Quels sont les avantages du soudage par ultrasons dans l’assemblage des modules batteries ?

Hesse Mechatronics

Inégalée en termes de flexibilité, de fiabilité et de performance, l’industrie électronique s’appuie sur plus de 15 000 milliards de fils soudés par an. Pour les liaisons de courant fort dans les véhicules électriques, ce procédé ultra-sain est appelé Smart Welding.

Les premiers véhicules électriques modernes à batterie (BEV) sont sur le marché depuis plus de 10 ans. Aujourd’hui, les concessionnaires automobiles et les gammes de produits des fabricants de VE présentent une large gamme de voitures électriques largement acceptées. La mise à disposition de VE pour les particuliers sera l’élément déterminant de l’augmentation de la part de marché des VE. Pour ce faire, il est nécessaire de produire des volumes élevés et évolutifs, ce qui qui entrainera une évolution dynamique des moyens production.

Différents concepts et conceptions de packs de batteries, et de l’électronique de puissance associée, sont sur le marché. Ils prouvent leur capacité à résister à une forte concurrence en termes de coûts et de performances, y compris en ce qui concerne les technologies de production choisies. Si les grands acteurs semblent avoir pris leurs décisions stratégiques, de nombreux projets de petite et moyenne envergure sont suffisamment flexibles et curieux pour maintenir ouverte la course entre les technologies d’interconnexion.

Cela leur permet d’acquérir un large savoir-faire en matière de processus et d’obtenir des avantages concurrentiels en choisissant les technologies qui correspondent le mieux à leurs exigences techniques. Avec cet état d’esprit et la pluralité des applications visées, les fournisseurs d’équipements qui s’adaptent le plus rapidement seront les plus performants.

En tant qu’ingénieur, vous rencontrez les fabricants de soudeuses laser et/ou à ultrasons, de soudeuses à fil et vous les comparez à des technologies connues comme le boulonnage ou le soudage par résistance. Chacune de ces technologies offre de bons arguments comme le coût le plus bas par liaison, le temps d’exécution le plus court, la meilleure traçabilité et le meilleur contrôle de la qualité, la résistance de contact la plus faible ou la facilité d’application.

Éviter les compromis entre technologies d’assemblage

Smart Welding comble désormais cette lacune pour les applications de liaison d’un élément de contact à une structure de base. En tant que méthode d’assemblage par ultrasons, elle ne nécessite pas l’application de chaleur et offre une grande flexibilité des matériaux. De plus, le Smart Welding fusionne les trois principaux atouts du soudage par ultrasons et du soudage par fil : la puissance élevée pour les grandes liaisons du soudage par ultrasons traditionnel avec le contrôle précis et la vitesse du soudage par fil. La stabilité et l’efficacité du matériel et du logiciel sous-jacents bénéficient de décennies d’expérience des technologies originales et de leurs caractéristiques.

Les soudeuses à fil peuvent fournir des puissances ultrasoniques allant jusqu’à 200 W et des forces de soudage allant jusqu’à 40 N. Cela est suffisant pour des surfaces de joint de 1 à 3 mm2. La surface de contact effective peut facilement être augmentée en ajoutant des fils. Les connexions fortes sont toujours nécessaires lorsque des connecteurs massifs sont requis pour leurs performances électriques et également thermiques. Les éléments de contact tels que les terminaisons en cuivre des modules de puissance nécessitent une force de soudage de 1000 N et une puissance ultrasonique de 1,5 kW. De tels éléments sont des applications pour le Smart Welding.

La précision est la clé pour des résultats stables   

La précision de placement des équipements de wire bonding de fils de moins de 10 µm est bien appréciée dans l’industrie. Si l’on tient également compte de la reconnaissance d’image et de l’opérateur, les précisions de placement sur les bons éléments sont toujours inférieures à 20 µm.

Dans toute application, ce bon positionnement, associé à la reconnaissance d’image, compense la tolérance de positionnement X et Y de l’élément de contact due au prépositionnement.

Dans le cas des batteries, l’équilibrage des cellules ne sera pas faussé par des résistances alternées dues à une grande variance des positions et surface de soudure.

Et il y a un autre avantage au contrôle de mouvement très dynamique et au contrôle précis de la position et de la force : le contrôle du processus. Les profils de force, d’enfoncement  et de puissance ultrasonique peuvent être adaptés au produit et à ses conditions. La déformation est mesurée avec une précision de l’ordre du micron et, avec le retour d’information sur les oscillations, il est possible de suivre l’évolution de l’articulation et des conditions (ex. frottement, vibrations).

Mise en contact des éléments de la batterie avec un fil de cuivre

La vitesse seule n’est pas la clé d’un faible coût global de possession

L’équipement Smart Welding étant doté d’un contrôle de mouvement hautement dynamique, il permet une vitesse de déplacement élevée. Cependant, la majeure partie du temps du processus est consacrée au soudage, plutôt qu’aux déplacements. Si l’on se concentre sur la durée du processus, d’autres technologies peuvent sembler plus rapides à première vue.

D’une part, les processus sont bien comparables car les deux utilisent le même système de mouvement. Mais d’un autre côté ils ne le sont pas, car le wire bonder fournit le connecteur au cours du même processus, tandis que le Smart Welding et les autres technologies nécessitent un pré-traitement correspondant. Cet aspect n’est pas représenté dans les temps de processus, mais il est important pour évaluer la complexité et le coût de l’ensemble de la ligne de production.

Ce n’est qu’un exemple de la raison pour laquelle le temps de processus ne fournit qu’une perspective limitée. Le concept de production et d’automatisation, y compris les processus de chargement et de positionnement, est crucial pour évaluer la vitesse en général et le coût global.

Les lignes de production de l’e-mobilité exigent une qualité stable, une flexibilité et une intégration totale

Le suivi des données du processus et des variables de l’équipement pour chaque soudure en temps réel est une exigence pour suivre les modes de défaillance et les conditions changeantes pendant la production. Pour y parvenir efficacement, il faut un système de surveillance et un serveur central qui gère les données et les équipements. Avec un tel système, des machines de production supplémentaires peuvent être ajoutées aux lignes existantes par plug&play car elles se synchronisent avec les machines déjà existantes. Pour réduire les temps d’arrêt de la production, les opérateurs peuvent éliminer les obstacles à la production, comme les erreurs de reconnaissance d’image, depuis leur poste de travail ou leurs appareils mobiles.

Smart Welded Terminal sur cuivre à liaison directe

Comprendre les exigences des futurs produits d’e-mobilité

Les composants haute tension et les connexions de détection basse tension sont affectés par le degré croissant d’intégration des packs de batteries. Des conceptions de plus en plus compactes nécessitent de l’espace au niveau du pack et du module. Les modules de puissance et les systèmes de gestion de la batterie doivent également être intégrés correctement, tout en conservant des performances identiques, voire supérieures. Les équipements de Smart Welding permettent de réaliser des soudures sur les sertissages des cellules cylindriques ou à l’intérieur des boîtiers, à faible distance des parois.

Ligne de production de soudage avec contrôle centralisé

Du côté des matériaux, le cuivre, avec ses propriétés thermiques et électriques supérieures, est un matériau de liaison recherché. Dans le wire bonding, le cuivre était un processus difficile. Cependant, la compréhension des mécanismes d’usure et le développement d’outils et de processus appropriés permettent aujourd’hui aux outils de soudage de durer pendant plus d’un million de joints en cuivre. C’est un autre avantage que le soudage par fil apporte aux procédés de Smart Welding : la possibilité de souder le cuivre de manière économique.

L’accès aux avantages durables

Le Smart Welding est une nouvelle technologie ancrée dans des processus bien établis et stables. Il peut fournir un avantage concurrentiel décisif à ceux qui s’efforcent de manière flexible d’obtenir les meilleurs résultats et qui n’acceptent pas les limites fixées par d’autres technologies. Le développement de processus en collaboration avec les fabricants d’équipements peut être la clé d’un lancement rapide de produits et devenir la base de partenariats fructueux.

Smart Welding sur un substrat typique pour les modules de puissance

Source : Dipl.-Wirt.-lng. Sebastian Holtkiimper, Product Management Hesse GmbH