Brevet FR2517232A1 — publié le 19830603

La presente invention concerne un dispositif pour le soudage de pièces par ultrasons, et notamment de contacts et connecteurs de photopiles solaires, et comprenant un générateur haute fréquence délivrant un courant haute fréquence, un émetteur d'ultrasbns qui convertit les oscillations haute fréquence délivrées par le générateur en vibrations ultrasoniques, une pièce de transmission des vibrations ultrasoniques à une sonotrode an aval pour leur concentration sur les pièces soudées, un montage de fixation des pièces et des organes de commande. Les milieux professionnels connaissent depuis longtemps le sou- dage par ultrasons de matériaux de contact, et par exemple le soudage par ultrasons d'argent et d'alliages d'argent sur des supports en cuivre, alliages de cuivre ou aluminium (tiré à part de la '"Zeitschrift fur Werkstofftechnik/Journal of Material Technology, 6, n 4, 1975, pages 125 à 137 Le soudage par ultrasons doit être considéré comme une combinaison du soudage par friction et du soudage par pression à froid; il s'effectue sur des pièces en recouvrement Le soudage par ultrasons présuppose une certaine pression de serrage L'emploi simul- tané de forces de serrage et dénergie ultrasonique permet avantageu- sement de réduire les forces nécessaires et par suite aussi la défor- mation résultante des pièces L'énergie ultrasonique produit localement une vibration de friction haute fréquence, qui détruit les couches d'oxyde et autres impuretés se trouvant sur la surface des matériaux, sans déformation plastique notable dans la zone de soudage Les sur- faces métalliques ainsi nettoyées se soudent sous une pression relati- vement faible, par suite de la présence de forces de liaison métallique. Le principe d'une machine à souder par ultrasons est décrit à la page 127 de l'article précité Les appareils de soudage par ultrasons comportent par principe un générateur haute fréquence (convertisseur de fréquence), une tête é ultrasons (convertisseur d'oscillations), une sonotrode (conducteur de vibrations), un bâti pour la fixation des pièces à soude- et des éléments de commande Le générateur délivre un courant haute fréquence dont les oscillations sont converties en vibrations mécaniques Ces dernières sont produites par une tte à ultrasons, transducteur électro-acoustique qui convertit les oscilla- tions électriques de même haute fréquence, délivrées par le généra- teur La sonotrode amplifie les vibrations puis les transmet au matériau à souder. Une machine de soudage de métaux à ultrasons de la Société TELSONIC/ Suisse (modèle MSM-700, notice de juillet 1977) est connue pour la connexion des films d'aluminium formés de bobinages de condensateurs électrolytiques au boîtier ou à des pièces de contact, pour la con- nexion d'extrémités de bobiné à des appareils électriques ou pour le soudage de films d'aluminium Cette machine à souder permet d'asseti- bler des matériaux différents à condition que leurs duretés ne diffèrent pas trop Il est possible de faire varier avec précision tous les paramètres de soudage importants, tels qu'amplitude, pression, temps de soudage, temps de temporisation, temps de forgeage et vitesse du chariot. Il est également connu de fixer des connecteurs sur les contacts de photopiles solaires à l'aide de soudages par ultrasons (brevet des EtatsUnis d'Amérique N O 36 20 847) Il est possible d'utiliser pour ce faire des équipements de soudage par ultrasons précités, dans les- quels des mécanismes spécifiques du système appliquent une sonotrode avec une force définie Une impulsion ultrasonique est alors déclenchée, dont les autres paramètres variables sont: temps de soudage, force de serrage, surface de serrage, amplitude Dans le cas des photopiles solaires actuellement produites (de 5 x 5 ou de 10 cm 2), il est par exemple possible d'effectuer jusqu'à 16 pas par cellule, c'est-à-dire 16 soudages individuels pour l'interconnexion sous-forme d'un module. L'inconvénient essentiel réside dans le fait qu'une amplitude déter- minée de vibration de la sonotrode est nécessaire pour obtenir un soudage mécaniquement parfait entre le contact et le connecteur, un film d'aluminium d'une épaisseur de 80 pm environ Cette amplitude, en liaison avec la force de serrage nécessaire, fait aussi vibrer la photopile solaire (fréquence: 36 k Hz), entraînant sa rupture fréquente. Outre le rebut, ce phénomène impose un important supplément de travail manuel sur les automates effectuant le soudage des modules. L'invention a pour objet un dispositif du type précité, carac- térisé par une constitution technique relativement simple et permet- 17232 tant une meilleure liaison mécanique et électrique continue par joint soudé entre les pièces que le joint soudé par points, obtenu sur les dispositifs classiques. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la sonotrode présente un bourrelet, abaissé sur la surface d'une pièce pendant l'opération de soudage et servant de molette; un mouvement relatif entre le bourrelet et les pièces fait rouler la sonotrode sur ces dernières, seule la partie du bourrelet appliquée tangentiellement sur une pièce transmettant de l'énergie ultrasonique aux pièces; et le mouvement relatif est rendu possible par le montage en rotation, à un noeud de vibration de la pièce de transmission, du système formé par l'émetteur d'ultrasons, la pièce de transmission et la sonotrode à bourrelet rotatif. Un avantage essentiel de l'invention réside dans la réduction très importante de l'énergie ultrasonique et la diminution sensible de la pression de serrage de la sonotrode sur les pièces à souder, par rapport aux valeurs des dispositifs classiques Le nouveau dis- positif accroît en outre avantageusement la vitesse de production, de même que la sécurité et la qualité de la soudure Outre une réduction des rebuts de fabrication, l'application du dispositif aux soudures de photopiles solaires réduit les pertes ohmiques du système contact- connecteur, ce qui conduit à une augmentation de la puissance électri- que délivrée par la photopile solaire. L'application du dispositif selon l'invention ne se limite pas aux soudures entre connecteurs et contacts de photopiles solaires. Sont également concevables des soudages pour l'assemblage de plusieurs films, de films sur t 6 les ou de pièces massives à l'aide du dispositif selon l'invention, les objets à souder pouvant par exemple être en aluminium, or, cuivre, nickel, argent, silicium ou autres métaux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et du dessin annexé sur lequel la figure 1 représente schématiquement le système constitué par l'é- metteur d'ultrasions, la pièce de transmission et la sonotrode; et la figure 2 représente le schéma de principe d'un dispositif de soudage à la molette de photopiles solaires. Sur la figure 1, le dispositif de soudage comporte une sonotrode 1 Sur la face frontale gauche de cette dernière est disposée une pièce de transmission 2, fixée dans une douille 3 par des vis sans tête 4 et reliée à un émetteur d'ultrasons (piezocéramique) 7 La pièce 2 transmet à la sonotrode 1 les vibrations ultrasoniques qui sont délivrées par l'émetteur d'ultrasons 7, par conversion d'oscilla- tions haute fréquence Ces dernières sont délivrées par un générateur haute fréquence non représenté, puis transmises à l'émetteur d'ultra- sons 7 par des bagues 8, des balais 9 et des lignes d'alimentation haute fréquence 10 Les éléments 2, 3, 4, 7, 8 et 9 sont disposés dans un boîtier 6, fixe dans l'espace et dont la paroi extérieure est traversée- par les lignes d'alimentation haute fréquence 10 La paroi intérieure du boÂtier 6 constitue le palier de deux roulements à billes 5, dans lesquels la douille 3 est montée en rotation avec la pièce de transmission 2, la sonotrode 1 et l'émetteur d'ultrasons 7 avec les pièces correspondantes L'extrémité droite de la pièce de transmission 2 traverse la face frontale droite du boîtier 6 Le système constitué par l'émetteur d'ultrasons 7, la pièce de transmission 2 et la sonotrode 1 est monté en rotation à un noeud de vibration de la pièce de trans- mission 2; L'extrémité extérieure droite de la sonotrode 1, qui est cylin- drique par exemple, est munie d'un bourrelet annulaire 16 servant de molette et de diamètre supérieur à celui de la sonotrode 1 Le pour-* tour du bourrelet 16 peut être lisse, cannelé ou denté Un détail agrandi d'une réalisation dentée est représenté dans un cercle de la figure 1 Une cannelure ou denture multiple est également concevable sur le pourtour du bourrelet 16. Les éléments du dispositif selon figure 2 sont désignés par les mêmes références que sur la figure 1, dans la-mesure du possible Le boîtier 6 est disposé dans un support 11 autour de l'axe horizontal duquel un ressort de serrage 12 abaisse le bourrelet 16 sur les pièces à souder, pour l'exécution d'une opération de soudage Dans l'exemple considéré, ces pièces sont constituées par un ruban 15 de contacts à souder, qui doit être fixé directement sur une face d'une photopile solaire 14 déposée sur une pièce mobile 13 Pendant une opération de soudage, le bourrelet 16 est abaissé sur le ruban 15, qu'il applique sous une pression de serrage prédéterminée sur la face supérieure de la photopile solaire 14 Un mouvement relatif entre le bourrelet 16 et les pièces 14 et 15 fait rouler la sonotrode 1 et son bourrelet 16 sur lesdites pièces 14 et 15, seule la partie du bourrelet 16 appliquée tangentiellement sur le ruban 15 transmettant de l'énergie ultrasonique aux pièces 14-et 15, et assurant un soudage aux points de contact correseondantso Un joint soudé à la molette est ainsi pro- duit entre la photopile solaire 14 et le ruban de contacts à souder 15. Le mouvement relatif entre le bourrelet 16 et les pièces 14 et est obtenu par une translation de la table 13 dans le sens de la flèche reprdsentée sur la figure 2 La sonotrode 1 est fixe dans l'es- pace avec son bourrelet 16 Le mouvement de rotation du bourrelet 16 et de la sonotrode 1 (avec l'émetteur d'ultrasons 7 et la pièce de transmission 2 selon figure 1) est produit par la liaison par frotte- ment entre le bourrelet 16 et les pièces 14 et 15 La force définie et réglable du ressort 12 crée la liaison par frottement. Le mouvement relatif peut aussi être produit par un déplacement de la sonotrode 16 et du bourrelet rotatif 16 sur des pièces à souder fixes dans l'espace Il est également concevable de disposer sous les éléments des galets d'entraînement montés en rotation, servant de butée et pouvant etre entraînés par moteur Il est également possible de déplacer le ruban de contacts à souder 15 sur un guide à rouleaux. Ce dernier peut être muni d'un dispositif de coupe permettant le décou- page du ruban 15 à une longueur prédéterminée Il est en outre possible de souder simultanément des pièces à l'aide de deux ou plusieurs dis- positits Cette opération peut s'effectuer des deux ctés des pièces. Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 251 7232 Revendications 1 Dispositif pour le soudage de pièces par ultrasons, et notamnent de contacts et connecteurs de photopiles solaires, et comprenant un générateur haute fréquence délivrant un courant haute fréquence, un émetteur d'ultrasons qui convertit les oscillations haute fréquence délivrées par le générateur en vibrations ultrasoniques, une pièce de transmission des vibrations ultrasoniques à une sonotrode en aval pour leur concentration sur les pièces à souder, un montage de fixa- tion des pièces et des organes de commande, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la sonotrode ( 1) présente un bourrelet ( 16), abaissé sur la surface d'une pièce ( 15 ou 14) pendant l'opération de soudage et servant de molette; un mouvement relatif entre le bourrelet ( 16) et les pièces ( 14, 15) fait rouler la sonotrode ( 1) sur ces der- nières, seule la partie du bourrelet ( 16) appliquée tangentiellement sur une pièce ( 15 ou 14) transmettant de l'énergie ultrasonique aux pièces ( 14, 15); et le mouvement-relatif est rendu possible par le montage en rotation, à un noeud de vibration de la pièce de transmis- sion, du système formé par l'émetteur d'ultrasons ( 7), la pièce de transmission ( 2) et la sonotrode ( 1) à bourrelet ( 16) rotatif. 2 Dispositif selon revendication 1, caractérisé par une sonotrode ( 1) présentant une symétrie de rotation. 3 Dispositif selon revendication 1, caractérisé par une cannelure du pourtour du bourrelet ( 16) rotatif venant en contact avec les pièces ( 14, 15). 4 Dispositif selon-revendication 3, caractérisé par un bourrelet ( 16) présentant une cannelure multiple. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par uit pourtour lisse du bourrelet rotatif ( 16) venant en contact avec les pièces ( 14, ). 6 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé par une mobilité de la sonotrode ( 1) avec le bourrelet rotatif ( 16) sur des pièces ( 14, 15) fixes dans l'espace. 7 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé par des pièces ( 14, 15) déplacées par un dispositif sous une sonotrode ( 1) fixe dans l'espace. 17232 8 Dispositif selon revendication 7, caractérisé par un galet d'entraînement monté en rotation au-dessous des pièces ( 14, 15) et servant de butée. 9 Dispositif selon revendication 8, caractérisé par un galet d'en- trainement commandé par moteur. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 7, carac- térisé en ce qu'un mouvement de rotation du bourrelet ( 16) et de la sonotrode ( 1) est produit par une liaison par friction établie entre le bourrelet ( 16) et les pièces ( 14, 15) pendant le mouvement relatif. 11 Dispositif selon revendication 10, caractérisé en ce que la liai- son par friction est produite par la force définie et réglable exer- cée par un ressort. 12 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 11, carac- térisé par le soudage simultané des pièces ( 14, 15) à l'aide de deux ou plusieurs dispositifs. 13 Dispositif selon revendication 12, caractérisé par des soudages simultanés sur les deux côtés des pièces.