Soudage ultrasonique dans la fabrication et l’assemblage des packs batteries

Hesse Mechatronics

Lors de l’événement Batteries Event qui s’est tenu récemment à Lyon, nous avons constaté, au vu du nombre élevé de participants et de la présence de décideurs de haut niveau, une forte demande de fabrication en volume de cellules et de packs batteries.  Cette demande est alimentée par le marché automobile, qui a besoin d’une grande diversité d’applications mobiles.  Le désir d’accélérer le temps de mise sur le marché avec une production en quantité met sous pression les choix de conception et introduit des risques élevés.

Vous pouvez ici regarder l’intervention en anglais de Ian Blanchflower – responsable produits microélectronique Accelonix – ou bien lire la retranscription.

Procédés et équipements robustes pour l’assemblage des packs batteries

En réponse à ces risques, Accelonix, en tant que partenaire des fabricants industriels de circuits et composants électroniques, propose son expérience et des solutions matures, robustes et éprouvées en production de masse. Les solutions d’équipement qu’Accelonix propose sont des blocs de processus robustes pour une ligne globale. Dans un large portefeuille produits, nous soulignons trois exemples

  • Le soudage par ultrasons pour les connexions dans les batteries est le sujet principal de cette discussion et sera expliqué ci-dessous.
  • L’assemblage de packs par dépose industrielle avec l’application d’adhésifs apportant une résistance mécanique, la dépose de pâte thermoconductrice pour la gestion thermique, et avec l’application de scellement pour l’assemblage de packs hermétiques.
  • La Tomographie 3D par rayons X pour l’analyse des défaillances des batteries contenant plusieurs cellules. La métrologie et la traçabilité automatiques permettent la métrologie dimensionnelle et l’identification des défauts dans les cellules individuelles d’un pack multi-cellules après assemblage.

Le soudage par ultrasons a été utilisé dans de nombreux assemblages de packs de batteries, mais n’est pas aussi connu que d’autres technologies telles que le soudage laser ou par résistance pour les pièces mécaniques. Pour l’assemblage de packs de batteries, le soudage par ultrasons apporte beaucoup d’avantages en termes de sécurité de la production et d’avantages associés dans la conception du pack, ainsi que de fiabilité et de qualité du joint de soudure.
Le joint est formé par la friction entre les métaux générée par l’énergie ultrasonique dissipée au point de contact métal-métal : l’énergie de friction crée un mélange moléculaire. Le procédé de soudage par ultrasons est un procédé froid et répétable.

Les procédés techniques du bonding et welding ultrasonique

Avec Hesse Mechatronics GmbH, nous proposons des solutions de soudage par ultrasons robustes et très flexibles, idéalement adaptées aux utilisateurs industriels. L’efficacité de l’organisation de Hesse avec une logistique de production allégée permet une production avec la plus haute qualité de machine pour un approvisionnement mondial à partir de leur siège social et usine à Paderborn, en Allemagne. L’expansion de l’usine en réponse à la demande de construction est également impressionnante. La gamme de produits Hesse comprend des soudeuses à fil par ultrasons et des « smartwelders » par ultrasons. L’équipe de conception de Hesse est expérimentée en matière d’intégration et d’automatisation pour toutes les conceptions de packs de batteries. Hesse peut également proposer une structure commerciale permettant la fabrication de prototypes et le développement de produits par des tiers.

Ultrasonic welding avec fils et rubans

Avec le procédé de soudure par ultrasons, la machine ajoute le fil ou le ruban de connexion en aluminium ou en cuivre. La soudure par ultrasons est réalisée sans chaleur : il n’y a pas d’éclaboussures de métal, pas de résidus et le procédé est donc relativement sûr pour le soudage de cellules de batteries sous tension.  Les joints métal-métal formés sont hautement reproductibles, et la faible perturbation au niveau moléculaire permet un joint à faible résistance, idéal pour la conception de batteries à faible perte. En tant que procédé, le soudage par ultrasons des fils est largement utilisé dans l’assemblage de l’électronique de puissance depuis de nombreuses années, et il est entièrement qualifié pour les applications automobiles. 

Les connexions typiques avec les fils ont un diamètre allant jusqu’à 500µm et les rubans jusqu’à 2mm de largeur.  Le collage avec un ou plusieurs fils s’adapte à la capacité de transport du courant.  L’avantage supplémentaire est que la connexion peut être démontée et retravaillée, ce qui permet de remplacer les cellules.

Cette séquence vidéo (07:00 minutes) montre le processus de soudage par fil sur un pack de batteries. Pour des raisons de confidentialité, il ne s’agit pas d’une batterie de production, mais c’est une illustration utile du processus de collage.  Le processus commence par des mouvements avec la caméra pour reconnaître les positions relatives des cellules dans le pack, puis le mouvement vertical pour détecter les hauteurs des différents éléments.  La détection et le mouvement de la tête éliminent le besoin d’un outillage spécifique, compensent les tolérances mécaniques et permettent la métrologie du processus expliquée ci-dessous.  Une fois terminé, le collage démarre automatiquement.   La vitesse de soudage dépend du diamètre du fil et du procédé de soudage, elle est généralement de 1 à 2 fils par seconde.  L’intelligence de la soudeuse permet de programmer le processus complet en quelques heures, ce qui ajoute de la flexibilité aux utilisateurs fabriquant une grande diversité de produits.

La technologie SmartWelding

La « soudure intelligente » est un dérivé de la solution de liaison par fil, avec une puissance ultrasonique plus élevée et une force accrue permettant la liaison métallique de contacts plus lourds. La machine ne fournit plus le fil de connexion mais réalise la jonction entre les cellules et une barre bus déjà montée en position.  Comme pour la liaison par fil, le procédé est une soudure à froid, sans fusion, éclaboussure ou résidu.  Le joint de soudure à faible perturbation moléculaire est très fiable et de faible résistivité.  Nous pouvons donner comme exemple une soudure avec 1500 Watt d’énergie ultrasonique pour joindre une bande de cuivre de 1,2mm d’épaisseur et une surface du raccord soudé de 3*3mm.

Le smartwelding hérite de toutes les caractéristiques éprouvées du soudage par fil, notamment la navigation par caméra pour l’alignement, le mouvement actif de l’accès z avec contrôle actif de la force pendant la soudure, et la métrologie de la soudure. Les temps de soudure typiques sont de 300 à 500 ms par soudure selon la taille et les phases.  L’outil à pas fin permet d’accéder à des cavités étroites.

La séquence vidéo (09:23 minutes) montre une procédure similaire à celle vue avec la soudeuse à fil. Lors du mouvement initial, la caméra trouve et aligne les cellules.  La soudure sur le pack de démonstration ne nécessite pas de serrage mécanique pour maintenir les métaux ensemble, mais le mouvement vertical de la tête de soudage détecte le contact et force les connexions pour réaliser une soudure fiable. Le deuxième exemple montre la soudure d’une carte de circuit imprimé en céramique DBC.  Le mouvement de la machine compense les différences de positionnement de la grille de connexion. Le mouvement vertical et le contrôle de la force de liaison permettent d’obtenir un processus répétable et robuste sur le substrat fragile et de compenser la surface pliable.

Bien choisir sa technologie

En choisissant le soudage par ultrasons, il est important de prendre en compte certains aspects de la conception du pack de batteries. Tout d’abord, les matériaux et les combinaisons doivent être soudables par ultrasons – les matériaux typiques sont l’aluminium, le nickel, le cuivre. Il est important que le pack soit mécaniquement stable, sans résonance à la fréquence ultrasonique, de sorte que l’énergie soit dissipée à l’interface métal-métal. Les machines sont conçues pour le soudage sur un plan horizontal. Il existe des règles de conception concernant l’accès mécanique minimum pour les outils et l’accès au collage.  Pour une connexion fiable et durable, la surface doit être exempte de contamination, de graisse qui peut être créée dans les processus de manipulation ou d’assemblage avant le collage. 

Les concepteurs de Hesse assurent la manutention de toutes les applications, y compris les très gros blocs de batteries. La conception du portique permet un processus avec un chargement automatique en ligne, ou avec un chargement manuel des packs de batteries par un tiroir coulissant latéral si une grande flexibilité, avec un mélange de conception élevé, est requise.

SmartWelding et Métrologie

La métrologie du processus est l’un des principaux atouts des soudeuses à fil ultrasoniques et des soudeuses intelligentes de Hesse. Le contrôle fin du processus de soudage permis par la conception de la tête de soudage à ultrasons génère beaucoup de données, et ces données peuvent être capturées pour donner des informations sur la qualité de chaque joint de soudure. Les données sont générées pour chaque soudure sans aucun impact sur la vitesse de soudage. La surveillance des données peut être utilisée comme un contrôle en temps réel dans la production.  Elles peuvent également être sauvegardées et enregistrées pour assurer la traçabilité de chaque soudure d’un pack de batteries afin de justifier de la qualité de fabrication.

Des données en temps réel sont générées pour la fréquence ultrasonique, la force de frottement, la résistance ultrasonique, l’amplitude de résonance et la déformation verticale. Hesse a développé un facteur de qualité (PIQC) qui peut relier les courbes dépendantes du temps à une référence – simplifiant ainsi l’évaluation qualitative en un nombre quantitatif. La machine est également équipée d’un certain nombre de fonctions visant à éliminer les erreurs de l’opérateur, telles que le contrôle automatique de la force, le contrôle automatique des consommables avec vérification croisée de l’outil, du fil et de la recette du processus.  Les fonctions de la machine guident l’opérateur lors des changements de consommables, en particulier lors de l’insertion de l’outil, qui est essentielle pour un processus reproductible.

Prêt pour l’Usine Intelligente 4.0

Enfin, tous les outils logiciels sont pris en charge pour permettre une intégration complète de l’usine – pour la gestion des recettes de liaison, la génération, la surveillance et l’exportation des données de qualité, l’intégration des lignes pour la surveillance du chargement et des performances des machines, et les interfaces spécifiques au client avec le réseau MES du client.

Nous espérons que les informations ci-dessus vous intéressent.  Nous serons heureux de vous fournir de plus amples informations sur la solution de soudage par ultrasons de Hesse. 

Restez en contact, nous communiquons régulièrement sur LinkedIn et avec des articles sur notre site web sur cette technologie et toutes les autres solutions proposées par Accelonix.  Nous organisons régulièrement des réunions en ligne et des démonstrations depuis les bureaux d’Accelonix à Évreux, France. 

Pour les solutions de Hesse pour la soudure de batteries, nous proposerons des démonstrations à partir d’avril 2023.  Nous nous réjouissons de votre visite !