Brevet FR3038242A1 — publié le 20170106

Alliage d'aluminium pour soudage par laser sans fil d'apport Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des pièces mises en forme par emboutissage ou filage pour l'automobile, en particulier les pièces assemblées par soudage laser à distance sans fil d'apport, ou « Remote laser welding ». Plus particulièrement il s'agit de pièces en alliage de la famille AA6xxx selon la désignation de l' « Aluminum Association », additionnées d'éléments durcissants et destinées à la fabrication par emboutissage de pièces de doublure, de structure ou de renfort de la caisse en blanc des véhicules automobiles. Etat de la technique En préambule, tous les alliages d'aluminium dont il est question dans ce qui suit sont désignés, sauf indication contraire, selon les désignations définies par l'« Aluminum Association » dans les « Registration Record Series » qu'elle publie régulièrement. Sauf mention contraire, les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l'alliage ; « ppm » signifie partie par million en poids. Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515. Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d'autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2 % d'allongement Rp0,2, et l'allongement à la rupture A%, sont déterminées par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1. Les alliages d'aluminium sont utilisés de manière croissante dans la construction des véhicules automobiles car leur utilisation permet de réduire le poids des véhicules et ainsi diminuer la consommation de carburant et les rejets de gaz à effets de serre. 3038242 2 Les tôles en alliage d'aluminium sont utilisées notamment pour la fabrication de nombreuses pièces de la « caisse en blanc » parmi lesquelles on distingue : les pièces de peau de carrosserie (ou panneaux extérieurs de carrosserie) comme les ailes avant, le toit ou pavillon, les peaux de capot, de coffre ou de porte ; les pièces de doublure 5 comme par exemple les doublures de porte, d'aile, de hayon ou de capot ; et enfin les pièces de structure, comme par exemple les longerons, les tabliers, les planchers de charges et les pieds avant, milieu et arrière. De nombreuses pièces de peau et de doublure sont déjà réalisées en tôles d'alliages d'aluminium. 10 Pour ce type d'applications, un ensemble de propriétés, parfois antagonistes est requis telles que : - une formabilité élevée à l'état de livraison, état T4, en particulier pour les opérations d' emboutis sage, - une limite d'élasticité contrôlée à l'état de livraison de la tôle pour maîtriser le 15 retour élastique lors de la mise en forme, - une résistance mécanique élevée après cataphorèse et cuisson des peintures pour obtenir une bonne résistance mécanique en service tout en minimisant le poids de la pièce, une bonne capacité à l'absorption d'énergie en cas de choc, 20 un bon comportement dans les divers procédés d'assemblage utilisés en carrosserie automobile tels que le soudage par points, le soudage laser, le collage, voire le clinchage ou le rivetage, une bonne résistance à la corrosion, notamment la corrosion intergranulaire, la corrosion sous contrainte et la corrosion filiforme de la pièce finie, 25 une compatibilité avec les exigences du recyclage des déchets de fabrication ou des véhicules recyclés, un coût acceptable pour une production en grande série. Il n'existe pas dans l'état de la technique de solutions consistant en des tôles 30 monolithiques qui puissent être assemblées par soudage laser à distance sans fil d'apport et qui présentent les propriétés de caractéristiques mécaniques, formabilité et corrosion, similaires aux tôles en alliage d'aluminium couramment utilisées dans l'industrie automobile. 3038242 3 Par ailleurs les solutions connues pour notamment diminuer la sensibilité à la fissuration des alliages d'aluminium et qui permettent plus généralement d'en améliorer la soudabilité sont l'augmentation de la teneur en silicium au-delà de 2 %, en magnésium au-delà de 5 %, et en cuivre au-delà de 6 % (voir figure 1). 5 Dans le cas des alliages de la série AA6XXX, un fil d'apport est utilisé pour assurer une bonne résistance à la fissuration lors du soudage laser ; celui-ci est constitué d'un alliage de la série AA4XXX à haute teneur en silicium (12 % par exemple) ou un alliage de la série AA5XXX. Il est aussi connu que l'ajout d'éléments tels que le Titane et le Zirconium affine la structure de solidification et de ce fait diminue la 10 sensibilité à la fissuration lors du soudage laser, comme le rapporte « Current issues and problems in laser welding of automotive aluminum alloys », H. Zhao, D. R. White, and T. DebRoy, International Materials Reviews, Volume 44, Issue 6 (01 June 1999), pp. 238-266, dont est extraite la figure 1. 15 Même si, comme dit plus haut, aucune solution de tôle monolithique, c'est-à-dire non composite, composée de deux alliages co-laminés ou obtenue par coulée « bialliages », n'est connue de l'état de la technique pour l'assemblage par soudage laser dans l'automobile, une tôle monolithique a été développée par « Sky » pour application au soudage à l'arc selon les procédés TIG et MIG et a fait l'objet de la 20 demande US4897124. Le domaine de composition de ladite tôle, défini sur la figure 2, avec une teneur en Fe comprise entre 0.05 % et 0.5 % et au moins un élément du groupe suivant : Mn à une teneur inférieure à 0.6 %, Cr à une teneur inférieure à 0.3 % et Zr également à une teneur inférieure à 0.3 %. Une soudabilité améliorée est revendiquée, tout comme la formabilité améliorée et la résistance à la corrosion. 25 D'autre part, un produit multicouche a été développé par « Novelis » comme le rapportent « Advanced Aluminum 5XXX and 6XXX for complex Door Inner Panels and Consideration for an Aluminum-specific Design », A. Walker, G. Florey - Novelis Switzerland SA; Bad Nauheim - Doors and Closures in Car Body 30 Engineering 2014 et « Laser Remote Welding of Aluminum without filler », R. Brockmann (Trumpf), C. B as si (Novelis) 2012/04/19. Il s'agit d'un assemblage composé d'une tôle d'âme, ou coeur, en alliage « Novelis 6200» plaqué de tôles en alliage de la famille AA4XXX (d'une teneur de 12 % en 3038242 4 Si, légèrement inférieure à celle de l'eutectique Al-Si [voir Laser Remote Welding of Aluminum without filler ; R. Brockmann (Trumpf), C. Bassi (Novelis) 2012/04/19D en peau. Son nom commercial est 6200RW ou « Novelis Advanz s200 RW ». Il présente une soudabilité améliorée lors du soudage laser à distance sans fil d'apport, 5 et pas de fissure dans le joint soudé comme le précise « Laser Remote Welding of Aluminum without filler », R. Brockmann (Trumpf), C. Bassi (Novelis) 2012/04/19. Toutefois ce type de produit non monolithique n'est pas idéal en termes de coûtet recyclage. 10 Problème posé Les alliages d'aluminium de la série AA6XXX, largement utilisés dans l'industrie automobile, sont connus pour être très sensibles à la fissuration lors de l'assemblage par soudage laser, en particulier en provoquant des fissures critiques dans le cordon 15 soudé. Le problème posé est le développement d'un produit corroyé, typiquement d'une tôle ou d'un profilé, en alliage d'aluminium ne formant pas de fissures critiques lors de l'assemblage par soudage laser à distance sans fil d'apport. Cette tôle, ou ce profilé, en alliage d'aluminium, doit présenter les mêmes performances en résistance 20 mécanique, formabilité, et corrosion, que les alliages d'aluminium utilisés couramment. Dans le cas des tôles, les caractéristiques mécaniques de la tôle doivent être les suivantes, à l'état T4 de livraison, Rp0,2 18 %, A80 > 20 %, et après cuisson des peintures (écrouissage en traction de 2% suivi de 20 min à 180°C), Rpo,2> 190 MPa et Rm > 240 MPa. 25 Objet de l'invention L'invention a pour objet un procédé de soudage de demi-produits monolithiques en 30 alliage d'aluminium par laser à distance sans fil d'apport, comportant les étapes suivantes : 3038242 5 - Approvisionnement d'au moins deux demi-produits monolithiques en alliage d'aluminium dont l'un au moins est de composition (% en poids) : Si : 2,5-10,0 de préférence 2,7-5,0 5 Fe: 0,05-0,80 de préférence 0,15-0,60 Cu : 7,0 - Soudage des demi-produits en alliage d'aluminium par laser à distance sans fil d'apport. 20 Selon un mode de réalisation avantageux, au moins l'un des demi-produits est une tôle laminée, et selon un autre mode de réalisation, au moins l'un des demi-produits est un profilé extrudé. Selon un mode de réalisation préférentiel, les dits demi-produits constituent des composants de structure automobile, voire des composants de caisse en blanc 25 automobile, incluant des composants de peau de véhicule automobile et aussi des composants d'ouvrants de véhicule automobile. Enfin, l'objet de l'invention inclut également un composant de structure, de caisse en blanc, de peau ou d'ouvrant de véhicule automobile, constitué de plusieurs demi- 30 produits dont l'un au moins a une composition, et est assemblé selon un procédé, tels que définis plus haut. 3038242 6 Description des figures La figure 1 représente l'effet de la composition chimique du métal soudé sur la « susceptibilité relative » à la crique, ou sensibilité à la fissuration pour divers 5 alliages binaires. La figure 2 représente le domaine de composition revendiqué par « Sky » selon la demande US4897124. 10 La figure 3 illustre schématiquement une configuration typique de dispositif de soudage laser vu en coupe transversale, avec en 1 le cordon de soudure laser. La figure 4 illustre le même dispositif de soudage laser vu de dessus avec en noir (2) les fixations ou bridages. 15 La figure 5 précise les dimensions en mm des outils utilisés pour déterminer la valeur du paramètre connu de l'homme du métier sous le nom de LDH (Limit Dome Height) caractéristique de l'aptitude à l'emboutissage du matériau. 20 La figure 6 est un schéma des échantillons utilisés pour les essais de résistance à la corrosion inter-granulaire. Description de l'invention 25 Le procédé selon l'invention comporte l'approvisionnement de demi-produits monolithiques en alliage d'aluminium, typiquement des tôles laminées ou des profilés extrudés. Le procédé de fabrication des tôles monolithiques comporte typiquement la coulée, 30 le réchauffage/homogénéisation, le laminage à chaud, le laminage à froid, la mise en solution et trempe. La coulée est généralement du type semi-continue verticale de plaques suivie du scalpage, ou éventuellement du type continu. 3038242 7 Le réchauffage des plaques est réalisé typiquement à une température de l'ordre de 550°C pendant au moins 4 h, afin de globuliser les particules de silicium en excès lorsque sa teneur est supérieure à 1.2 %, et obtenir des particules d'aspect circulaire 5 et réparties de manière homogène dans l'épaisseur de la tôle. Cette température est avantageusement comprise entre le solvus et le solidus de l'alliage considéré. Après réchauffage les plaques subissent typiquement un laminage à chaud puis un laminage à froid. Le laminage à chaud n'est pas différent d'un laminage à chaud d'un 10 alliage de la famille AA6XXX utilisé pour les renforts de porte par exemple. La mise en solution, suivant le laminage à froid est typiquement réalisée à une température de l'ordre de 550°C, afin de recristalliser et de remettre en solution tout le Mg et le Si libre, avant la trempe. Cette température est avantageusement comprise 15 entre le solvus et le solidus de l'alliage, tout comme pour le réchauffage. Dans le cas des profilés, les étapes typiques de fabrication sont similaires : La coulée des billettes est aussi généralement du type semi-continue verticale suivie 20 du scalpage éventuel. Le réchauffage des billettes avant ou après leur découpe à longueur est réalisé typiquement à une température de l'ordre de 550°C. Cette température est avantageusement comprise entre le solvus et le le solidus de l'alliage considéré. 25 Après réchauffage les billettes sont filées avec mise en solution et trempe sur presse ou séparée. Dans ce dernier cas, la mise en solution est typiquement réalisée à une température 30 de l'ordre de 550°C, afin de remettre en solution tout le Mg et le Si libre, avant la trempe. Cette température est plus avantageusement comprise entre le solvus et le solidus de l'alliage tout comme pour le réchauffage. La composition chimique d'au moins un des demi-produits selon l'invention est (% en poids) : 3038242 8 Si : 2,5-10,0 de préférence 2,7-5,0 Fe: 0,05-0,80 de préférence 0,15-0,60 Cu : 7,0 15 Les plages de concentration imposées aux éléments constitutifs de ce type d'alliage s'expliquent par les raisons suivantes : Si: La présence de Silicium à une teneur minimum de 2,5 % permet d'obtenir une amélioration significative de la soudabilité. Au-delà d'une teneur de 5 %, la 20 formabilité commence à décroitre pour devenir problématique au-delà de 10,0%. Une teneur préférentielle en silicium est de 2,7 à 5,0 %. Fe: Une teneur en Fe minimale de 0,05 % permet de manière inattendue d'améliorer la soudabilité, tandis que pour une teneur supérieure à 0,80 % la formabilité est 25 significativement dégradée. Une teneur préférentielle en fer est de 0,15 à 0,60 %. Par ailleurs, la demanderesse a noté que la condition «5,2 Fe + 1,95 Si - 0,5 Cu- Mg > 7,0» appelée dans la suite « Condition A» était particulièrement favorable à la 30 soudabilité. Dans cette expression «Fe », «Si », « Cu» et « Mg » signifient respectivement les teneurs en Fer, Silicium, Cuivre et Magnésium exprimées en % en poids. 3038242 9 Cu: Au-delà d'une teneur supérieure à 0,20 % la soudabilité se dégrade nettement. De préférence la teneur en cuivre est REVENDICATIONS1. Procédé de soudage de demi-produits monolithiques en alliage d'aluminium par laser sans fil d'apport, comportant les étapes suivantes : - Approvisionnement d'au moins deux demi-produits monolithiques en alliage d'aluminium dont l'un au moins est de composition (% en poids) : Si : 2,5-10,0 Fe: 0,05-0,80 Cu : 7,0 - Soudage des demi-produits en alliage d'aluminium par laser sans fil d'apport. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'un des demi- produits est une tôle laminée. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'un des demi-produits est un profilé extrudé. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le demi-produit dont la composition est telle qu'en revendication 1 est positionné du côté de l'impact du faisceau laser lors du soudage. 3038242 22 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la teneur en Mg est comprise entre 0,20 et 0,40 %. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la teneur en Si 5 est comprise entre 2,7 et 5,0 %. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la teneur en Sr est comprise entre 200 et 400 ppm. 10 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la teneur en Na est comprise entre 20 et 200 ppm. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la teneur en Sb est comprise entre 0,04 et 0,15 %. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la teneur en Fe est comprise entre 0,15 et 0,60 %. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que Cu 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que Cu 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que Cu 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que Cu 15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les dits 30 demi-produits constituent des composants de structure automobile. 16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les dits demi-produits constituent des composants de caisse en blanc automobile. 15 20 25 3038242 23 17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les dits demi-produits constituent des composants de peau de véhicule automobile. 18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les dits 5 demi-produits constituent des composants d'ouvrants de véhicule automobile. 19. Composant de structure, de caisse en blanc, de peau ou d'ouvrant de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est constitué de plusieurs demi-produits dont l'un au moins a une composition telle qu'en revendication 1 et est assemblé selon un 10 procédé selon l'une des revendications 1 à 14. 15 20 25 30