Soudure par résistance sur tôles cuivre

Bonjour,

Je suis ingé R&D en électronique de puissance.
Nous devons réaliser des prototypes de transformateurs électriques dits "planar", dont les bobinages sont composés de fines tôles de cuivre.
Nous devons souder 2 plaques entre elles, mais sans créer de sur-épaisseur, ce qui interdit de fait les procédés de brasure. Nous devons réaliser des prototypes pour valider les performances électriques de notre transformateur, et pour cela souder une centaine de tôles entre elles...

Pour faire court, on doit relier 2 tôles de cuivre brut, d'épaisseur 0.8mm, de largeur 20 ou 40mm, sur une surface max de largeur x 20mm.
La soudure par point, ou par résistance, semble la mieux adaptée à notre problématique (vu chez des concurrents).
Nos partenaires habituels ne pratiquent pas la soudure par point sur le cuivre, et nous avons un mal fou à trouver des sous-traitants (la seule proposition que nous avons aujourd'hui est hors de prix).
Autrement, la solution d'achat d'un poste adapté est un investissement beaucoup trop conséquent pour simplement valider des proto, sans garantie que cela débouche par la suite.

Mais nous sommes un peu savant fou, et plutôt habiles pour faire des générateurs de courant (ça, c'est notre métier !), donc nous envisageons de créer notre propre poste de soudure par point, manuel.
avec les quelques recherches que j'ai pu faire, je pense avoir dégrossi les besoins, mais si un expert peut me prodiguer quelques conseils de mise au point, m'indiquer les pièges à éviter, je suis preneur.

D'après ce que j'ai pu déterminer, par recherches ou par calcul, nous dimensionnons le générateur de courant pour :
- des impulsions de courant haute fréquence de 20kA, en alternatif, pendant 100ms (5V max).
Les niveaux de courant et les durées seront ajustables.
- une impulsion toutes les secondes maximum (assez pour notre application en manuel)
- pression de serrage à confirmer, mais jusqu'à 100kg
- électrodes cuivres enrobées tungstène pour le contact avec les plaques

Est-ce que les caractéristiques électriques max semblent adaptées? (avec les calculs physiques d'effet joules, ça devrait fondre tranquille, mais je préfère être sûr )

Les électrodes semblent être un élément critique Nous partons à priori sur une surface de contact plate de diamètre 5 mm.
Est-ce bien adapté ?
ou bien faut-il plutôt du conique, plus petit diamètre ?
nous nous attendons à une mise au point conséquente, mais y a-t-il des pièges à éviter ? (serrage, échauffement, projections dangereuses ....)
j'ai cru voir qu'il fallait "roder les électrodes" en les faisant fonctionner un peu en court-circuit... un avis ?

Questions, réponses, remarques, conseils, je prends tout !
Merci d'avance !

Bonjour,
La soudure par point est comme son nom l'indique une soudure sur une surface ponctuelle.
Vous n'aurez donc pas un passage du courant de votre transformateur sur la totale surface en contact des lames de cuivre même si vous multipliez le nombre de "points"
Je ne suis pas étonné que vous ne trouviez pas grand monde qui maîtrise la soudure par point sur du cuivre puisque ce type de soudure aussi appelée soudure par résistance "marche" bien mieux avec des métaux moins bons conducteurs que le cuivre.
Je crains que la fabrication/mise au point de votre poste de soudage par point ne vous repousse "aux calendes grecques" la validation du concept de votre transfo.
Jusqu'à aujourd'hui (en vous lisant) je pensais que la soudure par point se faisait soit par décharge de condensateurs soit par emploi d'un transformateur spécial capable de fournir un courant énorme.
Il y a peut-être une autre approche qui consiste à faire une soudure au micro-TIG ou avec une micro-torche plasma par fusion "de lèvres"en extrémité des lames de cuivre.
Il faudrait voir si cela est possible sans apporter une sur-épaisseur.
Nous avions fermé, il y a très longtemps, des capots "d'éclateurs" de cette façon et je me suis laissé dire que les soufflets en inox sont soit formé par formage hydraulique pour certains soit pour d'autres par empilage de rondelles en inox soudées*** alternativement sur leur bord interne et sur leur bord externe.
Cette dernière méthode donne des soufflets extrêmement souples.
Bon courage
Yann

*** ici on parle de soufflets à diaphragmes dans ce cas
https://www.witzenmann.fr/fr/media/Le_manuel_des_soufflets_metalliques_0441fr_2_04_10_5_download.pdf

Bonjour Yann,

et merci pour ce premier avis (bon, pas très encourageant ;-)
nous pensons réaliser 4 à 6 points sur la surface pour assurer la bonne continuité électrique.
et pas de problème pour les courants énormes, avec 20 000 Ampères prévus, en théorie, ça chauffe assez pour fondre.
Cette technologie est plutôt utilisée en effet en carrosserie sur des acier, mais sur du cuivre, c'est en général appliqué pour des grandes séries, mais ça se fait !

exemple par l'image :

Envoyé par MatROD
Bonjour Yann,
et merci pour ce premier avis (bon, pas très encourageant ;-)

Greu,

Ce type de bobinage se retrouve sur des transfos HF pour
limiter les effets de coeur et donc augmenter la densité de courant.

Dites moi si je suis dans le vrai.

A moins qu'il ne s'agisse que d'une question de forme.....
Ou les deux...:confused:

Bonjour,
c'est pas faux !
les spires étant plates, on assure un couplage primaire/secondaire très bon, et une très faible self de fuite. Ce qui permet de réaliser des transfos HF assez performants (on vise un transfo 30kHz -100kVA, avec 650V primaire)

Bonjour MatROD,

belle bête, en effet.
Vous dites vouloir effectuer un soudage par points.
Cela implique un recouvrement. Ne craignez-vous pas que
l'encombrement du bobinage en soit augmenté, surtout au
vu du nombre de soudures à effectuer? Cette remarque est
bien sûr sans objet si vous avez suffisamment de place
pour loger les enroulements. Toutefois, la géométrie du bobinage
ne sera pas optimale, ce qui n'est pas favorable à votre recherche
d'une inductance de fuite minimale. D'autre part, la section du
cuivre sera, a mon avis, notablement plus faible au niveau des
points de soudure que celle du feuillard.
Pour tout dire, je pense qu'une soudure bord à bord serait plus appropriée.
La question est: comment ........?

Qu'il soit clair que tout ceci n'est qu'avis et suggestions, et que je n'ai
en aucune façon l'outrecuidance de vous apprendre votre métier ni
de critiquer vos solutions. Quand au soudage par points du cuivre,
je sais avec certitude cette fois être un des moins qualifiés sur ce
forum pour vous apporter des réponses.

Je trouve ce projet intéressant, techniquement parlant, et c'est pour
cette raison que je me suis permis de prendre part à cette discussion.

Bonjour,

Je n'ai pas grand chose à dire sur la partie électronique, comme j'aime à le dire : mon métier c'est de faire fondre des trucs, je laisse la partie machine à d'autres ! (en plus moi et l'électronique ça fait deux ! )

Dans tous les cas c'est sur la partie technique que j'attire votre attention.
Le soudage par résistance se fait effectivement par Effet Joule entre deux plaques jointes, mais attention, il faut que la résistance de contact entre vos deux plaques soit idéalement plus importante que celle entre vos plaques et vos électrodes.
Le soudage par résistance c'est aussi (et dans l'idéal) une phase de forgeage après création du creuset plastique et germination du noyau, ce forgeage vient créer une indentation dans le métal de base.
Compte tenu de la fluidité du cuivre, je vous invite à faire très attention lors de l'application de cet effort car appliqué trop rapidement, il conduit à des projections (et une retassure du point, mais ça, à la limite on s'en fiche quand on a du cuivre dans l'oeil :D ! )

Bonjour YannA,
La théorie, avec un contact parfait, me donne effectivement bien plus de puissance dans les électrodes que dans le point de soudure lui-même. le salut vient avec le tungstène assez refractaire comparé au Cu, et au point de fusion beaucoup plus haut.
Si je vous lit bien, vous préconiseriez une phase d'amorçage (avec peu de pression, pour avoir une résistance de contact importante), puis l'application de la pression ensuite ?
ça me semble assez dur à réaliser au vu du timing : on doit (en théorie, toujours) atteindre le point de fusion en quelques millisecondes seulement... les surfaces sont très petites (diamètre 5mm), et avec la conductivité thermique du cuivre, je prédis un refroidissement très rapide...
mais bon, je fait pas souvent fondre des trucs, alors j'écoute !
Je me demandais si il existait des "feuillards de brasure", que je pourrais intercaler entre les 2 couches. si c'est hyper fin, et moins conducteur que le le Cu, cela pourrait aider à la création d'un point chaud (plus de résistance électrique, donc plus de watt, donc plus de °C) et faciliter la fusion du point...

Mais pour la douche de cuivre, on va éviter !

Bonjour MatRoD,

êtes vous certain qu’une brasure avec un métal d'apport apporterait
une surépaisseur significative ?
Je pense à un étamage préalable des
extrémités, qu'on enduirait ensuite d'un flux approprié, on met en contact avec une pression adaptée, on chauffe modérément (ce qui permettrait
l'utilisation du matériel que vous envisagez de réaliser, avec un timing et une intensité revus respectivement à la hausse et à la baisse), et hop !

Hein ?

Bonjour la Bete !
et meilleurs voeux à tous.
C'est une idée, en effet!
Reste que l'étamage risque d'être assez difficile à réaliser en local, sur un point central, mais on pourra tenter le coup !

Bonsoir,

A la lecture de ton post, je suis allé immédiatement dans ma bibliothèque car je possède un ouvrage sur le sujet en relation avec l'aviation, donc l’aluminium, rien sur le cuivre.
Par contre beaucoup de comparaison entre l’acier et l’aluminium et quelques abaques pression/temps ou Pression/courant.
Egalement des informations sur le cycle de pression et la décomposition des différentes étapes d’injection du courant.
Puis j’ai fait quelques recherches documentaires sur le WEB que j’ai lu avec beaucoup d’intérêt.
Et petit à petit, je retrouve tous les éléments du fameux livre sur l’aviation dans différents documents.
Je suis en train de lire la thèse d’Eric Thiebelmont et j’attends quelques documents que j’ai commandé dans le courant de la semaine prochaine.
En attendant, je me permets de partager le fruit de mes recherches documentaires avec quelques commentaires.

Si j’avais un conseil, ce serait de vous rapprocher d’un partenaire, soit un fabriquant d’électrodes, ou de machine à souder.
En effet, je pense qu’il est possible que vous ayez des cycles assez compliqués à mettre en œuvre par exemple avec des phases de préchauffage du point d’injection, ou encore avec un relâchement de la pression pour faire augmenter la résistance de contact entre les deux tôles à assembler (augmenter l’écart avec les résistance électrodes/plaques comme le fait remarquer YannA).
En partant de zéro, je pense qu’il vous faudra un énergie considérable (temps et budget) pour mettre au point un système industriel.
Vous ne pourrez pas vous passer d’examen métallographique, d’essai non destructifs et destructifs pour valider votre solution, et la rendre reproductible.
Ne pas oublier qu’une partie importante se joue sur la variabilité des paramètres d’une soudure à l’autre (variation des résistances des contacts et répartition en fonction de l’usure des électrodes ou encore des états de la matière à assembler) – Pas moins de trois mois avec un partenaire compétent et un budget conséquent de protypage, essais et mesures.

J’ai trouvé dans quelque documents (comme ici) que cela n’était pas possible sur le cuivre, mais au final des lectures, et aussi parce que je me rappelle avoir vu des procédés assez similaires sur les soudures des collecteurs de moteurs, c’est envisageable et pratiqué sur des faibles épaisseurs.

Quelques documents assez fournis ci-dessous :
http://www.sdservice.fr/LE%20SOUDAGE%20PAR%20RESISTANCE%20SD%20SERVICE%20-%202012.pdf
http://www.amadamiyachi.com/servlet/servlet.FileDownload?retURL=%2Fapex%2Feducationalresources_articles&file=01530000000Jybm

Le site de cooperalliance est bien achalandé sur la matière et ses alliages :
Home - European Copper Institute

Tu pourras trouver quelques lignes dans les documents suivants
https://copperalliance.eu/uploads/2018/03/03_cuivre.pdf quelque lignes page 18
https://copperalliance.eu/uploads/2018/03/travail_cuivre.pdf quelques lignes page 39

Electrodes
https://www.plansee.com/fr/produits/composants/outils-dusinage-et-de-mise-en-forme/electrodes-de-soudure/soudage-par-resistance.html
http://www.weldfil.com/electrode-soudage-resistance-consommables.html

Partenaires possibles :
https://www.amadamiyachi.eu/fr/base-de-connaissances/soudage-par-resistance

Thèse :
http://docnum.univ-lorraine.fr/public/INPL_T_1992_THIEBLEMONT_E.pdf
https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-00151464/document

Je vais continuer ma documentation car le sujet est très intéressant, et si je trouve quelques chose sur le cuivre je vous tiens informé.
A la fin, je ferai peut-être un fiche de synthèse de mes lectures ( avec des données chiffrées - ce que je ne peux pas encore faire) et je te transmettrai.

Bon courage à vous !

Bonsoir

Si vous êtes intéressé par le soudage par résistance je vous propose de parcourir le lien suivant :

http://www.soudeurs.com/section/soudage-par-resistance-274/

Amicalement

Dominique