Domaine de l'invention
[0001] L'invention concerne un procédé de fabrication de panneaux en aluminium à circuit
intégré selon le préambule de la revendication 1, généralement connu sous le nom de
roll-bond, de type monoface ou OSF (one side flat) à une face plane et une face déformée.
Ces panneaux sont réalisés à partir de deux tôles en aluminium ou alliage d'aluminium,
dont l'une est enduite, sur les zones destinées à devenir le circuit intégré, d'une
encre destinée à empêcher la soudure entre les deux tôles. Les deux tôles sont ensuite
soudées par colaminage. Les zones non soudées sont alors gonflées par voie hydraulique
ou pneumatique pour former un circuit dont la partie essentielle est utilisée comme
échangeur de chaleur, et notamment comme circuit de refroidissement des réfrigérateurs
ménagers.
Etat de la technique
[0002] Le livre « L'aluminium », tome 1 « Production - Propriétés - Alliages - Fabrication
des demi-produits - Fabrications annexes », paru aux Editions Eyrolles, Paris 1964,
pages 718 - 721, et la publication « Panneaux aluminium à circuits intégrés : deux
lignes de fabrication complémentaires pour de multiples produits », parue dans la
Revue de l'Aluminium, février 1982, décrivent le principe du procédé roll-bond pour
la fabrication de panneaux de type bi-face, et divulguent le schéma d'une ligne de
fabrication en continu, ainsi que les alliages habituellement utilisés pour la fabrication
des panneaux. Dans cette ligne de fabrication en continu, les panneaux sont formés
à partir de tôles individuelles (appelées « platines » dans le livre), qui sont transportées
manuellement ou par un moyen de convoyage mécanique à travers les différentes machines
qui constituent la chaîne de fabrication.
[0003] Le brevet FR 1347949 (Olin Mathieson) décrit le principe des panneaux à circuit intégré
monoface et propose de les réaliser à partir de deux tôles de résistance mécanique
différente, l'une en alliage 1100 et l'autre en alliage 1100 avec addition de 0,12%
de zirconimn.
[0004] Le brevet FR 2561368 (Cegedur Pechiney) divulgue un procédé de fabrication en continu
de panneaux roll-bond de type monoface à partir de deux tôles en aluminium ou alliages
d'aluminium.
[0005] La publication « High Performance Airgap Heat Shields Using Blow-Molded Roll-Bond
Aluminum Technology » par V.J. Scott et al., parue dans la SAE Technical Paper Series
(International Congress & Exposition, Detroit, Michigan, February 28 - March 3, 1994),
décrit une ligne de fabrication de panneaux roll-bond qui comprend le décambrage et
le brossage des deux bandes, l'application du milieu séparateur, le préchauffage et
le laminage des bandes pour former une bande composite. Celle-ci est ensuite soumise
à un recuit en bobine dans un four statique.
[0006] Ce procédé n'est donc pas un procédé continu. L'utilisation d'un four statique permet
un contrôle plus précis des conditions de recuit que les procédés utilisant un four
à passage, mais l'interruption que représente le recuit en bobine présente des inconvénients
d'ordre économique, diminue le temps de réponse de la chaîne de production par rapport
à la demande commerciale, et nécessite une gestion des stocks de produits intermédiaires.
[0007] Un problème particulier dans le procédé roll-bond est la qualité et durabilité des
canaux formés. Le brevet européen EP 0 703 427 (Showa Aluminium) propose un procédé
qui vise à diminuer le nombre de défauts lors du gonflage (rupture de canaux ou absence
locale de déformation).
[0008] Selon les constatations de la demanderesse, les lignes de fabrication existantes
ne permettent pas la fabrication de panneaux, et notamment des panneaux monoface,
à fortes caractéristiques mécaniques. Par ailleurs, il est souhaitable de garantir
que les panneaux formés, avant gonflage, sont exempts de défauts rédhibitoires.
[0009] Le but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication en continu de panneaux
roll-bond, qui soit adapté à la fabrication de panneaux monoface à fortes caractéristiques
mécaniques.
Objet de l'invention
[0010] L'invention a pour objet un procédé de fabrication de panneaux à circuit intégré
monoface en aluminium comportant la préparation de surface de deux tôles en alliage
d'aluminium, le dépôt sur l'une des tôles d'une encre anti-soudure dans des zones
réservées correspondant au dessin du circuit, la liaison par laminage des tôles l'une
sur l'autre, et l'expansion des canaux correspondant aux zones non soudées à l'aide
d'un fluide sous pression, caractérisé en ce que l'une des tôles est en alliage de
la série 1000 et l'autre en alliage contenant du fer et du manganèse et tel que Fe
+ Mn > 0,8% (en poids), et de préférence > 1, voire 1,5%. L'alliage au fer et au manganèse
est obtenu de préférence par coulée continue de bandes entre deux cylindres refroidis.
Description des figures
[0011] La figure unique représente, en fonction de la température de recuit, la fraction
recristallisée pour des tôles en alliages 1050, 3003, 8040 et 8006 issu de coulée
continue.
Description de l'invention
[0012] La demanderesse a constaté que les alliages habituellement utilisés pour fabriquer
des panneaux roll-bond biface peuvent être utilisés, et notamment ceux divulgués dans
le livre « L'aluminium », tome 1 « Production - Propriétés - Alliages - Fabrication
des demi-produits - Fabrications annexes », cité ci-dessus. Pour la fabrication de
panneaux monoface, il est nécessaire, comme l'indique le brevet FR 1347949, que lors
du gonflage des canaux, l'une des faces du panneau se déforme plus facilement que
l'autre. On utilise donc pour les deux faces de la bande composite deux alliages différents,
l'un, plus dur, qui forme la face plate, et l'autre, moins dur, qui se déforme lors
du gonflage pour former les canaux du circuit. Par exemple, il est connu d'utiliser
la combinaison des alliages 1050 et 8040 (selon la désignation de l'Aluminum Association).
Cependant, la demanderesse a constaté lors de ses essais qu'il est préférable d'utiliser
pour la face plane une bande en alliage contenant du fer et du manganèse et tel que
Fe + Mn > 0,8% (en poids), et de préférence > 1%, voire > 1,5%. Un exemple d'alliage
de ce type est l'alliage 8006, dont la composition enregistrée à l'Aluminum Association
est la suivante (% en poids) :
Si < 0,40 Fe : 1,2-2,0 Cu < 0,30 Mn : 0,30 - 1,0 Mg < 0,10 Zn < 0,10
[0013] La bande en alliage au fer et au manganèse est élaborée de préférence par coulée
continue de bandes, et notamment par coulée continue entre deux cylindres refroidis,
par exemple par une machine Jumbo 3C ™ de Pechiney Aluminium Engineering. Il est connu
que les alliages contenant du manganèse et/ou fer obtenus par coulée continue présentent
après une gamme de laminage à froid effectuée directement après la coulée, c'est-à-dire
sans homogénéisation de la bande coulée, une microstructure à grains fins donnant
une résistance à la recristallisation plus forte que les mêmes alliages obtenus à
partir de plaques de laminage. Les caractéristiques microstructurales de telles bandes
obtenues par coulée continue ont été décrites dans la littérature, notamment dans
les articles de M. Slámová et al.: « Différences in Structure Evolution of Twin-Roll
Cast AA8006 and AA8011 Alloys during Annealing », paru dans la revue Materials Science
Forum, Vols. 331-337 (2000), pp. 829-834 ; « Impact of As-Cast Structures on Structure
and Properties of Twin-Roll Cast AA8006 Alloy », paru dans la revue Materials Science
Forum, Vols. 331-337 (2000), pp. 161-166 ; « Response of AA 8006 and AA 8111 strip-cast
cold rolled alloys to high temperature annealing », paru dans les Compte-Rendus du
Congrès ICAA6, Vol 2, pp. 1287-1292 ; « Phase Transformation Study of Two Aluminum
Strip-Cast Alloys » paru dans les Compte-Rendus du congrès ICAA6, Vol 2, pp. 897-902,
mais il n'a pas encore été envisagé de l'utiliser pour former un panneau roll-bond
de type monoface.
[0014] Dans la suite de la description on désignera par « bande A » la bande en aluminium
ou alliage d'aluminium sur laquelle est appliquée l'encre anti-soudure, « bande B
» la bande en aluminium ou alliage d'aluminium qui est appliquée sur la bande A, «
bande composite » la bande formée à partir des bandes A et B, et par « panneaux »
les panneaux formés par découpe de la bande composite.
[0015] Le procédé continu de fabrication de panneaux à circuit intégré en alliage d'aluminium
de type monoface selon l'invention comporte les étapes suivantes :
(a) l'alimentation de la chaîne de fabrication en bandes A et B,
(b) le décambrage des bandes A et B,
(c) optionnellement le brossage des bandes A et B,
(d) l'application de l'encre anti-soudure sur la bande A,
(e) le contrôle de la qualité de cette application,
(f) le préchauffage des bandes A et B,
(g) la création d'une bande composite par passage sous un laminoir de la bande A qui
comporte l'encre, et de la bande B
(h) le recuit de la bande composite dans un four,
(i) le refroidissement de la bande composite,
(j) optionnellement, le planage de la bande composite,
(k) la découpe de la bande composite en panneaux,
(l) optionnellement l'élimination des panneaux comportant des défauts d'application
du milieu séparateur, détectés lors du contrôle (e),
(m)le transfert des panneaux dans une presse de gonflage à plusieurs étages,
(n) le gonflage, de préférence simultané, des panneaux à tous les étages,
(o) la sortie des panneaux de la presse et leur empilage pour conditionnement. L'alimentation
des bandes A et B peut se faire par deux dérouleuses. Dans une réalisation préférée,
on dote chacune des deux dérouleuses d'un dispositif mobile de raboutage, permettant
de changer chacune des bandes A et B sans interrompre le défilement des bandes dans
la chaîne de fabrication.
[0016] Avant son introduction dans la chaîne de fabrication, il est avantageux de dégraisser
les bandes, par exemple par un procédé à la flamme ou tout autre procédé connu de
l'homme du métier.
[0017] Il est avantageux de brosser les surfaces des bandes A et B destinées à entrer en
contact. Des brosses rotatives dotées de fils d'acier conviennent à cet effet.
[0018] L'application de l'encre anti-soudure sur la bande A peut être effectuée par des
techniques de sérigraphie connues de l'homme du métier. Le contrôle de la qualité
de cette sérigraphie peut être fait par un opérateur qualifié. Dans une réalisation
préférée, la qualité de cette application est contrôlée de préférence par un dispositif
automatique de vision industrielle capable de détecter des défauts rédhibitoires et
de repérer la position des circuits défectueux sur la bande A. Ce dispositif acquiert
l'image imprimée et la compare à une référence jugée parfaite. Ce système permet alors
d'éliminer avant le gonflage des circuits les panneaux sur lesquels un défaut rédhibitoire
a été détecté.
[0019] Comme four de préchauffage, n'importe quel four continu connu de l'homme du métier
peut être utilisé, par exemple un four à flamme directe. Dans une réalisation préférée,
ce four permet la régulation de la température de façon à maintenir la température
constante sur toute la largeur des bandes A et B dans un intervalle compris entre
± 10°C maximum, de préférence entre ± 7°C, et encore plus préférentiellement dans
un intervalle compris entre ± 5°C.
[0020] L'application de la bande B sur la bande A peut se faire dans un laminoir traditionnel
et préférentiellement dans un laminoir quarto. Dans une réalisation préférentielle,
les deux cylindres qui entrent en contact avec la bande sont brossés au cours du laminage.
Le dispositif de brossage divulgué dans le brevet français FR 2568495 convient à cet
effet.
[0021] Pour le recuit de la bande composite n'importe quel four continu connu de l'homme
du métier peut être utilisé. Dans une réalisation préférée, ce four permet la régulation
de la température de façon à maintenir la température constante sur toute la largeur
de la bande dans un intervalle compris entre ± 10°C, de préférence entre ± 7°C, et
encore plus préférentiellement dans un intervalle compris entre ± 5°C. Le refroidissement
de la bande composite peut se faire par aspersion de tout fluide réfrigérant, liquide
ou gazeux, et préférentiellement par arrosage à l'eau.
[0022] S'il est nécessaire d'effectuer à ce stade un planage de la bande composite, ce planage
peut être fait par exemple mécaniquement par imbrication plus ou moins importante
de la bande entre deux nappes de rouleaux métalliques.
[0023] La découpe de la bande composite en panneaux peut se faire à l'aide d'une cisaille
fixe. Dans ce cas, il est nécessaire d'ajouter un accumulateur de bande qui permet
d'effectuer la découpe sans interrompre le défilement continu de la bande. Dans une
réalisation préférée, on utilise une cisaille volante, ce qui rend superflu l'accumulateur
de bande susceptible d'induire des défauts sur la bande composite.
[0024] Dans une réalisation préférée, on élimine ensuite les panneaux dont les circuits
ont été détectés comme étant défectueux lors du contrôle, avant de transférer les
panneaux dont la qualité a été jugée acceptable dans la presse de gonflage. Ce transfert
se fait avantageusement en chargeant les panneaux dans un ascenseur.
[0025] Ensuite, les panneaux sont transférés à l'aide d'un robot, par exemple un robot à
six axes, dans la presse.
[0026] La presse de gonflage dispose de plusieurs étages, préférentiellement au moins quatre
étages, et encore plus préférentiellement au moins huit étages. Dans cette presse,
les circuits sont gonflés à l'aide d'un fluide sous pression à travers une aiguille
qui est introduite dans le canal de gonflage, entre les deux faces de chaque panneau.
Les panneaux dans la presse peuvent être gonflés l'un après l'autre ou, de préférence,
simultanément. Pour la fabrication de panneaux monoface, une contre-pression est appliquée
sur la face opposée à la face plane, selon les techniques connues de l'homme du métier
et décrites, par exemple, dans le brevet FR 2561368 précité.
[0027] La sortie des panneaux de la presse se fait avantageusement par un robot, par exemple
un robot à six axes, qui décharge les panneaux gonflés de la presse vers un descenseur,
qui transfère les panneaux sur un empileur permettant de constituer des piles de panneaux
prêtes à être conditionnées pour expédition.
[0028] Dans une variante préférée, on effectue un centrage des bandes A et B et de la bande
composite. A titre d'exemple, le centrage avant l'entrée de la bande dans l'emprise
du laminoir est utile.
[0029] Le procédé tel que décrit ci-dessus peut être avantageusement appliqué à la fabrication
de panneaux roll-bond selon l'invention pour appareils réfrigérants existants ou pour
d'autres applications d'échange ou de transfert thermique. Il peut être mis en oeuvre
également pour la fabrication de panneaux à application structurale, telle que des
renforts pour carrosserie automobile.
Exemple 1
[0030] L'alimentation de la chaîne se fait par un dispositif mobile de raboutage permettant
de changer chacune des bandes A et B sans interrompre le défilement des bandes dans
la chaîne de fabrication. Ce chariot est équipé de soudeuses mobiles sans apport de
métal permettant de faire la jonction entre les bandes issues de deux bobines de métal.
[0031] Le décambrage des bandes A et B se fait par une décambreuse motorisée à rouleaux.
[0032] Le brossage des surfaces des bandes A et B destinées à entrer en contact se fait
par des brosses métalliques motorisées.
[0033] La sérigraphie au pochoir se fait dans une enceinte close sous pression, permettant
de minimiser les dépôts de poussières et l'apparition de défauts sur la bande. Des
écrans dont la structure de toile et la densité de fils sont ajustées en fonction
de l'impression désirée sont utilisés ; la sérigraphie est effectuée par les techniques
connues de l'homme du métier. L'alimentation en encre anti-adhésive sur la toile est
automatique et permet une bonne homogénéité de la quantité d'encre. Le changement
des écrans lors du changement de série se fait sans arrêt de la ligne et est semi-automatisé.
Après sérigraphie, une tache d'encre supplémentaire est ajoutée sur la bande A à l'extrémité
des motifs ; ladite tache sert comme marquage lors du débitage de la bande composite
en panneaux.
[0034] La qualité de la sérigraphie est contrôlée par un dispositif de vision industrielle,
munie de caméras linéaires. Tous les motifs sont acquis, traités et comparés à une
image modèle de référence. Ce dispositif permet de vérifier les cotes fonctionnelles
des motifs et de repérer tous les défauts (tels que les taches superflues, le manque
d'encre ou des bords à définition imprécise). La position des motifs défectueux est
repérée par l'ordinateur de contrôle pour permettre d'écarter les panneaux qui comportent
ces motifs défectueux avant l'étape de gonflage.
[0035] Le four de préchauffage est un four à gaz à passage. Il est composé de deux parties
permettant de chauffer successivement la bande B et la bande A. Sa puissance est de
1800 kW. La température de la bande dans le four est typiquement de l'ordre de 400°C,
mais peut aller jusqu'à 500°C, en fonction des alliages utilisés. Le four comporte
deux fois trois zones de chauffage. La température est maintenue constante à par un
système de régulation à ± 7°C.
[0036] Le laminoir utilisé est un laminoir quarto permettant d'atteindre des efforts de
laminage de l'ordre de 1400 tonnes, avec possibilité d'équilibrage variable.
[0037] Le four de recuit est un four à gaz à passage de puissance 1220 kW. La température
de la bande composite dans le four est de typiquement de l'ordre de 400°C, mais peut
aller jusqu'à 500°C, en fonction des alliages utilisés. Le four comporte quatre zones
de chauffage. La température est maintenue constante à par un système de régulation
à ± 7°C.
[0038] Le planage de la bande composite se fait par une planeuse comportant 17 rouleaux
d'imbrication variable, connue de l'homme du métier.
[0039] Un capteur à ultrasons permet la détection de la tache d'encre déposée à l'étape
de sérigraphie et déclenche la découpe de la bande composite en panneaux par une cisaille
volante. Les panneaux alimentent un ascenseur et sont chargés par lots de huit dans
la presse de gonflage à l'aide du robot à six axes.
[0040] La presse de gonflage est une presse hydraulique de 2500 tonnes permettant le gonflage
simultané des panneaux sur tous les étages. Des cycles programmés permettent le gonflage
en ligne des panneaux et une contre-pression est appliquée sur tous les étages en
plus de la pression de gonflage. Les cycles de gonflage sont commandés par un ordinateur.
La presse est munie de dispositifs de détection des fuites lors du gonflage et permet
l'élimination des panneaux défectueux ainsi repérés.
[0041] Les panneaux dont les canaux ont été gonflés sont déchargés de la presse par un second
robot à six axes sur un descenseur. Les paramètres du procédé sont ajustés en fonction
de la vitesse de défilement mesurée en plusieurs points de la ligne. La vitesse des
bandes A et B peut atteindre 15m/min. La vitesse de la bande composite peut atteindre
30 m/min, pour un rapport de laminage de 2. Les différents réglages de la ligne sont
gérés automatiquement à partir d'une base de données des produits. La largeur des
bandes utilisées peut atteindre 700 mm.
Exemple 2
[0042] On a fabriqué en suivant le procédé de l'exemple 1 des panneaux roll-bond monoface.
La bande A est en alliage 8006 de composition (% en poids) :
Si = 0,28, Fe = 1,20, Cu = 0,024 Mn = 0,37, Mg = 0,0013, Ti = 0,017,
et a été élaborée à partir d'une coulée continue entre cylindres, sans homogénéisation
de la bande coulée avant laminage. L'épaisseur de coulée était de 7 mm, et la bande
coulée a été laminée à froid jusqu'à 1,2 mm, puis soumise à un recuit de restauration
de 2 heures à 220°C.
[0043] La bande B est en alliage 1050, à l'épaisseur de 1,26 mm, obtenue par laminage à
chaud puis laminage à froid de plaques de laminage.
[0044] En sortie du four de préchauffage, la température de la bande A était de 480°C, et
celle de la bande B de 380°C. Le rapport de laminage appliqué était de 2. La bande
composite a été ensuite recuite dans le four de recuit à différentes températures
mentionnées au tableau 1. On indique également au tableau 1 la dureté Vickers des
deux faces après recuit.
Tableau 1
Référence |
Température de recuit [°C] |
Dureté Vickers du panneau côté « bande A » |
Dureté Vickers du panneau côté « bande B » |
1 |
380 |
48,9 |
24,5 |
2 |
400 |
46,8 |
23,8 |
3 |
420 |
45,5 |
23,3 |
4 |
430 |
43,5 |
25,2 |
5 |
440 |
42,5 |
23,0 |
6 |
460 |
40,2 |
24,7 |
[0045] Selon les constatations de la demanderesse, une température de recuit de 400°C représente
le meilleur compromis entre l'exigence de planéité et d'aspect de surface de la face
plane (favorisées par une forte dureté du côté de la bande A) et l'exigence d'une
formabilité suffisante du panneau pour permettre le gonflage des canaux sans rupture
(favorisée par une faible dureté du côté de la bande B). En tout état de cause, il
est préférable que la dureté du panneau du côté de la bande A soit supérieure à 40
Vickers, et préférentiellement supérieure à 43 Vickers ou même 45 Vickers.
Exemple 3
[0046] On a fabriqué en suivant le procédé de l'exemple 1 des panneaux roll-bond monoface.
La bande A est en alliage 8040 élaboré à partir de plaques de laminage. L'épaisseur
de la bande A est de 1,26 mm, et elle a été soumise un recuit de restauration de 10
heures à 250°C.
[0047] La bande B est en alliage 1050, à l'épaisseur de 1,26 mm, obtenue par laminage à
chaud puis laminage à froid de plaques de laminage.
[0048] En sortie du four de préchauffage, la température de la bande A était de 480°C, et
celle de bande B de 380°C. Le rapport de laminage appliqué était de 2. La bande composite
a été ensuite recuite dans le four de recuit aux températures respectives de 400 et
440°C. Les duretés des deux faces après recuit sont indiquées au tableau 2.
Tableau 2
Référence |
Température de recuit [°C] |
Dureté Vickers du panneau côté « bande A » |
Dureté Vickers du panneau côté « bande B » |
1 |
400 |
38,0 |
25,1 |
2 |
440 |
36,2 |
25,2 |
[0049] On constate que l'on obtient des duretés plus faibles du côté de la bande A que dans
l'exemple 2 pour des conditions équivalentes. Il n'est pas envisageable de diminuer
la température de recuit de façon importante pour augmenter la dureté de la bande
composite côté bande A, car la recristallisation du 1050, qui lui confère une formabilité
convenable dans la presse de gonflage, nécessite dans les conditions du procédé selon
l'exemple 1 une température d'au moins 370 à 380°C.
Exemple 4
[0050] On a effectué un essai de laboratoire pour vérifier que les bandes en alliage 8006
obtenues par coulée continue présentent une résistance à la recristallisation plus
forte que les autres bandes habituellement utilisées pour la fabrication de panneaux
roll-bond monoface. Il est connu que la dureté des bandes recristallisées est inférieure
à celle des bandes non recristallisées ; sachant qu'il faut une dureté suffisante
pour pouvoir utiliser une bande comme face plane d'un panneau roll-bond monoface,
cet essai permet donc une présélection des bandes utilisables à cet usage.
[0051] On a préparé par laminage à froid des bandes et tôles en alliages 8040, 8006, 3003
et 1050 aptes à être utilisées pour la fabrication de panneaux roll-bond. L'alliage
8006 a été préparé par coulée continue sans homogénéisation. La réduction lors du
laminage à froid était de 2. On a ensuite recuit les tôles dans des fours à bains
de sel pendant 15 s à des températures variables entre 380 et 440°C, et déterminé
ensuite la fraction recristallisée par une technique d'observation métallographique
connue de l'homme du métier.
[0052] On constate sur le diagramme de la figure que les tôles en alliage 1050 recristallisent
fortement à des températures relativement faibles (< 400°C), alors que les tôles en
alliage 8006 ne recristallisent pas du tout sur toute la plage de température étudiée,
qui se prête particulièrement à la mise en oeuvre du procédé selon l'exemple 1.