Assemblage de l'aluminium par soudage par ultrasons
L'aluminium est de plus en plus utilisé dans les réseaux électriques embarqués et d'autres applications électriques, notamment lorsque le poids, l'encombrement et les coûts jouent un rôle important. Parallèlement, la mise en contact de l'aluminium impose des exigences plus élevées au processus d'assemblage que l'assemblage du cuivre.
Le soudage par ultrasons constitue une solution possible. Ce procédé consiste à assembler des matériaux métalliques sous l'effet d'une force de pression et d'oscillations mécaniques à haute fréquence. Il ne nécessite pas la fusion complète des pièces à assembler. Avec des combinaisons de matériaux et des conditions de procédé adaptées, il est ainsi possible de réaliser des assemblages électriques et mécaniques reproductibles. [4][5]
Cependant, le procédé de soudage n'est pas le seul facteur déterminant. La combinaison des matériaux, la section des conducteurs, la géométrie, l'état de surface, la sonotrode, l'enclume et les paramètres du procédé doivent être harmonisés entre eux et validés pour l'application concernée.
L'aluminium dans le réseau électrique embarqué : pourquoi ce matériau est-il intéressant ?
L'aluminium a une densité nettement inférieure à celle du cuivre. La densité des alliages d'aluminium est généralement d'environ 2,7 g/cm³, tandis que celle du cuivre est d'environ 8,9 g/cm³. [1][2]
En ce qui concerne les câbles électriques, cela signifie que l'aluminium peut permettre un gain de poids significatif si la section du conducteur est dimensionnée en conséquence. En revanche, l'aluminium présente une conductivité électrique inférieure à celle du cuivre, ce qui peut nécessiter une section de conducteur plus importante pour une même application, selon le cas. [1][2][3]
L'aluminium ne constitue donc pas systématiquement un substitut au cuivre. Le choix du matériau approprié dépend plutôt des exigences électriques, mécaniques, thermiques et constructives de l'application concernée.
Quels sont les défis posés par l'aluminium en matière de connexion ?
Couche d'oxyde à la surface
Au contact de l'air, l'aluminium forme très rapidement une fine couche d'oxyde. Cette surface présente des propriétés électriques et mécaniques nettement différentes de celles du métal sous-jacent.
Dans le cas d'une connexion électrique, il faut donc s'assurer qu'une liaison métallique suffisamment résistante soit établie au niveau de la zone d'assemblage.
Lors du soudage par ultrasons, le mouvement oscillatoire et la force de pression favorisent la déformation plastique des surfaces de contact. Des études menées sur des assemblages Al-Cu montrent que la couche d'oxyde peut ainsi être brisée et répartie dans la zone d'assemblage. Elle n'est donc pas simplement „ éliminée “ complètement, mais son influence sur la formation du contact est réduite par la déformation locale et le mouvement du matériau. [4][5]
Propriétés mécaniques
L'aluminium est relativement tendre et présente des propriétés mécaniques différentes de celles du cuivre. C'est pourquoi la force, l'amplitude et la durée du processus doivent être adaptées à la combinaison de matériaux concernée.
Une énergie de traitement trop faible peut entraîner une surface de contact insuffisante. À l'inverse, une contrainte mécanique trop élevée peut déformer inutilement le conducteur ou la zone de jonction.
Corrosion par contact entre l'aluminium et le cuivre
Lorsque l'aluminium et le cuivre sont assemblés directement entre eux, il faut également tenir compte des différences de comportement électrochimique entre ces deux matériaux.
Dans certaines conditions, une corrosion galvanique peut se produire. Le risque dépend notamment de l'humidité, de l'électrolyte, de la géométrie, de l'état de la surface et de la combinaison spécifique des matériaux.
C'est pourquoi un alliage Cu-Al ne doit pas être évalué uniquement sur la base de sa conductivité électrique initiale. Pour les applications présentant des exigences élevées, il convient également de prendre en compte le comportement à long terme, les conditions environnementales et les mesures de protection appropriées.
Comment fonctionne le soudage par ultrasons de l'aluminium ?
Le soudage par ultrasons des métaux est un procédé d'assemblage à l'état solide. Les pièces à assembler sont mises en contact sous une force de pression définie et, simultanément, déplacées l'une par rapport à l'autre sous l'effet d'une vibration mécanique à haute fréquence. [4][5]
Pour simplifier, on peut décomposer ce processus en plusieurs étapes :
1. Les pièces à traiter sont placées entre la sonotrode et l'enclume.
2. Une force de pression définie assure le contact entre les pièces à assembler.
3. La sonotrode génère une vibration mécanique parallèle à la surface d'assemblage.
4. Les structures de surface se modifient sous l'effet d'une déformation plastique locale et d'un mouvement relatif.
5. Les couches d'oxyde et les impuretés peuvent se fissurer et se disperser au niveau de la zone d'assemblage.
6. Des zones de contact métalliques de plus en plus étendues se forment, aboutissant finalement à une liaison résistante. [4][5]
7. Le déroulement précis de l'assemblage dépend fortement du matériau, de la géométrie et des paramètres du procédé. C'est pourquoi ce principe ne doit pas être considéré comme un processus universel identique pour toutes les applications.
Le soudage par ultrasons comparé aux procédés d'assemblage thermiques
Une différence essentielle par rapport aux procédés classiques de soudage par fusion réside dans le fait que, lors du soudage par ultrasons, il n'est pas nécessaire de faire fondre complètement les matériaux de base.
Ce procédé permet notamment d'assembler des composants métalliques minces, des torons, des feuilles et des conducteurs avec une contrainte thermique relativement faible. Des études menées sur des assemblages Al-Cu montrent en outre une déformation plastique locale marquée et un déplacement du matériau dans la zone d'assemblage. [4][5]
Cela ne signifie toutefois pas que le soudage par ultrasons soit automatiquement la meilleure solution pour toutes les applications. Il convient d'évaluer son adéquation en fonction des matériaux, des géométries, des exigences et des objectifs du processus concernés.
| critère | Soudage par ultrasons | Soudage thermique |
| apport de chaleur | localisé | souvent plus élevé |
| Faire fondre | pas nécessaire | selon la procédure, cela peut être nécessaire |
| durée du processus | souvent en abrégé | selon la procédure |
| Combinaisons de matériaux | différents métaux sont également possibles | dépend fortement de la procédure |
| déformation | local | en fonction de l'apport thermique |
| Surveillance des processus | facilement réalisable grâce aux paramètres de processus | selon la procédure |
Soudage par ultrasons de l'aluminium et du cuivre
La combinaison de l'aluminium et du cuivre présente un intérêt particulier. Elle peut notamment s'avérer utile lorsque des conducteurs en aluminium doivent être raccordés à des composants de connexion en cuivre.
Les assemblages Al-Cu sont toutefois plus complexes sur le plan technique que les assemblages de matériaux identiques. L'une des raisons tient à la formation potentielle de phases intermétalliques à l'interface.
Des études scientifiques montrent que le soudage par ultrasons de l'aluminium et du cuivre permet, dans des conditions appropriées, de former un composé métallique. Parallèlement, des composés intermétalliques, notamment l'Al₂Cu, ont été observés à l'interface dans certaines conditions de procédé. [4][5][6][7]
Les durées de traitement courtes et la contrainte thermique relativement limitée permettent d'influencer l'ampleur de la formation de phases intermétalliques. La formation ou non de telles phases, ainsi que leur ampleur, dépendent toutefois des conditions de traitement concrètes et doivent être étudiées pour chaque application. [6][7]
Quels sont les avantages du soudage par ultrasons ?
Dans certaines applications, le soudage par ultrasons de l'aluminium peut présenter les avantages suivants :
- faible contrainte thermique sur les pièces à assembler
- il n'est pas nécessaire de faire fondre complètement le matériau
- des délais de traitement courts sont possibles
- adapté à différents matériaux métalliques
- bonne capacité d'automatisation
- Possibilité de surveillance continue du processus
- liaison reproductible dans une fenêtre de processus stable
Dans le cas des conducteurs électriques notamment, la résistance de contact électrique constitue un paramètre de qualité important, au même titre que la résistance mécanique.
Où se situent les limites ?
Le soudage par ultrasons n'est pas un procédé universel applicable à tous les assemblages en aluminium.
La qualité de connexion obtenue dépend, entre autres, des facteurs suivants :
- Alliage d'aluminium et matériau à base de cuivre
- Section et géométrie des conducteurs
- Nombre et structure des brins
- état de surface
- force de pression
- amplitude des vibrations
- Énergie de processus
- Durée de la procédure
- Géométrie des sonotrodes et des enclumes
- Serrage et positionnement
En particulier lorsque les matériaux sont différents, la fenêtre de processus doit être déterminée de manière expérimentale, puis validée.
Quels sont les paramètres de processus déterminants ?
Dans le domaine du soudage par ultrasons, plusieurs paramètres sont interdépendants.
Amplitude
L'amplitude décrit le mouvement oscillatoire mécanique de la sonotrode. Une augmentation de l'amplitude peut renforcer le mouvement relatif et la déformation plastique dans la zone d'assemblage.
Elle ne doit toutefois pas être considérée isolément. Une amplitude élevée n'est pas automatiquement préférable, car elle peut également entraîner une augmentation de la déformation du matériau et de la sollicitation de l'outil.
force de pression
La force de pression établit le contact entre les pièces à assembler et influe sur les conditions de frottement et de déformation.
Une force trop faible peut favoriser une prise de contact insuffisante. Une force trop élevée peut en revanche entraîner une déformation excessive.
Durée de la procédure
À mesure que la durée du processus augmente, la surface de contact et la microstructure locale évoluent. Des études menées sur des assemblages Al-Cu montrent par exemple qu'une durée de soudage plus longue peut influencer la formation et le développement de la zone d'assemblage. [3][6]
Un temps de soudage aussi long que possible n'est donc pas forcément optimal. Ce qui est déterminant, c'est la stabilité du processus dans une plage de paramètres appropriée.
Énergie
L'énergie injectée peut servir d'indicateur supplémentaire du processus. Dans les installations automatisées, il est par exemple possible de surveiller et d'enregistrer le temps, la puissance, l'énergie et d'autres signaux liés au processus.
Contrôle des processus et assurance qualité
Dans la fabrication industrielle, il ne suffit pas de réaliser avec succès une seule soudure. Ce qui est déterminant, c'est la reproductibilité du processus.
En fonction de l'installation et de l'application, il est par exemple possible de surveiller les paramètres suivants :
- temps de soudage
- Amplitude
- Force
- Énergie
- Prestations
- Signaux de générateur et de processus
- courbes caractéristiques du processus
La surveillance de paramètres de processus appropriés permet de détecter les écarts à un stade précoce et d'écarter les composants présentant des anomalies.
Les paramètres à surveiller dépendent de la machine utilisée et des exigences de qualité du produit concerné.
Comment contrôle-t-on un assemblage par soudage par ultrasons ?
Une qualification solide doit prendre en compte plusieurs aspects.
Essais mécaniques
En fonction de la géométrie des composants, on recourt par exemple à des essais de traction, de cisaillement ou d'arrachement.
On vérifie ainsi quelle contrainte mécanique l'assemblage est capable de supporter et comment il cède.
Contrôle électrique
Dans le cas des conducteurs électriques, la résistance électrique de la connexion constitue un indicateur de qualité important.
Une résistance de contact faible et reproductible est particulièrement importante en cas de courants élevés, car les pertes de puissance supplémentaires peuvent entraîner un échauffement local.
Analyse métallographique
Dans le cadre des travaux de développement et de qualification, une coupe transversale peut fournir des informations supplémentaires sur la zone d'assemblage.
Cela permet notamment d'étudier, par exemple, la déformation, la zone de contact, le flux de matière et les phases intermétalliques éventuelles. Dans le cas particulier des assemblages Al-Cu, une telle analyse microstructurale peut fournir des informations importantes sur le processus d'assemblage réel. [4][6][7]
Sertissage ou soudage par ultrasons ?
Le sertissage et le soudage par ultrasons reposent sur des stratégies d'assemblage différentes et peuvent tous deux s'avérer pertinents selon l'application.
Lors du sertissage, la connexion est établie par une déformation mécanique définie du conducteur et du contact. Ce procédé est utilisé depuis de nombreuses années dans les réseaux électriques embarqués.
Dans le cas du soudage par ultrasons, en revanche, la liaison métallique est obtenue par vibration mécanique et pression.
Le choix du procédé le plus adapté dépend, entre autres, de la structure des conducteurs, de la géométrie des contacts, des exigences électriques, de l'encombrement, du concept de production et des besoins en matière de surveillance du processus.
C'est pourquoi le soudage par ultrasons ne doit pas être considéré de manière générale comme un substitut au sertissage. Dans certaines applications, il peut toutefois constituer une alternative ou un complément intéressant sur le plan technique.
Combien de temps dure le soudage par ultrasons ?
La durée du processus dépend du matériau, de la section, de la géométrie, du système de soudage et des paramètres réglés.
Des études scientifiques consacrées au soudage par ultrasons de l'aluminium et du cuivre ont, par exemple, porté sur des durées de processus inférieures à une seconde. [3][6]
Ces valeurs ne doivent toutefois pas être considérées comme des repères généraux applicables à toutes les applications industrielles. Pour un composé donné, la durée de traitement requise doit être déterminée et validée par voie expérimentale.
Une soudure par ultrasons est-elle étanche au gaz ou à l'eau ?
Selon la géométrie des pièces et la conception du procédé, un assemblage par soudage par ultrasons peut permettre d'obtenir un assemblage très étanche.
Lorsque l'étanchéité constitue une exigence technique, elle doit être vérifiée en fonction de la géométrie concrète du composant et du domaine d'application prévu, et être attestée selon une méthode d'essai appropriée.
Qu'est-ce qui est déterminant pour la production en série ?
Une composition qui fonctionne en laboratoire ne constitue pas pour autant un procédé prêt à être produit en série.
Avant la mise en série, il convient donc notamment de s'assurer des points suivants :
- combinaison de matériaux appropriée
- géométrie reproductible des composants
- outils adaptés
- fenêtre de processus stable
- résistance mécanique
- résistance électrique de contact
- Effets du vieillissement et des facteurs environnementaux
- corrosion éventuelle
- Surveillance des processus
- Concept de contrôle et de documentation
Il convient notamment, dans le cas des alliages Al-Cu, de tenir compte de la stabilité à long terme dans les conditions réelles d'utilisation.
Conclusion
Grâce à sa faible densité, l'aluminium offre des possibilités intéressantes pour alléger les câbles et composants électriques. Parallèlement, la couche d'oxyde, les propriétés mécaniques et – dans le cas des assemblages avec du cuivre – les différences de comportement électrochimique imposent des exigences particulières en matière de connexion.
Le soudage par ultrasons est un procédé d'assemblage à l'état solide qui permet d'assembler l'aluminium ainsi que différentes combinaisons de matériaux, comme l'aluminium et le cuivre. L'assemblage résulte de l'interaction entre la force de pression, les vibrations mécaniques, la déformation plastique et le contact entre les matériaux. [4][5]
Pour une application industrielle fiable, le procédé n'est toutefois pas le seul facteur déterminant. Seule la combinaison d'une technologie d'outillage adaptée, de paramètres de processus bien réglés, d'une surveillance des processus et d'un contrôle qualité reproductible permet d'obtenir un processus de production en série stable.
Dans le cas des alliages Al-Cu en particulier, il convient en outre de prendre en compte les phases intermétalliques éventuelles ainsi que le comportement à long terme, et de les valider par des essais appropriés. [6][7]
Soudage par ultrasons des conducteurs électriques
Magntek développe et fournit des solutions pour le soudage industriel par ultrasons. En fonction de l'application, l'accent est mis sur la conception du procédé de soudage, le choix des outils adaptés et un contrôle reproductible du procédé.
Vous souhaitez vérifier si votre assemblage en aluminium, en cuivre ou en alliage Al-Cu se prête au soudage par ultrasons ?
N'hésitez pas à contacter nos spécialistes pour leur exposer votre cas concret.
Sources
[1] The Aluminum Association : Désignations internationales des alliages / Fiches « Teal ».
[2] Copper Development Association : Guide du développement du cuivre – Propriétés physiques.
[3] Liu, J. ; Cao, B. ; Yang, J. : “ Texture et composés intermétalliques des assemblages hétérogènes Cu/Al réalisés par soudage par ultrasons à haute puissance ”. Journal of Manufacturing Processes, vol. 76, 2022, p. 34-45. DOI : 10.1016/j.jmapro.2022.02.001.
[4] Wu, X. ; Liu, T. ; Cai, W. : “ Microstructure, mécanisme de soudage et rupture des soudures par ultrasons Al/Cu ”. Journal of Manufacturing Processes, vol. 20, 2015, p. 321-331. DOI : 10.1016/j.jmapro.2015.06.002.
[5] Fujii, H. T. ; Endo, H. ; Sato, Y. S. ; Kokawa, H. : “ Évolution de la microstructure interfaciale et formation de la soudure lors du soudage par ultrasons d’un alliage d’aluminium sur du cuivre ”. Materials Characterization, vol. 139, 2018, pp. 233–240. DOI : 10.1016/j.matchar.2018.03.010.
[6] Liu, J. ; Cao, B. ; Yang, J. : “ Modélisation de la croissance des phases intermétalliques lors du soudage par ultrasons à haute puissance du cuivre et de l'aluminium ”. Journal of Manufacturing Processes, vol. 35, 2018, p. 595-603. DOI : 10.1016/j.jmapro.2018.09.008.
[7] “ Évolution de la microstructure et analyse des propriétés mécaniques dans le soudage ultrasonique de métaux dissemblables : de l'aluminium au cuivre ”. Journal of Materials Research and Technology, vol. 30, 2024, p. 2922-2935. DOI : 10.1016/j.jmrt.2024.04.037.