Réponse succincte
Dans des conditions appropriées, l'aluminium peut être assemblé par soudage par ultrasons pour former des conducteurs électriques et des connexions. Ce procédé fonctionne à l'état solide : les pièces à assembler sont reliées entre elles sous l'effet d'une force de soudage définie et d'oscillations mécaniques à haute fréquence. Ce processus permet de briser la couche d'oxyde à la surface de contact et de rendre la surface métallique accessible pour l'assemblage.
Contrairement aux procédés d'assemblage thermiques, les pièces à assembler ne subissent pas de fusion complète. Cela permet de limiter l'apport de chaleur dans la pièce. Pour les assemblages Cu-Al, ce procédé peut constituer une alternative pour les applications nécessitant un assemblage par liaison de matière reproductible entre des conducteurs en aluminium et en cuivre.
Cependant, ce n'est pas seulement le procédé de soudage qui est déterminant pour obtenir une connexion fiable, mais bien la combinaison du matériau, de la section du conducteur, de la géométrie, de la sonotrode, de l'enclume et des paramètres de procédé déterminés au cas par cas.
L'essentiel en bref
- Poids : L'aluminium a une densité nettement inférieure à celle du cuivre et peut ainsi contribuer à réduire le poids des câbles. En raison de sa conductivité électrique plus faible, une section de conducteur plus importante est généralement nécessaire pour obtenir une capacité de transport de courant comparable.
- Couche d'oxyde : L'aluminium forme une couche d'oxyde stable et peu conductrice d'électricité. Lors de la mise en contact, cette couche limite doit être franchie de manière contrôlée.
- Comportement au fluage : L'aluminium présente un comportement mécanique différent de celui du cuivre. Pour certaines conceptions de contacts, il faut donc tenir compte du comportement à long terme et de la force de contact.
- Composés Cu-Al : Lorsqu'on assemble directement du cuivre et de l'aluminium, il faut tenir compte non seulement des propriétés mécaniques et électriques, mais aussi de la corrosion et de la stabilité à long terme.
- Procédé en phase solide : Le soudage par ultrasons assemble les pièces à joindre sans les faire fondre complètement.
- Fenêtre de processus : L'amplitude, la force de soudage, l'énergie et la durée de soudage doivent être adaptées à la combinaison des matériaux, à la section transversale et à la géométrie, puis validées.
- Surveillance des processus : La surveillance des paramètres de processus appropriés permet une évaluation reproductible de chaque soudure.
Assemblage par soudage par ultrasons entre un conducteur en aluminium et une borne en cuivre – assemblage par liaison des matériaux, sans apport de matière.
Pourquoi l'industrie automobile passe-t-elle du cuivre à l'aluminium ?
Dans la construction automobile, et en particulier pour les câbles électriques, l'aluminium est de plus en plus considéré comme une alternative au cuivre. L'une des principales raisons est la densité nettement inférieure de l'aluminium.
L'aluminium a une densité d'environ 2,70 g/cm³, tandis que celle du cuivre est d'environ 8,96 g/cm³. Par ailleurs, la conductivité électrique de l'aluminium est inférieure. Pour obtenir une capacité de transport de courant électrique comparable, il faut donc prévoir une section de conducteur plus importante, en fonction de l'application.
Malgré sa section plus importante, un câble en aluminium peut permettre un gain de poids considérable par rapport à un câble en cuivre de section comparable. Ce facteur peut s'avérer particulièrement intéressant pour la conception de véhicules, notamment lorsque les longueurs de câbles sont importantes et que les sections sont élevées.
Outre le poids, le coût des matériaux, la disponibilité et l'électrification croissante du véhicule jouent également un rôle. À mesure que la puissance électrique augmente, les exigences en matière de fiabilité des techniques d'assemblage s'accroissent également.
La question ne se résume donc pas seulement à :
Comment utiliser l'aluminium comme conducteur ?
Mais aussi :
Comment assembler l'aluminium de manière durable et reproductible avec d'autres conducteurs et éléments de contact ?
Quelles sont les propriétés qui rendent l'aluminium difficile à utiliser pour la réalisation de connexions ?
L'aluminium se distingue du cuivre par plusieurs propriétés importantes pour les techniques d'assemblage. Parmi celles-ci, la couche d'oxyde naturelle, le comportement mécanique ainsi que l'interaction avec d'autres métaux dans certaines conditions environnementales revêtent une importance particulière.
1. La couche d'oxyde naturelle
L'aluminium réagit rapidement avec l'oxygène et forme à sa surface une couche d'oxyde stable. L'oxyde d'aluminium est un mauvais conducteur d'électricité et est nettement plus dur que le matériau de base.
En ce qui concerne une connexion électrique, cela signifie qu'il existe d'abord une couche limite non métallique entre les surfaces métalliques proprement dites.
Pour garantir un contact fiable, il faut donc agir de manière contrôlée sur cette interface. Dans les procédés d'assemblage mécaniques, la couche d'oxyde peut par exemple être rompue par déformation. La qualité de l'assemblage dépend de la manière dont l'interface évolue réellement au cours du processus d'assemblage.
2. Le comportement mécanique
L'aluminium présente un comportement à la déformation et à long terme différent de celui du cuivre. Dans le cas de connexions à précontrainte mécanique, il faut donc tenir compte de la température, des contraintes mécaniques, de la force de contact et de l'évolution à long terme de la connexion.
Cela s'avère particulièrement important dans les applications où une force de contact définie est requise pendant toute la durée de vie du produit.
3. Corrosion par contact entre métaux différents
Lorsque l'aluminium et le cuivre sont assemblés directement entre eux, il faut également tenir compte des conditions environnementales.
En présence d'humidité et d'un électrolyte approprié, des processus électrochimiques peuvent se produire entre différents métaux. C'est pourquoi un assemblage Cu-Al doit être évalué non seulement au regard de ses propriétés électriques et mécaniques, mais aussi en termes de résistance à la corrosion et de protection structurelle.
La conception concrète dépend de l'application, de l'environnement et des conditions de durée de vie requises.
Comment fonctionne le soudage par ultrasons de l'aluminium ?
Le soudage par ultrasons est un procédé d'assemblage à l'état solide. Contrairement à un procédé de soudage par fusion classique, les pièces à assembler ne sont pas entièrement fondues.
Pour simplifier, le processus de base peut être divisé en quatre étapes.
1. Serrage
Le conducteur en aluminium et l'élément de contact sont placés entre la sonotrode et l'enclume, puis fixés avec une force définie.
La géométrie de la pièce et la conception des outils ont une influence directe sur la transmission des forces et la qualité de l'assemblage.
2. Couplage de l'oscillation ultrasonore
La sonotrode transmet une vibration mécanique à haute fréquence à la pièce à usiner.
La fréquence et l'amplitude sont choisies en fonction de l'installation, de la conception de l'outil et de l'application concernées. Les fréquences ultrasoniques typiques des systèmes de soudage industriels se situent par exemple entre 20 et 40 kHz.
Les paramètres réellement adaptés doivent être déterminés en fonction de l'application concernée.
3. Rupture des couches superficielles
Le mouvement relatif contrôlé des pièces à assembler entraîne des interactions mécaniques au niveau de la surface de contact.
Ce processus entraîne la rupture des couches superficielles existantes et leur déplacement partiel hors de la zone de jonction proprement dite. Cela permet aux parties métalliques des éléments à assembler d'entrer en contact les unes avec les autres.
4. Mise en place de la connexion
Sous l'effet de la force de soudage et des vibrations ultrasoniques, il se forme une liaison par adhérence entre les pièces métalliques à assembler.
Comme ce procédé ne nécessite pas de fusion complète, il se distingue fondamentalement des procédés de soudage thermiques.
Le processus en quatre étapes : serrage, accouplement, rupture et assemblage.
Le soudage par ultrasons par rapport aux procédés d'assemblage thermiques
L'un des principaux avantages du soudage par ultrasons réside dans le fait que l'assemblage est réalisé à l'état solide.
| Caractéristique | Soudage par ultrasons | soudage par fusion |
| Principe de connexion | Assemblage à l'état solide | Liaison par fusion |
| Faire fondre | Non requis | Élément constitutif de la procédure |
| apport de chaleur | Relativement limité | Plus élevé, selon la procédure |
| matériau d'apport | Non requis | Possible ou obligatoire selon la procédure |
| gaz protecteur | En règle générale, ce n'est pas nécessaire | Requis selon la procédure |
| Composés de cuivre et d'aluminium | Utilisable pour des applications adaptées | Il faut tenir compte de la formation de phases liée à la température |
| Surveillance des processus | Les paramètres de processus peuvent être enregistrés pour chaque connexion | En fonction de la procédure concernée |
Dans le cas des composés Cu-Al, l'influence thermique revêt une importance particulière. À des températures élevées, des phases intermétalliques peuvent se former entre le cuivre et l'aluminium. Leur formation et leur nature dépendent notamment de la température et de la durée d'exposition.
Le soudage par ultrasons évite, grâce au procédé à l'état solide, la fusion complète des pièces à assembler. Pour une application concrète Cu-Al, l'assemblage doit néanmoins être validé expérimentalement et évalué en termes de durabilité à long terme.
Que faut-il prendre en compte dans le cas des assemblages mixtes cuivre-aluminium ?
Les composés Cu-Al présentent un intérêt particulier lorsqu'il s'agit de raccorder des conducteurs en aluminium à des composants en cuivre existants, à des bornes ou à d'autres éléments de contact.
Deux thèmes revêtent ici une importance particulière.
Phases intermétalliques
Des phases intermétalliques peuvent se former dans les assemblages Cu-Al soumis à des contraintes thermiques. Celles-ci peuvent influencer les propriétés mécaniques et électriques de la zone d'assemblage.
Le soudage par ultrasons s'effectue sans fusion complète et avec un apport thermique limité. La formation de l'assemblage se distingue ainsi des procédés d'assemblage thermiques.
Toutefois, seule la combinaison concrète des matériaux, la géométrie et les conditions d'exploitation permettent de se prononcer sur la durabilité réelle à long terme.
Corrosion
L'aluminium et le cuivre présentent des propriétés électrochimiques différentes. Dans un environnement humide, cela peut entraîner une corrosion de contact si la conception n'est pas adaptée.
C'est pourquoi le raccord doit être conçu en fonction de son utilisation ultérieure. Outre l'assemblage soudé proprement dit, des éléments tels que les boîtiers, les joints, les revêtements et la protection structurelle contre l'humidité peuvent également jouer un rôle.
Quels sont les avantages du soudage par ultrasons pour l'aluminium ?
Aucun métal d'apport ni flux n'est nécessaire
L'assemblage est réalisé grâce à des vibrations mécaniques ultrasoniques et à la force de soudage. Aucun matériau de brasage supplémentaire n'est nécessaire.
Faible impact thermique
Comme les pièces à assembler ne sont pas entièrement fondues, la contrainte thermique subie par la pièce peut être limitée par rapport aux procédés de soudage par fusion.
Durée de traitement réduite
Le soudage par ultrasons proprement dit s'effectue généralement en peu de temps. Le temps de cycle réel d'une ligne de production dépend toutefois également de l'alimentation, du positionnement, du serrage et du contrôle qualité.
Gestion reproductible des processus
La force de soudage, l'amplitude et d'autres paramètres du processus peuvent être réglés et surveillés de manière ciblée. Cela permet de définir une fenêtre de processus adaptée à chaque application.
Convient aux assemblages Cu-Al
Le soudage par ultrasons peut être utilisé pour certaines combinaisons d'aluminium et de cuivre. Il convient de vérifier si cette technique est adaptée en fonction du matériau, de la section, de la géométrie et des propriétés requises.
Quelles sont les limites de cette procédure ?
Le soudage par ultrasons n'est pas un procédé universel applicable à tous les assemblages en aluminium. Avant de faire son choix, il convient d'examiner l'application concrète et les contraintes de conception.
section du conducteur
La section maximale pouvant être usinée dépend de l'installation utilisée, de la conception de l'outil et de la combinaison de matériaux concernée.
Espace d'installation et accessibilité
La sonotrode et l'enclume doivent pouvoir atteindre correctement la pièce à assembler. Lorsque les points d'assemblage sont très exigus ou difficiles d'accès en raison de leur configuration, une autre technologie d'assemblage peut s'avérer plus adaptée.
état de surface
Les huiles, graisses, agents de démoulage et autres impuretés peuvent influencer le comportement du matériau au cours du processus. C'est pourquoi l'état du matériau, son stockage et sa propreté doivent être clairement définis.
Combinaison de matériaux
Une fenêtre de processus développée pour le Cu-Cu ne peut pas être transposée telle quelle à l'Al-Al ou au Cu-Al.
Chaque combinaison de matériaux et chaque géométrie pertinente doit donc être étudiée et validée séparément.
Conception d'outils
La sonotrode et l'enclume doivent être adaptées à la section du conducteur, au matériau, à la géométrie et à la surface de soudage souhaitée.
Une géométrie d'outil inadaptée peut nuire à la transmission de la force et, par conséquent, à la qualité de l'assemblage.
Quels sont les paramètres de processus qui déterminent la qualité de la liaison ?
Les principaux facteurs influant sur le soudage par ultrasons de l'aluminium sont notamment :
- Amplitude
- Force de soudage
- Énergie de soudage
- temps de soudage
- Matériau et état du matériau
- section du conducteur
- surface de soudage
- Géométrie de l'outil
- état de surface
- Positionnement des pièces à assembler
Ces paramètres n'agissent pas indépendamment les uns des autres.
Une amplitude plus élevée n'entraîne pas, par exemple, automatiquement une meilleure liaison. Une énergie de processus trop faible peut entraîner une liaison insuffisante, tandis qu'une contrainte mécanique trop élevée peut endommager la pièce ou l'outil.
L'objectif n'est donc pas d'obtenir une valeur maximale pour ce paramètre, mais plutôt un une fenêtre de processus stable et suffisamment large.
Amplitude
L'amplitude détermine le mouvement relatif au niveau de la surface de jonction.
Si l'amplitude est trop faible, il se peut que la liaison souhaitée ne soit pas suffisamment solide. À l'inverse, une amplitude trop élevée peut entraîner une contrainte excessive à la surface, une déformation ou une usure de l'outil.
Force de soudage
La force de soudage maintient les pièces à assembler en contact pendant le processus et influe sur la transmission de la force.
Si la force est trop faible, l'assemblage risque de devenir instable. Si elle est trop élevée, la pièce et l'outil risquent d'être soumis à des contraintes mécaniques excessives.
Énergie
L'énergie apportée correspond à l'apport d'énergie pendant le processus de soudage.
L'énergie optimale dépend du matériau, de la section transversale, de la surface de soudure et d'autres paramètres du procédé.
temps de soudage
Le temps de soudage, associé à l'amplitude et à d'autres paramètres, détermine la durée de l'apport d'énergie mécanique.
Il n'est donc pas pertinent de fixer un temps de soudage forfaitaire pour des sections de conducteurs et des combinaisons de matériaux différentes.
Pourquoi la surveillance des processus est-elle importante ?
Pour les connexions électriques ayant une incidence sur la sécurité et le bon fonctionnement, un simple contrôle visuel ne suffit souvent pas.
Une installation moderne de soudage par ultrasons permet de mesurer les paramètres de processus pertinents au cours de chaque soudage. En fonction de la configuration de l'installation, il est par exemple possible d'analyser l'énergie, la puissance, la course ou d'autres données de processus.
Cela permet de détecter les écarts par rapport à la fenêtre de processus définie et d'évaluer chaque connexion en conséquence.
Pour une application en série, il ne suffit donc pas de démontrer la qualité d'un seul point de soudure. Ce qui est déterminant, c'est la capacité du procédé à fournir des résultats reproductibles sur un grand nombre d'assemblages.
Comment vérifier la qualité de la connexion ?
Pour la qualification d'un assemblage en aluminium, différentes méthodes d'essai peuvent être combinées entre elles.
Essai de traction par cisaillement
Lors de l'essai de traction-cisaillement, l'assemblage est soumis à une contrainte mécanique jusqu'à la rupture.
Outre la résistance atteinte, le mode de rupture est particulièrement pertinent. En fonction de la conception et de l’objectif de l’essai, il est par exemple possible de déterminer si la rupture se produit en dehors de la zone de jonction proprement dite ou au sein même de la zone de soudure.
Les forces d'essai et les conditions d'essai concrètes doivent être définies en fonction de l'application concernée.
Résistance électrique
La résistance électrique de la connexion peut être utilisée pour évaluer ses propriétés électriques.
Pour obtenir des mesures précises, on peut recourir à la méthode à quatre fils. Outre la valeur absolue de la mesure, c'est notamment la dispersion au sein d'une série qui présente un intérêt particulier.
De plus, pour les applications exigeantes, il convient de vérifier comment la résistance évolue après des essais de température ou de vieillissement définis.
coupe transversale
Une coupe transversale métallographique permet d'examiner la zone de jonction interne.
Cela permet notamment d'évaluer, par exemple, la densité, l'interface et d'éventuelles anomalies au sein de la section transversale.
La coupe transversale étant un essai destructif, elle est généralement utilisée dans le cadre de l'échantillonnage initial, du développement des procédés et des contrôles par échantillonnage.
Assemblage de l'aluminium : sertissage ou soudage par ultrasons ?
Le choix du procédé dépend de l'application concernée.
Le sertissage est un procédé d'assemblage mécanique bien établi, utilisé dans de nombreux domaines de la confection de câbles. Dans le cas de l'aluminium, il convient toutefois de tenir compte des propriétés spécifiques du matériau et de la stabilité à long terme des connexions.
Le soudage par ultrasons, en revanche, permet d'obtenir une liaison par adhérence à l'état solide et peut constituer une alternative intéressante, notamment lorsque les sections et les géométries des conducteurs sont adaptées.
Le choix ne doit donc pas être fait de manière générale en fonction du matériau. Les critères déterminants sont notamment les suivants :
- section du conducteur
- Combinaison de matériaux
- Géométrie
- exigences électriques
- exigences mécaniques
- Conditions environnementales
- durée de vie requise
- volume de production
- Exigences en matière de qualité et de contrôle
Peut-on souder l'aluminium et le cuivre par ultrasons ?
Oui. L'aluminium et le cuivre peuvent être soudés par ultrasons dans des conditions de traitement appropriées.
Ce procédé assemble les pièces à assembler à l'état solide et évite la fusion complète des matériaux. Cela permet de limiter l'impact thermique par rapport aux procédés de fusion.
Pour une application concrète du Cu-Al, il faut toutefois tenir compte de la combinaison des matériaux, des sections des conducteurs, de la surface de soudage, de la géométrie des outils et des conditions de fonctionnement.
Une validation appropriée est nécessaire, en particulier pour les applications présentant des exigences élevées en matière de durée de vie, de résistance à la température ou de résistance à la corrosion.
Combien de temps dure un processus de soudage par ultrasons ?
Le soudage par ultrasons proprement dit se déroule généralement en quelques millisecondes.
Le temps de cycle total d'une installation de production ne doit toutefois pas être assimilé au temps de soudage proprement dit.
En outre, les étapes suivantes peuvent par exemple s'avérer nécessaires :
- Positionnement de l'échelle
- Mise en place de l'élément de contact
- Serrage
- Soudage par ultrasons
- Analyse des processus
- Ouverture de l'outil
- Prélèvement ou transport ultérieur
Le temps de cycle réalisable doit donc toujours être évalué en fonction de la configuration complète de l'installation.
Une soudure par ultrasons est-elle étanche au gaz ou à l'eau ?
Le procédé de soudage par ultrasons utilisé ne permet pas à lui seul de garantir l'étanchéité au gaz ou à l'eau.
Le fait qu'un assemblage réponde aux exigences d'étanchéité dépend, entre autres, du matériau, de la géométrie, de la surface de soudure et des conditions de soudage.
Lorsque l'étanchéité constitue une exigence fonctionnelle, elle doit être vérifiée au moyen d'un essai d'étanchéité approprié.
Que faut-il vérifier avant de lancer une production en série ?
Avant de lancer la production en série d'un nouvel alliage d'aluminium ou de cuivre-aluminium, il est recommandé de procéder à une qualification structurée du processus.
Il s'agit par exemple :
- Définition de l'appariement des matériaux
- Détermination des sections des conducteurs
- Définition de la géométrie de soudage
- Choix de la sonotrode et de l'enclume
- Détermination d'une fenêtre de processus appropriée
- Étude de la résistance mécanique
- Mesure de la résistance électrique
- Examen de la coupe transversale
- Essais de température et de vieillissement, le cas échéant
- Définition des limites du processus
- Définition des critères de qualité
- Documentation des résultats
Ce n'est qu'une fois les exigences de l'application concernée validées qu'il convient de définir la fenêtre de processus pour la production en série.
Conclusion : l'aluminium nécessite une technique d'assemblage adaptée
L'utilisation de l'aluminium dans le réseau électrique embarqué offre des possibilités intéressantes de réduction du poids, notamment grâce à la faible densité de ce matériau.
Dans le même temps, l'aluminium impose des exigences plus strictes en matière de connexion. La couche d'oxyde naturelle, le comportement mécanique et les exigences particulières liées aux assemblages Cu-Al doivent être pris en compte lors de la conception et du développement des procédés.
Le soudage par ultrasons offre à cet effet un procédé à l'état solide, sans apport de matière d'apport et sans fusion complète des pièces à assembler. Pour certains alliages d'aluminium, de cuivre et de cuivre-aluminium, ce procédé peut constituer une technique d'assemblage reproductible.
Ce qui est toutefois toujours déterminant, c'est l'application concrète. L'amplitude, la force de soudage, l'énergie, le temps, la géométrie de l'outil et le matériau doivent être pris en compte conjointement et validés par des essais.
Des solutions adaptées proposées par Magntek
Pour les applications dans le domaine des conducteurs en aluminium et en cuivre, Magntek propose des systèmes de soudage par ultrasons adaptés à différentes sections de conducteurs et à différents concepts d'assemblage.
Selon l'application, les composés suivants, entre autres, peuvent être analysés :
- Câble à câble
- Câble-à-borne
- De terminal à terminal
- Conducteurs en aluminium et en cuivre
- Transitions Cu-Al
- conducteur tressé
- Connexions de barres omnibus
Le choix de l'équipement et des outils adaptés dépend de la section du conducteur, du matériau, de la géométrie, de la surface à souder et des paramètres de processus requis.
Testez votre application avec des pièces d'origine
Pour obtenir une évaluation fiable, nous vous recommandons de réaliser des essais de soudage avec vos conducteurs et éléments de contact d'origine.
Cela permet de déterminer les paramètres de procédé appropriés, puis d'analyser les propriétés mécaniques et électriques de l'assemblage.
Vous souhaitez souder par ultrasons des conducteurs en aluminium ou des assemblages cuivre-aluminium ?
N'hésitez pas à nous contacter pour un essai personnalisé de votre application et des conseils techniques.
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09/11/2026 · Savoir-faire · Rédaction : Magntek Electronics GmbH
Mis à jour le 9 novembre 2026