6xxx ainsi que les alliages sans cuivre de la série 7xxx. L'invention peut aussi être réalisée avec un alliage de base de type lxxx, 2xxx, 3xxx, et 4xxx. A titre d'exemple, un mode de réalisation avantageux utilise un alliage de base contenant entre 4 et 13% de silicium; parmi les éléments optionnels que cet alliage de base peut contenir se trouve la magnésium à raison de 0,10 à 0,50%. Pour ce mode de réalisation avantageux, l'alliage de base est préférentiellement sélectionné dans le groupe constitué par les alliages AA4043, AA 4043A, AA 4643, AA 4145, AA 4145A, AA 4047, AA 4047A, AA 4147 AA 4009, AA 4010. D'une manière générale, on préfère que la teneur totale en titane des alliages de base se situe entre 1 et 6%. On préfère que la granulométrie soit caractérisée par, soit une distribution resserrée des tailles de germes, soit une faible proportion de fines particules. Le fil d'apport en alliage de la série lxxx, 2xxx et 3xxx selon l'invention est utilisé surtout pour souder des produits de la même famille que celle du fil d'apport entre eux. Le fil d'apport en alliage de la série 4xxx selon l'invention a des applications plus vastes. L'utilisation du fil d'apport selon l'invention pour souder par fusion l'aluminium ou un alliage d'aluminium conduit à un cordon soudé caractérisé par une taille moyenne de grain plus petite qu'avec un fil d'apport selon l'état de la technique. La taille de grain au centre du cordon ( à coeur ) obtenue avec le procédé selon l'invention est typiquement inférieure à 80 m, préférentiellement inférieure à 40 m, et de manière optimale L'effet technique de l'invention, à savoir l'affinage du grain du cordon de soudure, est observé en présence de particules de TiB2 et / ou TiC. Ces dernières agissent probablement comme sites de germination. A titre d'exemple, un fil de composition (1.6% Ti + 1.4% B), connu comme fil d'affinage, qui contient essentiellement des particules d'AIB2, est sans effet sur la taille de grain du joint soudé. La présence et la distribution granulométrique des particules de TiB2 et TiC dans le fil selon l'invention ou dans le cordon de soudure d'une construction soudée selon l'invention peut être déterminée à l'aide de la microscopie électronique à balayage (abrégé MEB ou SEM, Scanning Electron Microscopy), de préférence en utilisant un canon à effet de champ (FEG Field Effect Gun). La présence d'un excès de Ti libre dans le fil conduit à la formation de précipités Al3Ti indésirables dans les cordons de soudure. Pour cette raison, il est souhaitable de limiter la teneur en Ti libre du fil. Par ailleurs, il est souhaitable que la granulométrie des particules de TiB2 ou TiC soit maîtrisée: il est souhaitable d'avoir, soit une distribution resserrée des tailles des particules, soit une faible proportion de fines particules ( Le fil d'apport selon l'invention peut être utilisé pour toutes les techniques de soudage par fusion, tel que le soudage MIG, TIG ou laser. Un exemple avantageux pour le soudage par laser est le soudage d'une tôle en AA 6056 avec un fil à base de AA 4047. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples, qui n'ont toutefois pas de caractère limitatif. Exemples Huit fils affinants de diamètre D d'environ 9,5 mm, disponibles dans le commerce, ont été tréfilés jusqu'à un diamètre final de 3,2 mm. Aucun recuit intermédiaire n'a été nécessaire. Le tréfilage a été suivi d'un recuit de 3 heures à 250 C. Les fils ont été ensuite dressés et découpés en baguettes de 800 mm de longueur, et enfin dégraissés. Le tableau 1 décrit les fils affinants. Le tableau 2 décrit la gamme de tréfilage utilisée. Les fils en AA5183 et AWS 1100 servaient de référence. Tableau 1: Composition des fils Référence Composition microstructure Ti libre AT5B Ti 5,3%, B 1,1%, Si 0,06%, Al 2,9% Fe 0,15%, V 0,05% Al combiné avec Ti (AI3Ti) + Ti combiné avec B (TiB2) AT5B0,2 Ti 5,0%, B 0, 2%, Si 0,06%, Al 4,6% Fe 0,17% Al combiné avec Ti (A13Ti) + Ti combiné avec B (TiB2) AlTiC Ti 3 %, C 0,15%, Si 0,06%, Al 2,4% Fe 0,17%, V 0, 15% Al combiné avec Ti (A13Ti) + Ti combiné avec C (TiC) A1T1,2B0,5 Ti 1, 2%, B 0,5%, Si 0,06%, Al 0,1% Fe 0,12%, V 0,02% Ti combiné avec B (TiB2) A1T1,6B1,4 Ti 1,6%, B 1,4% Al + - Al combiné avec B (AlBi2 Ti combiné avec B (TiB2) AITi6 Ti 5,7%, Si 0,07%, Fe 0,17%, Al + 5,7% V 0,05% Al combine avec Ti (A13Ti) AA5183 Composition normalisée de référence AA1100 Teneur maxi: Si 0,30, Fe 0,40, Cu 0,05, Mn 0,05, Mg 0,05, Zn 0,07, Ti 0,05 Tableau 2: Gamme de tréfilage Etape de 1 2 3 4 5 6 7 8 9 tréfilage D [mm] 9,5 8,35 7,2 6,4 5,5 5,13 4, 45 3,91 3,46 3,2 Réduction de 22,7 25,6 21,0 26,1 13,0 24,8 22,8 21,7 14, 5 section [%] On a préparé à partir de tôles en alliage AA5088 à l'état HI11 d'épaisseur initiale 8 mm par surfaçage des pièces d'une épaisseur de 3 mm. Après brossage des chants, elles ont été soudées manuellement en mode TIG suivant le même mode opératoire pour chaque fil. Les conditions opératoires étaient: Vitesse de soudage: 100 mm/min, Courant de soudage (réglage en courant) : environ 80 A, courant alternatif Gaz argon pur Buse de diamètre 12 mm, électrode de diamètre 3 mm. Les cordons ont été caractérisés par analyse micrographique. L'effet affinant a été estimé par la taille de grains et l'homogénéité de la structure granulaire dans le cordon et le long de la soudure. 5 prélèvements ont été faits dans la longueur du cordon afin d'évaluer la microstructure et l'homogénéité de la structure granulaire. Les observations suivantes ont été faites: a) Dans les cordons soudés avec le fil AT5B et avec le fil AT5BO.2, on retrouve les phases A13Ti sous forme de primaires grossiers ( 301.tm) et TiB2, probablement présentes à l'origine dans le fil affinant. On note aussi la présence d'amas qui semblent être des constitués de particules de TiB2 rendant la microstructure hétérogène. b) Dans les cordons soudés avec le fil AlTiC, on retrouve la phase A13Ti sous forme de primaires grossiers. c) Dans les cordons soudés avec le fil A1T1,2B0,5, on retrouve la phase TiB2 mais mieux répartie dans la microstructure par rapport à l'AT5B et l'AT5BO.2. d) Dans les cordons soudés avec le fil AlT1,6B1,4, on trouve des précipités de TiB2 mais mieux répartis dans la microstructure par rapport à l'ATSB et l'AT5BO.2. La phase A1B2 est sans doute présente mais n'a pu être clairement identifiée. e) Dans les cordons soudés avec le fil AITi6, on retrouve la phase Al3Ti, sa précipitation est sous forme de primaires grossiers comme observés sur les autres 30 échantillons mais aussi sous forme d'amas de fins bâtonnets. La taille de grain dans le cordon de soudure a été estimée par la méthode des intercepts. Les résultats sont présentés dans le tableau 3. Tableau 3 Références des fils utilisés 1100 5183 AT1,6 AITiC AT5B AT1,2B AT5B0.2 AITi6 B 1,4 0,5 800 150 800 20 12 16 11 25 150 50 à 40 à 50 12 16 30 50 à 300 70 On constate que: a) L'utilisation d'affinants tels que l'AlTi6, l'AlTiC, l'ATSB, le AT1,2B0,5 et l'AT5BO.2 diminue la taille de grains. b) Le fil AT1,6B1,4 est sans effet sur la taille de grain (en le comparant au cordon obtenu avec le fil 1100). c) On remarque que les cordons soudés réalisés avec de l'AT5B et de l'AT5BO.2 présentent une taille de grains faible. Cependant, les examens micrographiques après oxydation anodique révèlent la présence au sommet du cordon de grains plus grossiers ainsi que la présence de zones sombres (correspondant certainement aux amas de TiB2) rendant la structure de l'ensemble du cordon hétérogène. d) Les cordons soudés avec l'ATSB et l'AlTi6 ne sont pas homogènes le long de la tôle, et présentent des grains plus grossiers en périphérie de la ZAT. Au vu de l'ensemble de ces résultats, il apparaît que: a) La présence de précipités de TiB2 ou TiC conduit à un affinage important du cordon, mais pas les précipités de AIB2. b) La présence de titane libre conduit également à un affinage du grain dans le 25 cordon, mais cet effet est moins marqué que celui obtenu avec les précipités TiB2 ou TiC (comparaison fil A1TI6 avec fil AIT5B). Coeur Périphérie 2875153 10 c) Un excès de titane libre dans le fil soudure conduit à la formation de précipités primaires grossiers dans le cordon de soudure (comparaison AT5B, AT5B0.2 par rapport à AT1,2B0,5). REVENDICATIONS 1. Fil d'apport à base d'aluminium pour soudure, caractérisé en ce qu'il contient entre 0,3 et 10% de titane, et dont une partie est présente sous forme de particules de 5 TiB2 et / ou de TiC, et une partie sous forme de titane libre. 2. Fil d'apport selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient en plus (en % de masse) au moins un des éléments B 0,05 2 et C 0,05 1. 3. Fil d'apport selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient en plus (en % de masse) les éléments Mg 3 5,5 Mn 0,05 1,0 Cr 0 0,25 Fe 0 0,50 Si 0 0,50 Zn 0 0,25 V 0 0,25 Zr 0 0.25 Be 0 0,0008 4. Fil d'apport selon la revendication 3, caractérisé en ce que sa teneur en Mg est comprise entre 4,0 et 5,2%. 5. Fil d'apport selon une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que sa teneur en 20 Mg est comprise entre 4,3 et 5,2%. 6. Fil d'apport selon une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que sa teneur en Cr est comprise entre 0,05 et 0,25%. 7. Fil d'apport selon une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que sa teneur en Be ne dépasse pas 0,0005%, et préférentiellement ne dépasse pas 0,0003%. 8. Fil d'apport selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'alliage de base est sélectionné dans le groupe constitué par les alliages AA5183, AA5356, 30 AA5556, AA5087. 9. Fil d'apport selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient en plus (en % de masse) de 4 à 13% de silicium. 10. Fil d'apport selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il contient en plus entre 5 0,10 et 0,50% de magnésium. 11. Fil d'apport selon une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que l'alliage de base est sélectionné dans le groupe constitué par les alliages AA4043, AA 4043A, AA 4643, AA 4145, AA 4145A, AA 4047, AA 4047A, AA 4147 AA 4009, AA 4010. 12. Fil d'apport selon une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il contient entre 0,05 et 1%, et préférentiellement entre 0,10 et 0,5% de titane libre. 13. Fil d'apport selon une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que sa teneur totale en Ti est comprise entre 1 et 6%. 14. Procédé de soudage par fusion pour souder l'aluminium ou un alliage d'aluminium, dans lequel on utilise un fil d'apport selon une quelconque des revendications 1 à 20 13. 15. Construction soudée en aluminium ou alliage d'aluminium, caractérisée en ce qu'au moins un des ses cordons de soudure comporte des particules de TiB2 et / ou de TiC. 16. Construction soudée selon la revendication 15, caractérisée en ce que la taille moyenne de grain au centre dudit cordon est inférieure à 80 m, préférentiellement inférieure à 40 m, et de manière encore plus préférée inférieure à 25 m.