Brevet FR3095971A1 — publié le 20201120

Description Titre de l'invention : Procédé et installation d'assemblage d'au moins deux tôles par rivetage [0001] La présente invention concerne le domaine des véhicules, et en particulier des véhicules automobiles. Plus précisément, l'invention a trait à un procédé d'assemblage d'éléments automobiles et de préférence, à un procédé (l'assemblage par rivetage. [0002] Une tendance actuelle dans l'industrie automobile est de réduire la masse globale des véhicules, afin de réduire leur empreinte environnementale, tout en améliorant les prestations du véhicule en matière de sécurité. Le défi à relever est de taille puisqu'une diminution dc la masse globale du véhicule peut, entre autres, signifier une diminution de l'épaisseur des tôles métalliques utilisées pour la construction du véhicule. Afin de compenser une diminution de l'épaisseur des tôles une solution est d'employer des aciers spéciaux aux caractéristiques mécaniques élevées, mais cette solution augmente les coûts de production. Unc autre solution pour l'allègement d'un véhicule consiste à employer d'autres matériaux plus légers que l'acier, tels que les alliages d'aluminium et les matériaux plastique composites. Dans un tel cas, la question de leur mode d'assemblage se pose. [0003] En effet, un assemblage de type hybride entre une tôle en acier et une tôle en aluminium ou en matériau plastique composite ne peut pas se faire par une opération de soudage. D'autres moyens doivent être utilisés comme, par exemple, des vis ou des rivets. En particulier, le rivet auto-poinçonneur est un moyen dc fixation permanent qui permet d'assembler des matériaux de nature et d'épaisseur différentes. Le rivet auto-poinçonneur comporte habituellement une tige métallique creuse munie à l'une de ses extrémités d'une tête. De préférence, la tête est fraisée. Le principe d'utilisation d'un tel rivet consiste à le faire pénétrer par poinçonnage dans les différentes couches superposées d'un assemblage, et à faire s'évaser l'extrémité de sa tige dans la couche inférieure sans toutefois perforer celle-ci, la tête du rivet étant alors en appui sur la surface dc la couche supérieure. L'assemblage ne nécessite pas de perçage préalable des tôles et constitue un assemblage étanche aux liquides et aux gaz. [0004] Plus les tôles seront dures et épaisses, plus l'effort de pose sera important. Dans certains cas, cette pose est pratiquement impossible à cause d'efforts trop importants conduisant à la casse du rivet ou à sa déformation lors de son insertion, ou bien à l'apparition de fissures sur les tôles assemblées. [0005] Le document US20150125713 propose d'augmenter l'aptitude au pliage des tôles à base d'alliage d'aluminium, et plus précisément des tôles d'aluminium de type 6xxx. Le procédé mis en oeuvre facilite la pose des moyens d'assemblage, tels que des rivets, 2 tout en évitant la casse ou la déformation de ceux-ci. A cet effet, les tôles à poinçonner sont traitées thermiquement à une température élevée, de préférence entre 220 et 240 °C, pendant une durée allant de 0.5 à 7 heures. Le chauffage a pour objectif d'augmenter la limite d'élasticité à au moins 200 MPa et d'autoriser une aptitude au pliage optimal pour le poinçonnage desdits rivets. Cette solution reste intéressante niais elle est limitée à l'alliage d'aluminium de type 6xxx et au traitement thermique des tôles dans leur intégralité, ce qu'entraîne l'altération des propriétés mécaniques des tôles de départ. Un tel effet n'est pas désirable. [0006] Le document US2017044637 propose un procédé et une installation pour faciliter l'assemblage par rivetage de deux tôles par la création de zones douces (en anglais : « soft zones »). La création de zones douces est connue de l'homme du métier et implique généralement la modification locale de la microstructure de l'acier depuis une structure de type martensitique jusqu'à une microstructure composée de ferrite ou de pulite. Dans le cadre de l'enseignement du document US2017044637, les zones douces d'assemblage créées afin de recevoir un rivet montrent une résistance mécanique inférieure et/ou une ductilité accrue par rapport au reste de la tôle ; ou, leur microstructure peut présenter de la martensite revenue. Le procédé mis en oeuvre comprend une étape de traitement thermique avec un chauffage des régions d'assemblage de l'acier à une température inférieure à la température AC3 de la tôle d'acier et supérieure à la température AC1 moins 20°C de ladite tôle d'acier. La mise en oeuvre d'un tel traitement thermique permet de passer, au niveau des zones d'assemblage, d'une résistance à la traction d'au moins 1200 MPa à moins de 750 MPa, sans affecter la résistance à la traction du reste de la tôle, en dehors des zones d'assemblage. Une fois la tôle refroidie jusqu'à la température ambiante, elle est assemblée à une autre tôle au moyen d'au moins un rivet auto-poinçonneur disposé au niveau de la ou d'une des zones d'assemblage, ou zones douces, préalablement formées. [0007] Cette solution est intéressante, mais présente différents inconvénients. D'une part, elle implique la mise en oeuvre d'une étape de traitement thermique localisé d'une des tôles en acier préalablement à l'étape d'assemblage des tôles. D'autre part, elle altère les propriétés mécaniques de la tôle en acier ainsi traitée thermiquement sur une partie de sa surface. [0008] Une solution reste donc à trouver pour faciliter les assemblages hybrides entre au moins une tôle en acier et au moins une tôle en un matériau différent de l'acier qui, d'une part, n'altère pas les propriétés mécaniques des tôles assemblées sur l'ensemble de leur surface et, d'autre part, qui garantisse un assemblage exempt de défauts tels qu'un mauvais ancrage par un manque de pénétration dans la tôle inférieure ou tels que l'apparition de fissures. De préférence, la solution doit permettre de ne pas altérer le re- 3 vêtement des tôles lorsque ces dernières présentent un tel revêtement. [0009] L'invention a pour objectif de répondre à au moins un des inconvénients et/ou problèmes rencontrés dans l'art antérieur en proposant un procédé et une installation pour l'assemblage d'au moins deux tôles par rivetage, et lorsque l'assemblage est un assemblage de type hybride entre des tôles faites en des matériaux différents avec, de préférence, au moins l'une des tôles en acier. L'invention a pour objectif de proposer un procédé et une installation pour l'assemblage d'au moins deux tôles par rivetage, lesdites tôles étant destinées à être montées au sein d'un véhicule, qui soit plus fiable en cc que ledit procédé limite, voire élimine, l'apparition de défauts d'assemblage et cela sans changer les caractéristiques mécaniques des tôles de départ, ni altérer leurs revêtements s'ils sont présents. Un autre objectif dc l'invention est d'améliorer la tenue à l'arrachement des rivets posés. [0010] A cet effet et selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé d'assemblage d'au moins deux tôles empilées l'une sur l'autre par la pose d'au moins un rivet au niveau d'au moins une zone d'assemblage ; le procédé étant remarquable en cc qu'il comprend les étapes suivantes : a) le chauffage à une température T de la zone d'assemblage par un dispositif dc chauffage ; h) l'assemblage par enfoncement dudit rivet dans ladite zone d'assemblage ; et en ce que l'étape h) d'assemblage par enfoncement dudit rivet s'effectue consécutivement à l'étape a) de chauffage, de manière à cc que ladite étape h) d'assemblage par enfoncement dudit rivet s'effectue lorsque la zone d'assemblage est à une température comprise entre T et T-10 °C ; de préférence à une température comprise entre T et T-5°C. [0011] Comme on l'aura compris à la définition qui vient d'en être donnée, l'invention propose un procédé dans lequel le ou les rivets d'assemblage sont posés sur des tôles encore chaudes directement après l'étape de chauffage de ces dernières. La pose de rivet sur tôles chaudes permet de chauffer les tôles à des températures plus basses qui ne modifient pas les caractéristiques mécaniques de l'acier. Cela permet de conserver les propriétés mécaniques des tôles assemblées sur l'intégralité de leur surface tout en facilitant la pose du ou des rivets. L'emploi du procédé selon l'invention permet un ancrage symétrique et répétable. Les risques de casse ou déformation du moyen d'assemblage ou des surfaces des tôles assemblées sont limités, voire éliminés [0012] Selon l'invention, l'étape de chauffage est préférentiellement conduite sur l'ensemble formé par lesdites au moins deux tôles empilées l'une sur l'autre et non pas sur une seule desdites tôles. [0013] Selon une mise en oeuvre préférée de l'invention, au moins une des tôles étant une tôle en acier et la température T est choisie pour être inférieure à la température ACI moins 100 °C de la tôle d'acier ; et/ou la température T de chauffage est comprise entre 100 et 400 °C ; de préférence entre 120 et 350 °C ; de préférence entre 150 et 320 °C, et de préférence encore entre 200 et 300°C. [0014] Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif de chauffage est un dispositif de chauffage par induction électromagnétique et au moins une tôle en acier est une tôle en acier ferromagnétique. L'intérêt de l'emploi d'un tel dispositif est un chauffage préférentiel de la ou des tôles en acier ferromagnétique, la mise en oeuvre d'un chauffage à distance minimisant les risques d'endommagement d'un éventuel revêtement des tôles, et la mise en oeuvre d'un chauffage rapide. Ainsi, de manière préférentielle, l'étape a) de chauffage est conduite pendant une durée inférieure à 2 minutes ; de préférence, inférieure à 1 minute ; de préférence encore inférieure à 30 secondes. Par exemple, l'étape a) est conduite pendant une durée de 1 à 30 secondes et, de préférence, pendant une durée de 3 à 10 secondes. [0015] Idéalement, le dispositif de chauffage par induction électromagnétique est un dispositif à flux électromagnétique transverse comprenant un inducteur inférieur et un inducteur supérieur disposés écartés de manière à former un entrefer ; ou un dispositif comprenant un inducteur unique ; de préférence, le dispositif de chauffage par induction électromagnétique est un dispositif comprenant un inducteur unique. [0016] Selon une mise en oeuvre de l'invention, au moins une tôle est une tôle en acier ferro- magnétique, et au moins une tôle est confectionnée en un matériau différent d'un acier ferromagnétique et choisi parmi un acier non ferromagnétique, un matériau plastique composite ou un alliage d'aluminium ; et/ou au moins un rivet est un rivet auto-poinçonneur. De préférence, le matériau plastique composite a une matrice en résine thermoplastique ou thermodurcissable et un renfort, par exemple en fibre de verre ou de carbone. [0017] Avantageusement, le procédé étant mis en oeuvre sur un empilement d'au moins deux tôles de manière à présenter une tôle supérieure et une tôle inférieure, la pose du rivet se faisant par enfoncement dans la tôle supérieure et évasement dans la tôle inférieure ; le procédé est remarquable en ce que la tôle inférieure est une tôle en acier ; de préférence, la tôle en acier présente une épaisseur comprise entre 1.0 mm et 3 0 mm ; de préférence encore une épaisseur comprise entre 1.5 mm et 2.5 mm [0018] Idéalement, l'assemblage d'au moins deux tôles montre une épaisseur totale su- périeure ou égale à 2.5 num. ; de préférence, supérieure ou égale à 3.0 mm : de préférence encore, supérieure ou égale à 3 5 mm ; et plus préférentiellement, supérieure ou égale à 4.0 mm [0019] De manière préférentielle, l'étape b) de pose d'un rivet est conduite directement après l'étape a) de manière à ce que le temps écoulé entre la fin de l'étape a) de chauffage et l'étape b) soit inférieur à 1 minute ; de préférence inférieur à 30 secondes ; de préférence encore, inférieur à 10 secondes. Le temps s'écoulant entre l'étape de chauffage et l'étape de pose du rivet est le plus court possible de manière à limiter, voire à éviter, un refroidissement des tôles. [0020] Idéalement, le procédé étant mis en oeuvre sur un empilement d'au moins deux tôles de manière à présenter une tôle supérieure et une tôle inférieure, la pose du rivet se faisant par enfoncement dans la tôle supérieure et évasement dans la tôle inférieure ; le procédé est remarquable en ce que le dispositif de chauffage est disposé en regard de la surface de la tôle supérieure. [0021] Selon un deuxième aspect, l'invention concerne une installation de montage d'un véhicule automobile pour la mise en oeuvre du procédé selon le premier aspect ; ladite installation comprenant une pluralité de postes de travail agencés successivement l'un après l'autre, ladite installation comprenant en outre au moins un dispositif de chauffage et au moins un dispositif de pose d'un rivet, ladite installation étant remarquable en ce qu'au moins un dispositif de chauffage et au moins un moyen de pose d'un rivet sont disposés dans un même poste de travail ; de préférence, au moins un dispositif de chauffage et au moins un dispositif de pose d'un rivet sont portés par un même robot ou un même bras de robot. [0022] L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit donnée en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles : [0023] [fig.1] La figure 1 est un schéma d'un rivet inséré de manière à assembler trois épaisseurs de tôles, le procédé l'assemblage s'effectuant selon l'art antérieur. [0024] [fig.2] La figure 2 est un schéma d'un rivet inséré de manière à assembler trois épaisseurs de tôles, le procédé l'assemblage s'effectuant selon l'invention. [0025] [fig.3] La figure 3 est un schéma de la tôle inférieure telle que déformée par le rivet, le procédé l'assemblage s'effectuant selon l'art antérieur. [0026] [fig.4] La figure 4 est un schéma de la tôle inférieure telle que déformée par le rivet, le procédé l'assemblage s'effectuant selon l'invention. [0027] [fig.5] La figure 5 est une vue d'ensemble du procédé selon l'invention. [0028] Dans la description qui suit, le terme « comprendre » est synonyme de « inclure » et n'est pas limitatif en ce qu'il autorise la présence d'autres étapes le procédé d'assemblage ou d'autres éléments dans l'installation à laquelle il se rapporte. Il est entendu que le terme « comprendre » inclut les termes « consister en ». « Inférieure » désignera une proximité au sol plus importante que « supérieure » selon l'axe vertical. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. [0029] Dans la description qui suit, le procédé et l'installation selon l'invention seront décrits en relation avec un empilement de trois tôles à assembler, de sorte à montrer une tôle supérieure, une tôle intermédiaire et une tôle inférieure. Néanmoins, l'invention peut être mise en oeuvre sur un empilement de deux tôles ou de plus de trois 6 tôles, par exemple un empilement de quatre tôles. [0030] L'invention est avantageusement mise en oeuvre au moyen de rivets auto- poinçonneurs comprenant une tête et une tige creuse destinée à s'ancrer par évasement dans la couche inférieure de l'assemblage. Lors de l'opération de rivetage, la tête du ou des rivets se place en appui sur la tôle supérieure et la tige s'ancre dans la tôle inférieure. Puisque l'invention porte sur l'assemblage d'un empilement d'au moins deux tôles, on comprendra que la tôle supérieure est la tôle proximale par rapport à la tête du rivet (puisque la tête du rivet vient se poser en appui sur sa surface) et la tôle inférieure est la tôle distalc par rapport à celle-ci (dans laquelle vient s'ancrer l'extrémité de la tige du rivet). [0031] L'emploi des rivets auto-poinçonneurs permet de s'affranchir du pré-perçage des tôles à assembler. En effet, c'est le rivet lui-même qui vient poinçonner les tôles supérieure et intermédiaire(s) et s'ancrer dans la tôle inférieure. [0032] L'invention porte donc sur un procédé de rivetage d'au moins deux tôles empilées l'une sur l'autre par la pose d'au moins un rivet au niveau d'au moins une zone d'assemblage. Après avoir chauffé localement la zone d'assemblage à une température T, le rivet est posé dans ladite zone alors qu'elle garde une température égale ou légèrement inférieure à la température T. La température de la zone d'assemblage est comprise entre T et T-10 °C lors de l'étape d'assemblage par enfoncement dudit rivet, de préférence, entre T et T-5°C. Idéalement, au moins une des tôles est une tôle en acier, idéalement en acier ferromagnétique. L'emploi d'acier ferromagnétique permet la mise en oeuvre d'un chauffage par induction. [0033] L'invention consiste donc à venir chauffer localement les tôles à une certaine tem- pérature, sans modifier les caractéristiques mécaniques des aciers, ni altérer leur éventuel revêtement, afin de faciliter la pénétration du rivet. [0034] Selon l'invention, lorsqu'au moins une des tôles est une tôle en acier, la température T est choisie pour être inférieure à la température AC1 moins 100 °C. Idéalement, la température T de chauffage est comprise entre 100 et 400 °C ; de préférence entre 120 et 350 °C ; de préférence entre 150 et 320 °C, de préférence encore entre 190 et 310 °C et plus préférentiellement entre 200 et 300 °C. [0035] Les figures 1 et 3 montrent des schémas des tôles assemblées par un rivet auto- poinçonneur à froid, alors que les figures 2 et 4 montrent des schémas des tôles assemblées par un rivet auto-poinçonneur dont la zone l'assemblage a été traitée theriniquement selon le procédé de l'invention. [0036] La figure 1 montre que la partie gauche de la tige du rivet 1 reste droite et ne parvient pas à s'ancrer dans la tôle inférieure 5. La partie droite montre une forte déformation avec peu de pénétration dans la tôle inférieure 5. L'assemblage est considéré comme non conforme du fait d'un mauvais ancrage et des déformations aléatoires et non ré- 7 pétables du rivet 1. [0037] La figure 2, au contraire, montre un ancrage symétrique dans la tôle inférieure 11, un bon épanouissement du rivet 7 résultat dans un point conforme et répétable. [0038] Les figures 1 et 2 illustrent un empilement de tôles en aluminium (3, 9) et en acier (5, 11). [0039] Les figures 3 et 4 sont des schémas des tôles inférieures (5, 11) selon l'art antérieur lorsque les tôles sont rivetées à froid et selon l'invention lorsque le procédé implique un chauffage préalable au rivetage. Dans le premier cas, il y a une présence importante de fissures sur la tôle inférieure 5 alors que dans le deuxième, il y a une forte diminution du taux de fissures sur la tôle inférieure 11. [0040] L'ajout d'une étape de chauffage se traduit également par une tenue du rivet améliorée face à l'arrachement. Lorsque le rivet est posé sur la tôle froide, donc à température ambiante, ladite tenue est de 5500 N, alors que lorsque le rivet posé sur tôle chaude, à environ 300 °C, celle-ci augmente à 9100 N. L'amélioration de la tenue grâce à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est donc de 65%. La tenue peut être mesurée en simulant un essai de traction. [0041] Le chauffage peut se faire par tout moyen, par exemple en mettant en oeuvre un dispositif de chauffage thermique, électrique ou par induction. Avantageusement, le chauffage s'effectue par induction. La durée de l'étape de chauffage est inférieure à 2 minutes, de préférence elle est comprise entre 1 seconde et 1 minute ; de préférence encore entre 1 à 30 secondes ; et plus préférentiellement entre 3 à 10 secondes. [0042] Le chauffage par induction est une technique de chauffage reposant sur l'induction électromagnétique. Son avantage est de chauffer des matériaux sans contact avec la source d'énergie. Un matériau ferromagnétique s'aimante sous l'effet d'un champ extérieur et permet d'obtenir une forte induction à partir d'une faible excitation extérieure. [0043] Bien évidemment, l'homme du métier adaptera le type du chauffage et la durée du chauffage à ses besoins. Néanmoins, la température des tôles ne devrait pas dépasser ACI - 100 °C (c-à-d. rester inférieure ou égale à 100°C sous la température AC1 de l'acier formant la tôle) pour permettre la bonne conservation des propriétés mécaniques des tôles de départ ; préférentiellement, la température des tôles restera inférieure à 400 °C, et plus préférentiellement inférieure à 350°C. Lorsque l'empilement comprend plusieurs tôles en acier montrant des températures ACI différentes, l'homme choisira préférentiellement une température T inférieure à la température ACI la plus basse moins 100 °C (c. à-d : T REVENDICATIONSProcédé d'assemblage d'au moins deux tôles (9, 11) empilées l'une sur l'autre par la pose d'au moins un rivet (7) au niveau d'au moins une zone d'assemblage (15) ; le procédé étant caractérisé en cc qu'il comprend les étapes suivantes : a) le chauffage à unc température T de la zone d'assemblage (15) par un dispositif de chauffage (17) ; h) l'assemblage par enfoncement dudit rivet (7) dans ladite zone d'assemblage (15) ; et en cc que l'étape h) d'assemblage par enfoncement dudit rivet (7) s'effectue consécutivement à l'étape a) de chauffage, de manière à ce que ladite étape b) d'assemblage par enfoncement dudit rivet (7) s'effectue lorsque la zone d'assemblage est à une température comprise entre T et T-10 °C. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins une des tôles étant une tôle en acier (11) et la température T est choisie pour être inférieure à la température AC1 moins 100 °C de la tôle d'acier ; et/ou la température T de chauffage est comprise entre 100 et 400 °C ; de préférence entre 120 et 350 °C ; de préférence entre 150 et 320 °C, et de préférence encore entre 200 et 300°C. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 ; caractérisé en ce que l'étape a) de chauffage est conduite sur l'ensemble formé par lesdites au moins deux tôles (9, 11) empilées l'une sur l'autre. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage (17) est un dispositif de chauffage par induction électromagnétique et en ce qu'au moins une tôle (11) est une tôle en acier ferromagnétique. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage par induction électromagnétique est un dispositif à flux électromagnétique transverse comprenant un inducteur inférieur et un inducteur supérieur disposés écartés de manière à former un entrefer, ou un dispositif comprenant un inducteur unique ; de préférence, le dispositif de chauffage par induction électromagnétique est un dispositif comprenant un inducteur unique. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 ; caractérisé en ce qu'au moins une tôle (11) est une tôle en acier ferromagnétique, et au moins une tôle (9) est confectionnée en un matériau différent d'un acier ferromagnétique, et choisi parmi un acier non ferromagnétique, un matériau plastique composite ou un alliage d'aluminium ; et/ou en ce qu'au 11 [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] moins un rivet (7) est un rivet auto-poinçonneur. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, le procédé étant mis en oeuvre sur un empilement d'au moins deux tôles (9,11) de manière à présenter une tôle supérieure et une tôle inférieure, la pose du rivet se faisant par enfoncement dans la tôle supérieure et évasement dans la tôle inférieure ; le procédé est caractérisé en ce que la tôle inférieure est une tôle en acier (11) ; de préférence, la tôle en acier (11) présente une épaisseur comprise entre 1.0 mm et 3.0 mm ; de préférence encore une épaisseur comprise entre 1.5 mm et 2.5 mm. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'étape a) de chauffage est conduite pendant une durée inférieure à 2 minutes ; et/ou l'étape h) de pose d'un rivet (7) est conduite directement après l'étape a) de manière à ce que le temps écoulé entre la fin de l'étape a) de chauffage et l'étape h) soit inférieur à 1 minute ; de préférence inférieur à 30 secondes. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, le procédé étant mis en oeuvre sur un empilement d'au moins deux tôles (9,11) de manière à présenter une tôle supérieure et une tôle inférieure, la pose du rivet se faisant par enfoncement dans la tôle supérieure et évasement dans la tôle inférieure ; le procédé est caractérisé en ce que le dispositif de chauffage est disposé en regard de la surface de la tôle supérieure. Installation de montage d'un véhicule automobile pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9 ; ladite installation comprenant une pluralité de postes de travail agencés successivement l'un après l'autre, ladite installation comprenant en outre au moins un dispositif de chauffage (17) et au moins un dispositif de pose d'un rivet (7), ladite installation étant caractérisée en ce qu'au moins un dispositif de chauffage (17) et au moins un dispositif de pose d'un rivet (7) sont disposés dans un même poste de travail.