01 Introduction Avec le développement rapide des véhicules à énergie nouvelle et de la technologie supraconductrice à haute température, les technologies de connexion légères, à haute conductivité et hautement fiables sont devenues des enjeux clés dans le domaine de la fabrication. L'aluminium et le cuivre sont largement utilisés dans les batteries de puissance, les systèmes d'entraînement électrique, les connexions de jeux de barres et les dispositifs supraconducteurs en raison de leur excellente conductivité électrique, de leur faible densité et de leur bonne résistance à la corrosion. Cependant, les joints aluminium-aluminium, cuivre-cuivre et aluminium-cuivre sont souvent confrontés à des problèmes tels qu'un apport de chaleur excessif, la formation de composés intermétalliques, un ramollissement des joints et une déformation par soudage au cours des processus de soudage par fusion conventionnels, limitant sérieusement leurs applications techniques. Le soudage par ultrasons, en tant que technologie d'assemblage à l'état solide typique, permet une liaison métallurgique des matériaux grâce à des vibrations mécaniques à haute fréquence-et à la friction d'interface, offrant des avantages tels qu'un faible apport de chaleur, un temps de soudage court et des réactions interfaciales contrôlables. Ces dernières années, il a reçu une grande attention dans les domaines des véhicules électriques et de l’ingénierie supraconductrice. En particulier dans les connexions de languettes de batterie, le soudage de métaux différents en aluminium-cuivre et la fabrication de barres omnibus à haute-conductivité, le soudage par ultrasons démontre des performances globales supérieures aux méthodes de soudage traditionnelles. Dans ce contexte, cet article passe systématiquement en revue les progrès de la recherche sur la technologie de soudage par ultrasons de l'aluminium et du cuivre dans les applications de véhicules électriques et supraconducteurs, résume ses mécanismes de soudage, l'évolution des processus et les applications d'ingénierie actuelles, fournissant ainsi une référence théorique pour l'optimisation ultérieure des processus et le développement technologique.
02 Caractéristiques du soudage par ultrasons
Le soudage par ultrasons utilise principalement deux configurations typiques : le système de pression à coin-et le système d'entraînement latéral-(Figure 1). Les deux sont similaires en termes de mécanisme de vibration mais diffèrent par leur forme structurelle, leur niveau d'amplitude, leur force de serrage et leurs matériaux applicables. Le système de pression en coin-se caractérise par une faible amplitude et une force de serrage élevée, transférant l'énergie ultrasonique directement à la pièce à usiner grâce à la combinaison de vibrations longitudinales et de vibrations transversales au niveau de la pointe de soudage, adaptée aux matériaux plus épais ou plus rigides. Le système d'entraînement latéral-offre les avantages d'une amplitude élevée, d'une faible force de serrage et de paramètres mesurables avec précision, ce qui le rend plus adapté à la connexion de fils fins, de feuilles et de feuilles minces et est donc largement utilisé dans des domaines tels que les batteries lithium-ion et les bandes supraconductrices. Sur cette base, les paramètres de soudage par ultrasons peuvent être divisés en paramètres de processus et paramètres de matériaux, l'énergie de soudage, le temps, la force de serrage et l'amplitude des vibrations étant les facteurs clés déterminant la qualité du soudage. Pendant le soudage, il est nécessaire de faire correspondre raisonnablement la force de serrage et l'amplitude des vibrations tout en assurant un contact suffisant, pour éviter tout glissement dû à une force de serrage insuffisante ou un amincissement excessif du matériau dû à une force excessive.
La figure 1 illustre un système de soudage par ultrasons utilisant un mode de vibration transversale, comprenant (a) un système à ressort en coin et (b) un système d'entraînement transversal[1] 2.
2 Exigences électriques, thermiques et mécaniques du soudage par ultrasons En tant que processus d'assemblage à l'état solide typique, le soudage par ultrasons des métaux offre des avantages en termes de compatibilité électrique, thermique et matérielle, particulièrement adapté à l'assemblage de matériaux à haute conductivité thermique et électrique. Des études ont montré que par rapport au soudage par points par résistance, le soudage par ultrasons réduit la consommation d'énergie lors de la préparation des joints en alliage d'aluminium, tout en atteignant des résistances de contact électriques et thermiques extrêmement faibles, avec des temps de soudage uniquement à un niveau transitoire, démontrant d'excellentes performances d'efficacité énergétique et de gestion thermique. Dans les applications magnétiques et supraconductrices à basse température (telles que les bandes REBCO CC), les performances des joints dépendent fortement de la conductivité thermique, de l'adaptation du coefficient de dilatation thermique et de la stabilité mécanique. Comme le soudage par ultrasons n'utilise pas de métaux d'apport, il évite efficacement les contraintes résiduelles, les fissures ou le délaminage de l'interface provoqués par une inadéquation de dilatation thermique, réduisant ainsi les risques de trempe et prolongeant la durée de vie. Dans le même temps, les joints produits par le processus de soudage par ultrasons ont une bonne stabilité thermique, bénéfique pour maintenir l'intégrité structurelle pendant les processus de transport de courant-. Du point de vue des matériaux et de la métallurgie, le soudage par ultrasons en tant que processus à l'état solide - peut réaliser un assemblage fiable de métaux différents, a de faibles exigences en matière d'état de surface, une grande adaptabilité, peut assembler des matériaux présentant de grandes différences de points de fusion et réduit le risque de corrosion. Les joints produits par ce processus présentent une déformation minimale et une qualité de soudage élevée, adaptés aux plaques épaisses, aux plaques minces et aux feuilles ultra-minces, démontrant de bonnes perspectives de durabilité et d'applications techniques dans des domaines d'assemblage de précision tels que les batteries lithium-ion et les bandes supraconductrices.
3.1 Défis liés à l'optimisation du soudage Dans les applications de soudage par ultrasons de l'aluminium, du cuivre et de matériaux différents, la réalisation de joints cohérents et de haute qualité est encore confrontée à de nombreux défis. Bien que la plupart des alliages d'aluminium (tels que les séries 5xxx et 6xxx) se soient avérés avoir une bonne soudabilité par ultrasons, certains alliages souffrent encore de problèmes tels que l'adhérence des pointes de soudage, une déformation importante et des fenêtres de processus étroites, rendant l'optimisation des paramètres fortement dépendante des caractéristiques du matériau. La qualité du soudage est extrêmement sensible aux paramètres du processus, parmi lesquels l'énergie de soudage, le temps, l'amplitude des vibrations et la pression de serrage sont les facteurs dominants, et leur interaction augmente encore la complexité du processus. Même si la conception expérimentale factorielle complète-traditionnelle permet d'obtenir une grande quantité de données, elle est coûteuse et statistiquement inefficace ; en revanche, il a été prouvé que l'analyse de variance (ANOVA) identifie efficacement les paramètres clés et leurs interactions avec moins d'expériences, fournissant ainsi une base fiable pour maximiser la résistance du soudage et contrôler la cohérence. Cependant, l’application des méthodes statistiques en milieu industriel est encore limitée par la difficulté d’interprétation des données.
D'un point de vue mécaniste, la contrainte interfaciale dynamique générée lors du soudage par ultrasons peut écraser le film d'oxyde et favoriser la liaison métallurgique. Un apport de chaleur insuffisant ou excessif peut facilement conduire à un sous-soudage ou à un-soudage, entraînant une fracture interfaciale ou une dégradation des performances. Des études ont montré qu'une adéquation raisonnable entre le temps de soudage et l'amplitude des vibrations peut former une structure de noyau de soudure optimale, tandis que des stratégies avancées telles que le contrôle de la courbe d'amplitude améliorent la résistance du soudage et la stabilité des joints Al-Cu différents en ajustant l'apport d'énergie par étapes. De plus, les paramètres structurels tels que la position des plaques minces dans les structures multicouches, la texture de surface de la pointe de soudage et de l'enclume et l'espace initial ont également un impact significatif sur la qualité du soudage, en particulier dans les applications très sensibles telles que les bandes supraconductrices, où une inadéquation des paramètres peut entraîner une résistance accrue ou des dommages à la couche fonctionnelle. Dans l'ensemble, le principal défi de l'optimisation du soudage par ultrasons réside dans l'amélioration synergique de l'adaptabilité des matériaux, des performances des joints et de la stabilité du processus dans des conditions multi-paramétriques fortement couplées, ce qui nécessite une conception systématique combinant compréhension mécaniste et méthodes d'optimisation statistique avec un coût expérimental minimal.
3.2 Défis liés aux matériaux et à la métallurgie Dans le processus de soudage par ultrasons de l'aluminium, du cuivre et de matériaux différents, l'influence des facteurs matériels et métallurgiques sur la performance des joints est particulièrement complexe. Le comportement à la corrosion est l’un des principaux problèmes limitant la fiabilité de service du joint. La corrosion atmosphérique, la corrosion de contact et la corrosion galvanique dégradent toutes l'interface de contact métal-à-métal, augmentant la résistance et réduisant la stabilité à long terme-des batteries et des joints REBCO CC. Le comportement à l'oxydation des différents matériaux varie : la couche d'oxyde sur la surface de l'aluminium se forme rapidement et est relativement mince, tandis que la couche d'oxyde de cuivre a une structure plus complexe, possédant à la fois des propriétés conductrices et isolantes, ce qui rend difficile le contrôle métallurgique de l'interface de matériaux différents. Dans le soudage par ultrasons Al-Cu, la couche de diffusion interfaciale est généralement constituée de phases nanocristallines et amorphes et de dislocations à haute densité-. Cette structure provient d'une déformation plastique sévère et d'une interdiffusion atomique induite par les vibrations ultrasonores, qui sont bénéfiques pour le verrouillage mécanique et la liaison métallurgique, mais peuvent également favoriser la formation de composés intermétalliques (IMC) fragiles. En raison de la forte affinité chimique entre Al et Cu, lorsque la température ou la déformation par cisaillement dépasse les conditions critiques, des IMC tels que Al₂Cu se forment facilement, entraînant une diminution des propriétés mécaniques du joint et une augmentation de la résistance, en particulier lorsque l'épaisseur de la couche d'IMC dépasse environ 2 µm, ses effets néfastes deviennent plus importants.
Comme le montre la figure 2, avec l'augmentation du temps et de l'énergie de soudage, l'effet d'indentation de la tête de soudage et de l'enclume augmente, et des indentations de surface et des caractéristiques d'amincissement en section transversale apparaissent dans la zone de soudure, reflétant l'écoulement du plastique et le réarrangement des matériaux au cours du processus de soudage. L'ondulation à l'interface augmente avec l'augmentation du temps de soudage, ce qui non seulement raccourcit le chemin de propagation des fissures, mais modifie également le mode de rupture, passant progressivement de la fracture interfaciale à l'arrachement ou à la fracture mixte, affectant ainsi la charge de rupture du joint. Pour le soudage de matériaux différents, la différence de dureté du matériau amplifie cette asymétrie de déformation ; le matériau plus mou est plus sujet à une recristallisation dynamique et à un raffinement du grain, ce qui entraîne une répartition inégale de la dureté dans la zone de soudure.
3.3 Défis du couplage électromécanique Dans des applications telles que les batteries de véhicules électriques et les bandes REBCO CC supraconductrices, les joints soudés par ultrasons doivent non seulement répondre aux exigences de connexion mécanique, mais doivent également posséder une résistance de contact électrique faible et stable pour éviter l'accumulation de chaleur par effet Joule, le déséquilibre électrique et les problèmes de sécurité qui en résultent tels que la surcharge, la décharge excessive et même l'emballement thermique. Les recherches montrent que la structure du joint et la configuration du matériau influencent la résistance et le comportement thermique : dans les joints multicouches Cu-Al, les matériaux plus mous du côté de la tête de soudage sont plus sujets à la déformation et à l'amincissement, dégradant ainsi les performances électriques du joint ; en revanche, placer une couche de Cu plus épaisse ou plus dure du côté de l’enclume peut réduire les défauts interfaciaux et diminuer la résistance des joints. Les expériences de chargement d'impulsions actuelles montrent en outre que les joints Al-Cu, en raison d'une résistance interfaciale plus élevée, subissent une augmentation de température plus importante dans les mêmes conditions de courant que les joints Cu-Cu, soulignant l'effet contraignant du couplage structurel électro-thermique-sur la fiabilité des joints. Comme le montre la figure 3, par rapport aux joints brasés traditionnels, les joints soudés par ultrasons réduisent le nombre de couches de matériaux et d'interfaces dans le chemin du courant en formant une connexion directe à l'état solide-entre les couches de cuivre, réduisant ainsi la résistance de contact globale ; cependant, leur interface est généralement constituée de régions liées (P1) et non liées (P2), et les performances électriques sont très sensibles à la zone de liaison efficace. Pour améliorer encore la stabilité du joint dans des champs magnétiques puissants et des environnements cryogéniques, une méthode de brasage -de soudage composite par ultrasons a été proposée. Cette méthode améliore la continuité du contact électrique, réduit la résistance des joints et améliore la stabilité mécanique et la résistance à la flexion en permettant à la soudure de pénétrer dans les régions non liées. Dans l’ensemble, les résultats présentés sur la figure démontrent intuitivement une corrélation étroite entre la structure de l’interface commune, la zone conductrice effective et le comportement de couplage électromécanique. La conception rationnelle de la configuration des joints soudés par ultrasons et de son processus hybride est essentielle pour obtenir des connexions électriques hautement fiables.
04 Conclusion Dans l'ensemble, le soudage par ultrasons présente des avantages techniques significatifs dans l'assemblage de l'aluminium et du cuivre, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications de véhicules électriques et supraconductrices qui exigent une conductivité électrique et une intégrité structurelle extrêmement élevées. Les recherches existantes ont systématiquement révélé son mécanisme de liaison d'interface et réalisé des progrès importants dans l'optimisation des paramètres de processus et les applications d'ingénierie. Cependant, la recherche sur les structures multicouches complexes, la fiabilité de service à long terme de matériaux différents et la modélisation numérique du processus de soudage reste relativement limitée. Les recherches futures devraient davantage se concentrer sur l'analyse des mécanismes à plusieurs-échelles, le contrôle raffiné de la fenêtre de processus et l'application synergique du soudage par ultrasons avec d'autres technologies d'assemblage avancées pour promouvoir le développement approfondi et l'application technique de cette technologie dans la fabrication haut de gamme.
