Une étude CIQTEK SEM montre que les électrodes à anneau surélevé améliorent le soudage par points des alliages d'aluminium et la durée de vie des électrodes.

Les alliages d'aluminium, prisés pour leur rapport résistance/poids exceptionnel, sont des matériaux idéaux pour l'allègement des véhicules. Le soudage par points par résistance (RSW) demeure la méthode d'assemblage la plus courante dans la fabrication des carrosseries automobiles. Cependant, la conductivité thermique et électrique élevée de l'aluminium, combinée à sa couche d'oxyde superficielle, exige des courants de soudage bien supérieurs à ceux utilisés pour l'acier. Ceci accélère l'usure des électrodes en cuivre, entraînant une qualité de soudure instable, une maintenance fréquente des électrodes et une augmentation des coûts de production. Prolonger la durée de vie des électrodes Garantir la qualité des soudures est devenu un goulot d'étranglement technologique critique dans l'industrie.

Pour relever ce défi, l'équipe du Dr Yang Shanglu à l'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai a mené une étude approfondie en utilisant CIQTEK FESEM SEM5000 Ils ont conçu de manière novatrice une électrode à anneau surélevé et ont étudié systématiquement l'effet du nombre d'anneaux (0 à 4) sur la morphologie de l'électrode, révélant la relation intrinsèque entre le nombre d'anneaux, les défauts cristallins dans le noyau de soudure et la distribution du courant. Leurs résultats montrent qu'augmenter le nombre d'anneaux surélevés optimise la distribution du courant, améliore l'efficacité de l'apport thermique, agrandit le noyau de soudure et prolonge considérablement la durée de vie des électrodes. Notamment, les anneaux surélevés améliorent la pénétration de la couche d'oxyde, optimisant ainsi le flux de courant tout en réduisant la corrosion par piqûres. Cette conception d'électrode innovante offre une nouvelle approche technique pour limiter l'usure des électrodes et jette les bases théoriques et pratiques d'une application plus large du soudage par résistance aux rayons X (RSW) des alliages d'aluminium dans l'industrie automobile. L'étude est publiée dans la revue… Journal des technologies de traitement des matériaux sous le titre « Étude de l'influence de la morphologie de surface des électrodes sur le soudage par points par résistance des alliages d'aluminium. «

Conception révolutionnaire d'électrodes à anneau surélevé

Face au problème de l'usure des électrodes, l'équipe a abordé la question sous l'angle de la morphologie des électrodes. Ils ont usiné de 0 à 4 anneaux concentriques en relief sur la face d'extrémité d'électrodes sphériques conventionnelles, formant ainsi une nouvelle électrode à anneaux de Newton (NTR).

Figure 1. Morphologie de surface et profil en coupe transversale des électrodes utilisées dans l'expérience

L'analyse MEB révèle des défauts cristallins et une amélioration des performances

Comment les anneaux surélevés influencent-ils les performances de soudage ? En utilisant Techniques CIQTEK FESEM SEM5000 et EBSD L'équipe a caractérisé en détail la microstructure des zones de soudure. Elle a constaté que les anneaux en relief percent la couche d'oxyde d'aluminium lors du soudage, optimisant ainsi la distribution du courant, influençant l'apport de chaleur et favorisant la croissance de la zone de soudure. Plus important encore, l'interaction mécanique entre les anneaux en relief et le métal en fusion augmente significativement la densité des défauts cristallins, tels que les dislocations géométriquement nécessaires (DGN) et les joints de grains à faible angle (JGA), au sein de la zone de soudure. Les performances optimales ont été observées avec trois anneaux en relief (NTR3).

Figure 2. Analyse EBSD de la microstructure du noyau de soudure pour les électrodes NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 et NTR4

Durée de vie prolongée des électrodes

Outre l'amélioration de la qualité des soudures, les électrodes à anneau surélevé présentent une résistance à l'abrasion exceptionnelle. Après un test de durée de vie sur 10 soudures, la différence d'usure des électrodes était frappante.

Figure 3. Durée de vie des électrodes NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 et NTR4

Analyse quantitative

L'électrode NTR0 sans anneaux surélevés a présenté une surface d'usure de 13,49 millions de μm².

En comparaison, les électrodes NTR3 et NTR4 avec trois et quatre anneaux surélevés ont réduit les zones d'usure à 4,35 millions de μm² et 3,98 millions de μm², ce qui représente des réductions de 67,8 % et 70,5 %, respectivement.

La structure à anneaux surélevés concentre le courant le long des anneaux, guidant l'usure le long de trajectoires prédéterminées et empêchant l'expansion aléatoire des piqûres, doublant ainsi la durée de vie des électrodes.

Figure 4. Zone de piqûres des électrodes NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 et NTR4 après 5 et 10 soudures : (a) 5e soudure, (b) 10e soudure,

Microanalyse des piqûres d'électrodes

Une analyse MEB plus poussée des électrodes NTR0 après soudage jusqu'à adhésion à la feuille d'aluminium a révélé une couche de composé intermétallique (CIM) de 10 μm d'épaisseur entre l'électrode et la feuille. Cette couche de transition est constituée de deux sous-couches contenant du cuivre :

À proximité de l'électrode : sous-couche plus mince contenant 29,2 % at. de Cu (Al ₄ Cu ₉ phase).

À proximité de l'alliage d'aluminium : sous-couche plus épaisse contenant 15,5 % at. de Cu (AlCu ₂ phase).

Figure 5. Analyse de la composition des piqûres entre l'électrode et la feuille

Cette étude démontre qu'une morphologie d'électrode innovante peut réguler efficacement la distribution du courant, améliorant ainsi la qualité de la soudure tout en prolongeant la durée de vie de l'électrode. Microscope électronique à balayage à émission de champ CIQTEK ont fourni une visualisation indispensable et des preuves quantitatives des mécanismes microscopiques, notamment l'évolution des défauts cristallins et la corrosion par piqûres des électrodes, soulignant le rôle crucial de la caractérisation avancée dans l'avancement de la recherche sur le soudage et des applications industrielles.