Collage d'aluminium dans l'assemblage automobile

May 08, 2023

Au cours de la dernière décennie, la quantité moyenne d'aluminium dans les voitures particulières a doublé. Basée sur les dernières conceptions, cette tendance se poursuivra dans les années à venir.

Cependant, passer de l'acier à l'aluminium n'est pas simple. Par exemple, l'aluminium est 50 % plus léger que l'acier, mais il a un module d'élasticité moyen de 70 gigapascals, tandis que celui de l'acier est de 207 gigapascals. En conséquence, les pièces en aluminium sont généralement 40 % plus épaisses que leurs homologues en acier.

Les alliages d'aluminium ne se soudent pas facilement par points. Ils ont une faible résistance électrique, une couche d'oxyde stable et non conductrice et une tendance à interagir avec les électrodes. De plus, la chaleur dégagée par le processus de soudage peut affaiblir les pièces, notamment leur résistance à la fatigue.

Au lieu du soudage, les constructeurs automobiles utilisent de plus en plus des adhésifs structuraux pour l'assemblage, seuls ou en combinaison avec des fixations mécaniques. Par exemple, la carrosserie en blanc du coupé Mercedes Classe S a plus de 100 mètres de liaisons structurelles, et la BMW Série 7 contient plus de 10 kilogrammes d'adhésif structurel.

Outre les applications structurelles, les constructeurs automobiles utilisent des adhésifs dans d'autres applications de carrosserie en blanc. Les adhésifs "anti-flottement" réduisent les vibrations entre les panneaux de carrosserie extérieurs et intérieurs. De tels adhésifs sont couramment utilisés sur des panneaux horizontaux, tels que le capot, le couvercle de coffre et le toit. Les adhésifs sont également utilisés pour joindre et sceller les zones de bride d'ourlet sur les portes, les capots et les hayons.

Les adhésifs offrent des avantages significatifs par rapport aux autres techniques d'assemblage. Le collage n'interfère pas avec la métallurgie de l'aluminium et ne crée pas de zones de fragilisation thermique ou mécanique. Les contraintes sont réparties uniformément sur toute la surface collée, ce qui augmente la rigidité statique et dynamique de la structure du véhicule. Étant donné que la structure de la carrosserie est plus rigide, les modes de fréquence de résonance seront plus élevés et l'amortissement structurel plus rapide. En conséquence, le véhicule aura de meilleures caractéristiques de bruit, de vibration et de dureté. Lorsqu'ils sont utilisés en combinaison avec d'autres techniques d'assemblage, les adhésifs améliorent les performances en cas de collision et la résistance à la fatigue. Les adhésifs permettent également l'assemblage de matériaux dissemblables et, en isolant différents métaux, ils protègent contre la corrosion galvanique.

L'esthétique est un autre avantage du collage. Il n'y a pas de cordons de soudure ou de têtes de rivets visibles, de sorte que le collage peut minimiser ou éliminer les opérations secondaires telles que le meulage et le polissage. Un autre avantage est le comblement des lacunes. Les adhésifs peuvent combler de grands espaces entre les panneaux et améliorer l'apparence générale de l'assemblage. Dans de nombreux cas, les opérations d'assemblage et de scellement peuvent être combinées.

Le collage adhésif présente également certains inconvénients. L'un des plus importants est la durabilité des joints adhésifs lorsqu'ils sont exposés à des conditions environnementales difficiles. Un autre problème est que les substrats peuvent devoir être prétraités pour obtenir des liaisons solides et durables, en particulier avec les alliages d'aluminium. Comme pour les joints soudés, les structures collées ne peuvent pas être facilement démontées pour les réparations. Et, dans de nombreux cas, le joint peut devoir être soutenu jusqu'à ce que l'adhésif ait durci, ce qui peut ralentir la production. C'est l'une des raisons pour lesquelles les adhésifs structuraux sont généralement utilisés en combinaison avec d'autres méthodes d'assemblage, telles que le rivetage.

Les adhésifs peuvent être utilisés sur des feuilles d'aluminium, des extrusions et des moulages. Quelle que soit la forme, la surface en aluminium doit être traitée pour :

L'élimination de la couche limite faible est particulièrement importante. Cette couche est formée au niveau de la région interfaciale d'un joint adhésif, provoquant la rupture du joint à des contraintes plus faibles que prévu. Cette couche comprend des oxydes et des contaminants, tels que des lubrifiants, issus de divers procédés de fabrication. La préparation de surface n'éliminera probablement pas complètement cette contamination, mais elle produira une surface qui sera moins affectée par la faiblesse cohésive.

Pour produire des tôles d'aluminium, l'aluminium subit un processus de laminage, à chaud ou à froid. Des lubrifiants sont appliqués pour maintenir les rouleaux et la pièce séparés. Cela minimise les frottements et réduit le risque d'endommagement de la surface de la feuille. Les lubrifiants sont généralement à base de paraffine et se volatilisent lors du recuit ou par évaporation naturelle. Cependant, la surface laminée peut encore présenter un certain degré de contamination, qui doit être éliminée par dégraissage.

L'aluminium est très réactif et a une grande affinité pour l'oxygène. Lorsqu'il est exposé à l'air, une fine couche d'oxydes se forme instantanément à la surface.

Si la couche d'oxyde se forme à une température inférieure à 375 C, elle sera constituée d'une fine couche amorphe d'Al2O3, de 1 à 2 nanomètres d'épaisseur, recouverte d'oxydes et d'hydroxydes de surface hydratés. Au total, la couche d'oxyde peut avoir une épaisseur de 2 à 60 nanomètres. L'oxydation et l'hydratation peuvent être accélérées par la présence d'éléments alcalins et alcalino-terreux, tels que le lithium, le sodium et le magnésium, ségrégués à la surface ou à l'interface métal-oxyde métallique. Le magnésium, en particulier, peut migrer vers la surface lors du traitement thermique. Les hydroxydes d'aluminium sont en fait bons pour l'interaction avec les sites polaires acides des polymères. Cependant, l'hydratation peut réduire les performances d'adhérence globales, car elle crée des sites basiques plus faibles sur la surface supérieure.

Si la couche d'oxyde se forme à une température supérieure à 400 °C, l'oxyde amorphe peut se fissurer en raison de la dilatation thermique et de l'Al2O3 cristallin peut se former. Cela peut avoir un effet néfaste sur l'adhérence totale. La présence de magnésium favorise également la croissance des oxydes cristallins.

Une autre caractéristique de l'aluminium après laminage est ce que l'on appelle la couche déformée proche de la surface (NSDL). Lorsque le rouleau mord la surface du métal, il peut initier des fissures dans la couche d'oxyde. Lorsque la feuille sort du rouleau, le métal de laminage ou les intermétalliques peuvent coller à la surface du rouleau. Au cours des cycles de laminage successifs, ces particules se redéposent à la surface de la tôle et créent encore plus d'imperfections ou de fissures dans la couche d'oxyde. Ce processus crée une couche à la surface de l'aluminium qui est différente du métal sous-jacent. Cette couche est la NSDL.

L'épaisseur du NSDL varie entre 1,5 et 8 microns, selon le laminoir. Un NSDL peut se former pendant le laminage à chaud et à froid. Il existe une forte corrélation entre la présence d'un NSDL et la sensibilité à la corrosion filiforme pour les alliages d'aluminium 3xxx et 5xxx.

Avant le prétraitement, le substrat en aluminium doit être nettoyé de l'huile résiduelle, de la saleté et des oxydes de surface. Pour les alliages 5xxx, la principale exigence de nettoyage, outre l'élimination des résidus organiques, est d'assurer l'élimination des oxydes riches en magnésium, qui peuvent avoir un effet néfaste sur l'adhérence des revêtements.

La méthode de nettoyage la plus utilisée pour les feuilles d'aluminium dans l'industrie automobile est un procédé à acide mixte. L'aluminium est baigné dans un mélange d'acides sulfurique, phosphorique et fluorhydrique à une température de 50 à 70 C. Cela élimine le NSDL et rend le métal plus résistant à la corrosion.

Après nettoyage, l'aluminium subit un prétraitement pour modifier la chimie de surface, améliorer l'adhérence et renforcer la résistance à la corrosion. Il existe trois types de prétraitement :

Dans l'industrie automobile, les traitements aux ions métalliques les plus utilisés sont les revêtements de conversion à base de fluorure de titane ou d'un mélange de fluorure de titane et de fluorure de zirconium. Les traitements peuvent être appliqués par immersion, pulvérisation ou sans rinçage. L'avantage de ces revêtements est leur rapidité et leur simplicité. Ils peuvent sécher sur place et peuvent être appliqués à basse température.

Pour obtenir une adhérence encore meilleure et obtenir un revêtement homogène, des additifs organiques peuvent être ajoutés aux bains de conversion. Ces additifs comprennent l'acide polyacrylique, le phosphate de phénol, les silanes et les agents chélateurs, tels que l'acide amino triméthylène phosphonique.

Parmi les agents de couplage, les silanes sont les plus utilisés. Le rôle des agents de couplage est d'améliorer le degré de réticulation dans la région d'interface pour augmenter la liaison chimique. Les silanes peuvent former des liaisons chimiques avec le substrat et l'adhésif. L'avantage des silanes est qu'ils sont simples et stables, du fait de leur structure réticulée covalente. Ils améliorent également la mouillabilité de la surface. Le seul inconvénient des silanes est leur durée de conservation relativement courte.

Les revêtements à base d'acide organophosphonique sont également utilisés comme agents de couplage. Les acides organophosphoniques forment des monocouches très stables sur les alliages d'aluminium recouverts d'un mince film d'oxyde. La présence de monocouches de phosphonate améliore l'adhérence avec l'oxyde d'aluminium. Ces acides peuvent être appliqués par trempage ou pulvérisation.

Un autre prétraitement est l'anodisation. L'anodisation est un processus électrochimique qui convertit la surface métallique en une finition d'oxyde anodique durable et résistante à la corrosion. De plus, la surface poreuse offre une adhérence aux adhésifs et aux apprêts. L'anodisation est réalisée en immergeant l'aluminium dans un bain d'électrolyte acide et en faisant passer un courant électrique à travers le milieu.

L'anodisation a pour avantage de créer une surface d'oxyde d'aluminium pur. Il est plus respectueux de l'environnement que les autres prétraitements, et l'épaisseur et la morphologie de l'oxyde fini peuvent être facilement contrôlées. D'autre part, il est également plus coûteux et difficile à appliquer dans la production à grand volume.

Mercedes utilise l'anodisation sur sa berline de classe CLS. Il est également utilisé sur les voitures de sport Lotus Elite et Opel Speedster.

Après le prétraitement, un lubrifiant d'emboutissage est généralement appliqué sur le métal pour améliorer la formabilité et protéger le substrat avant le collage. La quantité d'huile appliquée est d'environ 0,9 gramme par mètre carré. Cependant, si l'huile n'est pas un lubrifiant à film sec, il y aura une distribution non homogène sur la surface en raison du ruissellement.

Ces lubrifiants ne sont pas nécessairement éliminés dans les usines d'emboutissage, il est donc important que l'adhésif soit compatible avec eux. L'adhésif doit être capable de déplacer ou d'absorber tout lubrifiant s'il doit former une liaison solide. Par exemple, certains époxy peuvent déplacer et absorber l'huile.

Plusieurs études ont montré que les lubrifiants d'emboutissage peuvent nuire à la résistance des joints. Par exemple, une étude a montré que la résistance des joints diminuait à mesure que la quantité de lubrifiant augmentait lors du collage de l'alliage d'aluminium 6111 sur de l'acier à haute résistance. Une autre étude a révélé que 2,21 grammes par mètre carré de lubrifiant hydrophobe étaient suffisants pour affecter négativement la force de liaison.

L'un des principaux inconvénients des joints adhésifs est leur durabilité à long terme lorsqu'ils sont exposés aux conditions environnementales.

L'eau peut pénétrer dans un joint collé par diffusion massive à travers l'adhésif, diffusion interfaciale le long de l'interface entre l'adhésif et le substrat, et par action capillaire à travers des fissures ou des défauts dans l'adhésif ou la couche de conversion. Il peut nuire au système en modifiant les propriétés d'adhésion ou en déplaçant l'adhésif à l'interface.

Une fois que l'eau atteint le joint, elle peut affecter l'adhésif de plusieurs manières. Ceux-ci inclus:

Dans certains cas, ces dommages sont réversibles lorsque le joint sèche. Dans d'autres cas, les dommages sont irréversibles.

C'est pourquoi le prétraitement est si important. La création de liaisons primaires entre l'adhésif et le substrat améliore considérablement la résistance du joint.

L'humidité peut être tout aussi préjudiciable aux liaisons adhésives que l'eau. Par exemple, une étude a exposé des joints en aluminium collés avec divers adhésifs structuraux à 100 % d'humidité relative à une température de 50 °C. Les chercheurs ont découvert que la résistance des joints diminuait considérablement, mais qu'elle se rétablissait partiellement lorsque l'humidité diminuait.

La protection contre la corrosion dépend de l'adhérence de la couche de revêtement au substrat. Lorsque la liaison entre le revêtement et le substrat est forte, l'eau ne peut pas pénétrer jusqu'à l'interface et la corrosion ne se développe pas rapidement. Cependant, lorsque la liaison est faible, la corrosion peut facilement se propager à l'interface.

Une étude a examiné l'effet du brouillard salin à long terme sur la résistance des joints en aluminium à cisaillement à recouvrement collés avec un scellant à bride à ourlet. Un ensemble de joints a été traité avec un revêtement de zirconium-titane ; un autre était en aluminium nu. L'étude a révélé qu'au départ, le revêtement de zirconium-titane offrait une meilleure protection contre la corrosion que l'aluminium nu. Cependant, à long terme - plus de 1 400 heures - le revêtement offrait une moins bonne protection que le métal nu.

La corrosion filiforme est une forme de corrosion atmosphérique qui se produit sous les revêtements organiques sous la forme de filaments filiformes étroits interconnectés. Il a été observé pour la première fois à la fin des années 1960 où il s'est produit autour des têtes de rivets et des bords des peaux en aluminium sur des avions exposés à des environnements tropicaux agressifs.

Dans le cas de couches de polymères sur des surfaces d'oxydes non conductrices, comme sur les alliages d'aluminium, la corrosion filiforme est due à un délaminage anodique. La perte d'adhérence est causée par la dissolution anodique du substrat. Les principaux facteurs environnementaux cruciaux pour l'initiation et la prolifération de cette forme de corrosion sont l'humidité relative supérieure à 80 %, la présence d'ions agressifs tels que le chlore et les défauts des revêtements de protection.

Le principal avantage du collage est qu'il répartit les contraintes sur une grande surface. Cependant, cela ne signifie pas que les ingénieurs peuvent ignorer la question du stress. L'application d'une contrainte entraînera une dégradation plus rapide d'une liaison adhésive qu'une liaison non contrainte, en particulier si les liaisons sont soumises à des charges élevées pendant des périodes prolongées.

Les joints collés peuvent être exposés à des contraintes statiques et dynamiques. Ces contraintes ne sont pas uniquement dues à des charges externes. Ils peuvent provenir d'un retrait de l'adhésif après durcissement, d'un gonflement de l'adhésif dû à l'adsorption d'eau ou d'un décalage thermique entre l'adhésif et le substrat. De plus, le stress peut également accélérer d'autres processus, tels que le taux de diffusion de l'humidité dans le joint.

Des tests de résistance aux contraintes sont recommandés pour vérifier les performances de la conception du joint et la sélection de l'adhésif. Par exemple, une étude a examiné l'effet de l'exposition environnementale sur la résistance à la fatigue des joints en acier doux collés avec divers adhésifs. Les joints de cisaillement à double recouvrement ont été maintenus sous différentes charges et conditions environnementales pendant huit ans. Les chercheurs ont constaté que l'adhésif utilisé avait un impact majeur. Certaines formulations ont montré une excellente durabilité, tandis que d'autres ont été affectées par l'environnement. Les adhésifs qui ont montré de meilleures performances étaient ceux durcis avec des durcisseurs polyamides et ceux avec une résistance initiale et un module de Young élevés.

NDLR : Les personnes suivantes ont également contribué à cet article : Matthieu Boehm, chercheur, Constellium Technology Center, Voreppe, France ; Herman Terryn, Ph.D., professeur de sciences et ingénierie des surfaces, Université Libre de Bruxelles ; et Tom Hauffman, Ph.D., professeur associé de chimie, Université Libre de Bruxelles.

Cet article est un résumé d'un document de recherche beaucoup plus long. Pour lire l'article complet, cliquez ici : https://bit.ly/36hNpRv.