Qu’est-ce qu’une plaque froide ?
Une plaque froide est un dispositif conçu pour refroidir les équipements électroniques. Elle est constituée d’un boîtier dans lequel un canal a été usiné pour laisser passer le liquide de refroidissement (par exemple de l’eau), et d’un capot couvrant ce canal. Le capot est soudé au boîtier par friction malaxage.
Le plus souvent, ces plaques froides sont en aluminium, mais elles peuvent aussi être en cuivre. L’avantage de ces deux matériaux : leur haute conductivité thermique.
Plaque froide
Capot d’une plaque froide
Capot et la plaque froide
Plaque froide soudée par FSW
Types de plaques froides liquides
Grande plaque froide liquide
Taille: 400 x 400 x 20 mm
Alliage d’aluminium: 6061 T6
Canal de refroidissement par eau
Plaque froide liquide mince
Epaisseur totale: 3mm
Procédé de soudage : soudage par recouvrement de 3 tôles d’aluminium de 1 mm en une seule étape.
Résistance à la pression : 9 bars
Plaque froide liquide standard
A partir d’un bloc d’aluminium, on obtient une pièce de gestion thermique étanche prête à l’emploi.
Plaque froide liquide en cuivre
Le FSW permet de souder de l’aluminium ou du cuivre (la soudure alu-cuivre est également possible).
Plaque froide et gestion thermique
Les plaques froides sont produites en petite série dans les industries où une parfaite gestion thermique des équipements est essentielle : ferroviaire, éolien, solaire, spatial, aéronautique, data centers, militaire.
Les défis de la gestion thermique
Réduction des coûts et de la masse
Une meilleure intégration des composants, une densité de flux thermique accrue (W/m²) et l’utilisation de matériaux légers (comme l’aluminium) sont nécessaires.
Contraintes thermomécaniques
La planéité de la plaque froide doit être optimale pour garantir un contact parfait avec l’équipement électronique
Faible perte de charge
La perte de charge a un impact direct sur l’efficacité énergétique des systèmes (consommation des pompes).
Qualité, sécurité et stockage du liquide de refroidissement
Une haute compatibilité entre les matériaux et le liquide de refroidissement est essentielle.
Plaque froide usinée soudée par FSW : la réponse aux challenges de la gestion thermique
FSW : une technique de soudage présentant de nombreux avantages pour le soudage des plaques froides
Coût réduit
Remplacement du brasage sous vide ou de l’EBW (electron beam welding).
Résistance à la pression plus élevée
Jusqu’à 300 bars.
Parfaite étanchéité
Aucune porosité.
Excellente conductivité thermique
Jonction métallurgique.
Facilité d'utilisation
Comparée au brasage sous vide ou à l’EBW.
Comparaison des techniques de soudage pour une plaque froide
Avantages FSW vs. Autres techniques existantes de fabrication de plaque froide
FSW VS. TUBE EN CUIVRE
En FSW, le soudage du tube et de l’extrémité du connecteur n’est pas nécessaire. L’extrémité des connecteurs sont directement usiné dans le boîtier.
Le revêtement d’époxy + l’opération de pressage pour le séchage de l’époxy ne sont pas nécessaires en utilisant le FSW.
FSW VS. FORAGE PROFOND
Ne permet pas une grande liberté de conception en termes de surface de refroidissement : les trajets du liquide ne sont que des lignes droites
Pour les plaques froides de plus de 500 mm de long, le forage profond devient très difficile.
Les joints sont des zones très sensibles aux fuites.
Vous voulez en savoir plus sur la comparaison des méthodes de fabrication ?
Coût des plaques froides soudées par FSW
Le soudage par friction malaxage est la technique la plus économique en termes de coût opérationnel (investissement machine et fourniture du capot) par rapport à l’EBW ou au brasage sous vide.
En choisissant la tête FSW Stirweld, le coût d’investissement est drastiquement réduit, et le design du capot n’a pas besoin d’être extrêmement précis. Par conséquent, le capot peut être fabriqué par découpe laser, ce qui réduit considérablement le coût par rapport aux capots usinés qui sont utilisés pour le soudage par faisceau d’électrons.
Le coût du contrôle qualité est également réduit grâce au FSW. Dans le cas du soudage par friction-malaxage, ce coût est minime car :
- Il n’y a aucun risque de collage ou d’effondrement du canal (principal défaut du brasage sous vide),
- C’est un procédé de soudage à l’état solide : pas de porosité (principal défaut du soudage par faisceau d’électrons),
- Il n’y a pas de risque de fuite du liquide de refroidissement en service lié à une éventuelle propagation de fissure par pression de fatigue cyclique.
2 raisons essentielles nous ont conduit à choisir le soudage par friction malaxage. Tout d’abord, il nous permet de sécuriser les opérations d’assemblage entre le boîtier et le capot qui constituent le dissipateur thermique. Ensuite, nous souhaitions utiliser une technologie plus simple et fiabiliser l’opération.
La technologie FSW permet non seulement de simplifier le processus industriel mais est également plus sûre et peut conduire à des réductions de coûts significatives.
Témoignage en vidéo :
Conception d’une plaque froide soudée par friction-malaxage
Conception du capot d’une plaque froide
Les dimensions du capot de la plaque froide sont l’un des paramètres qui influencent l’opération de soudage mais aussi la résistance mécanique de la plaque soudée. Il y a deux façons d’augmenter la résistance à la pression de la pièce : augmenter l’épaisseur du capot ou diminuer sa largeur.
Paramètres de soudage FSW
Pour un soudage par friction malaxage efficace et de qualité de votre plaque froide, plusieurs éléments doivent être pris en compte :
- L’épaisseur et la largeur du capot,
- La définition du parcours de l’outil,
- La définition de la zone morte (zone de sortie de l’outil FSW).
Contrôle qualité d’une plaque froide soudée par friction malaxage
TEST DE PRESSION
Introduction d’eau sous pression dans le canal de la plaque froide pour mesurer la résistance à l’éclatement du capot.
TEST D’ÉTANCHÉITÉ
C’est le test le plus important pour vérifier la qualité de la plaque froide soudée.
GESTION THERMIQUE
Caractérisation expérimentale de la résistance thermique et de la perte de charge de la plaque froide.
TEST VISUEL
Identifier la présence d’un flash excessif (défaut FSW très courant), vérifier si la force appliquée par l’épaulement sur la surface de la pièce était suffisamment élevée.
Processus complet de soudage FSW d’une plaque froide en vidéo :
Différences entre FSW et le brasage sous vide
AVANTAGES ET LIMITES DU SOUDAGE PAR FRICTION-MALAXAGE : IMPACT SUR LA CONCEPTION ET LE PROCESSUS DE FABRICATION D’UNE PLAQUE FROIDE USINÉE
COMPARAISON ENTRE LE FSW ET LE BRASAGE SOUS VIDE: IMPACT SUR LE COÛT ET LA SÉCURITÉ
Expertise FSW – Stirweld
Avec son équipe d’experts en soudage par friction malaxage, Stirweld vous accompagne tout au long de votre processus de soudage de vos plaques froides. Vous pouvez compter sur le bureau d’études de Stirweld pour mener à bien les étapes suivantes :
- La conception de votre plaque froide,
- La conception et la fabrication de votre outillage,
- La définition de vos paramètres de soudage et le contrôle qualité,
- La fabrication des premiers lots.
Stirweld applique la norme ISO 25239 – Friction Stir Welding tout au long du processus industriel : conception du joint de soudure, qualification de l’opérateur de soudage, spécification et qualification des procédures de soudage, inspection & exigences de qualité.
Nos références
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