FR2922222A1 - Tole plaquee en alliages de la serie 6xxx pour carrosserie automobile. - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un matériau composite de tôles en alliage d'aluminium pour composants de carrosserie automobile, dans lequel une feuille de placage est appliquée sur au moins un côté d'une âme, celle-ci étant constituée d'un alliage d'aluminium de la série AA6xxx et la feuille de placage étant constituée d'un autre alliage d'aluminium de la même série AA6xxx.Selon un mode de mise en oeuvre préféré, la feuille de placage en alliage d'aluminium du type AA 6016 ou 6005A est appliquée sur l'âme en alliage d'aluminium du type AA 6056 par co-laminage.L'invention a également pour objet le procédé de fabrication dudit matériau composite de tôles par co-laminage.

Description

Tôle plaquée en alliages de la série 6xxx pour carrosserie automobile 5 Domaine de l'invention

L'invention concerne le domaine des tôles en alliage Al-Si-Mg, plus particulièrement en alliage de la série AA6xxx selon la désignation de l'Aluminum Association, destinées à la fabrication, notamment par emboutissage et/ou sertissage, 10 de composants de carrosserie automobile, tels que notamment des ailes, des portes, des hayons, des capots, des toits ou autres pièces de structure de caisse. Plus précisément, l'invention concerne un matériau composite de tôles pour composants de carrosserie automobile, dans lequel une feuille de placage est appliquée sur au moins un côté d'une âme, celle-ci étant constituée d'un alliage 15 d'aluminium de la série AA6xxx et la feuille de placage étant constituée d'un autre alliage d'aluminium de la même série AA6xxx. L'invention concerne également le procédé de fabrication dudit matériau composite de tôles par co-laminage.

20 Etat de la technique

L'aluminium est utilisé de manière croissante dans la construction automobile pour réduire le poids des véhicules et ainsi réduire la consommation de carburant et 25 les rejets de polluants et de gaz à effets de serre. Les tôles sont utilisées notamment pour la fabrication de pièces de peau de carrosserie, en particulier les ouvrants, dont les portières, capots et hayons, mais aussi les toits ou pavillons ainsi que les composants de structure de caisse encore appelée Caisse en blanc . 30 Ce type d'application requiert un ensemble de propriétés, parfois antagonistes telles que : - une formabilité élevée pour les opérations d'emboutissage et/ou de sertissage, - une résistance mécanique élevée après cuisson des peintures pour obtenir une bonne résistance générale et à l'indentation tout en minimisant le poids de la pièce, - une limite d'élasticité contrôlée à l'état de livraison de la tôle pour maîtriser le retour élastique lors de la mise en forme, - une bonne capacité à l'absorption d'énergie en cas de choc pour application à des pièces de structure de caisse, - une bonne résistance à la corrosion, notamment la corrosion filiforme, de la pièce peinte, - une bonne qualité de surface après mise en forme et peinture, - un bon comportement dans les divers procédés d'assemblage utilisés en carrosserie automobile tels que le soudage par points, le soudage laser, le collage, le clinchage ou le rivetage, - une compatibilité avec les exigences du recyclage des déchets de fabrication ou des véhicules recyclés, - un coût acceptable pour une production en grande série.

Tous les alliages d'aluminium dont il est question dans ce qui suit sont désignés, sauf mention contraire, selon les désignations définies par 1 < Aluminum Association dans les Registration Record Series qu'elle publie régulièrement.

Les exigences pré-citées ont conduit au choix des alliages Al-Mg-Si, c'est-à-dire les alliages de la série AA6xxx. En Europe, les alliages AA6016 et AA6016A, à des épaisseurs de l'ordre de 1 à 2.5 mm, sont les plus utilisés pour cette application, car ils conduisent à un meilleur compromis entre les diverses propriétés requises, en assurant notamment une meilleure formabilité, en particulier pour le sertissage, et une meilleure résistance à la corrosion filiforme, que les alliages à teneur en cuivre plus élevée tels que l'alliage AA6111 largement utilisé aux Etats-Unis.

Des alliages du type AA6016 sont décrits notamment dans les brevets FR 2360684 d'Alusuisse et EP 0259232 de Cegedur Pechiney, tandis que des alliages du type AA6111 sont décrits dans le brevet US 4,614,552 d'Alcan International Ltd.

On connaît également des alliages à basse teneur en fer (< 0,2%) tels que ceux décrits dans les brevets US 5,525,169 et US 5,919,323 d'Alcoa, et un alliage de ce type a été enregistré comme AA6022.

Cependant, la résistance mécanique de l'alliage AA6016 après cuisson des peintures reste nettement inférieure à celle du AA6111, et ce d'autant plus que la température de cuisson tend à décroître, de sorte que le durcissement au revenu est moins efficace. Pour cette raison, et pour permettre des allégements plus conséquents, les 10 constructeurs d'automobiles sont demandeurs d'une résistance mécanique plus élevée après peinture. Dans ce but, la société Pechiney a développé de nouvelles variantes de l'alliage AA6016, en particulier une variante DR120 conduisant à une limite d'élasticité à l'état T4 de l'ordre de 120 MPa. Ces développements ont fait l'objet de publications, 15 notamment des articles de R. Shahani et al. Optimised 6xxx aluminium alloy sheet for autobody outer panels Automotive Alloys 1999, Proceedings of the TMS Annual Meeting Symposium, 2000, pp. 193-203, et de D. Daniel et al. Development of 6xxx Alloy Aluminum Sheet for Autobody Outer Panels : Bake Hardening, Formability and Trimming Performance IBEC'99 û International Body 20 Engineering Conference, Detroit, 1999, SAE Technical Paper N° 1999-01-3195. Parallèlement, Alcan a proposé une nouvelle variante de l'alliage AA6111, dénommée 6111-T4P, conduisant à une limite d'élasticité après cuisson de peinture améliorée (typiquement 270 à 280 MPa) sans réduction de la formabilité à l'état T4. Ce produit a été décrit notamment dans l'article de A. K. Gupta et al. The 25 Properties and Characteristics of Two New Aluminum Automotive Closure Panel Materials , SAE Technical Paper 960164, 1996. Enfin, Pechiney a proposé dans sa demande EP16339000 un alliage pour pavillon de toit particulièrement dur du type AA6056 dont la mise en forme est de ce fait impérativement effectuée à l'état T4, mais la formabilité demeure évidemment 30 limitée. Ces nouveaux développements incluent pour la plupart un traitement thermique optimisé de type pré-revenu, effectué après la trempe, pour améliorer le durcissement à la cuisson des peintures. En effet, en l'absence d'un tel traitement, la cinétique de durcissement à la cuisson diminue avec le temps d'attente à température ambiante entre la trempe et la cuisson, et une attente de plusieurs semaines est pratiquement inévitable en production industrielle. Ce phénomène est connu depuis longtemps, et a été décrit par exemple dans l'article de M. Renouard et R. Meillat : Le pré-revenu des alliages aluminium-magnésium-silicium , Mémoires Scientifiques de la Revue de Métallurgie, décembre 1960, pp. 930-942. Le traitement de pré-revenu fait l'objet du brevet EP 0949344 d'Alcan International Limited.

Compte tenu du développement croissant de l'utilisation des tôles en alliage d'aluminium pour les composants de carrosserie automobile et des productions de grande série, il existe toujours une demande de nuances encore améliorées permettant de réduire les épaisseurs sans altérer les autres propriétés de façon à toujours accroître l'allègement. Bien évidemment, cette évolution passe par l'utilisation d'alliages à limite d'élasticité de plus en plus élevée, et la solution décrite plus haut consistant à utiliser des alliages de la série AA6xxx de plus en plus résistants, mis en forme à l'état T4, c'est à dire après mise en solution et trempe, et durcissant fortement lors des opérations de pré-revenu et cuisson des peintures et vernis, atteint ses limites. Elle débouche sur des alliages de plus en plus durs dès l'état T4 et qui, de ce fait, posent de sérieux problèmes de mise en forme, notamment lors d'opérations sévères comme le sertissage d'un panneau extérieur sur une pièce de doublure ou encore l'emboutissage profond.

Bien entendu, des solutions palliatives consistent à modifier la géométrie des pièces où à dégrader le procédé de mise en forme pour s'accommoder de ces alliages peu formables. Par exemple, on peut utiliser un procédé de sertissage dit en goutte d'eau A au lieu d'un sertissage habituel dit à plat B, dans le cas d'un tel alliage à faible aptitude au sertissage, mais avec l'effet négatif d'une augmentation du jeu apparent 1 entre le bord serti et les autres éléments de la carrosserie pour un même jeu réel 2 comme indiqué en figure 1. Dans le cas d'un alliage à faible aptitude à l'emboutissage, on peut se résoudre à des modifications de formes ou à réduire les efforts de retenue, en utilisant des joncs et des rayons d'outillage très émoussés. Ainsi, on peut certes parvenir à emboutir plus facilement la pièce, mais il est alors particulièrement délicat de maîtriser sa géométrie.

Dans un cas comme dans l'autre, ces solutions imposent d'importantes concessions sur la géométrie de la pièce, et le besoin d'améliorer la formabilité des tôles à hautes caractéristiques mécaniques demeure particulièrement aigu.

Problème posé to L'invention vise à résoudre ces difficultés et à satisfaire ce besoin en proposant un matériau en alliage d'aluminium pour composants de carrosserie automobile présentant une composition bien adaptée au recyclage, une formabilité suffisante pour emboutissage profond et sertissage en conditions sévères, une 15 résistance à l'indentation améliorée par rapport aux tôles de l'art antérieur en alliage du type AA6016, tout en maîtrisant le retour élastique, une bonne aptitude au collage, une découpe sans formation de paillettes, et une bonne résistance à la corrosion filiforme.

20 Objet de l'invention

L'invention a pour objet un matériau composite de tôles en alliage d'aluminium pour composants de carrosserie automobile, dans lequel une feuille de placage est appliquée sur au moins un côté d'une âme, celle-ci étant constituée d'un 25 alliage d'aluminium de la série AA6xxx et la feuille de placage étant constituée d'un autre alliage d'aluminium de la même série AA6xxx. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, la feuille de placage est appliquée sur l'âme par co-laminage. Avantageusement l'âme est constituée d'un alliage d'aluminium de 30 composition chimique, exprimée en pourcentages pondéraux: Si:0.6û1.3 Fe<0.7 Cu<1.2 Mn:0.05û0.8 Mg:0.5û1.2 Zn<0.7 Cr, V, Zr < 0.1 chacun Ti et autres éléments < 0.05 chacun et < 0.15 au total, reste aluminium.

Selon un mode de réalisation préférentielle, l'alliage d'aluminium d'âme est du type AA6056. Plus préférentiellement, la teneur en Cu de l'alliage d'âme est en outre limitée au maximum à 0.3.

Avantageusement, la feuille de placage est constituée d'un alliage d'aluminium de composition chimique, exprimée en pourcentages pondéraux: Si: 0.5 ù 1.2 Fe<0.4 Cu<0.3 Mn: 0.05 ù 0.8 Mg: 0.15 ù 0.65 Cr, V, Zr < 0.1 chacun Ti et autres éléments < 0.05 chacun et < 0.15 au total, reste aluminium.

Selon un mode de réalisation préférentielle, l'alliage d'aluminium de la feuille de placage est du type AA6016 ou AA6005A. Avantageusement, la teneur en Cu de l'alliage d'aluminium de la feuille de placage est en outre limitée au maximum à 0.2. Selon une possibilité, la feuille de placage est appliquée sur un seul côté de l'âme et selon une autre possibilité, elle est appliquée sur chacun des deux côtés de l'âme. Préférentiellement, l'épaisseur de la, ou de chaque, feuille de placage représente de 3 à 20 % de l'épaisseur totale du matériau composite. Selon un mode de réalisation, une épaisseur représentant entre 3 à 12 % est préférée, selon un autre, entre 10 et 20 %. Typiquement, ce matériau composite présente une limite d'élasticité Rpo,2 après mise en solution, trempe, pré-déformation en traction de 2 %, et traitement de cuisson des peintures de 20 mn à 185°C, d'au minimum de 250 MPa. Selon un mode de réalisation, le matériau composite de tôles selon l'invention constitue une tôle de carrosserie automobile. Selon un mode de mise en oeuvre, cette tôle est pliée d'un angle jusqu'à 180°, sans criques visibles, avec un rayon de pliage inférieur à son épaisseur, selon un autre mode de mise en oeuvre, le rayon de pliage est inférieur à 80 % de son épaisseur et selon encore un autre mode de mise en oeuvre il est inférieur à 60 % de son épaisseur.

Selon différents modes de réalisation, la tôle de carrosserie automobile peut être une tôle sertie ou une tôle emboutie sous presse. Le matériau composite de tôles peut encore être utilisé pour la fabrication d'un composant de structure de carrosserie automobile destiné à absorber l'énergie de façon irréversible lors d'une collision entre le véhicule automobile et un obstacle, composant encore appelé absorbeur de choc. Enfin l'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un matériau composite de tôles en alliages d'aluminium pour composants de carrosserie automobile, dans lequel on applique par co-laminage une feuille de placage sur au moins un côté d'une âme, caractérisé en ce que l'âme est constituée d'un alliage d'aluminium de la série AA6xxx et la feuille de placage est constituée d'un autre alliage d'aluminium de la même série AA6xxx.

Description des figures

La figure 1 représente les jeux visibles ou apparents 1 pour un même jeu réel 2 entre le bord serti et les autres éléments de la carrosserie lors d'un sertissage en goutte A et lors d'un sertissage conventionnel à plat B.

La figure 2 représente le dispositif pour test de pliage trois points constitué de deux rouleaux C, d'un poinçon B de rayon r pour procéder au pliage de la tôle A d'épaisseur t. La figure 3 représente le rapport du rayon minimum r min du poinçon sur l'épaisseur de la tôle, obtenu en l'absence de fissure selon le test précédent, en fonction de la limite d'élasticité Rp0.2 ù BH en MPa après mise en solution, trempe, pré-déformation en traction de 2% et traitement thermique de 20 min. à 185°C simulant la cuisson des peintures. La figure 4 représente le dispositif pour test d'emboutissage limite LDR appliqué à la tôle (ou flan) C maintenue entre un serre-flan D et la matrice de rayon r2, par l'action d'un poinçon A de rayon rl et d'un diamètre total de 70 mm. La figure 5 représente le tube de section sensiblement carrée de 120 mm de côté, et d'une hauteur d'environ 40 mm obtenue en soudant par faisceau laser deux tôles pliées, utilisé pour les tests de bottelage destinés à évaluer l'application de l'invention à des composants de structure de carrosserie automobile du type absorbeurs de choc. La figure 6 représente la cotation obtenue lors du test précédent, traduisant le comportement au bottelage exprimé de 0 à 20 pour des tôles monolithiques repérées 5 6056 et selon l'invention repérées Clad et pour différents traitements thermiques repérés 1 à 4. La figure 7 représente une courbe effort -déplacement typique obtenue lors d'un test de bottelage tel que précité. Description de l'invention

L'invention repose sur l'utilisation d'un matériau composite de tôles dans lequel une feuille de placage en alliage de la série AA6xxx préférentiellement du 10 type AA6016 ou AA6005A est appliquée sur au moins un côté d'une âme en alliage de la même série préférentiellement du type AA6056 et sur la constatation inattendue réalisée par la demanderesse que la combinaison d'un alliage d'âme, dur mais difficilement formable, et de l'alliage de peau de la feuille de placage, formable mais insuffisamment résistant, permet d'obtenir, malgré des épaisseurs de placage 15 relativement faibles, un matériau doté d'une très bonne aptitude à la mise en forme, en particulier à l'état métallurgique T4, c'est-à-dire après trempe, et à hautes caractéristiques mécaniques, notamment après traitement de cuisson des peintures éventuellement associé à un traitement de pré-revenu tel que précédemment cité.

20 Des matériaux composites de tôles co-laminées sont connus dans le domaine des tôles de brasage pour échangeurs thermiques associant généralement une âme en alliage d'aluminium de la série AA3xxx et une feuille de placage ou peau en alliage de la série AA4xxx. Certaines applications aéronautiques associent par ailleurs des tôles d'âme en alliage 25 d'aluminium de la série AA2xxx à des tôles de placage en alliage de la série lxxx. Dans ces deux cas d'applications, il s'agit de répondre à des exigences particulières d'aptitude au brasage, liées à l'échange thermique, la corrosion ou la corrosion-érosion ainsi que la résistance mécanique, mais sans aucun point commun avec le problème objectif résolu par la présente invention. 30 D'autres applications sont également connues dans le domaine de la carrosserie automobile.

Certaines visent à associer une âme conférant les caractéristiques mécaniques à une tôle de placage conférant un aspect esthétique ou la résistance à la corrosion ou encore à la rayure. Ainsi les demandes JP 55113856 et JP 55113857 de Sumitomo associent des alliages d'âme respectivement de la série AA7xxx et de la série AA 2xxx à des placages en alliage de la série AA5xxx. De même les demandes JP 5318147 et JP 5339669 de Sky Aluminium combinent une âme en alliage de la série 5xxx et un placage en alliage de la série 4xxx ou 6xxx. Dans le même esprit et en vue de conférer à la surface une résistance à la corrosion améliorée, la demande FR 2877877 de Corus Aluminium décrit l'association d'alliages d'âme des séries 5xxx ou 6xxx et d'alliages de placage des séries lxxx, 3xxx ou 7xxx à faible teneur en zinc. Enfin les demandes JP 62158032 et 62158033 de Kobe Steel portent quant à elles sur des tôles plaquées de carrosserie automobile à bonne aptitude au pliage constituées d'une tôle d'âme en alliage de la série AA5xxx et d'un placage en alliage à 99 % ou plus d'aluminium. Une telle solution présente toutefois l'inconvénient d'une résistance limitée, d'un point de vue général du fait de l'utilisation d'alliages de la série 5xxx, qui plus est sans durcissement lors de la cuisson des peintures, mais plus encore en terme de résistance à l'indentation du fait de l'utilisation d'un alliage de placage particulièrement mou .

Au contraire, le matériau selon l'invention, par l'association d'un alliage d'âme particulièrement dur ou résistant et d'un alliage de placage plus formable, mais tous deux appartenant à la famille AA6xxx, donc aptes au durcissement lors du traitement de pré-revenu éventuel et de la cuisson des peintures, permet de combiner une aptitude à la mise en forme, en particulier à l'emboutissage et au sertissage à l'état métallurgique T4 ou pré-revenu, et des niveaux de caractéristiques mécaniques finales après cuisson des peintures, tout à fait avantageux.

Les fourchettes de composition chimique, exprimée en pourcentages pondéraux, des alliages d'aluminium constituant le matériau selon l'invention, sont indiquées ci après aux tableaux 1 et 2, respectivement pour l'alliage d'âme et pour l'alliage de placage. Dans le premier cas, figurent à titre comparatif les alliages du type AA 6111 précité et AA6056, alliage très résistant objet de la demande EP16339000, et dans le 5 deuxième les alliages du type AA 6005A et AA6016 également précités. Tableau 1- Alliage d'âme Alliage Si Fe Cu Mn Mg Zn Cr, V, Zr AA6111 0,6 -1,1 < 0,4 0,5 - 0,9 0,1 - 0,45 0,5 - 1,0 < 0,15 AA6056 0,7 - 1,3 < 0,5 0,5 - 1,1 0,4 - 1,0 0,6 - 1,2 0,1 - 0,7 Invention 0,6 - 1,3 < 0,7 < 1,2 0,05 - 0,8 0,5 - 1,2 < 0,7 < 0,1 chacun Tableau 2 -Alliage de placage Alliage Si Fe Cu Mn Mg Cr, V, Zr AA6005A 0,5- 0,9 < 0,35 < 0,3 < 0,5 0,4 - 0,7 AA6016 0,9 - 1,5 < 0,5 < 0,2 < 0,2 0,25 - 0,6 Invention 0,5 - 1,2 < 0,4 < 0,3 0,05 - 0,8 0,15 -0, 65 < 0,1 chacun 10 Les plages de concentration imposées aux éléments constitutifs de chaque alliage s'expliquent par les raisons suivantes :

Si améliore les propriétés mécaniques en précipitant avec Mg sous forme de Mg2Si lors de la cuisson des peintures. Une teneur trop élevée est nuisible à la formabilité. 15 De ce fait, la fourchette est constituée de valeurs plus élevées pour l'alliage d'âme que pour l'alliage de placage.

Mn améliore l'aptitude au pliage du fait de la formation avec Si de dispersoïdes du type Al-Mn-Si. Pour ce qui concerne l'alliage d'âme, il limite également la 20 sensibilité à la trempe en évitant une concentration trop importante de précipités aux joints de grains.

Au-delà de 0,8 %, le risque de formation de composés intermétalliques et primaires grossiers est trop important, avec une réduction sensible de la ductilité et de la formabilité.

Mg, dès 0,15 %, associé comme vu plus haut à Si, permet le durcissement lors du pré-revenu éventuel et de la cuisson des peintures. La plage de concentration comporte donc de façon logique des valeurs de 0,5 à 1 ,2 % plus élevées pour l'alliage d'âme, pour lequel on recherche une résistance importante, par rapport à 0,15 à 0,65 % pour l'alliage de placage pour lequel on favorise la formabilité, en Io particulier par pliage. Un minimum de 0,15 %, associé à des teneurs en Si relativement élevées, est suffisant pour obtenir une résistance à l'indentation convenable.

Fe, qui constitue de façon générale une impureté pour l'aluminium, a un effet 15 durcissant et défavorable à la formabilité. De ce fait, sa teneur est limitée à 0,4 % dans l'alliage de placage et 0,7 % dans l'alliage d'âme, pour lequel cet effet est moins limitant selon le principe même de l'invention, du fait de la présence de la feuille de placage.

20 Cu est un élément durcissant par précipitation de zones GP (Guinier-Preston) lors de la cuisson des peintures. Toutefois, son effet négatif sur la résistance à la corrosion essentiellement filiforme amène à limiter sa valeur à 1,2 % dans l'alliage d'âme et 0,3 % dans l'alliage de placage constituant la peau du matériau composite et donc directement exposé à ce type de corrosion. Pour certaines applications sensibles et 25 selon les modes et types de revêtement, en particulier pour application à des panneaux extérieurs, notamment sertis, cette limite peut être ramenée à 0,2 %. Par ailleurs, l'alliage d'âme peut-être en contact plus ou moins direct avec l'extérieur, notamment via des bords découpés ou après un ponçage conséquent de la peau pour corriger des défauts de surface ou lors de réparations. Les opérations de 30 soudage peuvent également emmener en surface des éléments de l'âme. Pour s'adapter à ces situations, la teneur en Cu de l'âme pourra être limitée à 0,3 %.

Zn contribue à améliorer les caractéristiques mécaniques et de surcroît, pour des teneurs de 0,1 à 0,7 %, il a un effet positif sur la résistance à la corrosion structurale intergranulaire. De ce fait, son addition dans cette proportion à l'alliage d'âme, surtout contenant du cuivre, peut s'avérer avantageuse. Au-delà de la limite supérieure de 0,7 %, son effet négatif sur la formabilité lui fait perdre tout intérêt.

Enfin, Cr, V et Zr permettent de contrôler la taille du grain et, pour application aux feuilles de placage, d'éviter l'apparition de peau d'orange lors de déformations sévères comme le sertissage ou l'emboutissage profond. Leur teneur est limitée pour chacun à 0,1 % du fait à l'inverse de leur effet défavorable sur la formabilité pour des concentrations plus importantes.

Il apparaît clairement au tableau 1 que l'alliage d'âme peut être du type AA6056, avec toutefois, pour des applications spécifiques nécessitant une résistance à la corrosion notamment filiforme particulièrement élevée, une teneur en cuivre limitée à0,3 %. De même, Il apparaît clairement au tableau 2 que l'alliage de placage peut être du type AA6016 ou du type AA6005A, avec également une teneur en cuivre éventuellement limitée à 0,2 %.

Le matériau composite peut comporter une seule feuille de placage. Dans ce cas la feuille ou tôle de placage est, pour application à un panneau serti, placée de manière à ce que lors de l'opération de sertissage, elle se retrouve à l'extérieur. Il peut aussi contenir une couche de peau sur chaque face de la tôle d'alliage de base.

L'épaisseur de la (ou de chaque) feuille de placage est de 3 à 20 % de l'épaisseur totale du matériau composite. En effet, dès de faibles épaisseurs de revêtement, typiquement de 3 %, une amélioration très sensible de formabilité, notamment au pliage et à l'emboutissage, est observée alors que les caractéristiques mécaniques, notamment la limite d'élasticité Rpo,2, ne sont que très légèrement affectées. Au-delà de 20 % de l'épaisseur totale, la perte en caractéristiques mécaniques devient trop importante pour justifier de l'intérêt de l'invention par rapport à une tôle monolithique.

Plus précisément, l'épaisseur est choisie entre 3 et 12 % pour favoriser la résistance mécanique et entre 10 et 20 % pour favoriser la formabilité ou la capacité d'absorption d'énergie en cas de choc. Pour une utilisation du matériau dans la fabrication d'un composant de structure de carrosserie automobile destiné à absorber l'énergie de façon irréversible lors d'une collision entre le véhicule automobile et un obstacle, ou absorbeur de choc, le matériau selon l'invention peut subir, après mise en forme, un traitement thermique spécifique du type sur-revenu. Ce traitement thermique peut être court, typiquement de 15 minutes à 2 heures pour une température comprise en 210 et 250°C.

La tôle acquiert ainsi une limite d'élasticité très élevée sans fissurer au cours d'un test d'écrasement. Une tôle conventionnelle de limite d'élasticité équivalente montre des fissures importantes. Grâce à l'invention, on obtient ainsi un composant apte à l'absorption d'énergie avec un allègement important.

Enfin, la présente invention concerne également la fabrication de tels matériaux composites de tôles dans lequel une feuille de placage en alliage de la série AA6xxx, préférentiellement du type 6016 ou 6005A, est appliquée sur au moins un côté d'une âme en alliage de la même série, préférentiellement du type AA6056. Celle-ci comporte la préparation, par coulée et éventuellement laminage, d'une plaque en alliage d'âme de la série AA6xxx et préférentiellement du type AA6056 ou AA6005A, et d'une plaque, ou deux plaques dans le cas de placage sur les deux côtés ou faces de l'âme, d'épaisseur(s) différente(s) de celle de l'âme, en alliage également de la série 6xxx, préférentiellement du type AA6016.

Ces plaques correspondent aux deux ou trois tôles du produit composite à réaliser. Elles sont ensuite superposées puis l'ensemble est laminé à chaud, et éventuellement, si l'épaisseur finale à atteindre le nécessite, laminé à froid. Le laminage se fait en un certain nombre de passes avec, si nécessaire, un ou des recuits intermédiaires entre certaines passes.

Dans ses détails, l'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-après, qui n'ont toutefois pas de caractère limitatif.

Exemples Exemple 1 Cet exemple est destiné à illustrer l'application de l'invention à des panneaux extérieurs sertis à haute résistance mécanique et à faible teneur en cuivre. On a réalisé des matériaux composites selon l'invention par co-laminage à chaud, procédé bien connu de l'homme du métier et tel qu'utilisé pour la réalisation de tôles de brasage, à partir d'une tôle d'âme et d'une tôle de placage, dont les compositions sont récapitulées ci- après exprimées en pourcentages pondéraux: Alliage d'âme : Si : 0,98 Fe : 0,24 Cu : 0,17 Mn : 0,17 Mg : 0.62 Cr, V, Zr < 0.1 chacun Ti et autres éléments < 0.05 chacun et < 0.15 au total, reste aluminium. Alliage de placage : Si : 1,02 Fe : 0,25 Cu :0,1 Mn : 0,12 Mg : 0.3 Cr, V, Zr < 0.1 chacun Ti et autres éléments < 0.05 chacun et < 0.15 au total, reste aluminium. L'épaisseur de la tôle ou feuille de placage est de 9 % de l'épaisseur totale. On a tout d'abord mesuré la limite d'élasticité conventionnelle Rpo,2 selon la norme NF EN 10002-1 après mise en solution, trempe et attente de 7 jours à température ambiante, soit à l'état métallurgique T4, ainsi qu'après pré-déformation en traction de 2% et traitement thermique de 20 min. à 185°C simulant la cuisson des peintures (Rpo,2 - BH). On a alors évalué l'aptitude au sertissage du matériau composite ainsi réalisé : Celle-ci est mesurée par un test de pliage trois points suivant la norme NF EN ISO 7438. On effectue tout d'abord une pré-déformation en traction de 5% de la tôle A selon la direction de laminage, puis on effectue le pliage trois points proprement dit en utilisant divers rayons r de poinçon B, la tôle étant supportée par deux rouleaux C, l'axe de pliage étant perpendiculaire à la direction de laminage et de pré-traction. Le dispositif de pliage est présenté en figure 2.

Le poinçon effectue une course complète de manière à ce que l'échantillon soit complètement replié. On examine alors l'aspect de la fibre externe. Si on voit apparaître des criques, on augmente le rayon du poinçon de pliage. En l'absence de criques, on le diminue. 14 10 On détermine ainsi le rayon minimal de pliage à 180° pour lequel la fibre externe ne présente pas de criques visibles. On calcule ensuite le rapport entre ce rayon minimal (rmin) et l'épaisseur de la tôle (t). Ce rapport / t caractérise l'aptitude au sertissage du matériau. Plus il est faible, plus le matériau est apte au sertissage. Les rouleaux ont un diamètre de 30 mm et la distance entre les axes des rouleaux est égale à 2 (r + t). Le tableau 3 ci-après récapitule les valeurs obtenues dans le cas de tôles monolithiques de même épaisseur totale en alliages AA6016, AA6111 et AA6056 ainsi que pour le matériau selon l'invention. Tableau 3 û Test de pliage Alliage Rpo,2û T4 (MPa) Rpo,2 û BH (MPa) rmin / t AA6016 100 220 0,35 AA6111 125 250 0,6 AA6056 150 300 1,1 Invention 138 280 0,5 Ces résultats ont également été utilisés pour représenter en figure 3 la courbe rm;,, / t en fonction de Rpo,2 - BH (MPa) pour l'ensemble de ces quatre matériaux. On constate que les matériaux en tôles monolithiques conventionnels sont alignés sur 15 une droite qui peut être considérée comme un compromis entre l'aptitude au sertissage et la limite d'élasticité après cuisson des peintures. Un déplacement dans le sens + de la flèche en figure 3 correspond à une amélioration de ce compromis et de la performance du matériau par une augmentation de la limite d'élasticité, associée à une réduction du rayon minimum de pliage donc à une meilleure aptitude au pliage 20 ou sertissage. Le matériau selon l'invention (point I) correspond selon la figure 3 à une amélioration très nette dans ce sens. Il apparaît qu'il peut subir un pliage d'un angle jusqu'à 180°, ce qui correspond à au repliement complet de l'échantillon comme précité, sans apparition de criques avec 25 un rayon de pliage pouvant être réduit jusqu'à 0.5 fois l'épaisseur.

Exemple 2 Cet exemple est destiné à illustrer l'application de l'invention à des tôles de carrosserie automobile à haute résistance mécanique et à très bonne aptitude à l'emboutissage. On a réalisé des matériaux composites selon l'invention par co-laminage à chaud, à partir d'une tôle d'âme et d'une tôle de placage sur chacun des deux côtés de la tôle d'âme, dont les compositions sont récapitulées ci-après exprimées en pourcentages pondéraux: Alliage d'âme du type AA 6056: Si : 0,80 Fe : 0, 27 Cu : 0,89 Mn : 0,45 Mg : 0.67 Zn : 0,17 Cr, V, Zr < 0.1 chacun Ti et autres éléments < 0.05 chacun et < 0.15 au total, reste aluminium. Alliage de placage du type AA6016 : Si : 1,02 Fe : 0,25 Cu :0,1 Mn : 0,12 Mg : 0.3 Cr, V, Zr < 0.1 chacun Ti et autres éléments < 0.05 chacun et < 0.15 au total, reste aluminium. L'épaisseur de chaque tôle ou feuille de placage est de 12 % de l'épaisseur totale. On a tout d'abord mesuré la limite d'élasticité conventionnelle Rpo,2 après mise en solution, trempe et attente de 7 jours à température ambiante, soit à l'état métallurgique T4, ainsi qu'après pré-déformation en traction de 2% et traitement thermique de 20 min. à 185°C simulant la cuisson des peintures (Rpo,2 -BH). On a alors évalué l'aptitude à l'emboutissage profond du matériau composite ainsi réalisé : Celle-ci est mesurée par un test d'emboutissage limite LDR (Limit Draw Ratio) connu de l'homme du métier et consistant en l'occurrence à emboutir, comme représenté en figure 4, un flan lubrifié avec un poinçon A de diamètre 70 mm, avec un rayon poinçon ri de 5 mm et un rayon matrice r2 de 3 mm, à mesurer le diamètre de flan maximal pour lequel il n'y a pas de rupture dudit flan et calculer le rapport de ce diamètre maximal au diamètre du poinçon.

Dans le cas présent, on a utilisé des tôles C d'une épaisseur (totale) de 1,2 mm.

Dans le cas d'une tôle monolithique en alliage AA6056 tel que détaillé plus haut, il est quasiment impossible d'obtenir une pièce emboutie, même en réduisant la pression de serre-flan D et la taille du flan. 16 Dans le cas de la tôle selon l'invention, on peut former un godet de profondeur emboutie importante, de l'ordre de 50 mm, de façon relativement aisée.

Les résultats sont récapitulés au tableau 4 ci-après : Tableau 4 ù Test d'emboutissage Alliage Rpo,2 ù T4 (MPa) Rpo,2 - BH (MPa) LDR AA6056 150 300 1,4 Invention 140 280 1,8 On constate que la tôle composite conserve des propriétés mécaniques très élevées, comme l'indiquent en particulier les limites d'élasticité, malgré une amélioration très 10 significative de l'aptitude à l'emboutissage.

Exemple 3 Cet exemple est destiné à illustrer l'application de l'invention à des composants de 15 structure de carrosserie automobile destinés à absorber l'énergie de façon irréversible lors d'une collision entre le véhicule automobile et un obstacle, ou absorbeurs de choc. On utilise la même tôle composite qu'à l'exemple 2 pour fabriquer des tubes de section sensiblement carrée de 120 mm de côté, et d'une hauteur d'environ 40 mm 20 en soudant par faisceau laser deux tôles pliées comme le montre la figure 5. Après avoir subi différents traitements thermiques (T4, T4 suivi de 20 min à 185°C, T4 suivi de 30 min à 205°C, T4 suivi de 2 h à 230°C), respectivement repérés par les chiffres 1, 2, 3 et 4 sur la figure 6, on procède à un test connu de l'homme du métier sous le nom de test de bottelage correspondant à une grand déformation du type 25 crash axial . Celui-ci consiste en l'écrasement du tube échantillon déposé sur une presse afin que cette dernière puisse lui appliquer une force de compression dans une direction typiquement verticale. La base sur laquelle il repose sur la presse est plane et orthogonale à la direction d'écrasement. Lors de l'écrasement, le déplacement d de la tête d'écrasement de la presse et les efforts appliqués F par la tête d'écrasement de la presse sont enregistrés. L'effort maximal Fm du test d'écrasement correspond au premier pic ou maximum local de la courbe représentant l'effort d'écrasement F en fonction du déplacement d de la tête de la presse, et dont l'allure typique est représentée en figure 7. Après le test on examine la pièce bottelée pour détecter et déterminer l'importance des fissures. On établit alors un classement en cinq niveaux de cotation : 20 : Aucune fissure 15 : Fissures inférieures à 10 mm 10 : Fissures supérieures à 10 mm 5 : Fissures importantes intéressant plusieurs plis 0 : Pas d'amorce de pli ; la matière se déchire. La figure 6 récapitule les cotations obtenues comparatives dans les cas d'une tôle monolithique en alliage AA6056 (repère 6056) et du matériau selon l'invention (repère Clad) en fonction de la limite d'élasticité RpO,z après traitement thermique On constate que le matériau selon l'invention permet d'atteindre des niveaux de cotation sensiblement supérieurs à ceux de la tôle monolithique, et ce en conservant un niveau élevé de caractéristiques mécaniques.

Il permet de combiner notamment une limite d'élasticité de 280 MPa et un comportement au crash ou choc tout à fait satisfaisant.

Claims (22)

Revendications

1. Matériau composite de tôles en alliage d'aluminium pour composants de carrosserie automobile, dans lequel une feuille de placage est appliquée sur au moins un côté d'une âme, caractérisé en ce que l'âme est constituée d'un alliage d'aluminium de la série AA6xxx et la feuille de placage est constituée d'un autre alliage d'aluminium de la même série AA6xxx.

2. Matériau composite de tôles selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille de placage est appliquée sur l'âme par co-laminage.

3. Matériau composite de tôles selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'âme est constituée d'un alliage d'aluminium de composition chimique, exprimée en pourcentages pondéraux: Si: 0.6ù1.3 Fe<0.7 Cu<1.2 Mn: 0.05ù0.8 Mg: 0.5ù1.2 Zn< 0.7 Cr, V, Zr < 0. 1 chacun Ti et autres éléments < 0.05 chacun et < 0.15 au total, reste aluminium.

4. Matériau composite de tôles selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium d'âme est du type AA6056.

5. Matériau composite de tôles selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la teneur en Cu est en outre limitée au maximum à 0.3.

6. Matériau composite de tôles selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la feuille de placage est constituée d'un alliage d'aluminium de composition chimique, exprimée en pourcentages pondéraux: Si:0.5ù1.2 Fe<0.4 Cu<0.3 Mn:0.05ù0.8 Mg:0.15ù0.65 Cr, V, Zr < 0. 1 chacun Ti et autres éléments < 0.05 chacun et < 0.15 au total, reste aluminium.

7. Matériau composite de tôles selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium de la feuille de placage est du type AA6016 ou AA6005A.

8. Matériau composite de tôles selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en 5 ce que la teneur en Cu de l'alliage d'aluminium de la feuille de placage est en outre limitée au maximum à 0.2.

9. Matériau composite de tôles selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une feuille de placage est appliquée sur un seul côté de l'âme.

10. Matériau composite de tôles selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une feuille de placage est appliquée sur chacun des deux côtés de l'âme.

11. Matériau composite de tôles selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en 15 ce que l'épaisseur de la, ou de chaque, feuille de placage représente de 3 à 20 % de l'épaisseur totale du matériau composite.

12. Matériau composite de tôles selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'épaisseur de la, ou de chaque, feuille de placage représente de 3 à 12 % de 20 l'épaisseur totale du matériau composite.

13. Matériau composite de tôles selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'épaisseur de la, ou de chaque, feuille de placage représente de 10 à 20 % de l'épaisseur totale du matériau composite.

14. Matériau composite de tôles selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que sa limite d'élasticité Rpo.2 après mise en solution, trempe, pré-déformation en traction de 2 %, et traitement de cuisson des peintures de 20 mn à 185°C est au minimum de 250 MPa.

15. Tôle de carrosserie automobile caractérisée en ce qu'elle est fabriquée à partir du matériau composite de tôles selon l'une des revendications 1 à 14. 10 25 30 15

16. Tôle de carrosserie automobile selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle est pliée d'un angle jusqu'à 180° sans criques visibles avec un rayon de pliage inférieur à son épaisseur.

17. Tôle de carrosserie automobile selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle est pliée d'un angle jusqu'à 180° sans criques visibles avec un rayon de pliage inférieur à 80 % de son épaisseur.

18. Tôle de carrosserie automobile selon la revendication 15, caractérisée en ce 10 qu'elle est pliée d'un angle jusqu'à 180° sans criques visibles avec un rayon de pliage inférieur à 60 % de son épaisseur.

19. Tôle de carrosserie automobile selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une tôle sertie.

20. Tôle de carrosserie automobile selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une tôle emboutie sous presse.

21. Matériau composite de tôles selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en 20 ce qu'il est utilisé pour la fabrication d'un composant de structure de carrosserie automobile destiné à absorber l'énergie de façon irréversible lors d'une collision entre le véhicule automobile et un obstacle, ou absorbeur de choc.

22. Procédé de fabrication d'un matériau composite de tôles en alliages d'aluminium 25 pour composants de carrosserie automobile selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel on applique par co-laminage une feuille de placage sur au moins un côté d'une âme, caractérisé en ce que l'âme est constituée d'un alliage d'aluminium de la série AA6xxx et la feuille de placage est constituée d'un autre alliage d'aluminium de la même série AA6xxx. 30