Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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METALLIC SANDWICH SHEET
La présente invention concerne une tôle sandwich, apte à une opération
de formage et de soudage, et présentant une excellente tenue aux
températures élevées, cômprenant deux parements en tôle métallique et une
âme métallique, son procédé de fabrication et son utilisation pour réaliser
des
s . pièces pour véhicules automobiles.
D'une façon générale, l'avantage principal des tôles sandwich par
rapport aux tôles métalliques classiques réside dans le gain de poids auquel
on parvient dans la réalisation de pièces ayant des spécifications de
résistance mécaniques prédéterminées ; cet avantage est très important dans
lo les applications automobiles, notamment pour diminuer la consommation
d'essence du véhicule.
Les tôles sandwich utilisées pour la fabrication de pièces pour véhicules
aufiomobiles doivent satisfaire non seulement à des exigences de soudage et
de formage par exemple par emboutissage, pliage, sertissage, mais encore à
ls des exigences de tenue en température. En effet, lors de l'opération de
mise
en peinture de la tôle qui peut comprendre un traitement anti-corrosion
préalable, on soumet la tôle à des températures élevées et pendant des
durëes suffisantes, généralement entre 140 et 220°C pendant 20 à 30
min,
pour permettre la cuisson et/ou la réticulation des différentes couches de
2o revêtement appliquées.
A cet effet, on connaît des tôles sandwich comprenant deux parements
en tôle métallique reliés par une âme formée par une couche à base de
polymères comprenant une nappe textile continue de fibres polymères
thermoplastiques imprégnée d'un matériau polymère thermodurci
as d'imprégnation de la nappe et d'adhérence avec les parements. Ces tôles
présentent une bonne formabilité ainsi qu'une bonne tenue à la température.
Cependant, elles présentent des inconvénients tels des variations
d'épaisseur de la tôle sandwich, et des défauts d'adhésion de la nappe textile
sur les parements en tôle métallique, car la nappe n'est pas homogène. Mais
3o surtout, ce type de tôles sandwich comprenant un polymère ne sont pas
soudables, ou alors difficilement soudables avec en outre des dégagements
de fumées toxiques, ce qui les rend incompatibles avec une utilisation pour la
fabrication de pièces pour véhicules automobiles.
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Outre ces inconvénients, le procédé de fabrication de ces tôles
sandwich composites ne permet pas d'atteindre des niveaux de productivité
acceptables, car l'étape d'adhésion de la nappe pré-imprégnée sur les
parements en tôle métallique est une étape très lente.
s Par le brevet FR 2 767 088, on connaît également des tôles sandwich
composées de deux parements d'acier liés entre eux par une âme constituée
d'une laine d'acier. La laine d'acier est jointe aux parements d'acier par
soudage à arc à décharge de condensateur. Certes, ces tôles sandwich tout
acier sont parfaitement soudables et résistent à des températures largement
lo supérieures à 160°C. Cependant le procédé de fabrication de telles
tôles n'est
pas réalisable industriellement, car pour obtenir le soudage de la laine
d'acier
sur le parement d'acier, il faut souder l'ensemble à une température
supérieure
à 1300°C. En outre, à ce niveau de température, la structure de l'acier
change,
ce qui n'est pas souhaitable si on veut conserver aux parements d'acier et à
la
is laine d'acier leurs caractéristiques mécaniques et leur aptitude au
formage.
La présente invention a donc pour but remédier à ces inconvénients et
de proposer des tôles sandwich formables et soudables, présentant une
bonne tenue aux températures élevées et un bon aspect de surface, et dont le
procédé de fabrication est facile à mettre en oeuvre.
2o A cet effet, l'invention a pour objet une tôle sandwich, apte à une
opération
de formage et de soudage, et présentant une excellente tenue aux
températures élevées, comprenant deux parements en tôle métallique
présentant un point de fusion Tp, et une âme métallique présentant un point
de fusion Ta, Ta pouvant être égal ou différent de Tp, selon laquelle l'âme
2s présente une densité inférieure à la densité de chacun des parements, et en
ce que l'âme et chacun des parements sont liés entre eux au moyen d'un
agent de liaison métallique présentant un point de fusion Tm inférieur à Ta et
à
Tp.
La tôle sandwich selon l'invention peut également prësenter les
3o caractéristiques suivantes
- l'âme métallique occupe entre 10 et 80% du volume séparant les deux
parements en tôle métallique,
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- l'âme métallique occupe entre 20 et 60% du volume séparant les deux
parements en tôle métallique,
- l'âme est constituée d'une laine métallique, d'un tricot métallique, d'un
tissé métallique, d'une mousse métallique ou d'une éponge métallique,
s - l'âme est en acier,
- les parements en tôle métallique sont en acier,
- les parements en tôle métallique et l'âme métallique sont en acier, et
l'agent de liaison métallique est choisi parmi l'étain et ses alliages, le
zinc et
ses alliages, et l'aluminium et ses alliages.
io L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une tôle
sandwich, apte à une opération de formage et de soudage, et présentant une
excellente tenue aux températures élevées, comprenant deux parements en
tôle métallique présentant une face interne et une face externe et présentant
un point de fusion Tp, liés par une âme métallique présentant un point de
is fusion Ta, Ta pouvant être égal ou différent de Tp, la face interne de
chacun
des deux parements étant située en regard de l'âme, selon lequel il comprend
les étapes consistant à
- intercaler l'âme métallique entre les deux parements en tôle métallique
préalablement revëtus sur leur face interne par un revêtement métallique
ao dont le point de fusion Tr est inférieur au point de fusion du parement en
t~le métallique Tp et inférieur au point de fusion de l'âme métallique Ta,
- chauffer l'ensemble formé par les deux parements en tôle métallique entre
lesquels est intercalée l'âme métallique à une température T comprise
entre le point de fusion du revëtement métallique Tr moins 50°C et le
point
as de fusion du revêtement métallique Tr plus 200°C, dans des
conditions de
vitesse et de durée telles que l'âme adhère à chacun des parements, et
- refroidir l'ensemble.
Le procédé de fabrication d'une tôle sandwich selon l'invention peut
également présenter les caractéristiques suivantes
30 - entre les étapes de chauffage et de refroidissement, on applique une
pression sur l'ensemble formé des parements en tôle métallique et de l'âme
métallique, ladite pression étant ajustée de manière à ne pas détériorer la
structure de l'âme métallique,
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- on chauffe l'ensemble formé des parements en tôle métallique et de
l'âme mëtallique par ïnduction,
- l'épaisseur du revêtement métallique de chacun des parements en tôle
métallique est comprise entre 5 et 350 pm,
s - l'épaisseur du revêtement métallique de chacun des parements en tôle
métallique est comprise entre 20 et 80 pm,
- la vitesse de chauffage de l'ensemble formé des parements en tôle
métallique et de l'âme métallique est supérieure ou égale à 30°Cls,
- la durée de chauffage de l'ensemble formé des parements en tôle
zo métallique et de l'âme métallique est inférieure à 15 s,
- le point de fusion du revêtement Tr est inférieur à 0,9 fois le point de
fusion du parement en tôle métallique Tp et inférieur à 0,9 fois le point de
fusion de l'âme métallique Ta,
- on procède au revêtement de la face interne de chacun des
is parements en tôle métallique par trempé à chaud dans un bain de métal
liquide choisi parmi l'étain et ses alliages, le zinc et ses alliages, et
l'aluminium
et ses alliages,
- les parements en tôle métallique sont en acier,
- la densité de l'âme métallique est inférieure à la densité de chacun des
2o parements en tôle métallique,
l'âme est constituée d'une laine métallique, d'un tricot métallique, d'un
tissé métallique, d'une mousse métallique ou d'une ëponge métallique,
- la face externe d'au moins un des deux parements en tôle métallique
('I ,1') est revêtue par un revêtement dont le point de fusion Te est
supérieur au
2s point de fusion du revêtement métallique revêtant la face interne de chacun
des deux parements (1,1') Tr plus 200°C.
L'invention a ëgalement pour objet l'utilisation de la tôle sandwich
précédente pour la réalisation de pièces de carrosserie automobile mises en
forme, peintes, puis traitées thermiquement.
so L'invention a également pour objet le traitement thermique de ces
pièces à plus de 160°C.
Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront
mieux au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non
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limitatif, en référence à l'unique figure annexée sur laquelle est représentée
une vue en coupe d'une tôle selon l'invention.
L'invention consiste à utiliser la couche métallique revêtant la face interne
du parement en tôle métallique, la face interne du parement étant située en
s regard de l'âme, comme élément brasant pour assurer l'adhésion entre le
parement en tôle mëtallique et l'âme métallique.
Comme présenté à la figure unique, chaque parement 1, 1' de la tôle
sandwich 2 selon l'invention est constitué d'une tôle métallique présentant un
point de fusion Tp, et d'épaisseur comprise, par exemple, entre 0,1 mm et 2
io mm, de préférence comprise entre 0,2 mm et 0,5 mm. De préférence, on
choisit des tôles en acier qui présentent de meilleures propriétés mécaniques
que des tôles d'aluminium, et sont plus facilement emboutissables. Le type
d'acier sera choisi en fonction de l'application à laquelle on destine la tôle
sandwich 2, ainsi par exemple pour fabriquer un capot ou une portière on
ls choisira un acier au carbone, et pour fabriquer un fiube de ligne
d'échappement
on choisira un acier inoxydable.
L'âme métallique 4 de la tôle sandwich 2 selon l'invention présente un
point de fusion Ta égal ou différent au point de fusion Tp de chacun des
parements 1, 1', et une densité inférieure à celle des parements 1, 1' de
ao manière à assurer l'allègement de la tôle 2.
Dans un mode de réalisation préféré, l'âme 4 est constituée d'une laine
métallique, d'un tricot métallique, d'un tissé métallique, d'une mousse
métallique ou d'une éponge métallique.
Dans un autre mode de réalisation préféré, elle occupe entre 10 et 80%
2s du volume séparant les deux parements en tôle métallique 1, 1', de
préférence
entre 20 et 60%, et présente une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm.
Au-dessus de 80% d'occupation du volume inter-parement, le gain en
poids de la tôle sandwich 2 résultante n'est pas suffisant.
En dessous de 10% d'occupation du volume inter-parement, l'âme 4
3o devient fragile et risque de s'écraser lors de la mise en forme de la tôle
sandwich 2.
Entre 20 et 60% d'occupation du volume inter-parement, l'âme 4 offre un
bon compromis entre gain en poids et résistance.
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Le matériau de l'âme métallique 4 est de préférence l'acier, soit un acier
au carbone, soit un acier inoxydable, car ce matériau présente une meilleure
aptitude à la formabilité que l'aluminium par exemple.
La laine d'acier est obtenue par rasage, de préférence à l'état écroui,
s pour augmenter les caractéristiques mécaniques de la structure. Les brins de
laine d'acier ont une longueur moyenne de 70 cm et leur diamètre peut varier
de 50 à 500 pm. De préférence, le diamètre des brins de laine d'acier est
d'environ 200 pm. Ce diamètre doit être homogène pour éviter les
fragilisations
qui conduisent à des brisures.
io Le tricot en acier est constitué de plusieurs fils d'acier de diamètre
compris entre 10 et 50 pm, tricotés ensemble.
Le tissé en acier est également constitué d'un ou plusieurs fils d'acier de
diamètre compris entre 10 et 50 pm, tissés ensemble.
L'adhésion entre l'âme 4 et chacun des parements 1, 1' est assurée par
Is un agent de liaison métallique 3, 3' présentant un point de fusion Tm
inférieur
au point de fusion de chacun des parements Tp et inférieur au point de fusion
de l'âme Ta.
Lorsque l'âme 4 et les deux parements en tôle 1, 1' sont en acier, l'agent
de liaison métallique 3, 3' est choisi parmi l'étain et ses alliages, le zinc
et ses
ao alliages, et l'aluminium et ses alliages.
L'agent de liaison métallique peut être sous forme soit d'une couche
discontinue, soit de préférence d'une couche continue de manière à assurer la
meilleure adhésion possible entre l'âme est les deux parements.
Ainsi, préalablement à la fabrication de la tôle sandwich, la face interne
2s de chacun des deux parements en tôle métalliques est revêtue d'un
revêtement métallique présentant un point de fusion Tr inférieur au point de
fusion du parement en tôle métallique Tp, et inférieur au point de fusion de
l'âme métallique Ta, de manière à ce que le revêtement en fondant, brase
l'âme métallique. En effet, il est essentiel, pour assembler les parements en
3o tôle métallique et l'âme métallique par brasage, que le point de fusion du
revêtement métallique Tr, qui joue ici le rôle de métal d'apport, soit
inférieur au
point de fusion des parements Tp et au point de fusion de l'âme Ta, pour que
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le matériau du revêtement fonde bien avant le matériau de l'âme et le matériau
des parements en tôle.
De préférence, de manière à éviter tout risque de fusion du parement en
tôle métallique 1, 1' et de l'âme métallique 4 en cas de chauffage trop
s important ou trop prolongé, la face interne de chacun des deux parements en
tôle métallique 1, 1' est revêtue par un revêtement métallique dont le point
de
fusion Tr est de préférence inférieur à 0,9 fois le point de fusion de la tôle
métallique Tp, et à 0,9 fois le point de fusion de l'âme métallique Ta.
A titre d'exemple, pour constituer une tôle sandwich comprenant deux
lo parements en tôle d'acier avec une âme en acier, les parements sont revêtus
sur au moins une de leur face par un revêtement métallique choisi parmi les
matériaux suivants
- étain : point de fusion 230°C,
- zinc : point de fusion 420°C,
is - alliages de zinc, comme par exemple l'alliage zinc-aluminium contenant
environ 5% en poids d'aluminium dont le point de fusion est de 381 °C,
- l'aluminium et ses alliages, comme par exemple l'alliage aluminium-fer
contenant 2 à 4% en poids de fer dont le point de fusion est d'environ
660°C, ou encore les alliages aluminium-silicum contenant 5 à 11 % en
2o poids de fer et 2 à 4% en poids de fer dont le point de fusion est
d'environ
680°C.
Qn dépose sur la face interne de chacun des deux parements en tôle
métallique 1,1' destinée à être mise en regard de l'âme, un revêtement
métallique d'une épaisseur comprise entre 5 et 350 pm, soit par
2s électrodéposition, soit par dépôt sous vide, soit de préférence par trempé
à
chaud dans un bain liquide du matériau de revêtement à l'état fondu.
Si l'épaisseur du revêtement métallique est inférieure à 5 pm,
l'imprégnation de l'âme 4 par le revêtement lors du brasage, n'est pas
suffisante ; par conséquent l'adhésion entre le parement en tôle métallique 1,
so 1' et l'âme 4 est insuffisante, et la tôle sandwich 2 risque de se
délaminer.
En revanche revêtir la face interne du parement par un revêtement d'une
épaisseur supérieure à 350 pm représente un surcoût, et de surcroît cela
n'améliore pas l'adhésion entre l'âme 4 et les parements 1, 1'.
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De préférence, l'épaisseur du revêtement métallique est comprise entre
20 et 80 pm. En effet, à ce niveau d'épaisseur, l'adhésion entre les parements
1, 1' et l'âme 4 est suffisante pour que la tôle sandwich 2 ne se délamine
pas,
même après une opération de formage sévère, comme par exemple le pliage.
s Pour fabriquer la tôle sandwich 2 on procède comme suit
- on intercale l'âme métallique 4 entre deux parements en tôles métalliques
1, 1' dont la face interne a été préalablement revêtue , de telle sorte que la
face interne revêtue des parements 1, 1' soit en regard de l'âme 4,
- on chauffe l'ensemble formé par les deux parements en tôle métallique 1,
io 1' entre lesquels est intercalée l'âme métallique 4 à une température T
comprise entre le point de fusion du revêtement métallique Tr moins
50°C
et le point de fusion du revêtement métallique Tr plus 200°C, à une
vitesse
de chauffage de préférence supérieure ou égale à 30°Cls, et pendant une
durée de préférence inférieure à 15 s, de manière à faire fondre le
is matériau du revêtement métallique, et
- on refroidit l'ensemble.
En se ramollissant ou en fondant, le matériau du revêtement métallique
brase le parement 1, 1' sur l'âme métallique 4 par imprégnation de la surface
de l'âme métallique 4, ce qui assure une adhérence mécanique à l'ensemble
2o parements 1, 1'/âme 4. Le matériau métallique ramolli ou fondu imprègne les
brins mëtalliques composant la laine, le tissé ou le tricot de l'âme 4 situés
en
surface. Si on chauffe l'ensemble formé par les deux parements 1, 1' et l'âme
4 à une température T inférieure au point de fusion du revêtement métallique
Tr moins 50°C, le matériau du revêtement ne ramollit pas
suffisamment et
2s n'imprègne pas le matériau de l'âme 4. A ce niveau de température, le
brasage
entre le parement 1, 1' et l'âme 4 est impossible et on ne peut pas former la
tôle sandwich 2.
Si on chauffe l'ensemble à une température T supérieure au point de
fusion du revêtement métallique Tr plus 200°C, alors on risque de
porter le
so matériau du revêtement à l'ébullition. Une partie du matériau de revêtement
s'échappe hors de la tôle sandwich 2 en s'égouttant sur les bords libres des
parements, ce qui rend le revêtement non uniforme et par conséquent
empêche une bonne solidarisation du parement 1, 1' sur l'âme 4.
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En chauffant l'ensemble à une température T comprise entre le point de
fusion du revêtement plus 50°C et le point de fusion du matériau plus
100°C,
on assure une bonne fusion du matériau du revêtement métallique, et on
obtient une très bonne adhésion de l'âme 4 sur les parements 1, 1' sans risque
s de délamination ultérieure, et sans risque de voir le matériau de revêtement
s'échapper.
Si la vitesse de chauffage est inférieure à 30°C/s, il faut pour
obtenir un
ramollissement ou une fusion complète du matériau du revêtement maintenir
la température de chauffage Tr pendant une durée supérieure à 15 s, ce qui
lo est pénalisant pour la productivité.
Lorsque la durée du chauffage est supérieure à 15 s, l'âme métallique
composée de laine, de tissé, de tricot, de mousse ou d'éponge commence à
absorber une partie du matériau du revêtement, ce qui dégrade l'adhérence
entre l'âme 4 et les parements 1, 1'.
is De préfërence la durée du chauffage est inférieure à 3 s.
Pour chauffer l'ensemble formé par les parements 1, 1' et l'âme 4, et par
suite faire ramollir ou fondre le revêtement métallique revêtant les parements
1, 1', on place de part et d'autre de l'ensemble, et sur toute sa largeur, au
moins un élëment chauffant, comme par exemple un inducteur.
2o Selon un autre mode de réalisation, l'ensemble formé par les parements
1, 1' et l'âme 4 est chauffé par calandrage entre deux cylindres chauffés.
Pour améliorer l'adhérence entre les parements 1, 1' et l'âme 4, on
applique une pression sur la tôle sandwich 2 en ajustant la pression de
manière à ne pas détériorer la structure de l'âme 4, et à ne pas déformer les
2s parements 1, 1'. La pression appliquée sur la tôle sandwich 2 doit être
suffisamment faible pour que, par exemple, la laine métallique ou le tricot
métallique ne n'écrase pas efi conserve ainsi l'intégrité de ses
caractéristiques
mécaniques.
Cette pression peut être appliquée par les cylindres de calandrage, par
3o projection d'un fluide de part et d'autre de l'ensemble parements 1, 1'/âme
4,
ou encore en faisant défiler l'ensemble parements 1, 1'/âme 4 sur un cylindre
aimanté.
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Les modes de réalisation de la tôle sandwich 2 selon l'invention qui
viennent d'être décrits ne sont pas limitatifs.
En effet, préalablement à la fabrication de la tôle sandwich, il est
également possible de revêtir la face externe d'au moins un des deux
s parements en tôle métallique 1,1' par un revêtement dont le point de fusion
Te
est supérieur au point de fusion du revêtement métallique revêtant la face
interne de chacun des deux parements 1,1' Tr plus 200°C. Si l'on
souhaite
mettre en oeuvre des parements 1,1' revêtus sur leur face externe, il faut en
effet veiller à ce que le revêtement utilisé ne fonde pas lorsqu'on chauffe
io l'ensemble formée par les deux parements entre lesquels est intercalée
l'âme
métallique 4.
Typiquement, dans ce cas la face interne des parements 1,1' sera
revêtue d'une couche de zinc et la face externe des parements 1,1' sera
revêtue d'une couche d'alliage aluminium-fer, ou aluminium-silicium.
is Cependant, le plus souvent, avant de fabriquer la tôle sandwich 2, le
parement de tôle 1,1' ne sera revêtu que sur sa face interne, et le revêtement
de la face externe des parements 1,1' ne sera efFectué, par exemple dans un
bain d'électrodéposition, que lorsque la tôle sandwich 2 aura étë fabriquée.
2o La mise en forme de la tôle sandwich 2 selon l'invention est réalisée de
préférence par emboutissage, pliage ou profilage. Lorsque l'âme 4 est
constituée d'un métal présentant une bonne ductilité, comme par exemple
l'acier, la tôle sandwich 2 selon l'invention résiste à des conditions sévères
d'emboutissage et/ou de pliage etlou de profilage. Cela permet d'utiliser la
tôle
2s sandwich 2 selon l'invention pour réaliser des pièces de carrosserie
automobile mises en forme, comme par exemple des capots, des portières ou
des tubes de ligne d'échappement.
Ces pièces sont ensuite, notamment dans le cas des pièces visibles,
peintes, puis traitées thermiquement.
30 Préalablement à l'opération de mise en peinture, la tôle sandwich 2 peut
subir un pré-traitement anticorrosion du type cataphorèse. L'application de la
peinture peut ensuite être appliquée par dépose de poudre (électrostatique,
lit
fluidisé... ), ou par projection ou enduction d'une peinture liquide en
solutiôn ou
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d'une nappe polymère fiondue. Enfin, la tôle sandwich 2 est traitée à des
températures supérieures à 160°C, de préférence supérieures à
180°C,
températures qu'on atteint généralement lors des étapes de cuisson des pré-
traitements anti-corrosion ou de la cuisson de la peinture elle-même.
s Les tôles sandwich 2 obtenues selon ce procédé présentent par rapport
aux tôles sandwich constituées d'une laine métallique soudée entre deux
parements métalliques, les avantages suivants
- procédé de fabrication moins consommateur d'énergie,
- pas de modification de la structure des parements en tôle métallique 1, 1'
io et de l'âme métallique 4. En effet, dans un mode de réalisation préféré de
la tôle sandwich 2 selon l'invention, où les parements en tôle 1, 1' sont en
acier, le brasage du parement en acier sur l'âme métallique 4 n'est jamais
effectué à une température supérieure à 700°C. Or, à ce niveau de
température la microstructure de l'acier ne se modifie pas, et conserve
is toutes ses propriétés, par exemple un acier dual-phase conservera sa
structure. Selon l'art antérieur, un soudage avec une température de
1300°C fait fondre le parement en tôle d'acier (ainsi que l'âme
métallique si
elle est en acier par exemple) et lors du refroidissement l'acier risque de
perdre sa structure et donc ses caractéristiques mécaniques. Par exemple
2o un acier de type dual-phase chauffé à 1300°C se transforme, lors de
son
refiroidissement, en martensite qui est dure et cassante, et donc pas apte à
l'emboutissage.
En outre, les tôles sandwich selon l'invention présentent par rapport aux
tôles sandwich constituées d'une âme comprenant un polymère les avantages
2s suivants
- excellente soudabilité sans rejet de composés organiques volatils,
- excellente aptitude à la mise en fiorme par différentes techniques comme
par exemple le pliage, l'emboutissage ou le profilage, sans risque de
délamination,
30 - excellente tenue aux températures élevées, notamment aux températures
supérieures à 200°C, ce qui permet de traiter ces tôles sandwich par
cataphorèse,
- excellente recyclabilité.
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Outre une tenue en température et une facilité de mise en forme, les
tôles sandwich selon l'invention présentent les principaux avantages suivants
- de bonnes performances mécaniques en terme de rigidité des tôles et des
pièces réalisées par mise en forme de ces tôles,
s - de bonnes performances mécaniques des pièces formées notamment en
fatigue et au choc,
- un bon aspect de surface des tôles obtenues, même après mise en forme.
lo
