I&T : Sollicité par les industriels de l’automobile, le Cetim a lancé en 2022 un projet de recherche portant sur le procédé de soudage laser. D’abord, comment a évolué ce procédé ?
Sébastien Rix : Depuis les premières utilisations de la source laser CO2 dans des applications industrielles de soudage remontant aux années 1980, la technologie a évolué, notamment vers l'émission d'un faisceau de grande qualité dans le proche infrarouge, de 1030 à 1070 nanomètres. Cette avancée a permis une démocratisation de la technologie, avec des solutions proposant une puissance supérieure à 10 kW.
Cette technologie gagne ainsi en popularité dans la fabrication des packs batterie dédiés à la mobilité électrique. Un pack batterie est constitué d’une multitude de composants unitaires, les cellules, de l’ordre d’une centaine par pack, qu’il faut assembler. Dans ce cas, les temps de réalisation d’une opération d’assemblage sont cruciaux et dans le panel des technologies d’assemblage existantes, le laser permet des temps d’exécution très avantageux.
Pourtant, des défis liés à son utilisation dans la mobilité électrique, notamment l’assemblage, persistent…
Nous avons des acteurs en pleine reconversion, traditionnellement axés sur les éléments de refroidissement et les réservoirs à carburant, qui voient leurs produits historiques disparaître avec le véhicule électrique et souhaitent se positionner sur un produit à haute valeur ajoutée telle que la batterie. Cette transition les expose en effet à de nouveaux défis, allant de l'apprentissage de nouveaux procédés de soudage et matériaux, à l'adaptation aux cadences de production de l'industrie automobile électrique.
Dans ce contexte, l'objectif est d'assurer une productivité élevée tout en minimisant le taux de non-qualité batterie. Cependant, le soudage laser des nuances d'aluminium et de cuivre, fréquent dans les assemblages de batterie, reste complexe en raison de la mauvaise interaction faisceau-matière et de la viscosité de ces matériaux, engendrant des cordons erratiques pouvant présenter un taux de porosité élevé. Une compréhension approfondie de ces phénomènes et une attention à la robustesse du procédé et aux technologies de monitoring sont essentielles pour une industrialisation réussie du soudage laser.
Comment accompagnez-vous ces industriels en transition ?
Au Cetim, nous proposons différents axes d'accompagnement pour les industriels en transition. Premièrement, nous constatons que les définitions techniques des assemblages ayant une fonction de passage de courant électrique font référence à des normes dont les fondements s’appuient exclusivement sur une notion de tenue mécanique. L’idée de ce premier volet d’accompagnement est d’évaluer l’impact des assemblages sur les performances électriques du pack batterie. L’objectif étant de disposer de règles de conception des assemblages intégrant cette fonction de passage de courant. Des travaux en ce sens vont débuter en 2024 pour appréhender cette problématique multiphysique.
L’autre axe de travail qu’on mène actuellement, c’est la caractérisation de l’interaction procédé-matériau au profit de l’industrialisation des assemblages électriques. En 2022-2023, nous avons mené une campagne d’essais, à hauteur d’une centaine de configurations étudiées, visant à mieux appréhender l’effet des paramètres de soudage sur les caractéristiques clefs de la soudure. Parmi l’un des enjeux majeurs, la maîtrise du taux de porosité sur ces assemblages.
Sur quels critères avez-vous travaillé pour identifier les effets du soudage sur le matériau ?
Pour caractériser l'interaction entre le procédé de soudage laser et le matériau, nous avons entrepris une recherche approfondie des paramètres impliqués. Notre étude menée en 2023 s'est concentrée sur trois catégories, d’abord les paramètres de procédé, dont la puissance, vitesse d’avance, motif, amplitude et fréquence d’oscillation du faisceau laser. Nous avons notamment observé leur effet sur les caractéristiques du cordon. Ensuite, les paramètres d'équipement qui dépendent de l’installation sur laquelle on travaille. Ceux-ci sont associés à un choix d’options retenus par un industriel lors de l’investissement. Connaître leur influence en phase avant-projet d’investissement est primordial afin de configurer correctement son installation. Dans notre cas, nous avons étudié l’effet de l’emploi d’une fibre double cœur sur les caractéristiques du cordon.
Puis nous avons analysé les paramètres de l’environnement de travail. On y retrouve les conditions de livraison des sous-éléments à assembler, l'état de surface du substrat, les conditions d'inertage et la température du substrat. La valeur de ces derniers paramètres peut être difficile à contrôler ou à figer et elle peut engendrer une grande dispersion des résultats de soudure obtenus.
Concrètement, quelles sont les principales caractéristiques observées pour la qualité de la soudure ?
Les caractéristiques clefs évaluées étaient la pénétration du cordon, sa largeur à mi-pénétration et le taux de porosité obtenus que nous avons évalué par un contrôle radiographique. La caractéristique « pénétration » est cruciale pour la réalisation des connexions électriques sur cellules de batterie puisqu’on doit s’assurer qu’elle ne dépasse pas un maximum (défini dans le but d’éviter d’interagir avec la chimie de la cellule) et au-dessus d’un minimum qui garantit l’existence de la pénétration.
La caractéristique « largeur à mi-pénétration » permet, quant à elle, d’assurer une surface de contact suffisante entre les composants électriques compatible avec les courants électriques à passer. Enfin, on contrôle le taux de porosité dans le but de ne pas dégrader la surface de contact entre les deux composants. Grâce à ce travail nous pouvons par exemple établir quel taux de porosité impacte le passage de courant. Donc nous pouvons aider ces industriels à faire le lien entre les réglages et la porosité obtenue pouvant provoquer des problèmes de conformité batterie.
Par ailleurs, les résultats obtenus mettent aussi en avant l’effet majeur des conditions d’inertage et l’état de surface des substrats sur la répétabilité des résultats.
Quelle est la prochaine étape de ces travaux ?
Nous avons l'intention d'élargir notre étude à d'autres configurations d'équipement, en variant notamment la taille du spot laser pour renforcer la robustesse du procédé. Nos futurs travaux se concentreront également sur la conception des assemblages électriques et le monitoring continu du procédé. Ce point est absolument capital puisque sans le développement de cette brique technologique, le contrôle de la qualité des assemblages peut devenir le goulot d’étranglement de production. Courant 2024, nous ambitionnons ainsi de nous équiper d’un équipement dédié au monitoring afin de participer à la montée en maturité technologique de ces outils.
