EP0804626A1 - PRODUIT POUR CONSTRUCTION SOUDEE EN ALLIAGE AlMgMn A RESISTANCE MECANIQUE AMELIOREE - Google Patents

PRODUIT POUR CONSTRUCTION SOUDEE EN ALLIAGE AlMgMn A RESISTANCE MECANIQUE AMELIOREE

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EP0804626A1
EP0804626A1 EP96904891A EP96904891A EP0804626A1 EP 0804626 A1 EP0804626 A1 EP 0804626A1 EP 96904891 A EP96904891 A EP 96904891A EP 96904891 A EP96904891 A EP 96904891A EP 0804626 A1 EP0804626 A1 EP 0804626A1
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resistance
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the field of laminated or extruded products, such as sheets, profiles, wires or tubes, of aluminum alloy of the AlMgMn type at Mg> 3% by weight, intended for welded constructions having a high elastic limit, a good resistance to fatigue and good toughness for structural applications, such as, for example, boats, industrial vehicles or welded bicycle frames.
  • Japanese patent application JP 06-212373 proposes, in order to minimize the reduction in mechanical resistance due to welding, to use an alloy containing from 1.0 to 2.0% of M from 3.0 to 6.0% of Mg and less than 0.15% iron.
  • an alloy with such a high manganese content leads to a reduction in the fatigue strength and toughness.
  • the object of the invention is, under determined welding conditions, to significantly improve the mechanical strength and the fatigue life of the structures welded in AlMgMn alloy, without adverse consequences on other parameters such as toughness, resistance to corrosion and cutting deformation due to internal stress.
  • the subject of the invention is products intended for welded constructions of AlMgMn alloy of composition (e weight%):
  • Zn ⁇ 0.40 optionally at least one of the elements Cr, Cu, Ti, Zr such that:
  • the Mn content must be> 0.5%, and preferably> 0.8%, to have sufficient mechanical characteristics, but must not exceed 1%, if we want to avoid degradation of the toughness and the resistance to fatigue.
  • the addition of zinc in combination with manganese has been shown to have a beneficial effect on the mechanical characteristics of the sheets and welded joints. However, it is better not to exceed 0.4%, as this can cause problems with welding.
  • Magnesium is preferably maintained> 4.3%, because it has a favorable effect on the elastic limit and the resistance to fatigue, but above 5% the corrosion resistance is less good.
  • the addition of Cu and Cr are also favorable to the elastic limit, but Cr is preferably maintained ⁇ 0.15% to maintain good resistance to fatigue.
  • the mechanical resistance of the sheets depends on both the content of magnesium in solid solution and the manganese dispersoids. It has been found that the volume fraction of these dispersoids, which is linked to the iron and manganese contents, should preferably be maintained above 1.2%. This volume fraction is calculated from the average of the surface fractions measured on polished sections made in the 3 directions (length, width and thickness) by scanning electron microscopy and image analysis.
  • the products according to the invention can be rolled or extruded products such as hot or cold rolled sheets, wires, profiles or optionally re-drawn extruded tubes.
  • the sheets according to the invention assembled by butt welding using a MIG or TIG process and with a chamfer of the order of 45 e over approximately 2/3 of the thickness, present in the welded zone an elastic limit R 2 which can be at least 25 MPa higher than that of a conventional alloy having the same magnesium content, ie a gai of around 20%.
  • the width of the heat affected zone is reduced by around a third compared to a usual 5083 alloy, and the hardness of the welded joint increases from around 75 Hv to more than 80 Hv.
  • Welded joints also have a breaking strength which exceeds the minimum imposed by the inspection bodies for raw sheets of unwelded rolls.
  • the sheets according to the invention have a resistance to fatigue, measured in planar bending with a stress ratio R * 0.1 on test pieces taken in the transverse section, greater than:
  • the sheets according to the invention are most often thicker than 1.5 mm. For thicknesses greater than 2.5 mm, they can be obtained directly by hot rolling, without the need for subsequent cold rolling, and, moreover, these hot rolled sheets exhibit less distortion on cutting than the cold rolled sheets.
  • the products according to the invention have a corrosion resistance as good as the usual alloys with the same magnesium content, for example 5083 of common composition. widely used in shipbuilding.
  • the reference 0 corresponds to a conventional composition of 5083 and the reference 1 has a composition slightly outside the invention.
  • the other 11 (ref. 2 to 12) have a composition according to the invention.
  • the compositions were as follows (% by weight):
  • the samples all have, after rolling, an elastic limit Ro, 2 > 220 MPa in the direction L.
  • the mechanical resistance of the welded joints was measured from these sheets under the following conditions: automatic continuous butt MIG welding, with a symmetrical chamfer of slope 45 * relative to the vertical over a thickness of 4 mm and wire 5183 alloy intake.
  • the mechanical characteristics (tensile strength R m , elastic limit Q, 2) orvt been obtained by traction on test pieces standardized by the Norwegian inspection body DNV for shipbuilding, length 140 mm, width 35 mm, the weld bead width 15 mm being the center and the length of the narrow part of the test piece being 27 mm, the sum of the width of the bead and times the thickness (15 + 12 mm).
  • the elastic limit of the welded samples according to the invention has, compared to the reference sample, an increase of between 15 and 35 MPa.
  • the sheets according to the invention have a resistance to fatigue at least as good as that of conventional 5083 sheets.

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Abstract

L'invention concerne des produits laminés ou filés pour constructions soudées en alliage d'aluminium du type AlMgMn. Ces produits ont pour composition (% en poids): 3,0 < Mg < 5,0, 0,75 < Mn < 1,0, Fe < 0,25, Si < 0,25, Zn < 0,40, éventuellement un ou plusieurs des éléments Cr, Cu, Ti, Zr, tels que: Cr < 0,25, Cu < 0,20, Ti < 0,20, Zr < 0,20, autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total; avec: Mn + 2Zn > 0,75. Ces produits présentent à l'état soudé une résistance mécanique et une tenue en fatigue améliorée sans conséquences défavorables pour la ténacité et la résistance à la corrosion, et sont particulièrement aptes à la construction navale, aux véhicules industriels et aux cadres de bicyclettes en tubes soudés.

Description

PRODUIT POUR CONSTRUCTION SOUDEE EN ALLIAGE AlMgMn A RESISTANCE MECANIQUE AMELIOREE
Doαaine technique
L'invention concerne le domaine des produits laminés ou filés, tels que tôles, profilés, fils ou tubes, en alliage d'aluminium du type AlMgMn à Mg > 3% en poids, destinées à des constructions soudées présentant une limite élastique élevée, une bonne résistance à la fatigue et une bonne ténacité pour des applications structurales, comme, par exemple, les bateaux, les véhicules industriels ou les cadres de bicyclettes soudés.
Etat de la technique
Le dimensionnement optimal des structures soudées en alliage d'aluminium conduit à utiliser des alliages AlMg de la série 5000 selon la nomenclature de l'Aluminum Association, à l'état écroui (état Hl selon la norme NF-EN-515), ou partiellement adouci (état H2), ou stabilisé (état H3), tout en conservant une bonne résistance à la corrosion (état H116), plutôt qu'à l'état recuit (état 0).
Mais, le plus souvent, l'augmentation des caractéristiques mécaniques par rapport à l'état 0 ne subsiste pas après soudage, et les recommandations des organismes de certification et de contrôle conseillent généralement, pour les structures soudées, de ne tenir compte que des caractéristiques à l'état 0. On doit prendre en compte également, pour le dimensionnement, la tenue à la fatigue et la vitesse de propagation des fissures. Dans ce domaine, les travaux de recherche se sont surtout concentrés sur la conduite de l'opération de soudage elle- même. De plus, on a cherché, par des traitements thermomécaniques appropriés, à améliorer la tenue à la corrosion de la pièce.
La demande de brevet japonais JP 06-212373 propose, po minimiser la réduction de la résistance mécanique due soudage, d'utiliser un alliage contenant de 1,0 à 2,0% de M de 3,0 à 6,0% de Mg et moins de 0,15% de fer. Mais l'utilisation d'un alliage avec une teneur aussi élevée e manganèse conduit à un abaissement de la résistance à l fatigue et de la ténacité.
Objet de l'invention
L'invention a pour but, dans des conditions de soudag déterminées, d'améliorer de manière significative l résistance mécanique et la tenue à la fatigue des structure soudées en alliage AlMgMn, sans conséquences défavorables su d'autres paramètres tels que la ténacité, la résistance à l corrosion et la déformation à la découpe, due aux contrainte internes.
L'invention a pour objet des produits destinés à de constructions soudées en alliage AlMgMn de composition (e poids %):
3,0 < Mg < 5,0
0,5 < Mn < 1,0
Fe < 0,25 Si < 0,25
Zn < 0,40 éventuellement l'un au moins des éléments Cr, Cu, Ti, Zr tel que:
Cr < 0,25 Cu < 0,2
Ti < 0,20 Zr < 0,20 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, avec la relation: Mn + 2Zn > 0,75
Description de l'invention Contrairement aux recherches antérieures concentrées sur le procédé de soudage et les traitements thermomécaniques, les inventeurs ont trouvé un domaine de composition particulier pour les éléments d'addition mineurs, en particulier le fer, le manganèse et le zinc, conduisant à un ensemble de propriétés intéressantes associant les caractéristiques mécaniques statiques, la ténacité, la résistance à la fatigue, la résistance à la corrosion et la déformation à la découpe, cet ensemble de propriétés étant particulièrement bien adapté à l'utilisation de ces alliages pour la construction navale, les véhicules utilitaires ou les cadres de cycles soudés. Cet ensemble de propriétés est obtenu par la combinaison d'une basse teneur en fer, < 0,25%, de préférence < 0,20%, et même 0,15%, et d'une teneur en manganèse et en zinc telle que Mn + 2Zn > 0,75%, de préférence > 0,8%. La teneur en Mn doit être > 0,5%, et de préférence > 0,8%, pour avoir des caractéristiques mécaniques suffisantes, mais ne doit pas dépasser pour autant 1%, si on veut éviter une dégradation de la ténacité et de la résistance à la fatigue. L'addition de zinc en combinaison avec le manganèse s'est révélée avoir un effet bénéfique sur les caractéristiques mécaniques des tôles et des joints soudés. Toutefois, il vaut mieux ne pas dépasser 0,4%, car on peut alors rencontrer des problèmes au soudage. Le magnésium est maintenu de préférence > 4,3%, car il a un effet favorable sur la limite élastique et la résistance à la fatigue, mais au-delà de 5% la résistance à la corrosion est moins bonne. L'addition de Cu et Cr sont également favorables à la limite élastique, mais Cr est maintenu de préférence < 0,15% pour conserver une bonne résistance à la fatigue. La résistance mécanique des tôles dépend à la fois de la teneur du magnésium en solution solide et des dispersoïdes au manganèse. Il a été constaté que la fraction volumique de ces dispersoïdes, qui est liée aux teneurs en fer et en manganèse, doit être maintenue, de préférence, au dessus de 1,2%. Cette fraction volumique est calculée à partir de la moyenne des fractions surfaciques mesurées sur des coupes polies réalisées dans les 3 directions (longueur, largeur et épaisseur) par microscopie électronique à balayage et analyse d'images. Les produits selon l'invention peuvent être des produit laminés ou filés tels que des tôles laminées à chaud ou froid, des fils, des profilés ou des tubes filé éventuellement réétirés.
Les tôles selon l'invention, assemblées par soudage bout bout à l'aide d'un procédé MIG ou TIG et avec un chanfrein d l'ordre de 45e sur environ les 2/3 de l'épaisseur, présenten dans la zone soudée une limite élastique R 2 pouvant êtr supérieure d'au moins 25 MPa à celle d'un alliag conventionnel ayant la même teneur en magnésium, soit un gai de l'ordre de 20%.
La largeur de la zone affectée thermiquement est réduite d l'ordre d'un tiers par rapport à un alliage 5083 habituel, e la dureté du joint soudé passe d'environ 75 Hv à plus de 80Hv. Les joints soudés présentent également une résistance à l rupture qui dépasse le minimum imposé par les organismes d contrôle pour les tôles brutes écroules non soudées . Les tôles selon l'invention présentent une résistance à l fatigue, mesurée en flexion plane avec un rapport d contraintes R * 0,1 sur des éprouvettes prélevées dans le sen travers-long, supérieure à:
1C-5 cycles pour une contrainte maximale > 280 MPa 106 cycles « » « > 220 MPa 107 cycles " « « > 200 MPa
La vitesse de propagation de fissure J\ ., mesurée pour R = 0,1, est > 22 MPavTn pour da/dN - 5 10-4 mm/cycle et > 26 MPaV pour da/dN - 10~3 mm/cycle. Les tôles selon l'invention sont le plus souvent d'épaisseu supérieure à 1,5 mm. Pour les épaisseurs supérieures à 2,5 mm, elles peuvent être obtenues directement par laminage à chaud, sans nécessité d'un laminage à froid ultérieur, et, de plus, ces tôles laminées à chaud présentent à la découpe un distorsion plus faible que les tôles laminées à froid. Les produits selon l'invention présentent une résistance à l corrosion aussi bonne que les alliages habituels à même teneu en magnésium, par exemple le 5083 de composition courante largement utilisé dans la construction navale.
Exemple
On a préparé 13 échantillons de tôles par coulée semi- continue conventionnelle sous forme de plaques, réchauffées pendant 20 h à une température > 500βC, puis laminées à chaud jusqu'à l'épaisseur finale de 6 mm. La référence 0 correspond à une composition classique de 5083 et la référence 1 a une composition légèrement en dehors de l'invention. Les 11 autres (réf. 2 à 12) ont une composition selon l'invention. Les compositions étaient les suivantes (% en poids):
Réf Mg Cu Mn Fe Cr Zn Ti Zr
0 4,40 < 0,01 0,50 0,27 0,09 0,01 0,01
1 4,68 < 0,01 0,72 0,12 0,05 < 0,01 0,01
2 4,56 < 0,01 0,83 0,12 0,13 0,01 0,01
3 4,60 < 0,01 0,85 0,17 0,10 0,16 0,01
4 4,62 < 0,01 0,96 0,10 0,05 0,02 0,01
5 4,80 0,09 0,80 0,11 0,03 0,02 0,01
6 4,72 < 0,01 0,87 0,13 0,03 0,02 0,01 0,11
7 4,88 0,05 0,78 0,16 0,02 0,01 0,09
8 4,92 0,06 0,94 0,08 0,02 0,19 0,01
9 4,69 < 0,01 0,72 0,07 0,02 0,10 0,01
10 4,71 < 0,01 0,82 0,06 0,02 < 0,01 0,01
11 4,73 < 0,01 0,95 0,17 0,03 < 0,01 0,01
12 4,70 < 0,01 0,92 0,22 0,03 0,01 0,01
Les échantillons présentent tous, après laminage, une limite élastique Ro,2 > 220 MPa dans le sens L.
On a mesuré la résistance mécanique des joints soudés à partir de ces tôles dans les conditions suivantes: soudage MIG bout à bout continu automatique, avec un chanfrein symétrique de pente 45* par rapport à la verticale sur une épaisseur de 4 mm et fil d'apport en alliage 5183.
Les caractéristiques mécaniques (résistance à la rupture Rm, limite élastique Q,2) orvt été obtenues par traction sur des éprouvettes normalisées par l'organisme norvégien de contr DNV pour la construction navale, de longueur 140 mm, largeur 35 mm, le cordon de soudure de largeur 15 mm étant centre et la longueur de la partie étroite de l'éprouvet étant de 27 mm, soit la somme de la largeur du cordon et de fois l'épaisseur (15 + 12 mm).
On a mesuré également les fractions volumiques de dispersoïd au manganèse. Les résultats sont les suivants (en MPa pour les résistanc et % pour les fractions):
Réf. Rm R0,2 fractions
0 285 131 0,62
1 292 144 1,2
2 302 150 1,4
3 300 146 1,6
4 310 158 1,7
5 309 149 1,4
6 305 155 1,5
7 315 166 1,3
8 318 164 1,9
9 310 153 1,5
10 312 150 1,5
11 315 153 1,6
12 315 151 1,5
On constate que la limite élastique des échantillons soud selon l'invention présente, par rapport à l'échantillon référence une augmentation comprise entre 15 et 35 MPa.
On a mesuré aussi, pour les références 0 à 5, la résistance la fatigue des tôles non soudées en flexion plane, avec R 0,1, en déterminant la contrainte maximale (en MP correspondant respectivement à 10^ et 107 cycles, ain que la vitesse de propagation de fissure ^K mesurée pour da/ - 5 x 10~4 mm/cycle (en MPaVπT). Les résultats ont été les suivants: Réf. 10^ cycles 10? cycles Δκ
0 220 200 22
1 235 205 22
2 230 200 23
3 225 200 23
4 230 205 22
5 225 200 22
On constate que, malgré l'augmentation de la résistance mécanique, les tôles selon l'invention présentent une résistance à la fatigue au moins aussi bonne que celle des tôles en 5083 classique.

Claims

REVENDICATIONS
1) Produit pour construction soudée en alliage d'alumini AlMgMn de composition (% en poids): 3,0 < Mg < 5,0 0,5 < Mn < 1,0 Fe < 0,25 Si < 0,25
Zn < 0,40 éventuellement un ou plusieurs des éléments Cr, Cu, T Zr tels que:
Cr < 0,25 Cu < 0,20
Ti < 0,20 Zr < 0,20 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, avec Mn + 2Zn > 0,75 et, de préférence > 0,8%.
2) Produit selon la revendication 1, caractérisé en ce q Mg > 4,3%.
3) Produit selon l'une des revendications 1 et caractérisé en ce que Mn > 0,8%.
4) Produit selon l'une des revendications 1 à 3, caractéri en ce que Fe < 0,20%.
5) Produit selon la revendication 4, caractérisée en ce q Fe < 0,15%.
6) Produit selon l'une des revendications 1 à 5, caractéri en ce que la fraction volumique de dispersoïdes e supérieure à 1,2%.
7) Tôle selon l'une des revendications 1 à 6, caractéris en ce qu'elle est d'épaisseur > 2,5 mm et qu'elle est uniquement laminée à chaud.
8) Tôle non soudée selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle présente une résistance à la fatigue, mesurée en flexion plane avec R = 0,1 dans le sens travers-long, supérieure à:
105 cycles pour une contrainte maximale > 280 MPa
106 cycles " " > 220 MPa 107 cycles " « « > 200 MPa
9) Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle présente une vitesse de propagation de fissure ^K, mesurée pour R = 0,1, supérieure à:
22 MPavîή pour da/dn « 5 10~4 mm/cycle 26 pour da/dn « 10~3 mm/cycle.
10) Utilisation d'un produit selon l'une des revendications 1 à 9 dans la construction navale.
11) Utilisation d'un produit selon l'une des revendications 1 à 9 pour la construction de véhicules industriels.
12) Utilisation de tubes filés selon l'une des revendications 1 à 6 pour la fabrication de cadres de bicyclettes soudés.
13) Tôle selon l'une des revendications 1 à 9 soudée par fusion et présentant dans la zone soudée une dureté > 80 Hv.
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