Soudage par ultrasons de feuilles de cuivre pour l'assemblage de batteries EV

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La soudeuse à ultrasons fournissait une puissance de sortie maximale de 3 kilowatts et une fréquence de fonctionnement de 20 kilohertz. Illustration avec l'aimable autorisation de Monisys Co. Ltd.

Le soudage a été effectué en plaçant une bande de cuivre nickelée du côté de l'enclume et 40 couches de feuille de cuivre du côté du cornet. Illustration avec l'aimable autorisation de Monisys Co. Ltd.

Les chercheurs ont utilisé le test T-peel pour mesurer la résistance des articulations. Les échantillons soudés ont été pliés à 90 degrés dans les deux sens en séparant la languette et les feuilles pour former une forme en T. Les foils étaient maintenus par le grip supérieur et la languette par le grip inférieur. Le test a été réalisé à température ambiante avec une vitesse de traverse de 50 millimètres par minute. Illustration avec l'aimable autorisation de Monisys Co. Ltd.

En cas de désalignement (en haut), moins d'énergie de soudage est générée dans la zone à souder. A l’inverse, si l’outillage est aligné (en bas), l’énergie de soudage est importante puisque la zone avec laquelle le cornet entre en contact est relativement plus grande. Illustration avec l'aimable autorisation de Monisys Co. Ltd.

Ce graphique compare les signaux de puissance de désalignement et d'alignement dans les mêmes conditions de soudage. Il vérifie que lorsque l'outillage est correctement aligné, l'énergie de soudure appliquée au joint est plus élevée et donc la soudure sera plus solide. Illustration avec l'aimable autorisation de Monisys Co. Ltd.

L'analyse Pareto des données indique que le temps et la force de soudage sont plus importants que l'amplitude pour créer un bon joint. Illustration avec l'aimable autorisation de Monisys Co. Ltd.

Les meilleures soudures ont été réalisées avec une force de soudage de 3 bars ou plus et un temps de soudage de 0,5 seconde ou moins. Illustration avec l'aimable autorisation de Monisys Co. Ltd.

Ces images microscopiques montrent les différences entre de bons joints, des joints sursoudés et des joints sous-soudés. Photo gracieuseté de Monisys Co. Ltd.

Les batteries pour véhicules électriques sont fabriquées en connectant plusieurs cellules et une barre omnibus pour former un seul module. Des dizaines de modules sont ensuite assemblés dans une batterie.

Les cellules de batterie sont reliées à des feuilles et des languettes multicouches. Des matériaux tels que le cuivre et l’aluminium sont utilisés comme matériaux principaux.

Le soudage par points par résistance, le soudage au laser et le soudage des métaux par ultrasons (UMW) ont été utilisés pour assembler les feuilles aux languettes. Bien que le soudage par résistance soit avantageux en raison de sa rapidité et de sa simplicité d’automatisation, il n’est pas adapté aux feuilles de cuivre, en raison de leur conductivité thermique et électrique élevée. Le soudage au laser est un processus à grande vitesse, mais le coût initial de l'équipement est élevé et il est difficile de garantir des soudures de qualité en raison de la conductivité thermique élevée du cuivre, de sa réflectivité élevée et de son faible taux d'absorption. De plus, un grand nombre de composés intermétalliques se forment lors du soudage par fusion, ce qui est difficile à contrôler.

A l’inverse, le procédé UMW offre de nombreux avantages. C'est simple. Il peut joindre une large gamme de matériaux. Il produit des soudures larges en peu de temps. Et la formation de composés intermétalliques et la perte d’énergie au niveau de la partie de contact sont minimes.

De nombreuses études ont examiné l’utilisation de l’énergie ultrasonique pour le soudage des métaux des composants des véhicules électriques. La plupart se sont concentrés sur le soudage simple languette à languette ou languette à barre omnibus. Rares sont ceux qui se sont intéressés au processus de soudage de feuilles multicouches sur des languettes.

Notre étude a examiné l'utilisation de l'UMW pour assembler plusieurs couches de feuille de cuivre à une fine bande de feuille de cuivre nickelée, un assemblage courant pour les batteries lithium-ion haute densité. Notre étude s'est concentrée sur la soudabilité des matériaux ; l'effet de l'alignement de la corne et de l'enclume sur la production et la qualité ; et les effets de divers paramètres de processus, tels que la force, l'amplitude et le temps.

Les échantillons de test de notre étude étaient constitués d’une feuille de cuivre multicouche (cuivre pur à 99,99 %) de 8 microns d’épaisseur et d’une bande de cuivre nickelée de 0,2 millimètre d’épaisseur. La feuille et la bande mesuraient 20 millimètres de large et 50 millimètres de long.

La soudeuse à ultrasons fournissait une puissance de sortie maximale de 3 kilowatts et une fréquence de fonctionnement de 20 kilohertz. Le soudage a été effectué en plaçant une bande de cuivre nickelée du côté de l'enclume et 40 couches de feuille de cuivre du côté du cornet.