Précédemment, vous avez pu lire un article dans Métallerie sur le soudage par ultrasons de matériaux similaires et hétérogènes. Nous avons ensuite publié un rapport d'étude technique contenant des résultats expérimentaux approfondis du projet ULTRALAS. Cet article de suivi souligne la pertinence pratique et l'applicabilité du soudage par ultrasons, et encadre le projet prénormatif, qui vise à soutenir l'élaboration de normes.
Soudage par ultrasons de matériaux (dis)semblables
Développement d'un cadre normatif
Le projet ULTRALAS vise à développer un cadre normatif pour le soudage par ultrasons. Il s'agit d'un procédé de soudage à l'état solide utilisant des oscillations à haute fréquence et une force de compression statique. Le soudage par ultrasons offre une bonne soudabilité pour les assemblages de métaux hétérogènes (par exemple cuivre-aluminium) et, grâce à sa vitesse élevée et à sa précision, il gagne en importance dans le contexte de la production de batteries et de composants électriques et électroniques.
Soudage par ultrasons
Dans le soudage par ultrasons, une liaison est créée par la génération locale d'énergie de friction, via des vibrations à haute fréquence (20-40 kHz), tandis que les pièces sont maintenues ensemble par une force statique. La pointe de la sonotrode est en contact direct avec la pièce supérieure. L'autre pièce est fixée à l'enclume afin qu'elle ne puisse pas bouger pendant le soudage (voir figure 1).
Les vibrations ultrasoniques sont générées par le transducteur, puis transmises aux pièces par l'intermédiaire d'une sonotrode. Une force de compression est appliquée par la sonotrode, tandis que l'enclume soutient les pièces. La génération de chaleur et la formation de la liaison se font par friction des surfaces de contact, suivie d'une légère déformation. Une liaison métallurgique est formée sans que le matériau de base ne fonde, car les températures restent bien inférieures à la température de fusion.
Paramètres du processus
Dans le soudage par ultrasons, plusieurs paramètres déterminent la qualité de la soudure. Une fréquence ultrasonique stable assure un transfert d'énergie cohérent, tandis que l'amplitude de la vibration détermine l'énergie mécanique transférée à la surface de la soudure. La plupart des systèmes de soudage par ultrasons pour les assemblages métalliques fonctionnent à une fréquence comprise entre 20 et 40 kHz. Les amplitudes élevées améliorent le transfert d'énergie, mais peuvent endommager les matériaux en cas d'excès. L'amplitude des vibrations varie généralement entre 10 et 100 µm, les valeurs les plus élevées améliorant la formation de la soudure. Toutefois, une amplitude trop élevée peut endommager les matériaux ou provoquer des déformations indésirables.
La force de compression garantit que les matériaux restent fermement en place entre la sonotrode et l'enclume, et exerce la pression statique nécessaire sur l'interface de soudage. Un réglage correct empêche le glissement et la déformation excessive, ce qui garantit la stabilité du processus.
L'apport de chaleur, qui est étroitement lié au temps de soudage, fournit la chaleur et la déformation mécanique nécessaires à la formation de la soudure. Un temps de soudage optimal assure un transfert d'énergie efficace et favorise une liaison métallurgique solide. Si le temps de soudage est trop court, la soudure peut être faible ou incomplète ; un temps de soudage trop long peut provoquer une surchauffe, entraînant une dégradation du matériau et une réduction de la résistance de l'assemblage.
Il est important de trouver le bon équilibre entre ces paramètres pour produire des assemblages solides et fiables adaptés à des matériaux spécifiques.
Applications
On trouve des applications dans une multitude de secteurs industriels, allant des applications électriques à l'électronique, en passant par les capteurs, l'automobile, l'aérospatiale, les applications médicales et la technologie de l'emballage. Le soudage par ultrasons est utilisé pour assembler des pièces dans la production d'appareils électroniques tels que les téléphones portables, les ordinateurs et les téléviseurs.
Une application contemporaine importante est le soudage des connexions électriques pour les systèmes de batteries (cellules et packs de batteries, barres omnibus, câbles de batteries, etc. L'aluminium, qui est relativement difficile à souder par d'autres moyens en raison de sa couche d'oxyde, est excellent à souder par ultrasons.
Combinaisons de matériaux
Le soudage par ultrasons est devenu une méthode de plus en plus populaire pour assembler des métaux identiques et différents, offrant de nombreux avantages tels qu'un temps de soudage court, une faible consommation d'énergie et la possibilité d'assembler des matériaux sans les faire fondre. Ces avantages ont conduit à une large application dans diverses industries.
L'une des applications les plus remarquables est l'assemblage de l'aluminium et du cuivre, où le soudage par ultrasons offre une alternative efficace aux techniques de soudage traditionnelles. Cette technique permet de relever les défis posés par les différentes propriétés de ces métaux, telles que les points de fusion et la conductivité thermique différents. Les combinaisons courantes utilisées dans le soudage par ultrasons sont notamment l'aluminium-cuivre et le cuivre-cuivre.
La figure 3 présente différents métaux et leurs alliages, et indique quels matériaux peuvent être soudés avec succès. La plupart des métaux peuvent être soudés entre eux, à l'exception du germanium (Ge) et du silicium (Si). L'aluminium se distingue ici par son excellente soudabilité et peut être assemblé à tous les métaux du tableau. Le cuivre, l'or, l'argent et le platine sont d'autres matériaux présentant une soudabilité élevée.
En général, la soudabilité est influencée par la capacité d'un matériau à subir une déformation plastique. Par conséquent, la dureté et la limite d'élasticité jouent un rôle important dans le soudage par ultrasons, les matériaux plus durs et plus résistants étant plus difficiles à souder.
Cuivre - cuivre
Le soudage par ultrasons est une méthode efficace pour assembler des composants en cuivre (Cu), en tirant parti de l'excellente conductivité thermique et électrique du matériau, de sa résistance mécanique et de sa grande résistance à la corrosion.
Le cuivre est largement utilisé dans des applications telles que la fabrication de packs de batteries, où les composants tels que les barres omnibus, les bandes de conduction, les électrodes et les languettes de cellule nécessitent des joints soudés fiables pour un transfert d'énergie efficace et une bonne durabilité. Dans les batteries lithium-ion, des joints Cu-Cu fiables sont essentiels pour des performances optimales, en particulier dans les véhicules électriques.
Le soudage par ultrasons est un procédé rapide et économe en énergie qui permet d'obtenir des joints soudés en cuivre solides et durables sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des matériaux supplémentaires. Une coupe transversale typique d'une telle soudure est présentée à la figure 5.
Cuivre - aluminium
Le soudage par ultrasons est une technique efficace pour assembler le cuivre et l'aluminium, deux métaux largement utilisés dans diverses industries en raison de leur excellente conductivité électrique et de leur légèreté.
Ce procédé est particulièrement utile dans des applications telles que la production de batteries lithium-ion, où les pièces en cuivre et en aluminium doivent être assemblées de manière efficace et fiable. Dans l'industrie automobile, par exemple, le soudage par ultrasons est utilisé pour assembler les barres omnibus des véhicules électriques, ce qui constitue une solution durable et économe en énergie pour l'assemblage de ces matériaux. La figure 7 montre une coupe transversale typique d'une soudure entre le cuivre et l'aluminium.
ULTRALAS
À ce jour, il n'existe pas de normes pour le procédé de soudage par ultrasons. Cela complique sa mise en œuvre dans l'industrie, et donc les avantages à en tirer. L'objectif du projet ULTRALAS est de mener des recherches afin de générer toutes les connaissances et données nécessaires au développement futur d'une norme pour ce procédé de soudage; telles que des informations sur les propriétés mécaniques, les matériaux soudables, les combinaisons de matériaux et les dimensions, des recommandations quant aux tests minimaux à effectuer, les paramètres de soudage appropriés et les fenêtres de soudage, les exigences de qualité et les critères d'acceptation, et ce pour une large gamme de matériaux.
L'IBS contribue ainsi à l'élaboration de normes et de lignes directrices qui garantissent la sécurité et la fiabilité des pièces soudées par ultrasons. La création d'un cadre normatif contribuera à la diffusion de cette technologie de soudage innovante et abaissera le seuil de sa mise en œuvre dans l'industrie.
Ce projet de prénormalisation est soutenu par le SPF Économie (projet n° CCN/NBN/PN2023A68).
