Plaque froide usinée soudée par FSW :

la réponse aux challenges de la gestion thermique

Aujourd’hui de nombreux secteurs d’activité recherchent une gestion thermique irréprochable. C’est le cas de l’aéronautique, du spatial, du secteur militaire, des énergies éolienne et solaire et bien d’autres encore. Leur solution pour une gestion thermique optimale : les plaques froides usinées. Le challenge est de taille : intégrer ces plaques froides dans leurs dispositifs tout en réduisant le poids total. Notre réponse : des plaques froides usinées en aluminium et soudées par FSW.

Pour comprendre comment optimiser le soudage votre plaque froide usinée, suivez le guide !

Quelles plaques froides pour quels secteurs d’activité ?

On compte plusieurs familles de plaque froide :

Plaque froide en fonderie d’aluminium : refroidissement par air,

Plaque froide pour l’e-mobilité (fonderie sous pression) : canal d’eau en soudant un capot sur la pièce.

Plaque froide usinée : pièce usinée permettant de refroidir des dispositifs électroniques.

Plaque froide en fonderie d’aluminium

Plaque froide pour l’e-mobilité (fonderie sous pression)

Plaque froide usinée en aluminium

Ces plaques froides ne comportent pas le même nombre de pièces par lot. En effet, les plaques froides dédiées à l’e-mobilité sont produites en plus grande série alors que les plaques froides usinées, dédiées à des secteurs comme l’aéronautique, la défense ou encore l’éolien, sont produites en plus petite série, autour de 50 pièces.

Les plaques froides usinées sont utilisées dans différents secteurs d’activité. Les principaux secteurs sont le ferroviaire, l’énergie éolienne et solaire, le spatial, l’aéronautique, les data centers et le secteur de la défense ; des secteurs dans lesquelles la question de la gestion thermique est incontournable.

Plaques froides usinées : Le challenge de la gestion thermique

Dans 90% des systèmes énergétiques, les plaques froides sont nécessaires pour la gestion de la température des dispositifs. La gestion thermique des équipements fait face à plusieurs défis :

La réduction de la taille des pièces : permettre une meilleure intégration des composants dans le système,
La réduction de la masse des pièces : réduire le poids des pièces en privilégiant un matériau léger comme l’aluminium,
La gestion des coûts et l’intégration,
La hausse de la densité du flux thermique,
La gestion des contraintes thermomécaniques : ne pas avoir à gérer de déformation,
La qualité, la sécurité et le stockage du liquide de refroidissement,
La demande croissante de solution personnalisée, spécifique et adaptée au client.

Prenons l’exemple de la gestion thermique dans l’aéronautique. Dans ce secteur, le refroidissement de l’électronique représentera la plus grande taille de marché entre 2021 et 2026 du fait d’une demande croissante d’automatisation (Source : Temisth).

Le challenge : une plus grande quantité d’électronique doit être logée dans un espace plus petit et plus étroit.

Dans le domaine de l’aérospatial et de la défense, les plaques froides usinées sont utilisées pour refroidir les systèmes embarqués (en apesanteur et compacts) comme les radars ou l’électronique de contrôle et de puissance. Ces plaques froides usinées sont bien spécifiques : elles ont un cycle transitoire, c’est-à-dire qu’elles sont utilisées tant pour refroidir que pour réchauffer les pièces.

Le challenge : une faible production en série du fait du type de marché très restrictif puisqu’il fait face à des réglementations nationales.

Ainsi, le marché des plaques froides usinées est en pleine croissance depuis une dizaine d’année notamment dans le domaine de l’électronique de puissance, du laser, des équipements médicaux et de l’automobile comme vous pouvez le constater dans le graphique ci-dessous.

En 2020, le nombre de plaques froides usinées soudées par FSW était de 250 000 unités, soit 13 % du marché.

Croissance du marché des plaques froides usinées soudées par FSW

Source : Temisth

Pourquoi privilégier l’aluminium pour les plaques froides usinées ?

Pour qu’une plaque froide usinée soit performante, le matériau utilisé doit être conductible thermiquement, le plus léger possible. De plus, une fois assemblée, la plaque froide doit être 100% étanche. Le matériau qui répond à ce cahier des charges, c’est l’aluminium. En effet, il présente de très bonnes propriétés mécaniques :

Excellente conductivité thermique,
Propriétés mécaniques constantes voire améliorées à basse température,
Faible densité donc légèreté des pièces,
Résistance à la corrosion,
Recyclable à l’infini.

Néanmoins, un problème se pose : la soudabilité de l’aluminium. Etant un matériau avec une conductivité thermique excellente, le processus de soudage peut s’avérer complexe avec des techniques de soudages conventionnelles par fusion. Nous allons donc voir comment souder vos plaques froides usinées en aluminium à l’aide d’un nouveau procédé : le soudage par friction malaxage.

Plaque froide usinée en aluminium soudée par FSW

Comment souder une plaque froide usinée en aluminium ?

Comme nous l’avons rappelé ci-dessus, l’aluminium est un matériau qui possède une faible densité, une bonne résistance à la corrosion et une conductibilité thermique et électrique élevée. Cependant, en raison de ses propriétés spécifiques, le soudage de l’aluminium peut s’avérer plus compliqué. En effet, du fait de sa forte conductibilité thermique, l’opération va nécessiter des énergies de soudage élevées. Autres points à prendre en compte : la tendance de l’aluminium à se déformer en soudage et les possibles défauts (fissurations, soufflures, altération des propriétés mécaniques, dégradation du matériau).

Plusieurs options s’offrent à nous pour souder les plaques froides usinées en aluminium : le brasage sous vide, le soudage par faisceaux d’électrons ou le soudage par friction malaxage. Pour comprendre quel est le meilleur procédé de soudage des plaques froides usinées nous devons prendre en compte le coût de fonctionnement – coût d’investissement et coût du capot – ainsi que le coût du contrôle qualité.

Coût de fonctionnement d’une opération de soudage de plaque froide usinée

Le coût de fonctionnement comprend donc le coût d’investissement en termes de machine et le coût du capot. Ces coûts varient en fonction de la technique de soudage utilisée :

Coût de fonctionnement : investissement de la machine et coût du capot. Source : Stirweld – plaques froides et FSW

La différence de coût du capot entre le brasage sous vide et le FSW et le soudage EBW s’explique par le fait qu’en EBW, la conception du capot doit être extrêmement précise ce qui entraîne des coûts supplémentaires.

Coût du contrôle qualité d’une opération de soudage de plaque froide usinée

De même que pour le coût de fonctionnement, le coût du contrôle qualité va dépendre de la technique d’assemblage utilisé :

Coût du contrôle qualité. Source : Stirweld – plaques froides et FSW

Après cette analyse des différentes techniques d’assemblage – brasage sous vide, EBW, FSW – nous constatons que le FSW présente un réel avantage tant au niveau du coût de fonctionnement qu’au niveau du coût du contrôle qualité. Mais le FSW n’est pas seulement profitable côté coût. Nous allons voir qu’il présente aussi beaucoup d’autres avantages, notamment au niveau de la qualité et des performances mécaniques de la pièce.

En quête d’une solution pour souder vos plaques froides usinées en aluminium ? Voici la technique de soudage préconisée : le soudage FSW

Souder une plaque froide usinée par FSW présente plusieurs avantages :

Moindre coût : remplacement du soudage par faisceau d’électrons (EBW) ou du brasage sous vide,

Résistance plus élevée : jusqu’à 300 bars,

Etanchéité parfaite : il n’y a pas de porosité,

Conductivité thermique excellente (jonction métallurgique),

Beaucoup plus simple d’utilisation comparé à l’EBW ou au brasage sous vide.

Pour que la soudure soit efficace et performante, plusieurs points sont à prendre compte :

L’épaisseur et la largeur du capot,
La définition du passage de l’outil,
La définition de la zone morte : zone de sortie de l’outil qui doit se trouver en dehors du canal de refroidissement,
Le bridage de la pièce : pour cela n’hésitez pas à lire notre article « L’importance de l’outillage de bridage ». Notre petit tips : utiliser la méthode du pointage avant de procéder au soudage, cela vous permettra d’éviter tout mouvement indésirable du capot.

Quatre paramètres sont à prendre en compte pour souder une plaque froide usinée par FSW :

La géométrie de l’outil : l’épaulement, le pion,
L’outillage de bridage : backing, bridage en Z, bridage en XY
Le contrôle de force,
Les paramètres de soudage : vitesse de rotation, vitesse d’avancement, force en Z.

Pour tout connaître sur les paramètres de soudage FSW, n’hésitez pas à lire notre article « 4 éléments essentiels pour une soudure FSW de très haute qualité ».

Dernière étape : la qualification de votre soudure FSW

Une fois votre plaque froide usinée soudée, il est indispensable de passer à la qualification. Pour cela, la norme à suivre est la norme ISO 25239.

Processus de qualification d’une soudure FSW. Source : Stirweld – Bureau d’études FSW

Le soudage par friction malaxage est donc la solution pour assembler vos plaques froides usinées en aluminium : une étanchéité parfaite, une conductivité thermique excellente et un procédé à bas coût. Pour vous aider à aller plus loin dans votre processus, nos experts FSW vous accompagnent. Calculs mécaniques, résistance du matériau à la fatigue, recommandation sur l’épaisseur et la largeur du capot, sur l’outil à utiliser… Rien ne leur résiste alors n’hésitez pas à nous contacter, nous serons là pour répondre à vos questions.