Soudage par ultrasons des câbles – des assemblages précis pour le cuivre, l'aluminium et les applications haute tension
Les conducteurs électriques doivent être assemblés de manière fiable et reproductible dans les faisceaux de câbles, les véhicules, les systèmes de batteries et de nombreuses applications industrielles. Face aux exigences croissantes en matière de performances électriques, d'encombrement et de sécurité des processus, le soudage par ultrasons des câbles prend de plus en plus d'importance.
Le soudage par ultrasons des métaux consiste à assembler des conducteurs sous l'effet d'une force définie et d'oscillations mécaniques à haute fréquence. Ce procédé ne nécessite ni étain ni flux et permet, selon l'application, de réaliser des assemblages entre du cuivre, de l'aluminium et d'autres composants métalliques compatibles.
Ce procédé est particulièrement intéressant pour les connexions câble-câble, câble-terminal et autres connexions électriques nécessitant une liaison métallique reproductible dans un espace restreint.
Comment fonctionne le soudage par ultrasons des câbles ?
Le soudage par ultrasons des métaux est un procédé d'assemblage à l'état solide. Les conducteurs à assembler sont d'abord positionnés à l'endroit prévu, entre la sonotrode et l'enclume.
Une force définie est ensuite appliquée. Parallèlement, la sonotrode transmet des vibrations mécaniques à haute fréquence à la zone d'assemblage.
Le mouvement relatif des pièces à assembler sous pression entraîne une activation mécanique des surfaces dans la zone d'assemblage. Les couches d'oxyde et les impuretés de surface peuvent ainsi être brisées ou chassées, ce qui permet la formation d'une liaison métallique.
Dans ce procédé, les pièces à assembler ne sont pas entièrement fondues. L'assemblage s'effectue plutôt à l'état solide grâce à l'interaction entre la pression, les vibrations, le mouvement relatif et un contrôle approprié du processus.
Les paramètres nécessaires à une connexion stable dépendent du matériau, de la section du conducteur, de la structure du conducteur, de la géométrie de l'assemblage et de la conception de l'outil.
Le processus en quatre étapes
1. Positionner l'échelle
Dans un premier temps, les conducteurs à raccorder sont positionnés conformément à la géométrie d'assemblage prévue.
Un positionnement précis et reproductible est particulièrement important dans les processus de fabrication automatisés. Même de légers écarts au niveau du chevauchement, de l'orientation ou du serrage peuvent avoir une incidence sur la surface d'assemblage effective.
2. Appliquer la force de soudage
Les pièces à assembler sont serrées entre les composants de l'outil avec une force définie.
La force nécessaire n'est pas la même pour toutes les applications. Elle dépend notamment du matériau, de la section du conducteur, de la structure du conducteur, de la surface d'assemblage et de la géométrie de l'outil.
3. Générer des vibrations ultrasoniques
Pendant que la force de soudage est appliquée, l'oscillation mécanique ultrasonique est transmise à la zone d'assemblage.
Selon le système de soudage, les paramètres suivants, entre autres, peuvent être pertinents pour le pilotage et la surveillance du processus :
- Force de soudage
- Amplitude
- temps de soudage
- Énergie
- Prestations
- Chemin ou compactage
- Courbes de processus
L'objectif est d'obtenir un état de processus reproductible dans lequel une liaison métallique suffisante se forme sans exercer de contrainte inutile sur les conducteurs.
4. Fin du processus et évaluation de la qualité
Une fois les conditions de processus définies atteintes, l'oscillation ultrasonique est interrompue et la liaison est déchargée.
Les systèmes modernes de soudage par ultrasons peuvent enregistrer les données collectées pendant le processus et les utiliser pour le contrôle de celui-ci. En fonction de la politique qualité, des contrôles mécaniques, électriques ou métallographiques peuvent également être effectués.
Cela permet de suivre systématiquement le développement du procédé, depuis le premier essai de soudage jusqu'à la production en série.
Quels matériaux peuvent être soudés par ultrasons ?
Le soudage par ultrasons est notamment utilisé pour les conducteurs électriques en cuivre et en aluminium. En fonction de la conception, différentes structures de conducteurs, sections et combinaisons d'assemblages sont possibles.
Cuivre
Le cuivre possède une très bonne conductivité électrique et constitue donc un matériau essentiel pour les conducteurs électriques et les faisceaux de câbles.
Le soudage par ultrasons peut être utilisé, par exemple, pour les torons, les faisceaux de conducteurs, les câbles et les bornes adaptées. Les facteurs déterminants ne sont pas seulement le cuivre utilisé, mais aussi la section des conducteurs, la structure des torons, la surface d'assemblage et la géométrie de l'outil.
aluminium
L'aluminium convient également à certaines applications de soudage par ultrasons.
C'est précisément dans le cas de l'aluminium que la couche d'oxyde naturelle joue un rôle important. Le contrôle du processus doit donc être conçu de manière à obtenir un composé métallique stable dans la fenêtre de processus prévue.
Les conducteurs en aluminium peuvent être raccordés, selon l'application, à d'autres composants en aluminium ou à des bornes adaptées.
Assembler le cuivre et l'aluminium
L'assemblage de matériaux différents, tels que le cuivre et l'aluminium, pose des exigences particulières.
Les différences de propriétés des matériaux, la couche d'oxyde de l'aluminium et la formation éventuelle de phases intermétalliques doivent être prises en compte lors du développement du procédé. Le Fraunhofer IWM décrit également ces aspects comme des défis techniques liés aux alliages Cu-Al.
Le soudage par ultrasons constitue une technologie d'assemblage intéressante pour ce type d'applications. Il convient toutefois de toujours vérifier son adéquation concrète en fonction des matériaux, de la géométrie et des exigences réels.
Pourquoi le soudage par ultrasons est-il intéressant pour les raccords de câbles ?
Pas de soudure ni de flux supplémentaires
Ce procédé ne nécessite ni étain à souder ni flux pour la liaison métallique proprement dite. Il est ainsi possible de réaliser ce processus sans matériaux d'apport supplémentaires.
Faible contrainte thermique
Comme les pièces à assembler ne sont pas entièrement fondues, ce procédé se distingue fondamentalement des procédés classiques de soudage par fusion. Cela peut s'avérer particulièrement intéressant dans le cas des conducteurs électriques et des composants sensibles à la température.
Assemblage métallique compact
La connexion s'établit directement dans la zone d'assemblage prévue à cet effet. Cela permet de réaliser des connexions électriques compactes, par exemple dans le cadre d'applications « câble-à-câble » ou « câble-à-borne ».
Convient à différents matériaux de conducteurs
En fonction de la configuration de la machine et de l'outil, il est possible d'usiner des conducteurs en cuivre et en aluminium, ainsi que différentes combinaisons de raccordements.
Les données de processus peuvent être surveillées
Les systèmes de soudage par ultrasons industriels permettent de mesurer et de documenter les paramètres de processus pertinents. Le processus de soudage peut ainsi être conçu et contrôlé de manière reproductible pour la production en série.
Quels sont les facteurs qui déterminent la qualité du soudage ?
Une liaison ultrasonique stable ne résulte pas d'un seul paramètre. Ce qui est déterminant, c'est l'interaction entre le matériau, la géométrie, l'outil et le contrôle du processus.
Parmi les principaux facteurs d'influence, on peut citer :
- Matériau et combinaison de matériaux
- section du conducteur
- Structure du conducteur et géométrie des brins
- Surface d'assemblage
- Géométrie des sonotrodes et des enclumes
- Force de soudage
- Amplitude
- temps de soudage
- Énergie ou puissance
- Compactage et chemin
- Surveillance des processus
- Concept de contrôle et de qualité
C'est pourquoi les paramètres de soudage ne doivent pas être simplement transposés d'une structure de câble existante à une autre.
Pour les nouvelles combinaisons de matériaux ou de sections, il est judicieux de déterminer dans un premier temps une fenêtre de processus adaptée à partir de composants réels, puis de la valider à l'aide d'essais définis.
De la première épreuve de soudage à la production en série
Une application réussie des ultrasons ne commence pas seulement par le choix d'une machine. Ce qui est déterminant, c'est tout d'abord la description précise de l'assemblage final.
1. Déterminer le matériau et la géométrie du conducteur
Quels sont les matériaux à assembler ? Quelle est la section des conducteurs ? S'agit-il de conducteurs individuels, de torons, de faisceaux de conducteurs, de conducteurs tressés ou de bornes ?
2. Définir la géométrie d'assemblage
Comment les conducteurs doivent-ils être raccordés entre eux ? S'agit-il d'une connexion câble-à-câble, câble-à-borne ou d'une connexion entre bornes ?
La géométrie détermine en grande partie le choix de la sonotrode, de l'enclume et du dispositif.
3. Déterminer les fenêtres de processus
À partir de composants réels, on détermine les valeurs appropriées pour l'amplitude, la force, l'énergie et le temps.
Il ne faut pas se limiter à un seul critère cible. Ce qui est déterminant, c'est une plage de fonctionnement stable dans laquelle la qualité de liaison requise est atteinte de manière reproductible.
4. Vérifier la connexion et consigner le processus
Selon l'application, des essais de traction, des mesures de résistance électrique, des analyses métallographiques ou d'autres essais spécifiques au client peuvent par exemple s'avérer nécessaires.
Parallèlement, les données de processus peuvent être documentées afin de garantir la traçabilité de la production en série.
Applications typiques du soudage par ultrasons
Le soudage par ultrasons peut être utilisé pour différentes opérations d'assemblage électrique, par exemple :
- Connexions de faisceaux de câbles et de conducteurs
- Connexions câble à câble
- Connexions câble-borne
- Connexions de conducteurs tressés
- Connexions par barres omnibus et cosses
- Connexions dans le domaine de la mobilité électrique
- Applications dans les systèmes de batteries
- électronique de puissance
- FPC et autres composés métalliques
C'est précisément dans le domaine de la mobilité électrique et des applications haute tension que l'importance de connexions fiables pour les grandes sections de conducteurs et les différentes combinaisons de matériaux ne cesse de croître.
L'adéquation technique concrète dépend toutefois toujours de l'application concernée.
Quelle machine de soudage par ultrasons à câble convient à mon application ?
Avec la série KS, Magntek propose différentes machines de soudage de câbles par ultrasons adaptées à diverses sections de conducteurs et à différents concepts d'assemblage.
KSK – pour les petits conducteurs et les connexions de bornes
Le KSK a été conçu pour réaliser des connexions précises entre des conducteurs de petite section et des cosses. Il convient aux conducteurs en cuivre et en aluminium, ainsi qu'à différents types de cosses standard.
La section des conducteurs en cuivre peut atteindre 25 mm². La machine fonctionne à une fréquence de 20 kHz et prend en charge les modes « temps » et « énergie ». Une alimentation manuelle ou automatisée est possible.
KSM – raccords compacts
Le KSM est conçu pour les raccordements de câbles compacts dans des domaines tels que l'électronique, l'automobile et l'électrotechnique.
Selon l'application, il est notamment possible de réaliser des connexions cuivre-cuivre et cuivre-aluminium, ainsi que des connexions entre un fil simple et un câble multifilaire, entre des conducteurs tressés et entre des conducteurs étamés.
KSS – pour les sections de conducteurs moyennes
La KSS est conçue pour le soudage en série de faisceaux de câbles de section moyenne et de bornes.
Elle permet notamment de réaliser des connexions entre des conducteurs en cuivre et en aluminium et des bornes, des connexions de conducteurs tressés ainsi que des cosses de barres omnibus. La plage indiquée pour les conducteurs en cuivre est comprise entre 16 et 70 mm². Des systèmes d'alimentation automatique des câbles et des bornes peuvent être intégrés.
KSG – pour les conducteurs de grande section et les câbles haute tension
Le KSG est conçu pour les faisceaux de câbles de grande section et les applications haute tension exigeantes.
Les applications possibles comprennent les connexions câble-à-câble, câble-à-borne et borne-à-borne, ainsi que les soudures de grande surface sur des composants en cuivre et en aluminium. Magntek indique une plage de 95/120 mm² pour les conducteurs en cuivre et jusqu'à 160 mm² pour les conducteurs en aluminium.
La série KS répond ainsi à des besoins variés, allant des petites connexions de bornes aux conducteurs haute tension de grande section.
Vous ne savez pas quelle machine convient à votre application ?
Magntek peut vous aider à faire votre choix en fonction du matériau, de la section du conducteur, de la géométrie de la connexion et des exigences de production.
Machines à souder les câbles par ultrasons Magntek
FAQ : Questions fréquentes sur le soudage par ultrasons des câbles
Peut-on souder des câbles en cuivre par ultrasons ?
Oui. Le cuivre fait partie des matériaux les plus importants pour les applications de soudage par ultrasons des métaux. En fonction de la section du conducteur, de sa structure et du type de connexion, il est possible de réaliser différentes géométries de câbles et de bornes.
Peut-on souder par ultrasons des câbles en aluminium ?
Oui. L'aluminium peut être utilisé pour certaines applications de soudage par ultrasons. Les paramètres du procédé et les outils doivent toutefois être adaptés au matériau, à la section et à la géométrie.
Peut-on assembler le cuivre et l'aluminium ?
Oui, certains composés Cu-Al peuvent être fabriqués par soudage par ultrasons. En raison des différences de propriétés des matériaux et des exigences en matière de stabilité à long terme, chaque combinaison de matériaux doit faire l'objet d'une validation spécifique.
Le soudage par ultrasons entraîne-t-il la formation d'un bain de fusion ?
Lors du soudage par ultrasons des métaux, les pièces à assembler ne sont pas entièrement fondues. L'assemblage se forme à l'état solide sous l'effet d'une force définie et d'oscillations mécaniques ultrasoniques.
Faut-il de l'étain à souder ou du flux ?
En principe, aucune soudure ni aucun flux supplémentaires ne sont nécessaires pour la soudure par ultrasons proprement dite.
Quels sont les paramètres importants dans le soudage par ultrasons ?
En fonction de la machine et de l'application, la force de soudage, l'amplitude, la durée, l'énergie, la puissance et la course peuvent notamment être des paramètres pertinents. Ce qui est déterminant, c'est l'interaction de ces paramètres au sein d'une fenêtre de processus appropriée.
Le soudage par ultrasons est-il adapté à la production en série ?
Oui. Le soudage par ultrasons peut être intégré dans des processus de série automatisés. Pour cela, la machine, l'outil, les paramètres de processus, le système d'alimentation, la surveillance du processus et le concept de qualité doivent être coordonnés entre eux.
Quelles sections de conducteurs peuvent être soudées ?
La section possible dépend du matériau, de la structure du conducteur, du raccordement et de la conception de la machine. La série KS de Magntek couvre différents domaines, allant des petits conducteurs aux conducteurs en cuivre et en aluminium de grande section.
Conclusion : le soudage par ultrasons, une technologie d'assemblage de précision
Le soudage par ultrasons permet d'assembler de manière reproductible des conducteurs électriques sous l'action d'une force définie et d'oscillations mécaniques ultrasoniques. Ce procédé offre de nombreuses possibilités, en particulier pour les conducteurs en cuivre et en aluminium, allant des petites connexions de bornes aux câbles de grande section et aux applications haute tension.
Cependant, le matériau n'est pas le seul facteur déterminant pour garantir une connexion fiable. La section du conducteur, sa structure, la géométrie de l'assemblage, l'outil, les paramètres du processus et les exigences de qualité doivent être pris en compte dans leur ensemble.
Avec la série KS, Magntek propose différents concepts de machines adaptés aux sections de conducteurs petites, moyennes et grandes. Du premier essai de soudage au développement du processus, en passant par la production en série automatisée, la solution ultrasonique la mieux adaptée peut être personnalisée en fonction de chaque application.
Vous envisagez de mettre en place une nouvelle connexion par câble ou vous souhaitez faire évoluer une application existante vers le soudage par ultrasons ?
Sources et informations complémentaires
[1] Fraunhofer IWM : informations sur les défis techniques liés aux composés Cu-Al, notamment les couches d'oxyde, les phases intermétalliques et les différences de coefficients de dilatation thermique.
[2] Fraunhofer IFAM : Études sur les assemblages aluminium-cuivre et l'utilisation du soudage par ultrasons pour les connexions électriques.
[3] Fraunhofer ISE : Rapport sur le câblage de la batterie – notamment sur les matériaux, les couches d'oxyde et les exigences relatives aux connexions électriques dans les systèmes de batteries.
[4] Magntek Electronics GmbH : Machine de soudage de câbles par ultrasons – Présentation des produits et domaines d'application de la série KS.
[5] Magntek Electronics GmbH : Soudage par ultrasons de câbles – Aperçu des applications et des machines.
[6] Magntek Electronics GmbH : Machine de soudage de câbles par ultrasons KSK – caractéristiques techniques et domaine d'application.
[7] Magntek Electronics GmbH : Machine de soudage par ultrasons de câbles KSS – caractéristiques techniques et domaine d'application.
[8] Magntek Electronics GmbH : Machine de soudage de câbles par ultrasons KSG – caractéristiques techniques et domaine d'application.