Echangeur thermique hybride : structure lattice soudée par FSW

Échangeur thermique hybride - structure lattice soudé FSW a extrudé usiné.

Échangeur thermique hybride - structure lattice soudé FSW a extrudé usiné.

Un démonstrateur d’échangeur thermique avec une structure lattice en aluminium soudée par FSW a été réalisé et caractérisé. La structure lattice interne qui permet d’optimiser les échanges thermiques est obtenue par voie de fonderie. Le bloc creux est usiné à partir d’un bloc extrudé. L’échangeur est réalisé en assemblant la structure lattice et le bloc par FSW (Friction Stir Welding). L’échangeur thermique a été ensuite contrôlé par micrographie (soudures), par tomographie et en test d’étanchéité air/eau. Ce démonstrateur a permis d’hybrider différentes technologies (structure lattice, extrudé, usinage et FSW) de manière innovante.

Principe d’un échangeur thermique

Afin de limiter la chauffe de composants de puissance dans des systèmes embarqués, des échangeurs thermiques, communément appelés « plaques froides » ou « boîtes froides », sont utilisés pour les refroidir. Le principe est le suivant : le composant à refroidir est fixé sur une plaque creuse réalisée dans un matériau possédant une bonne conductivité thermique (aluminium, cuivre) et dans laquelle circule un fluide caloporteur. Ce système de refroidissement actif permet un refroidissement efficace des composants de l’électronique de puissance et prolonge ainsi leur durée de vie, tout en leur permettant d’être plus performant. Dans la suite de l’article, nous appellerons les échangeurs thermiques « plaques froides », le terme anglais étant « heat sinks ».

Les trois méthodes de fabrication conventionnelles

Habituellement, les plaques froides sont réalisées selon trois chaînes de fabrication possibles : par usinage et bouchons, par usinage et soudage et enfin par fabrication additive métallique.

La première méthode de fabrication (usinage et bouchons) commence par une étape d’usinage par perçage des trous dans une plaque de manière à ce qu’ils se rejoignent pour former un parcours dans lequel le fluide passera. Puis, une seconde étape consiste à boucher les trous de passage des forets non nécessaires afin de créer un circuit fermé. Sont généralement utilisés des bouchons du commerce. Cette méthode est simple et peu onéreuse, mais elle est très limitante concernant la forme des canaux, qui sont alors simples et rectilignes.

Figure 1a - plaque froide classique.
Figure 1a – plaque froide classique.

Dans la seconde méthode (usinage et soudage), on  usine un canal de refroidissement, en général dans une plaque d’aluminium ou de cuivre. Une seconde étape consiste à venir souder un couvercle au-dessus de la pièce usinée (Figure 1a) avec des procédés de soudage (faisceau d’électrons, laser, FSW, brasage, …). Une variante de cette étape consiste à insérer un tube coudé en cuivre dans la partie « canal » usinée (Figure 1b). Cette solution permet de réaliser un canal complexe pour un refroidissement optimal, tout en étant compétitif en termes de prix de revient et en permettant une production rapide en série.

Figure 1b - insert tube coudé en cuivre.
Figure 1b – insert tube coudé en cuivre.

Il est à noter que pour l’aluminium, notamment, les techniques de soudage classiques peuvent poser des problèmes de qualité de soudure, et donc d’étanchéité. Les soudures par friction malaxage (FSW) se développent et répondent aux exigences de qualité pour ces produits.

Enfin, la troisième méthode, l’impression 3D métallique, permet de lever le verrou de l’usinage qui n’est pas simple. En effet, assez naturellement, les procédés par ajout de matière tirent leurs épingles du jeu, en proposant de fabriquer directement ces formes complexes. Techniquement, la fabrication additive est intéressante. Cependant, son intérêt économique n’est pas toujours au rendez-vous.

Des plaques froides plus efficientes

Pour les plaques froides, il est également important d’avoir une résistance mécanique élevée pour augmenter le débit du fluide tout en garantissant l’étanchéité. Afin que la plaque froide soit la plus efficace possible, il est aussi important d’augmenter la surface de contact entre le fluide caloporteur et le métal. Pour se faire, plusieurs techniques existent telles que l’usinage de canaux en forme de serpentins (pour permettre au fluide de circuler le plus longtemps possible contre les parois du tube) ou le positionnement d’obstacles reliés au côté où sera fixé le composant à refroidir sur le trajet du fluide pour le ralentir et augmenter la surface de contact entre le métal et le liquide de refroidissement.

Une plaque froide en structure lattice soudée par FSW

Figure 2a - plaque froide et structure lattice.
Figure 2a – plaque froide et structure lattice.

Le matériau métallique ayant la plus grande surface de contact avec l’air par m³ étant la structure lattice, il a semblé intéressant de réaliser un échangeur thermique en associant le savoir-faire du CTIF (mousse d’aluminium par fonderie) et de SUNI (usinage et soudage FSW). La plaque froide lattice/soudée développée par le CTIF et la plateforme SUNI, est donc composée de deux pièces (Figure 2a pièces séparés et figure 2b pièces assemblés avant soudage FSW) : une structure lattice en aluminium et un bloc d’aluminium.

Figure 2b - sous ensemble soudé plaque froide et structure lattice.
Figure 2b – sous ensemble soudé plaque froide et structure lattice.

La structure lattice d’aluminium de série 4000 reliée à une semelle qui servira de couvercle a été réalisée par fonderie au CTIF puis usinée dans les locaux de SUNI PFT. Ce composant est intéressant car il permet une grande surface de contact avec le fluide circulant dans la plaque froide, et donc, un bon refroidissement du système. Le bloc d’aluminium de série 6061 a été usiné dans les locaux de SUNI PFT. La structure lattice et le bloc sont soudés par FSW.

Mode d’obtention de la structure lattice en aluminium

Figure 3 - Structure lattice brut de fonderie.
Figure 3 – Structure lattice brut de fonderie.

La fabrication du bloc en structure lattice a été réalisée dans la fonderie expérimentale de  CTIF en moulage sable dans un alliage d’aluminium AlSi7Mg0.6. S’agissant d’un prototype, les noyaux internes ont été fabriqués en matériau omégasphère puis empilés et positionnés une fois assemblés dans un moule en sable à prise chimique (liant polyuréthane). Une fois la structure coulée et solidifiée, le sable des noyaux internes est débourré par voie thermique et la pièce contrôlée et ébavurée. La structure lattice possède un taux de porosité de 85 % et des pores de diamètre 17 mm.

Usinage de la plaque froide et de la structure lattice

Figure 4 - CAO de la plaque froide.
Figure 4 – CAO de la plaque froide.

L’usinage sur la plateforme SUNI s’est effectué sur une machine 5 axes DMG, à l’aide d’une fraise 2 tailles et d’aluminium 6061. L’usinage concerne, à la fois, la réalisation d’un bloc creusé en 6061, et le taillage de la structure lattice pour l’insérer dans le creux du bloc. Un chapeau, ou pourtour, est réalisé autour de la structure lattice pour des contraintes liées au soudage (Figure 4). Le bloc d’aluminium 6061 n’a posé aucun problème particulier à usiner. Cependant la structure lattice est plus compliquée à usiner à cause de sa faible dureté (le métal se plie au passage de la fraise), de sa grande teneur en silicium (usure prématurée de outils) ou encore du fait que le matériau colle à la fraise. Le dernier point concerne le côté hétérogène de la matière : en effet, la fraise passe de la coupe de l’aluminium à du vide ce qui représente une succession d’entrée/sortie matière. Afin de pallier ces problèmes, des techniques d’usinage de structure lattice ont été développées et appliquées pour pouvoir réaliser les différentes parties de l’échangeur thermique. L’utilisation d’une fraise tranchante et l’utilisation de l’arrosage (lubrification) sont indispensables pour que le contournement de la pièce soit propre.

Principe du soudage par Friction Stir Welding

Figure 5 - Outils FSW.
Figure 5 – Outils FSW.

Le soudage par friction malaxage (Friction Stir Welding : FSW) est un procédé permettant d’assembler différentes pièces en malaxant la ou les matières, amenées à un état semi-pâteux grâce à la friction générée entre ces dernières et l’outil. Deux pièces à souder sont mises en contact et solidement bridées. L’outil (Figure 5) en rotation (ordre de grandeur : 800 à 2000 tr/min) pénètre la matière puis se déplace le long du joint à souder. Cette méthode a été mise au point en 1991 par la TWI (The Welding Institute) au Royaume-Uni et est, depuis 2015, tombée dans le domaine public. D’où son engouement soudain pour de nombreuses entreprises.

Figure 6a - configuration bord a bord.
Figure 6a – configuration bord a bord.

Il existe deux configurations majeures pour ce type de soudure : celle dite « bord à bord » ou « bout à bout » (Figure 6a) et celle « en transparence » (Figure 6b). Ce procédé permet de souder différents types de métaux ayant un point de fusion assez bas, par points ou par cordons tels que l’aluminium, le magnésium ou le cuivre. Il est également possible de souder des matériaux dissemblables entre eux (aluminium/acier ou aluminium/cuivre).

Figure 6b - Configuration FSW en transparence.
Figure 6b – Configuration FSW en transparence.

Aujourd’hui, cette technologie de soudage est présente dans de nombreux secteurs tels que l’automobile (Renault Zoé, Mazda RX8, portes du Ford F150, …), le secteur naval, l’aéronautique et l’aérospatiale (Eclipse 550 ou certaines parties de fusées SpaceX et Ariane 6…) ou encore pour l’assemblage de parties en aluminium ou en cuivre dans l’industrie. Sa particularité principale est de souder à l’état solide. Les dégradations des différents traitements thermiques du métal sont donc minimisées, tout en garantissant une parfaite étanchéité. Ce procédé est souvent utilisé pour réaliser des pièces fermées à partir de profilés obtenus par extrusion, soudure de tubes, plaques froides et même souder des câbles électriques à des connecteurs (continuité métallique) pour y faire passer un fort courant.

Soudage par FSW de la structure lattice

Afin de mettre au point les paramètres opératoires du soudage des pièces, on opère, généralement, sur la plateforme SUNI en mettant au point les premiers paramètres, visuellement, puis en qualifiant la soudure par des examens métallographies. Selon les résultats, les paramètres sont optimisés jusqu’à satisfaction de la qualité de la soudure. Des essais fonctionnels sur les pièces peuvent alors avoir lieu. Les deux parties sont soudées sur une épaisseur de 2 mm par FSW (épaisseur du pourtour) afin de rendre le tout parfaitement solidaire et étanche. La partie usinée a volontairement été surdimensionnée, afin de s’affranchir de certaines difficultés pouvant intervenir sur les pièces ayant des bords fins (effondrement de matière, chauffe localisée, déformations…). Sur cette pièce, la soudure complète dure moins de 30 secondes, avec une vitesse d’avance de l’outil FSW de 800 mm/min. Durant toute la soudure, on enregistre les paramètres procédés les plus importants, notamment l’effort de poussée en Z (Figure 7), ce qui permet un suivi qualité de la soudure en temps réel.

Figure 7 - FSW force appliquée fonction du temps.
Figure 7 – FSW force appliquée fonction du temps.
Figure 8 - plaque froide après soudage FSW.
Figure 8 – plaque froide après soudage FSW.

La matière brassée et déplacée par l’outil FSW fait apparaitre des bavures en surface appelées flash (Figure 8). Ces dernières témoignent d’un enfoncement trop important de l’outil dans l’aluminium, lié au différentiel de dureté entre l’aluminium de fonderie et l’aluminium extrudé (plus dur). Cependant ce défaut est purement visuel et n’est pas gênant ici, puisque la plaque froide sera ensuite surfacée.

Analyses métallographiques de la soudure

Afin de valider les paramètres de soudage et vérifier la présence d’éventuelles porosités internes au niveau du cordon de soudure, différentes plaques ont été soudées, puis découpées afin de réaliser des coupes métallographiques. Les soudures sont polies jusqu’à atteindre un Ra proche du poli miroir (à savoir 0.034 µm), à l’aide de différents disques abrasifs, ayant des grains allant de P80 à P4000, puis grâce à des disques de feutre, sur lesquels sont pulvérisés une solution à base de diamant ayant une granulométrie de 3 µm à 1 µm. On atteint après préparation un Ra de 0.026 µm. Pour finir, les différents grains de joint sont révélés en utilisant un acide ou une base réagissant avec le métal soudé (ici de l’hydroxyde de sodium pour l’aluminium).

Figure 9 - macrographie de la zone soudée.
Figure 9 – macrographie de la zone soudée.

Les macrographies montrent le passage du pion au niveau de l’interface. On peut ainsi déterminer si les deux aluminiums sont correctement brassés et si l’accroche mécanique s’effectue convenablement. Ici, les soudures sont parfaites, sans aucunes porosités internes, ce qui permet d’obtenir les meilleures tenues mécaniques possibles en FSW, soit 10 % d’abattement des caractéristiques en FSW contre 30 % d’abattement pour des soudures classiques TIG.

Test d’étanchéité air/eau

Figure 10 - échangeur thermique - test d'étanchéité air eau.
Figure 10 – échangeur thermique – test d’étanchéité air eau.

Une fois terminée, l’échangeur thermique est percé et taraudé afin d’y fixer un raccord de commerce (Figure 10). La pièce est placée dans un bac d’eau, puis testée en pression jusqu’à atteindre 6 bars (pression max du compresseur). La pièce tient parfaitement à la pression, sans se déformer, et aucune bulle d’air n’apparait en surface. La pièce est donc étanche et validée.

Un surfaçage extérieur

Figure 11 - Surfaçage de la plaque froide de l'échangeur thermique.
Figure 11 – Surfaçage de la plaque froide de l’échangeur thermique.

Afin de rendre la pièce fonctionnelle et supprimer les bavures, la soudure est surfacée de 0.5 mm. Les différentes couleurs que l’on peut apercevoir (Figure 11) sont dues aux structures et aux compositions différentes des alliages d’aluminium. La zone brassée, entre les deux, est également visible. Ce différentiel de couleurs n’est qu’esthétique.

Contrôle par tomographie

Figure 12 - Tomographie X de la zone de soudure - vue sur une coupe de l'échangeur thermique.
Figure 12 – Tomographie X de la zone de soudure – vue sur une coupe de l’échangeur thermique.

Parallèlement, une tomographie X été réalisée afin de vérifier que la soudure sur la pièce finale est correcte, sans avoir besoin de la découper. La tomographie X est un contrôle non destructif qui consiste à réaliser une série de clichés, grâce à des rayons X pour reconstituer un modèle 3D qui sera ensuite analysé. On peut ainsi visualiser la pièce selon ses différents axes (X, Y et Z) et vérifier la présence (ou non) de porosité dans tout le cordon de soudure, contrairement aux métallographies qui ne permettent de détecter les porosités que sur le plan de coupe. Ici la soudure ne possède aucune porosité interne.

Conclusions

Pour conclure, l’hybridation de procédés de fabrication usinage et structure lattice en aluminium, couplée à un procédé de soudage FSW, a permis la réalisation d’une plaque froide lattice innovante. Cette plaque froide permet d’augmenter la surface d’échange, et sa tenue mécanique autorise des débits assez conséquents pour ce type de produit. La réalisation de la soudure est suivie, qualitativement, avec l’enregistrement en temps réel des paramètres de soudage. Cette chaîne de réalisation apporte une réelle valeur ajoutée pour des plaques froides très efficientes. Le FSW est un procédé innovant permettant de souder de nombreux types de métaux à bas point de fusion (aluminium, magnésium, cuivre…). Il permet, en outre, de fabriquer des pièces creuses et fermées, non réalisables complétement par fonderie ou par extrusion. Le FSW tout en étant, mécaniquement supérieur aux procédés de soudage classiques, est économique et répétable. Il permet des cadences de production relativement importantes, ce qui en fait un process idéal dans le domaine de l’industrie, en particulier dans les secteurs de l’automobile ou de l’aérospatial.

Remerciements à Arthur Van Bellinghen, Benjamin Hervé, Carole Dubail et Pierre Guillon, les personnels de la plateforme SUNI PFT pour leur contribution à ces travaux et à Yves Gaillard, Patrick Hairy et Alain Jupin de CTIF pour la réalisation des structures lattices et la facilitation de ces travaux.

4 commentaires

  1. Innovation très intéressante.

    Je cite 2 phrases du texte (a et b)
    a) La structure lattice d’aluminium de série 4000 reliée à une semelle qui servira de couvercle a été réalisée par fonderie au CTIF puis usinée dans les locaux de SUNI PFT

    b) La fabrication du bloc en structure lattice a été réalisée dans la fonderie expérimentale de CTIF en moulage sable dans un alliage d’aluminium AlSi7Mg0.6.

    Je suppose que la dernière des 2 phrases (b) est correcte.
    1) Quelle partie de l’ensemble est en aluminium de la série 4000?
    2) Est -ce-que la structure lattice en AlSi7Mg est traitée T6 « dur » pour faciliter l’usinage?
    3) Comment un bon contact thermique lattice-boitier est-il assuré?

    Merci pour l’attention.

  2. Grandemange Hubert dit :

    Super intéressant

    Avez vous des éléments de comparaison entre les 3 systèmes? En particulier les pertes de charge et l’efficience thermique?

    Merci

  3. Bonjour,
    Merci pour votre intérêt et pour la réactivité qui plus est avec le décalage horaire. Ci après des éléments de réponses à votre question :
    1) Quelle partie de l’ensemble est en aluminium de la série 4000?
    Dans le paragraphe « Usinage de la plaque froide et de la structure lattice », sur le schéma, la partie en 4000 est celle composée de la mousse lattice et du pourtour.
    2) Est -ce-que la structure lattice en AlSi7Mg est traitée T6 « dur » pour faciliter l’usinage?
    Non, nous sommes partis d’un stock existant de matière non traitée
    3) Comment un bon contact thermique lattice-boitier est-il assuré?
    Un jeu d’assemblage de 0.1 mm entre les pièces est nécessaire, les pièces sont bloquées l’un à l’autre dans le plan XY (de part les formes male/femelle) puis le passage de l’outil FSW avec une poussé sur l’axe Z maintient les pièces et la soudure opère la jonction des pièces. Grace au FSW, il y a une continuité matière à travers le malaxage. Nous restons sur des nuances d’aluminium qui ont des conductions thermiques proches.

  4. Pour nous quand nous évoquons série 4000 faut comprendre les alliages 4XXX
    Sans doute une mauvaise habitude de langage

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