LightBEE : Development of Lightweight Battery Carriers for EV Energy Units

Description du projet

Dans le cadre de LightBEE, plusieurs procédés d'assemblage sont étudiés pour démontrer les nouveaux concepts de support de batterie. Les procédés suivants ont été identifiés comme très prometteurs pour atteindre les objectifs du projet.

Soudage par friction malaxage (FSW) et soudage par points par friction malaxage (FSSW)  

Le soudage par friction malaxage est un procédé à l'état solide basé sur la friction qui permet d'assembler des feuilles ou des produits plats (extrusions). Il utilise un outil rotatif qui est plongé entre les deux tôles serrées, et qui est déplacé le long de la ligne de joint (voir Figure 1 et Figure 3). Dans le soudage par friction malaxage par points, des outils similaires sont utilisés pour créer une soudure par points. Les joints présentent un cratère après soudage, comme le montre la figure 2.

Figure 1: Principe du soudage par friction-malaxage

 

Figure 2 : Principe du soudage par points par friction-malaxage

 

Figure 3 : Exemple de soudure par friction-malaxage d'un profilé creux (Source : IBS)

 

La technologie FSW a montré un grand potentiel pour la fabrication de panneaux, utilisant des extrusions d'aluminium à double peau (Figure 5) ainsi que des structures renforcées par soudage par recouvrement d'extrusions en alliage 7XXX (Figure 6). Ces concepts serviront de base aux développements nécessaires à la mise en œuvre de la FSW dans la fabrication de supports de batterie dans LightBEE.

Figure 5: Panneaux produits par FSW d'extrusions à double peau (source: LORTEK).

 

Figure 6 : Extrusion 7XXX soudée à une feuille 7XXX par FSW dans la configuration de chevauchement (source: LORTEK).

 

La technologie FSW a été étudiée pour son application dans la fabrication de structures légères et à haute résistance dans l'industrie aérospatiale. En témoignent les projets passés tels que WEL-AIR [1] ou les projets en cours OASIS [2] ou ecoTECH [3]. La technologie FSW appliquée aux alliages d'aluminium à haute résistance (2XXX, 7XXX...) est étudiée dans ces projets afin de créer des structures innovantes présentant des réductions de poids et une résistance structurelle élevée. Ce type d'applications a été dans certains cas mis en œuvre dans des structures aéronautiques réelles, par exemple pour des structures de fuselage par Eclipse Aviation [4] et Embraer [5]. 
Des concepts structurels et technologiques FSW similaires seront développés dans LightBEE, en se concentrant sur les matériaux et les exigences pertinentes pour le développement de supports de batterie dans l'automobile. Les résultats antérieurs des projets et applications mentionnés seront très utiles comme référence pour LightBEE.

Soudage par points par friction (RFSSW)

Le RFSSW est un procédé de soudage par points basé sur la friction. Il utilise un outil à trois composants comprenant un pin, un manchon et une bague de serrage pour assembler deux ou plusieurs tôles dans la configuration de chevauchement. Le procédé crée des soudures par points sans cratère, laissant une surface plane avec une perte de matériau minimale. 
Le procédé RFSSW convient parfaitement au soudage des alliages d'aluminium, et en particulier au soudage des alliages avancés à haute résistance, qui ne sont pas soudables avec les techniques de soudage conventionnelles. Il permet d'assembler des combinaisons de matériaux dissemblables, comme l'aluminium et l'acier, les composites d'aluminium, les matériaux revêtus et les alliages d'épaisseur inégale. Il offre également une solution aux problèmes du soudage par résistance par points des alliages d'aluminium (dégradation de l'électrode et son influence sur la qualité de la soudure). Le procédé a été étudié pour l'assemblage de plusieurs alliages d'aluminium [6,7,8], et pour l'assemblage de l'aluminium aux composites [9,10].
 

Figure 7: Principe du soudage par points par friction

 

Figure 8: Exemple de soudure par points par friction (Source : Riftec gmbh)

 

Figure 9: Exemple de soudure par points par friction en aluminium (Source : IBS)

 

Figure 10: Exemple de soudure par points par friction de l'aluminium à un composite (Source : Helmholtz-Zendrum-Geesthacht)      

Soudage par impulsions électromagnétiques 

Le soudage par impulsions électromagnétiques est un nouveau procédé de production, très innovant mais quasiment inconnu. Le principe de fonctionnement du processus de soudage est basé sur l'utilisation de forces électromagnétiques pour déformer et souder les pièces. Comme ce procédé de soudage sophistiqué n'utilise pas la chaleur mais la pression pour réaliser la soudure, il offre des avantages importants par rapport aux techniques de soudage conventionnelles. La déformation a lieu à une vitesse très élevée et est créée de manière sûre, en utilisant des forces électromagnétiques. L'absence de chaleur pendant le cycle de soudage permet d'assembler des matériaux dissemblables [11].

 

Figure 11: Principe du soudage par impulsion électromagnétique 

 

Figure 12: Exemple d'une soudure par impulsion électromagnétique (Source : IBS)

 

Figure 13: Exemple de soudure d'aluminium par impulsion électromagnétique [12]

 

Figure 14: Exemple d'une connexion sertie par impulsion électromagnétique d'aluminium à composite (Source : BWI [13])

 

Les procédés susmentionnés sont tous des procédés d'assemblage à l'état solide, qui présentent les avantages suivants par rapport au soudage par fusion :

• les joints produits sont généralement exempts de défauts de solidification tels que des porosités gazeuses, la fissuration à chaud et les inclusions non métalliques, qui peuvent être présents lors du soudage par fusion, 
• d'excellentes propriétés mécaniques sont obtenues dans la zone affectée par la chaleur de la soudure, et une faible distorsion et un faible retrait sont présents, en raison de la nature à l'état solide, 
• La possibilité d'assembler des matériaux difficiles à souder, comme certains alliages d'aluminium (par exemple les matériaux des séries 2000 et 7000), des matériaux dissemblables ou des tôles présentant de grandes différences d'épaisseur..

Soudage par laser 

Le soudage par faisceau laser est un procédé de soudage par fusion dans lequel l'énergie radiante est utilisée pour produire la chaleur nécessaire à la fusion des matériaux à assembler. Le soudage laser de l'aluminium est largement utilisé dans l'industrie, mais il existe néanmoins des limitations qui doivent être prises en compte pour chaque application. Tout d'abord, l'aluminium est l'un des meilleurs réflecteurs de la lumière. En outre, de nombreux alliages d'aluminium contiennent du magnésium ou du zinc, qui se vaporisent facilement en formant un plasma qui bloque le faisceau incident. D'autres problèmes à prendre en compte lors du soudage laser de l'aluminium sont la faible absorption de puissance, les différences de composition des alliages et l'importance de la préparation de la surface [14].

Figure 15: Soudage laser d'aluminium

 

Figure 16: Exemples de pièces en aluminium soudées au laser