FR2878256A1

FR2878256A1 - Alliage al-mg-mn de metal d'appport

Info

Publication number: FR2878256A1
Application number: FR0509967A
Authority: FR
Inventors: Klaus Alfons Mechsner; Huibrecht Adriaan Wouters
Original assignee: Corus Aluminium Walzprodukte GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2006-05-26
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: CA2582156C; CA2582156A1; DE602005022752D1; FR2878256B1; DE102005045342A1; AU2005293816B2; EP1814688B1; AU2005293816A1; WO2006040034A1; ATE476274T1; EP1814688A1

Abstract

La présente invention concerne une composition d'alliage de métal d'apport comprenant en pourcentage en poids : Mg 6,0 à 9,5 %, Mn 0,9 à 2,0 %, Zn 0,2 à 0,9 %, Zr 0,3 % au maximum, de préférence entre 0,05 et 0,25 %, Cr 0,5 pour cent au maximum, Sc 2,8 % au maximum, Cu 0,5 % au maximum, de préférence moins de 0,25 %, Fe 0,5 % au maximum, Si 0,5 % au maximum, Ti 0,3 % au maximum, le complément étant constitué d'aluminium et d'éléments et d'impuretés accidentels. L'invention concerne en outre une structure soudée que l'on soude à l'aide du présent alliage de métal d'apport et selon un procédé de construction de cette construction soudée.

Description

ALLIAGE Al-Mg-Mn DE METAL D'APPORT

La présente invention concerne un alliage Al-Mg-Mn de métal d'apport servant à souder des pièces ou des structures en alliage A1Mg que l'on utilise pour construire de grandes structures telles que des conteneurs de stockage et des récipients pour le transport maritime et terrestre. L'invention concerne en outre une structure soudée que l'on obtient en soudant des pièces d'alliage AlMg conjointement avec un alliage Al-Mg-Mn de métal d'apport, ce qui donne des constructions telles que des récipients pour le transport, des réservoirs, des silos, des camionsciternes, des récipients de pression, des ponts ou des wagons. L'invention concerne en outre un procédé de construction d'une telle structure ou d'une telle construction soudée.

On sait utiliser des alliages de métal d'apport récipients pour le transport Al-Mg-Mn dans de grandes constructions soudées constituées de préférence de plaques ou de pièces d'extrusion choisies dans l'ensemble des alliages d'aluminium de la série AA5xxx. Un des alliages de métal d'apport standard est l'alliage AA5183 dont la composition nominale est la suivante en pourcentages en poids: Mg 4,3 à 5,2; Mn 0,5 à 1,0; Zn 0,25 maximum; Cr 0,05 à 0,25; Ti 0,15 maximum; Fe 0,40 maximum; Si 0,40 maximum; Cu 0,10 maximum; le complément étant constitué d'aluminium essentiellement et d'éléments et d'impuretés accidentels. La baguette de métal d'apport AA5183 donne un bon équilibre de résistance mécanique élevée, de résistance à la corrosion, d'aptitude à la courbure et au soudage. Si l'on augmente la quantité de magnésium dans l'alliage, la résistance du joint de soudure peut augmenter. Une augmentation de la teneur en magnésium s'accompagne toutefois habituellement d'une diminution de la résistance à la corrosion dans ce type d'alliages AlMg.

D'autres brevets tels que JP-A-05169290 ou GB-A-2000806 décrivent des alliages de métal d'apport contenant jusqu'à 6,0 % en poids de magnésium, jusqu'à 6,0 % en poids de zinc et jusqu'à 2,5 % en poids de manganèse. Le brevet britannique ajoute une teneur en cuivre comprise entre 0,2 et 0,5 % en poids. Les alliages de métal d'apport proposés s'appliquent à des techniques de soudage dont la vitesse de solidification est supérieure à 1-3.102 C/s, et où le zirconium peut être incorporé à hauteur supérieure à la quantité de solution solide. La demande de brevet britannique susmentionnée mentionne donc le cuivre en tant qu'élément indispensable.

EP-1019217-B1 décrit un alliage de métal d'apport Al-Mg-Mn constitué essentiellement de la composition suivante (en % en poids) : Mg de 5,0 à 6,5; Mn de 0,4 à 1,2; Zn de 0,4 à moins de 2,0; Zr de 0,05 à 0,3; le complément étant constitué d'aluminium essentiellement et d'éléments et d'impuretés accidentels. Ce document indique une résistance améliorée par rapport à la baguette d'apport classique constituée d'AA5183 lorsque l'on soude une plaque d'alliage classique AA5083 dans des conditions régulières de soudage MIG. L'alliage connu de métal d'apport donne aux constructions soudées améliorées une résistance considérablement améliorée du matériau de base, de la zone chauffée et du cordon de soudure.

La présente invention se propose d'apporter un alliage AI-Mg-Mn de métal d'apport, de préférence sous forme d'une baguette de soudage grâce à laquelle la on peut obtenir une résistance améliorée des joints soudés en alliage d'aluminium par rapport à ceux des alliages standard d'apport tels que l'alliage d'apport AA5183 ou l'alliage d'apport indiqué par l'EP1019217-B1.

La présente invention se propose aussi d'apporter un alliage Al-Mg-Mn de métal d'apport de ductilité, d'aptitude à la courbure et de résistance à la corrosion améliorées, au moins aussi bon que ceux des alliages standard de métal d'apport tels que l'AA5356 et l'AA5183.

La présente invention se propose aussi d'apporter une structure soudée dotée de pièces d'alliage AlMg soudées à l'aide d'un alliage de métal d'apport amélioré et dont les niveaux de résistance après soudage et la résistance à la corrosion dans le cordon de soudure sont améliorés.

La présente invention se propose encore d'apporter un procédé de construction de cette structure soudée ou de cette construction soudée.

Selon la présente invention, on atteint un ou plusieurs de ces objectifs grâce à l'alliage de métal d'apport conforme à l'invention, moyennant quoi on obtient un alliage de métal d'apport Al-Mg-Mn dont la résistance à la corrosion est bonne et les niveaux de résistance améliorés, cet alliage présentant la composition suivante (en % en poids) : Mg 6,0 à 9,5 Mn 0,9 à 2,0 Zn 0,2 à 0,9 Zr 0,3 au maximum, de préférence entre 0,05 et 0,25 Cr 0,5 au maximum Sc 2,8 au maximum Cu 0,5 au maximum Fe 0,5 au maximum Si 0,5 au maximum Ti 0,3 au maximum, le complément étant constitué d'aluminium essentiellement et d'éléments et d'impuretés accidentels, habituellement moins de 0,05 chacun, le total étant inférieur à 0,20.

L'invention trouve son meilleur aboutissement dans la découverte comme quoi l'augmentation de la teneur en magnésium donne de meilleurs niveaux de résistance sans que la résistance à la corrosion ne baisse si l'on sélectionne des niveaux respectifs de manganèse et de zinc. Dans l'ensemble de l'alliage de métal d'apport conforme à la présente invention, les joints soudés d'aluminium présentent une résistance plus élevée que les soudures standards AA5183 et que les soudures décrites dans EP-1019217-B1, incorporée ici à titre de référence dans son intégralité. Les alliages de métal d'apport conformes à la présente invention se sont avérés tout à fait utiles pour le soudage de structures d'aluminium d'alliages Al-Mg sur elles-mêmes ou à d'autres alliages d'aluminium.

Selon un mode préféré de réalisation, l'alliage de métal d'apport est fourni sous une forme choisie dans l'ensemble constitué d'un fil, d'une baguette ou d'un bâton, son diamètre étant compris entre 0,5 et 6,0 mm sous cette forme.

La présente invention atteint ses niveaux élevés de résistance tout en maintenant une bonne résistance à la corrosion grâce à un bon équilibre entre teneur élevée en magnésium et teneurs adaptées en manganèse et en zinc. Le magnésium constitue l'élément essentiel de renforcement au sein de l'alliage de métal d'apport. On a constaté qu'il est possible de produire des baguettes de soudage à partir de l'alliage de métal d'apport comportant plus de 6,0 % en poids et jusqu'à 9,5 % en poids de magnésium, sa teneur préférable se situant entre 7,0 et 9,5 %, plus préférablement entre 7,5 et 8,5 % en poids. Selon un autre mode de réalisation, on préfère une teneur en magnésium comprise entre 6,0 et 7,5 %. On a constaté que par ajustement des niveaux de manganèse et de zinc, on pouvait obtenir moins de fissuration de l'alliage d'apport au cours du coulage et du traitement qui lui succède, tout en apportant encore une augmentation de la résistance des structures soudées.

Le manganèse constitue un élément essentiel d'ajout au sein de la baguette d'apport. Mn associé à Mg donne leur résistance aux joints soudés. Le manganèse est présent à hauteur de 0,9 à 2,0 % en poids, et de préférence entre 0,9 et 1,8 % en poids. Ces niveaux élevés en manganèse correspondent à des niveaux élevés de magnésium et conduisent aux niveaux améliorés de résistance de l'alliage de métal d'apport.

Zn constitue un adjuvant important vis-à-vis de la résistance à la corrosion des cordons de soudure, en particulier quand on soude des produits d'alliage de la composition préférée définie précédemment. On a constaté que la teneur en zinc se situe de préférence entre 0,4 et 0,7 % en poids, de préférence entre 0,45 et 0,7 pour cent en poids quand on procède à un soudage régulier TIG, et entre 0,5 et 0,9 pour cent en poids quand on procède à un soudage régulier MIG, afin de maintenir une bonne aptitude au soudage de l'alliage d'apport et d'obtenir une résistance à la corrosion suffisante.

Zr s'avère important pour obtenir aussi une amélioration de résistance au niveau des cordons de soudure. Le zirconium est également important pour la résistance contre la fissuration en cours de soudage, et on a constaté qu'un intervalle préféré de Zr va de 0,05 à 0,25 % en poids, plus préférablement de 0,1 à 0,2 % en poids. Les niveaux de Zr supérieurs à 0, 3 % en poids entraînent l'apparition de particules primaires en forme d'aiguille très grossières, et c'est pourquoi le niveau de Zr devra être maintenu au-dessous de 0,3 % en poids.

Le scandium peut être présent dans l'alliage de métal d'apport à hauteur de 2,8 % en poids au maximum, ce qui présente l'avantage de donner un raffinement du grain en cours de coulée ou de soudage, et une augmentation supplémentaire de la résistance des précipités d'A13Sc. Quand on l'ajoute associé à du zirconium, l'intervalle préféré de présence de scandium dans la baguette d'apport va de 0,25 à 2,8 % en poids.

Ti est un élément connu de raffinage des grains, lequel peut être présent dans l'intervalle pouvant aller jusqu'à 0,3 % en poids, et la teneur en titane est de préférence comprise entre 0,03 et 0,2 % en poids.

Le fer et le silicium constituent chacun un élément régulier au sein des alliages de métal d'apport, et leur présence ne devra pas excéder 0,5 % en poids, aucune de leurs teneurs ne dépassant 0,25 % de préférence.

Comme des teneurs élevées en cuivre donnent lieu à la détérioration des performances de corrosion aux piqûres au sein de la structure soudée quand on met en oeuvre l'alliage d'apport conforme à la présente invention, la teneur en cuivre dans l'alliage d'apport ne devra pas dépasser 0,5 % en poids, et de préférence ne pas dépasser 0,25 % en poids. La teneur optimale en cuivre est inférieure à 0,10 % en poids, et idéalement, le cuivre est présent à des niveaux inférieurs à 0,03 % en poids.

Le complément est de l'aluminium et des impuretés inévitables. Habituellement, chaque impureté devra être présente à hauteur de 0,05 % au maximum alors que le total d'impuretés ne dépassera pas 0,20 %. À propos de la teneur en impuretés, il est préférable de limiter la teneur en béryllium aux environs de 0,00008 % au plus.

Selon un mode particulier de réalisation de la baguette d'apport conforme à la présente invention, la baguette d'apport comprendra, en pourcentage en poids, Mg 6,0 à 7,5, de préférence de 6,2 à 7,5 Mn 1,2 à 2, 0, de préférence de 1,25 à 1,8 Zn 0,2 à 1,0, de préférence de 0,3 à 0,9 et les autres éléments Zr, Cr, Sc, Cu, Fe, Si et Ti dans les proportions déjà indiquées.

Selon un autre mode particulier de réalisation de la baguette d'apport conforme à la présente invention, la baguette d'apport comprendra, en pourcentage en poids, Mg 7,0 à 9,5, de préférence de 7,5 à 8,5 Mn 0,9 à 1, 45, de préférence de 0,9 à 1,25 Zn 0,2 à 1,0, de préférence de 0,3 à 0,9 et les autres éléments Zr, Cr, Sc, Cu, Fe, Si et Ti dans les proportions déjà 30 indiquées.

On peut souder à l'aide de l'alliage de métal d'apport conforme à cette invention les produits particuliers et appropriés en alliage, que ce soit sous forme de produits laminés, extrudés ou forgés pour les pièces de construction correspondant à la composition suivante (en pourcentage en poids) : Mg 4,9 à 6,0, de préférence de 5,0 à 5,6 Mn 0,6 à 1,2, de préférence de 0,65 à 1,1 Zn 0,25 à 1,5, de préférence entre 0,30 et 0,8 et plus préférablement de 0,30 à 0,6 Zr 0,05 à 0,25 Cr 0,3 au maximum Ti 0,2 au maximum Fe 0,5 au maximum et 0,25 au maximum de préférence Si 0,5 au maximum et 0,25 au maximum de préférence Cu 0,25 au maximum et 0,10 au maximum de préférence Sc 0,3 au maximum, le complément étant constitué d'aluminium essentiellement et d'éléments et d'impuretés accidentels, habituellement moins de 0,05 chacun, le total étant inférieur à 0,15.

Un aspect supplémentaire de l'invention concerne un procédé de construction d'une construction soudée comprenant les étapes consistant à : (a) prendre des pièces séparées constitutives de la construction et dont la composition correspond à celle définie ci-dessus, et (b) souder les pièces séparées ensemble à l'aide d'un alliage de métal d'apport Al- Mg-Mn conforme à cette invention.

Les pièces constitutives de la construction se trouvent de préférence sous forme d'une pièce extrudée, d'une plaque, d'une feuille, d'une pièce forgée ou d'une combinaison de celles-ci.

Ce qui précède et d'autres caractéristiques et avantages de l'alliage de métal d'apport conforme à l'invention vont facilement apparaître à partir de la description détaillée suivante de trois exemples préférés.

Exemple 1

On coule et l'on produit trois baguettes d'apport dont la composition est conforme à l'invention sous forme de tiges de 3 mm de diamètre, appropriées pour un soudage TIG. Les compositions d'alliage apparaissent dans le tableau 1. A titre de comparaison, la baguette déjà connue d'apport AA5183 a été employée.

Avec ces baguettes d'apport, on a soudé par TIG un corps sous forme de plaque d'aluminium de 6,5 mm dans l'état H111 par le biais de deux passages de soudage. La composition du corps formant une plaque apparaît dans le tableau 2.

On a testé les propriétés de résistance à la traction au travers de la soudure à l'aide du code de l'ASME relatif aux essais de traction pour une longueur calibrée de 32 millimètres, et les résultats apparaissent dans le tableau 3.

Tableau 1

Compositions chimiques de baguettes d'apport en pourcentages en poids baguette Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr A < 0,04 0,9 7,9 < 0,01 0,5 0, 01 0, 14 B < 0,04 1,0 7,7 < 0,01 0,5 0,01 0,14 C < 0,04 1,4 8,2 < 0, 01 0,5 0,01 0,14 5183 < 0,04 0,66 4,4 0,08 < 0,05 0,10 < 0,01

Tableau 2

Compositions chimiques de corps en plaque en pourcentages en poids Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr < 0,02 0,9 5,3 < 0,01 0,6 0,01 0,10

Tableau 3

Caractéristiques de résistance à la traction au travers de la soudure baguette PS UTS Allongement [MPa] [MPa] [%] A 148 326 21,4 B 162 342 22,0 C 160 340 18,0 5183 131 301 22,9 D'après les résultats du tableau 3, on constate que pour un corps formant une plaque fine soudée, quand on met en oeuvre la baguette d'apport conforme à cette invention au lieu d'utiliser la baguette classique d'apport en AA5183, on obtient une augmentation de plus de 15 MPa de la PS (Proof Strength), et de plus de 30 MPa au mieux (alliage d'apport B). L'UTS (Ultimate Tensile Strength, tension de rupture) augmente de 25 à 40 MPa.

Exemple 2

On coule une baguette d'apport de composition conforme à l'invention et on lui donne la forme de tiges de 6 mm de diamètre, appropriées pour le soudage TIG. La composition d'alliage apparaît dans le tableau 4. A titre de comparaison, la baguette déjà connue d'apport AA5183 a été employée.

Avec cette baguette d'apport, on a soudé par TIG un corps sous forme de plaque d'aluminium de 25 mm dans l'état H111 par le biais de dix passages de soudage. La composition du corps formant une plaque apparaît dans le tableau 5. On a testé les propriétés de résistance à la traction au travers de la soudure à l'aide du code de l'ASME relatif aux essais de traction pour une longueur calibrée de 40 millimètres, et les résultats apparaissent dans le tableau 6.

Tableau 4

Compositions chimiques de baguettes d'apport en pourcentages en poids baguette Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr D < 0,01 1,15 6,1 < 0,01 0,54 0, 01 0, 13 5183 < 0,01 0,65 4,4 0,08 < 0,01 0,10 < 0,01

Tableau 5

Composition chimique de corps en plaque en pourcentages en poids Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr < 0,01 0,75 5,3 < 0,01 0,5 0,01 0,10

Tableau 6

Caractéristiques de résistance à la traction au travers de la soudure baguette PS UTS Allongement [MPa] [MPa] [%] D 153 324 20,5 5183 147 315 30,5 D'après les résultats du tableau 6, on constate que pour un corps formant une plaque fine, on obtient une augmentation d'environ 10 MPa de l'UTS par rapport à la baguette d'apport en 5183.

Exemple 3

On coule une baguette d'apport de composition conforme à l'invention et on lui donne la forme de tiges de 3 mm de diamètre, appropriées pour le soudage TIG. La composition d'alliage apparaît dans le tableau 7. A titre de comparaison, la baguette déjà connue d'apport AA5183 a été employée.

Avec cette baguette d'apport, on a soudé par TIG un corps sous forme de plaque d'aluminium de 5 mm dans l'état H111 par le biais de deux passages de soudage. La composition du corps formant une plaque apparaît dans le tableau 8. On a testé les propriétés de résistance à la traction au travers de la soudure à l'aide du code de l'ASME relatif aux essais de traction pour une longueur calibrée de 20 millimètres, et les résultats apparaissent dans le tableau 9.

Tableau 7

Compositions chimiques de baguettes d'apport en pourcentages en poids baguette Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr E < 0,01 1,2 6,6 < 0,01 0,5 0, 03 0, 14 5183 < 0,01 0,65 4,4 0,08 < 0,01 0,10 < 0,01

Tableau 8

Composition chimique de corps en plaque en pourcentages en poids Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr < 0,01 0,8 5,3 < 0,01 0,5 0,01 0,12

Tableau 9

Caractéristiques de résistance à la traction au travers de la soudure baguette PS UTS Allongement [MPa] [MPa] [%] E 155 337 21,7 5183 146 329 30,3 D'après les résultats du tableau 9, on constate que pour un corps formant une plaque fine, on obtient une augmentation d'environ 10 MPa de la PS par rapport à la baguette d'apport en 5183.

On a obtenu des tendances similaires à celles présentées dans les exemples 1 à 3 pour un corps en plaque à l'état H321.

Il apparaîtra que d'autres modes de réalisation que ceux décrits cidessus s'inscrivent dans l'esprit et dans la portée de la présente invention. Ainsi la présente invention ne se limite-t-elle pas à la description qui précède, ce sont en revanche les revendications qui lui sont annexées qui la définissent.

Claims

11 REVENDICATIONS

1. Alliage de métal d'apport Al-Mg-Mn de bonne résistance à la corrosion et à niveaux améliorés de résistance mécanique correspondant à la composition suivante (en pourcentage en poids) : Mg 6,0 à 9,5 Mn 0,9 à 2, 0 Zn 0,2 à 0,9 Zr 0,3 au maximum Cr 0,5 au maximum Sc 2,8 au maximum Cu 0, 5 au maximum Fe 0,5 au maximum Si 0,5 au maximum Ti 0,3 au maximum, le complément étant constitué d'aluminium et d'éléments et d'impuretés accidentels.

2. Alliage d'apport selon la revendication 1 où Mg représente de 6,0 à 7, 5 % en poids, et de 6,2 à 7,5 % de préférence, Mn d'1,2 à 2,0 % et de 0,9 à 1,8 % de préférence, et Zn de 0,2 à 1,0 % et de 0,3 à moins de 0,9 % de préférence.

3. Alliage d'apport selon la revendication 1 où Mg représente de 7,0 à 9, 5 % en poids, et de 7,5 à 8,5 % de préférence, Mn de 0,9 à 1,45 % et de 0, 9 à 1,25 % de préférence, et Zn de 0,2 à 1,0 % et de 0,3 à moins de 0,9 % de préférence.

4. Alliage d'apport selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, où la teneur en zinc est comprise entre 0,4 et 0,6 %.

5. Alliage d'apport selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, où la teneur en zinc est comprise entre 0,5 et 0,9 %.

6. Alliage d'apport selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, où la teneur en scandium est comprise entre 0,25 et 2,8 %.

7. Alliage d'apport selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, où la teneur en zirconium est comprise entre 0,05 et 0,25 %, de préférence entre 0,1 et 0,2 %.

8. Alliage d'apport selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, où la teneur en fer est inférieure à 0,25 % et où la teneur en silicium est inférieure à 0,25 %.

9. Alliage d'apport selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, où la teneur en cuivre est inférieure à 0,10 % et où la teneur en cuivre est inférieure à 0,03 % de préférence.

10. Alliage d'apport selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, où l'alliage d'apport se trouve sous une forme choisie dans l'ensemble constitué par de la baguette, de la tige ou du bâton, et dont le diamètre est compris entre 0,5 à 6,0 millimètres.

11. Procédé de construction d'une construction soudée comprenant les étapes consistant à : (a) prendre des pièces constitutives séparées sous la forme d'un produit d'extrusion, d'une plaque, d'une feuille, d'un produit forgé ou d'une combinaison de ceux-ci, de la construction dont la composition est la suivante (en pourcentage en poids) : Mg 4,9 à 6,0 Mn 0, 6 à 1,2 Zn 0,25 à 1,5 Zr 0,05 à 0,25 Cr 0,3 au maximum Ti 0,2 au maximum Fe 0,5 au maximum Si 0,5 au maximum Cu 0,25 au maximum Sc 0,3 au maximum, le complément étant constitué d'aluminium et d'impuretés accidentelles et (b) souder les pièces séparées ensemble avec un alliage Al-Mg-Mn de métal d'apport conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10.

12. Procédé selon la revendication 11, où les composants ont une teneur en zinc comprise entre 0,30 et 0,8 %, et entre 0,30 et 0,6 % de préférence.

13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, où les composants ont une teneur en magnésium comprise entre 5,0 et 6,0 %, et entre 5,0 et 5,6 % de préférence.

14. Procédé selon la revendication 11 à 13, où les composants ont une teneur en manganèse comprise entre 0,65 et 1,2 %, et entre 0,65 et 1, 1 % de préférence.

15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, où les composants sont soudés grâce à un soudage TIG et où l'alliage Al-Mg-Mn de métal d'apport a une teneur en zinc comprise entre 0,4 et 0,7 %, et entre 0,45 et 0,7 % de préférence.

16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, où les composants sont soudés grâce à un soudage MIG et où l'alliage Al-Mg-Mn de métal d'apport a une teneur en zinc comprise entre 0,5 et 0,9 %.