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CHAPA METALICA SANDWICH
CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere a una chapa sandwich, apta para una operación de conformado y soldadura, y que presenta un comportamiento excelente a temperaturas elevadas, que comprende dos paramentos de chapa metálica y un alma metálica, su procedimiento de fabricación y su utilización para realizar piezas para vehículos automóviles. ANTECEDENTES DE LA INVENCION De forma general, la ventaja principal de las chapas sandwich en relación a las chapas metálicas clásicas reside en la ganancia de peso a la que se llega en la realización de piezas que tienen especificaciones de resistencia mecánica predeterminadas; esta ventaja es muy importante en las aplicaciones automóviles, especialmente para disminuir el consumo de gasolina del vehículo. Las chapas sandwich utilizadas para la fabricación de piezas para vehículos automóviles deben satisfacer no solamente exigencias de soldadura y conformado, por ejemplo por embutición, plegado, engaste, sino también exigencias de comportamiento a la temperatura. En efecto, durante la operación de pintado de la chapa, que puede comprender un tratamiento anti-corrosión previo, se somete la chapa a temperaturas elevadas y durante · - tiempo suficiente, EEF: 164132 2
generalmente entre 140 y 2202C durante de 20 a 30 min, para permitir el curado y/o la reticulación de las diferentes capas de revestimiento aplicadas. A este efecto, se conocen chapas sandwich que comprenden dos paramentos de chapa metálica unidos por un alma formada por una capa a base de polímeros que comprenden una banda textil continua de fibras de polímero termoplásticas impregnada de un material polimérico termoendurecible de impregnación de la banda y de adherencia con los paramentos . Estas chapas presentan una buena conformabilidad, así como un buen comportamiento a la temperatura. Sin embargo, presentan inconvenientes tales como variaciones de espesor de la chapa sandwich, y defectos de adhesión de la banda textil sobre los paramentos de chapa metálica, debido a que la banda no es- homogénea. Pero sobre todo, este tipo de chapas sandwich que comprenden un polímero no son soldables, o bien difícilmente soldables con, entre otros, liberación de gases tóxicos, lo que les hace incompatibles con una utilización para la fabricación de piezas para vehículos automóviles. Otro de estos inconvenientes es que el procedimiento de fabricación de estas chapas sandwich compuestas no permite alcanzar los niveles de productividad aceptables, porque la etapa de adhesión de la banda impregnada previamente sobre los paramentos de chapa metálica es una etapa muy lenta.
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Por la patente FR 2 767 088, se conocen igualmente chapas sandwich compuestas de dos paramentos de acero unidos entre ellos por un alma constituida por una lana de acero. La lana de acero está unida a los paramentos de acero por soldadura por arco por descarga de condensador. Ciertamente, estas chapas sandwich todas de acero son perfectamente soldables y resisten temperaturas muy superiores a 160°C. Sin embargo, el procedimiento de fabricación de tales chapas no es realizable industrialmente, porque para obtener la soldadura de la lana de acero sobre el paramento de acero, es necesario soldar el conjunto a una temperatura superior a 1300°C. Además, a este nivel de temperatura, la estructura del acero cambia, lo que no es deseable si se quieren conservar las características mecánicas y la capacidad de conformado de los paramentos de acero y de la lana de acero, DESCRIPCIÓN DETALLADA JE LA INVENCIÓN La presente invención · tiene por tanto por objeto solucionar estos inconvenientes y proponer chapas sandwich conformables y soldables, que presenten un buen comportamiento a temperaturas elevadas y un buen aspecto superficial, y cuyo procedimiento de fabricación sea fácil de realizar. A este efecto, la invención tiene por objeto una chapa sandwich apta para una operación de conformado y de soldadura i y que presenta un excelente comportamiento a temperaturas elevadas, que comprende dos paramentos de chapa metálica que 4
presentan un punto de fusión Tp, y un alma metálica que presenta un punto de fusión Ta, pudiendo Ta ser igual o diferente de Tp, según la cual el alma presenta una densidad inferior a la densidad de cada uno de los paramentos, y en que el alma y cada uno de los paramentos están unidos entre ellos por -medio de un agente de unión metálica que presenta un punto de fusión Tm inferior a Ta y a Tp. La chapa sandwich según la invención puede presentar igualmente las características siguientes : - el alma metálica ocupa entre 10 y 80% del volumen que separa los dos paramentos de chapa metálica, - el alma metálica ocupa entre 20 y 60% del volumen que separa los dos paramentos de chapa metálica, - el alma está constituida por una lana metálica, una malla metálica, in tejido -metálico, una espuma metálica o una esponja metálica, - el alma es de acero, - los paramentos de chapa metálica son de acero, - los paramentos de chapa metálica y el alma metálica son de acero, y el agente de unrón metálica se elige entre el estaño y sus aleaciones, zinc y sus aleaciones y aluminio y sus aleaciones . La invención tiene igualmente por objeto un procedimiento de fabricación de una -chapa sandwich, apta para una operación de conformado y de soldadura, y que presenta un excelente 5
comportamiento a temperaturas elevadas, que comprende dos paramentos de chapa metálica que presentan una cara interna y una cara externa y que presentan un punto de fusión Tp, unidos por un alma metálica que presenta un punto de fusión Ta, pudiendo Ta ser igual o diferente de Tp, estando situada la cara interna de cada uno de los dos paramentos en frente del alma, según el cual comprende las etapas que consisten en: intercalar el alma metálica entre los dos paramentos de chapa metálica previamente revestidos sobre su cara interna por un revestimiento metálico cuyo punto de fusión Tr es inferior al punto de fusión del paramento de chapa metálica Tp e inferior al punto de fusión del alma metálica Ta, calentar el conjunto formado por los dos paramentos de chapa metálica, entre los que se intercala el alma metálica a una temperatura T comprendida entre el punto de fusión del revestimiento metálico Tr menos 50°C y el punto de fusión del r-evestimiento metálico Tr más 200°C, en condiciones de velocidad y de duración tales que el alma se adhiere a cada uno de los paramentos, y - enfriar el conjunto. El procedimiento de fabricación de una chapa sandwich según la invención puede presentar igualmente las características siguientes entre las etapas de calentamiento y de enfriamiento se aplica una presión sobre el conjunto formado por los 6
paramentos de chapa metálica y el alma metálica, ajustándose dicha presión de forma que no se deteriore la estructura del alma metálica, se calienta el conjunto formado por los paramentos de chapa metálica y el alma metálica por inducción, el espesor del revestimiento metálico de cada uno de los paramentos de chapa metálica está comprendido entre 5 y 350 µ?a, el espesor del revestimiento metálico de cada uno de los paramentos de chapa metálica está comprendido entre 20 y 80 pm, la velocidad de calentamiento del conjunto formado por los paramentos de chapa metálica y el alma metálica es superior o igual a 30eC/s, - la duración del calentamiento del conjunto formado por los paramentos de chapa metálica y del alma metálica es inferior a 15 s, el punto de fusión del revestimiento Tr es inferior a 0,9 veces el punto de fusión del paramento de chapa metálica Tp e inferior a 0,9 veces el punto de fusión del alma metálica Ta, se procede al revestimiento de la cara interna de cada uno de los paramentos de chapa metálica por inmersión en caliente en un baño de metal líquido elegido entre el estaño y sus aleaciones, zinc y sus aleaciones y aluminio y sus 7
aleaciones , los paramentos de chapa metálica son de acero, la densidad del alma metálica es inferior a la densidad de cada uno de los paramentos de chapa metálica, - el alma está constituida por una lana metálica, una malla metálica, un tejido metálico, una espuma metálica o una esponja metálica, la cara externa de al menos, uno de los dos paramentos de chapa metálica (1,1') está revestida por un revestimiento cuyo punto de fusión Te es superior al punto de fusión del revestimiento metálico que reviste la cara interna de cada uno de los dos paramentos (1,1') Tr más 200°C. La invención tiene igualmente por objeto la utilización de la chapa sandwich anterior para la realización _de piezas de carrocería de automóvil, conformadas, pintadas, después de -ser tratadas térmicamente . La invención tiene por objeto igualmente el tratamiento térmico de estas piezas a más de 160°C. Las características y ventajas de la presente _ invención aparecerán mejor en el transcurso de la descripción que sigue, dada a título de ejemplo no limitativo, en referencia a la única figura anexada, sobre la que se representa una vista en corte de una chapa según la invención. La invención consiste en -utilizar la capa metálica que reviste la cara interna del paramento de chapa metálica, 8
'estando situada la cara interna del paramento en frente del alma, como elemento de soldadura fuerte para asegurar la adhesión entre el paramento de chapa metálica y el alma metálica. Como se presenta en la figura 1, cada paramento 1, 1' de la chapa sandwich 2 según la invención está constituido por una chapa metálica que presenta un punto de fusión Tp, y de un espesor comprendido por ejemplo entre 0,1 itim y 2 mm, preferentemente comprendido entre 0,2 mm y 0,5 mm. Preferentemente, se eligen chapas de acero que presentan mejores propiedades mecánicas que las chapas de aluminio, y se embuten más fácilmente. El tipo de acero se elegirá en función de la aplicación a la que se destina la chapa sandwich 2, así por ejemplo para fabricar un capó o una puerta se elegirá una acero al carbono, y para fabricar un tubo de escape se elegirá un acero inoxidable. El alma metálica 4 de la chapa-, sandwich 2 - según" la invención presenta un punto de fusión Ta igual o diferente del punto de fusión Tp de cada uno de los paramentos 1, 1', y una densidad inferior a la de los paramentos 1, 1', de forma que se asegure el aligeramiento de la chapa -2. En un modo de -realización preferido, el alma 4 está constituida por una lana metálica, una malla metálica, un tejido metálico, una espuma metálica o una esponja metálica. En otro modo de realización preferido, ocupa entre 10 y 9
80% del volumen que separa los dos paramentos de chapa metálica 1 , 1 ' , preferentemente entre 20 y 60% , y presenta un espesor comprendido entre 0 , 5 y 2 ram. Por debajo del 80% de ocupación del volumen entre paramentos, la ganancia de peso de la chapa sandwich 2 resultante no es suficiente. Por encima del 10% de ocupación del volumen entre paramentos, el alma 4 se vuelve frágil y tiene riesgo de romperse durante el conformado de la chapa sandwich 2 . Entre 20 y 60% de la ocupación del volumen entre paramentos, el alma 4 presenta un buen compromiso entre la ganancia de peso y la resistencia. El material del alma metálica 4 es preferentemente acero, bien un acero al carbono, bien un acero inoxidable, puesto que este material presenta una capacidad para ser conformado mejor que por ejemplo el aluminio. La lana de acero se obtiene por tundido, preferentemente en estado bruto, para aumentar las características mecánicas de la estructura. Las hebras de lana de acero tienen una longitud media de 70 cm y su diámetro puede variar de 50 a 500 µp?. Preferentemente, el diámetro de las hebras de lana de acero es de aproximadamente 200 µ??. Este diámetro debe ser homogéneo para evitar las fragilizaciones que conducen a grietas. La malla de acero está -constituida por varios hilos de 10
acero de diámetro comprendido entre 10 y 50 µp?, formando una malla juntos. El tejido de acero está igualmente constituido por uno o varios hilos de acero de diámetro comprendido entre 10 y 50 um, tejidos juntos. La adhesión entre el alma 4 y cada uno de los paramentos 1, 1' se asegura por un agente de unión metálica 3, 3' que presenta una punto de fusión Tm inferior al punto de fusión de cada uno de los paramentos Tp e inferior al punto de fusión del alma Ta. Cuando el alma 4 y los dos paramentos de chapa 1,1' son de acero, y el agente de unión metálica 3,3' se elige entre el estaño y sus aleaciones, zinc y sus aleaciones y aluminio y sus aleaciones .33 El agente de unión metálica puede estar en forma bien de una capa discontinua, bien preferentemente de una capa continua 'de forma que se asegure la mejor adhesión posible entre el alma y los dos paramentos . Así, previamente a la fabricación de la chapa sandwich, la cara interna de cada uno- de los dos paramentos de chapa metálica .está revestido con un revestimiento metálico que presenta un punto de fusión Tr inferior al punto de fusión del paramento de chapa metálica Tp, e inferior al punto de fusión del alma metálica Ta, de forma que el revestimiento al fundirse suelde con soldadura fuerte el alma metálica. En 11
efecto, es esencial, para ensamblar los paramentos de chapa metálica y el alma metálica por soldadura fuerte, que el punto de fusión del revestimiento metálico Tr, que juega aquí el papel de metal de aporte, sea inferior al punto de fusión de los paramentos Tp y al punto de fusión del alma Ta, para que el material de revestimiento funda bien antes que el material del alma y el material de los paramentos de chapa. Preferentemente, para evitar todo riesgo de fusión del paramento de chapa metálica 1, 1' y del alma metálica 4 en caso de calentamiento demasiado importante o demasiado prolongado, la cara interna de cada uno de los dos paramentos de chapa metálica 1, 1' está revestido de un revestimiento metálico cuyo punto de fusión Tr es preferentemente inferior a 0,9 veces el punto de fusión de la chapa metálica Tp, y a 0,9 veces el punto de fusión del alma metálica Ta. A título de ejemplo, para constituir una chapa sandwich que comprende dos paramentos de chapa de acero con un alma de acero, los paramentos se revisten sobre al menos una de sus caras por un revestimiento metálico elegido entre los materiales -siguientes • estaño : punto de fusión 230°C, zinc : punto de fusión 420°C, aleaciones de zinc, como por ejemplo la aleación zinc-aluminio que contiene aproximadamente 5% en ' - peso de aluminio cuyo punto de fusión es de 381 °-G, el aluminio y sus aleaciones, como por ejemplo la aleación aluminio-hierro que contiene 2 a 4% en peso de hierro cuyo punto de fusión es de aproximadamente 660°C, o incluso las aleaciones aluminio-silicio que contienen 5 a 11% en peso de hierro y 2 a 4% en peso de hierro cuyo punto de fusión es de aproximadamente 680°C. Se deposita sobre la cara interna de cada uno de los dos paramentos de chapa metálica 1,1' destinada a colocarse en frente del alma, un revestimiento metálico de un espesor comprendido entre 5 y 350 um, bien por electrodeposición, bien por deposición a vacío, bien preferentemente por inmersión en caliente en un baño líquido del material de revestimiento en estado fundido. Si el espesor del revestimiento metálico es inferior a 5 um, la impregnación del alma 4 por el revestimiento durante la soldadura fuerte no es suficiente; por consecuencia, la adhesión entre el paramento de chapa metálica 1, 1' y el alma 4 es insuficiente y la chapa sandwich 2 tiene riesgo de deslaminarse. Por el contrario, revestir la cara interna del paramento por un revestimiento de un espesor superior a 350 um representa un sobrecoste, y el sobrecoste no mejora la adhesión entre el alma 4 y los paramentos 1, 1' . Preferentemente, el espesor del revestimiento metálico 13
está constituido entre 20 y 80 um. En efecto, a este nivel de espesor, la adhesión entre los paramentos 1, 1' y el alma 4 es suficiente para que la chapa sandwich 2 no se deslamine, incluso después de una operación de conformado severa, como por ejemplo el plegado. Para fabricar la chapa sandwich 2 se procede como sigue - se intercala el alma metálica 4 entre dos paramentos de chapa metálica 1, 1' cuya cara interna se ha revestido previamente, de forma tal que la cara interna revestida de los paramentos 1, 1' esté en frente del alma 4, se calienta el conjunto formado por los dos paramentos de chapa metálica 1, 1' entre los que se intercala el alma metálica 4 a una temperatura T comprendida entre el punto de fusión del revestimiento metálico Tr menos 50°C y . el punto de fusión del revestimiento metálico Tr .más7'_2-Qfi0C, a~ una velocidad de calentamiento preferentemente superior o igual a 30°C/s, y durante un tiempo preferentemente inferior a 15 s , de forma que se f nda el material del revestimiento metálico-, y se enfría el conjunto. Reblandeciéndose o fundiéndose, el material del revestimiento metálico suelda mediante soldadura fuerte el paramento 1, -1' sobre el alma metálica 4 por impregnación de 14
la superficie de alma metálica 4, lo que asegura una adherencia mecánica del conjunto paramentos 1, 1 ' /alma metálica 4. El material metálico ablandado o fundido impregna las hebras metálicas que componen la lana, el tejido o la malla del alma 4 situadas en la superficie. Si se calienta el conjunto formado por los dos paramentos 1, 1' y el alma 4 a una temperatura T inferior al punto de fusión del revestimiento metálico Tr menos 50°C, el material del revestimiento no se ablanda lo suficiente y no impregna el material del alma 4. A este nivel de temperatura, la soldadura fuerte entre el paramento 1, 1' y el alma 4 es imposible y no se puede formar la chapa sandwich 2. Si se calienta el conjunto a una temperatura T superior al punto de fusión del revestimiento metálico Tr más 200°C, entonces hay riesgo de llevar el material del revestimiento a ebullición. Una parte del material del revestimiento se escapa fuera de la chapa sandwich 2, escurriéndose sobre los bordes libres de los paramentos, lo que deja un revestimiento no uniforme y por ello impide una buena unión del paramento 1, 1' sobre el alma 4. Calentado el conjunto a una temperatura T comprendida entre el punto de fusión del revestimiento más 50SC y el punto de fusión del material más 103°C, se asegura una buena fusión del material del revestimiento metálico, y se obtiene una adhesión muy buena del alma 4 sobre los paramentos 1, 1' sin 15
riesgo de deslaminación posterior, y sin riesgo de ver que el material del revestimiento se escape. Si la velocidad de calentamiento es inferior a 30°C/s, para obtener un ablandamiento o una fusión completa del material del revestimiento hace falta mantener la temperatura de calentamiento Tr durante un tiempo superior a 15 s, lo que es perjudicial para la productividad. Cuando la duración del calentamiento es superior a 15 s, el alma metálica compuesta de lana, de tejido, de malla, de espuma o de esponja comienza a absorber una parte del material del revestimiento, lo que degrada la adherencia entre el alma 4 y los paramentos 1, 1' . Preferentemente, la duración del calentamiento es inferior a 3 s . Para calentar el conjunto formado por los paramentos 1,
1 ' y el alma , y además para ablandar o fundir el revestimiento .metálico que reviste los paramentos 1, 1', se coloca de una y otra parte del conjunto y sobre toda su longitud, al menos un elemento calentador, como por ejemplo un inductor . Según otro modo de realización, el conjunto formado por los. paramentos 1, 1' y el alma 4 se calienta por calandrado entre dos cilindros calentados . Para mejorar la adherencia entre los paramentos 1, 1' y el alma 4, se aplica una presión sobre la chapa sandwich 2 16
ajustando la presión de forma que no se deteriore la estructura del alma 4, y de gue no se deformen los paramentos 1, 1'. La presión aplicada sobre la chapa sandwich 2 debe ser suficientemente baja para gue, por ejemplo, la lana metálica o la malla metálica no se aplaste y así conserve la integridad de sus características mecánicas. Esta presión puede ser aplicada por los cilindros de calandrado, por proyección de un fluido a una parte y otra parte del conjunto paramentos 1, l'/alma 4, o incluso haciendo pasar el conjunto de paramentos 1, l'/alma 4 sobre un cilindro imantado . Los modos de realización de la chapa sandwich 2 según la invención gue van a describirse no son limitativos . _En efecto, antes de la fabricación de la chapa sandwich, ' es igualmente posible revestir la cara externa de al menos uno de los dos paramentos de chapa metálica 1,1' con un revestimiento cuyo punto de fusión Te es superior al punto de fusión del revestimiento metálico gue reviste la cara interna de cada uno de los dos paramentos 1,1', Tr, más 200°C. Si se desea realizar los paramentos 1,1' revestidos sobre su cara externa, es necesario, en efecto, vigilar gue el revestimiento utilizado no funda cuando se caliente el conjunto formado por los dos paramentos entre los gue se intercala el alma metálica 4.. .. . "- -Típicamente, en este caso la cara interna de los 17
paramentos 1,1' se revestirá de una capa de zinc y la cara externa de los paramentos 1,1' se revestirá de una capa de aleación de aluminio-hierro o aluminio-silicio. Sin embargo, la mayoría de las veces, antes de fabricar la chapa sandwich 2, el paramento de chapa 1,1' no se revestirá más que sobre su cara interna, y el revestimiento de la cara externa de los paramentos 1,1' no se realizará, por ejemplo en un baño de electrodeposición, más que cuando haya sido fabricada la chapa sandwich 2. El conformado de la chapa sandwich 2 según la invención se realiza preferentemente por embutición, plegado o perfilado. Cuando el alma 4 está constituida por un metal que presenta una buena ductilidad, como por ejemplo el acero, la chapa sandwich 2 según la invención resiste condiciones severas de embutición y/o de plegado y/o de perfilado. Esto permite utilizar la chapa sandwich 2 según la invención para realizar piezas de carrocería de automóvil -conformadas, como por ejemplo capós, puertas o tubos de escape. Estas piezas a continuación, especialmente en el caso de piezas visibles, se pintan, después de ser tratadas térmicamente . Previamente a la operación de pintado, la chapa sandwich 2 puede sufrir un tratamiento previo anti-corrosión del tipo de cataforesis . La aplicación de la pintura puede aplicarse a continuación por depósito de polvo (electrostático, lecho 18
fluidizado ... ) , o por proyección o revestimiento de una pintura líquida en disolución o de una banda de polímero fundido. Por último, la chapa sandwich 2 se trata a temperaturas superiores a 160°C, preferentemente superiores a 180°C, temperaturas que se alcanzan generalmente durante las etapas de curado de los tratamientos anti-corrosión previos o del curado de la propia pintura. Las chapa sandwich 2 obtenidas según este procedimiento presentan en relación a las chapas sandwich constituidas de una lana metálica soldada entre dos paramentos metálicos, las ventajas siguientes: procedimiento de fabricación menos consumidor de energía, no hay modificación de la estructura de los paramentos de chapa metálica 1, 1' y del alma metálica 4. En efecto, en un modo de realización preferido de la chapa sandwich 2 según la invención, donde los paramentos de chapa 1, 1' son de acero, la soldadura fuerte del paramento de acero sobre el alma metálica 4 no se realiza nunca a una temperatura superior a 700°C. 0, a este nivel de temperatura la microestructura del acero no se modifica, y conserva todas sus propiedades, por ejemplo un acero de fase dual conservará su estructura. Según la técnica anterior, una soldadura 19
con una temperatura de 1300°C hará fundir el paramento de chapa de acero (así como el alma metálica si también es de acero, por ejemplo) y durante el enfriamiento del acero puede perder su estructura y por tanto sus características mecánicas. Por ejemplo un acero del tipo fase dual calentado a 1300°C se transforma, durante su enfriamiento, en martensita, que es dura y frágil, y por tanto no es apta para la embutición. Por otro lado, las chapas sandwich según la invención presentan en relación a las chapas sandwich constituidas por un alma que comprende un polímero las siguientes ventajas soldabilidad excelente sin liberación de compuestos orgánicos volátiles., excelente capacidad para el conformado por diferentes técnicas, como por ejemplo el plegado, la embutición o el perfilado, sin riesgo de des1aminación, excelente comportamiento a las temperaturas elevadas, . especialmente a temperaturas superiores -a 200°C, lo que permite tratar estas chapas sandwich por cataforesis, excelente reciclabilidad. Aparte de una comportamiento a la temperatura y facilidad de conformado, las chapas sandwich según la ¦ · invención 20
presentan las siguientes ventajas principales: buenas características mecánicas en términos de rigidez de chapas y de piezas realizadas por conformado de estas chapas, - buenas características mecánicas de piezas conformade.s especialmente en fatiga al choque, un buen aspecto de superficie de las chapas obtenidas, incluso después del conformado.
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.