EP0804626B1 - CONSTRUCTION SOUDEE EN ALLIAGE AlMgMn A RESISTANCE MECANIQUE AMELIOREE - Google Patents

CONSTRUCTION SOUDEE EN ALLIAGE AlMgMn A RESISTANCE MECANIQUE AMELIOREE Download PDF

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EP0804626B1
EP0804626B1 EP96904891A EP96904891A EP0804626B1 EP 0804626 B1 EP0804626 B1 EP 0804626B1 EP 96904891 A EP96904891 A EP 96904891A EP 96904891 A EP96904891 A EP 96904891A EP 0804626 B1 EP0804626 B1 EP 0804626B1
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Guy-Michel Raynaud
Jean-Luc Hoffmann
Laurent Cottignies
Georges Pillet
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Constellium Issoire SAS
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Pechiney Rhenalu SAS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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 rolled or wire, such as sheets, profiles, wires or tubes, of alloy aluminum of the type AlMgMn to Mg> 3% by weight, intended for welded constructions with a high elastic limit, good resistance to fatigue and good toughness for structural applications, such as, for example, boats, industrial vehicles or frames welded bicycles.
  • the invention also relates to the use of these welded constructions for the shipbuilding, manufacturing of industrial vehicles and bicycle frames.
  • compositions for minor addition elements in particular iron, manganese and zinc, leading to a set of interesting properties. combining static mechanical characteristics, toughness, fatigue resistance, corrosion resistance and cutting deformation, this set of properties being particularly well suited to the use of these alloys for shipbuilding, commercial vehicles or welded cycle frames.
  • This set of properties is obtained by the combination of a low iron content, ⁇ 0.20%, and even 0.15%, and a manganese and zinc content such as Mn + 2Zn> 0.8% .
  • the Mn content must be> 0.72%, 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 properties of the sheets and welded joints. However, it is better not to exceed 0.4%, as this can cause problems with welding.
  • Magnesium is maintained> 4.3% because it has a favorable effect on elastic limit and resistance to fatigue, but above 5% corrosion resistance is less good.
  • the addition of Cu and Cr are also favorable at the elastic limit, but Cr is preferably kept ⁇ 0.15% to maintain good resistance to fatigue.
  • the mechanical resistance of the sheets depends both on the content of magnesium in solid solution and dispersoids in manganese. It was found that the volume fraction of these dispersoids, which is linked to the iron and manganese contents, should preferably be kept above 1.2%. This volume fraction is calculated from the average of surface fractions measured on polished sections produced in the 3 directions (length, width and thickness) by scanning electron microscopy and image analysis.
  • the products according to the invention can be products rolled or spun such as hot rolled or cold, wires, profiles or tubes spun possibly re-stretched.
  • 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 ° over approximately 2/3 of the thickness, are present in the area welded an elastic limit R 0.2 which can be at least 25 MPa higher than that of a conventional alloy having the same magnesium content, ie a gain of the order of 20%.
  • 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 Rm, elastic limit R 0.2 ) were obtained by traction on test pieces standardized by the Norwegian inspection body DNV for shipbuilding, length 140 mm, width 35 mm, the weld bead of width 15 mm being in the center and the length of the narrow part of the test piece being 27 mm, ie the sum of the width of the bead and twice the thickness (15 + 12 mm).
  • the volume fractions of manganese dispersoids were also measured.
  • the elastic limit of the welded samples according to the present invention refers to an increase between 15 and 35 MPa.
  • the sheets according to the invention have a fatigue resistance at least as good as that of sheets in classic 5083.

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Description

Domaine 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 tenacité 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, comme par exemple l'alliage 5083 dont la composition déposée à l'Aluminum Association est (% en poids):
  • Mg: 4,0 - 4,9
  • Mn: 0,4 - 1,0
  • Fe < 0,40
  • Si < 0,40
  • Zn < 0,25
  • Cu < 0,10
  • Cr: 0,05 - 0,25
  • Ti < 0,15
    • Le brevet allemand n° 2443332 de Siemens décrit un exemple d'utilisation de ce type d'alliage à l'état soudé pour des éléments de machine aptes à subir un formage par explosion. Ces alliages sont utilisés à l'état écroui (état H1 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, pour minimiser la réduction de la résistance mécanique due au soudage, d'utiliser un alliage contenant de 1,0 à 2,0% de Mn, 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 en manganèse conduit à un abaissement de la résistance à la fatigue et de la tenacité.
    L'article de B.A. Cassie et al, "Composition affects tensile strength of welded aluminium-magnesium alloy", Metal Construction and British Journal, 1973, p 11-19 étudie l'influence de Mg et Mn de l'alliage selon la spécification NS8 sur la résistance mécanique de tôles soudées. Une teneur élevée en Mg et Mn, y compris dans le métal d'apport, est bénéfique.
    Objet de l'invention
    L'invention a pour but, dans des conditions de soudage déterminées, d'améliorer de manière significative la résistance mécanique et la tenue à la fatigue des structures soudées en alliage AlMgMn, sans conséquences défavorables sur d'autres paramètres tels que la tenacité, la résistance à la corrosion et la déformation à la découpe, due aux contraintes internes.
    L'invention a pour objet des constructions soudées en alliage AlMgMn de composition (en poids %):
  • 4,3 < Mg < 5,0
  • 0,72 < Mn < 1,0
    • contenant Fe, Si et Zn en quantité telle que:
    • Fe < 0,20
    • Si < 0,25
    • Zn < 0,40
    éventuellement l'un au moins 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 la relation: Mn + 2Zn > 0,8
    ce produit présentant dans la zone soudée une dureté > 80, HV.
    L'invention a également pour objet l'utilisation de ces constructions soudées pour la construction navale, la fabrication de véhicules industriels et de cadres de bicyclettes.
    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 tenacité, 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, < 0,20%, et même 0,15%, et d'une teneur en manganèse et en zinc telle que Mn + 2Zn > 0,8%. La teneur en Mn doit être > 0,72%, 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 > 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 produits laminés ou filés tels que des tôles laminées à chaud ou à froid, des fils, des profilés ou des tubes filés éventuellement réétirés.
    Les tôles selon l'invention, assemblées par soudage bout à bout à l'aide d'un procédé MIG ou TIG et avec un chanfrein de l'ordre de 45° sur environ les 2/3 de l'épaisseur, présentent dans la zone soudée une limite élastique R0,2 pouvant être supérieure d'au moins 25 MPa à celle d'un alliage conventionnel ayant la même teneur en magnésium, soit un gain de l'ordre de 20%.
    La largeur de la zone affectée thermiquement est réduite de l'ordre d'un tiers par rapport à un alliage 5083 habituel, et la dureté du joint soudé passe d'environ 75 Hv à plus de 80Hv. Les joints soudés présentent également une résistance à la rupture qui dépasse le minimum imposé par les organismes de contrôle pour les tôles brutes écrouies non soudées . Les tôles selon l'invention présentent une résistance à la fatigue, mesurée en flexion plane avec un rapport de contraintes R = 0,1 sur des éprouvettes prélevées dans le sens travers-long, supérieure à:
  • 105 cycles pour une contrainte maximale > 280 MPa
  • 106 cycles pour une contrainte maximale > 220 MPa
  • 107 cycles pour une contrainte maximale > 200 MPa
    • La vitesse de propagation de fissure ΔK, mesurée pour R = 0,1, est > 22 MPavm pour da/dN = 5 10-4 mm/cycle et > 26 MPavm pour da/dN = 10-3 mm/cycle.
    Les tôles selon l'invention sont le plus souvent d'épaisseur 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 une distorsion plus faible que les tôles laminées à froid.
    Les produits selon l'invention présentent une résistance à la corrosion aussi bonne que les alliages habituels à même teneur 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 > 500°C, puis laminées à chaud jusqu'à l'épaisseur finale de 6 mm. La référence 0 correspond à une composition classique de 5083 et les références 1 et 12 ont des compositions légèrement en dehors de l'invention. Les 10 autres (réf. 2 à 11) 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 R0,2 > 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 R0,2) ont été obtenues par traction sur des éprouvettes normalisées par l'organisme norvégien de contrôle DNV pour la construction navale, de longueur 140 mm, de largeur 35 mm, le cordon de soudure de largeur 15 mm étant au centre et la longueur de la partie étroite de l'éprouvette étant de 27 mm, soit la somme de la largeur du cordon et de 2 fois l'épaisseur (15 + 12 mm).
    On a mesuré également les fractions volumiques de dispersoïdes au manganèse.
    Les résultats sont les suivants (en MPa pour les résistances 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 soudés selon l'invention présente, par rapport à l'échantillon de référence une augmentation comprise entre 15 et 35 MPa.
    On a mesuré aussi, pour les références 0 à 5, la résistance à la fatigue des tôles non soudées en flexion plane, avec R = 0,1, en déterminant la contrainte maximale (en MPa) correspondant respectivement à 106 et 107 cycles, ainsi que la vitesse de propagation de fissure ΔK mesurée pour da/dn = 5 x 10-4 mm/cycle (en MPa√m).
    Les résultats ont été les suivants:
    Réf. 106 cycles 107 cycles ΔK
    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 (9)

    1. Construction soudée par fusion en alliage d'aluminium AlMgMn de composition (% en poids) :
      4,3 < Mg < 5,0
      0,72 < Mn < 1,0
      contenant Fe, Si et Zn en quantité telle que :
      Fe < 0,20
      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 + 2 Zn > 0,8
      présentant dans la zone soudée une dureté > 80 Hv.
    2. Construction soudée selon la revendication 1, caractérisée en ce que Fe < 0,15.
    3. Construction soudée selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir de tôles d'épaisseur > 2,5 mm uniquement laminées à chaud.
    4. Construction soudée selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'alliage présente une fraction volumique de dispersoides au manganèse supérieure à 1,2%.
    5. Construction soudée selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir de tôles présentant 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 pour une contrainte maximale > 220 MPa
      107 cycles pour une contrainte maximale > 200 MPa.
    6. Construction soudée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir de tôles présentant une vitesse de propagation de fissures ΔK, mesurée pour R = 0,1, supérieure à :
      22 Mpa√m pour da/dn = 5 10-4 mm/cycle
      26 Mpa√m pour da/dn = 10-3 mm/cycle.
    7. Utilisation d'une construction soudée selon l'une des revendications 1 à 6 pour la construction navale.
    8. Utilisation d'une construction soudée selon l'une des revendications 1 à 6 pour la fabrication de véhicules industriels.
    9. Utilisation d'une construction soudée réalisée à partir de tubes filés, selon l'une des revendications 1 ou 2 pour la fabrication de cadres de bicyclettes.
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    Opponent name: HYDRO ALUMINIUM DEUTSCHLAND GMBH

    Effective date: 20020411

    Opponent name: CORUS ALUMINIUM WALZPRODUKTE GMBH

    Effective date: 20020411