Application du soudage par ultrasons dans les faisceaux de câbles
Nous approfondirons l'application du soudage par ultrasons dans les faisceaux de câbles constitués de trois métaux spécifiques : le cuivre, l'aluminium et le nickel. Ces trois métaux font partie des conducteurs les plus couramment utilisés en électronique de puissance, mais leurs propriétés physiques et chimiques diffèrent considérablement, ce qui entraîne des caractéristiques de soudage distinctes.
Présentation : Le soudage des métaux par ultrasons, en tant que technique d'assemblage à l'état solide, est idéal pour assembler des métaux mous hautement conducteurs tels que le cuivre, l'aluminium et leurs alliages. Le nickel, en tant que matériau de placage ou fonctionnel courant, est également fréquemment soudé.
article |
Cuivre, |
Aluminium |
Nickel |
Soudabilité : |
Excellent, |
Bien |
Difficile |
Principaux défis |
Dureté élevée, couche d'oxyde relativement dense |
La couche d'oxyde est très dure et isolante. |
Dureté élevée, ténacité élevée et couche d'oxyde stable |
Énergie/amplitude requise |
Haut |
Moyen |
Très élevé |
Applications courantes |
Batterie, bobinages moteur, câblage électrique |
Batterie d'alimentation, faisceau de câbles en aluminium, panneau solaire |
Languettes de batterie, plaques de plomb de cellule, connecteurs résistants à la corrosion |
I. Soudage de faisceaux de fils de cuivre par ultrasons
Le cuivre est l’un des matériaux les plus idéaux et les plus largement utilisés pour le soudage par ultrasons.
Caractéristiques de soudage :
* Excellente conductivité : le joint soudé forme une connexion en cuivre pur sans soudure avec une faible résistivité et une conductivité supérieure par rapport à la soudure à l'étain.
* Haute résistance : le joint soudé présente une résistance élevée à la traction et à la fatigue.
* Bonne plasticité : le cuivre pur subit facilement un écoulement plastique sous pression et vibration, ce qui est bénéfique pour la liaison métallurgique.
Considérations clés sur le processus :
* Amplitude et pression plus élevées requises : le cuivre a une résistance et une dureté relativement élevées, nécessitant suffisamment d'énergie pour décomposer sa couche d'oxyde (CuO, Cu₂O) et induire un écoulement plastique.
* Traitement de surface : bien que moins exigeant que l'aluminium, une oxydation grave ou une contamination par l'huile doivent néanmoins être évitées. Le cuivre électrolytique (comme le placage d'étain ou de nickel) peut également être soudé, mais les paramètres doivent être ajustés.
* Conception du moule : la conception dentée de la tête de soudage et du moule inférieur est cruciale pour la force de préhension et pour éviter le glissement.
Applications typiques :
* Batteries de puissance : connexions de barres omnibus en cuivre entre les cellules ; soudage de lignes d'échantillonnage dans des modules de batterie.
Faisceaux de câbles automobiles : Soudage de fils de cuivre à l’intérieur des boîtes à fusibles et des relais.
Moteurs et transformateurs : Soudage de fils conducteurs à partir d’enroulements plats en fil de cuivre.
* Câbles de communication haute fréquence : Soudage des couches de blindage.
II. Soudage par ultrasons de faisceaux de câbles en aluminium
L'aluminium est de plus en plus utilisé dans les applications légères et à courant élevé en raison de sa légèreté, de son faible coût et de sa conductivité élevée. Cependant, sa soudabilité diffère considérablement de celle du cuivre.
Caractéristiques de soudage :
Le défi réside dans la couche d'oxyde : un film d'oxyde d'Al₂O₃ dur et isolant se forme instantanément sur la surface de l'aluminium, avec un point de fusion (environ 2050℃) bien supérieur à celui du substrat en aluminium (660℃). L'effet « grattage » du soudage par ultrasons est essentiel pour briser ce film.
Faible dureté : l'aluminium est relativement mou, ce qui nécessite un contrôle précis de la pression et de l'amplitude pour éviter une soudure excessive qui pourrait entraîner un écrasement ou des éclaboussures de métal.
Fluage à température ambiante : les joints de soudure en aluminium peuvent fluer sous des contraintes à long terme, affectant la fiabilité à long terme. Ceci doit être pris en compte lors de la conception du moule et des réglages de pression.
Considérations clés sur le processus :
Le contrôle de l'amplitude est crucial : une amplitude trop faible n'éliminera pas efficacement la couche d'oxyde ; une amplitude trop élevée peut facilement conduire à une soudure excessive et à une fragilité des joints.
Une pression précise est requise : une pression insuffisante entraînera une soudure incomplète ; Une pression excessive briserait les fils fins ou rendrait les joints de soudure trop fins.
Propreté des surfaces : Exigences extrêmement élevées. L'huile, l'humidité et les épaisses couches d'oxyde affecteront gravement la qualité et la consistance de la soudure. La sécheresse et la propreté sont généralement requises avant le soudage.
Dents moulées : des dents plus pointues ou plus spécialisées sont généralement utilisées pour mieux saisir et briser la couche d'oxyde.
Applications typiques :
Batteries de puissance (application principale) : connexion de languettes en aluminium à des barres omnibus en aluminium dans des batteries au lithium fer phosphate ou au lithium ternaire. Il s’agit actuellement du domaine d’application le plus important.
Faisceaux de câbles automobiles en aluminium : pour réduire le poids, certains faisceaux de câbles automobiles commencent à utiliser des conducteurs en aluminium et leurs connexions de bornes sont souvent soudées par ultrasons.
Solaire Photovoltaïque : Soudage de barres omnibus en aluminium pour cellules solaires. Produits électroniques : tels que les fils à souder en feuille d'aluminium pour les condensateurs.
III. Soudure de faisceaux de fils de nickel par ultrasons
Le nickel n'est généralement pas utilisé comme faisceau de câbles du circuit principal, mais plutôt comme languettes de batterie, fils ou matériaux de placage.
Caractéristiques de soudure :
L'un des matériaux les plus difficiles à souder : le nickel a une dureté élevée, une résistance élevée et une bonne ténacité, et sa couche d'oxyde (NiO) est également très stable.
Haute énergie requise : le soudage du nickel nécessite une amplitude et une pression beaucoup plus élevées (ou un temps de soudage plus long) que le cuivre et l'aluminium.
Joints de soudure fragiles : des paramètres inappropriés peuvent facilement conduire à une fracture fragile de l'interface du joint de soudure, plutôt qu'à une déchirure ductile idéale.
Usure rapide de la matrice : La dureté élevée du nickel accélère l'usure de la tête de soudure et de la matrice inférieure.
Considérations clés sur le processus :
Haute amplitude, haute pression : Une énergie suffisante doit être fournie pour vaincre la résistance du nickel et décomposer sa couche d'oxyde.
Mode de contrôle de l'énergie : l'utilisation d'un « mode énergie » plutôt que d'un « mode temps » garantit une meilleure cohérence de la soudure, car de petites différences dans l'état initial du matériau peuvent avoir un impact significatif sur le résultat.
Fenêtre de paramètres stricte : La « fenêtre de processus » pour les paramètres de soudage est étroite, nécessitant un ajustement précis et un contrôle strict.
Moules de haute qualité : des matériaux de haute résistance et résistants à l'usure (tels que l'acier pour moules de haute qualité) sont nécessaires pour fabriquer la tête de soudage et le moule inférieur.
Applications typiques :
Fabrication de batteries : Soudage de languettes en nickel ou de bandes d'acier nickelées aux fils de certains types de batteries (telles que les batteries nickel-hydrure métallique et certaines batteries au lithium polymère).
Connexions résistantes à la corrosion : des bandes de nickel ou des faisceaux de câbles nickelés sont utilisés pour les connexions dans les applications nécessitant une résistance à la corrosion.
En tant que placage : de nombreuses bornes en cuivre ou en aluminium peuvent encore être soudées par ultrasons après le nickelage, mais les paramètres doivent être réoptimisés.
IV. Soudage de matériaux différents
Un avantage significatif du soudage par ultrasons est sa capacité à souder des métaux différents, ce qui est particulièrement courant dans la fabrication de batteries.
Soudage cuivre-aluminium :
Importance : dans les batteries de puissance, l'électrode négative est en cuivre et l'électrode positive est en aluminium, ce qui nécessite que la barre omnibus en cuivre et la barre omnibus en aluminium soient connectées ensemble.
Défis : Le cuivre et l'aluminium ont des propriétés physiques très différentes (point de fusion, dureté, conductivité thermique) et forment facilement des composés intermétalliques fragiles (IMC), tels que CuAl₂, à l'interface. Ces composés ont un impact important sur les performances des joints et la fiabilité à long terme dans le soudage par fusion conventionnel.
Avantages du soudage par ultrasons : Le processus à basse température supprime efficacement la formation de grandes quantités d'IMC, ce qui donne un joint stable, à faible résistance et à haute résistance.
Considérations relatives au processus : les réglages des paramètres se situent généralement entre ceux du soudage du cuivre pur et de l'aluminium pur, ce qui nécessite la recherche d'un équilibre optimal. Généralement, placer le matériau plus dur (cuivre) sur le côté supérieur de la matrice, en utilisant ses vibrations pour impacter le matériau plus mou (aluminium), donne de meilleurs résultats.
Soudage nickel-aluminium et nickel-cuivre : De même, l'avantage du soudage par ultrasons à basse température est utilisé pour éviter la formation de phases fragiles.
Combinaison de matériaux |
Recommandation |
Objectif clé du processus |
Cuivre-cuivre |
★★★★★ |
Optimisez l'amplitude et la pression pour obtenir une résistance élevée et une faible résistance. |
Aluminium-aluminium |
★★★★☆ |
Un contrôle précis des paramètres garantit une élimination efficace de la couche d'oxyde tout en évitant une soudure excessive. |
Nickel-Nickel |
★★☆☆☆ |
Apport d'énergie élevé, contrôle strict de la fenêtre de processus et attention à l'usure du moule. |
Cuivre-aluminium |
★★★★★ |
Profitant de la phase solide pour supprimer les composés intermétalliques, l’équilibre des paramètres est essentiel. |
Cuivre-Nickel |
★★★☆☆ |
Les paramètres sont orientés vers le soudage du cuivre pour garantir qu'une énergie suffisante est appliquée au nickel. |
Aluminium-Nickel |
★★★☆☆ |
Les paramètres sont orientés vers le soudage du nickel ; des précautions doivent être prises pour éviter une soudure excessive du côté en aluminium. |
