01 Introducere Odată cu dezvoltarea rapidă a vehiculelor cu energie noi și a tehnologiei supraconductoare la-înaltă temperatură, tehnologiile de conexiune ușoare, de conductivitate ridicată și extrem de fiabile au devenit probleme cheie în domeniul producției. Aluminiul și cuprul sunt utilizate pe scară largă în bateriile de putere, sistemele de acționare electrică, conexiunile de bare colectoare și dispozitivele supraconductoare datorită conductivității electrice excelente, densității scăzute și rezistenței bune la coroziune. Cu toate acestea, îmbinările aluminiu-aluminiu, cupru-cupru și aluminiu-cupru se confruntă adesea cu probleme cum ar fi aportul excesiv de căldură, formarea de compuși intermetalici, înmuierea îmbinărilor și deformarea sudării în timpul proceselor convenționale de sudare prin fuziune, limitându-le serios aplicațiile de inginerie. Sudarea cu ultrasunete, ca tehnologie obișnuită de îmbinare în stare solidă, realizează lipirea metalurgică a materialelor prin vibrații mecanice de-frecvență înaltă și frecare interfață, oferind avantaje precum aport scăzut de căldură, timp scurt de sudare și reacții interfațiale controlabile. În ultimii ani, a primit o atenție largă în domeniul vehiculelor electrice și al ingineriei supraconductoare. În special în conexiunile bateriei, sudarea cu aluminiu-cu metal diferit și fabricarea de bare colectoare cu-conductivitate ridicată, sudarea cu ultrasunete demonstrează o performanță cuprinzătoare superioară metodelor tradiționale de sudare. În acest context, această lucrare revizuiește sistematic progresul cercetării tehnologiei de sudare cu ultrasunete a aluminiului și cuprului în vehiculele electrice și aplicațiile supraconductoare, rezumă mecanismele sale de sudare, evoluția procesului și aplicațiile actuale de inginerie, oferind astfel o referință teoretică pentru optimizarea ulterioară a procesului și dezvoltarea tehnologică.
02 Caracteristicile sudurii cu ultrasunete
Sudarea cu ultrasunete folosește în principal două configurații tipice: sistemul de presiune-penă și sistemul de antrenare-lateral (Figura 1). Ambele sunt similare ca mecanism de vibrație, dar diferă în formă structurală, nivel de amplitudine, forță de strângere și materiale aplicabile. Sistemul de presiune cu pană-se caracterizează prin amplitudine redusă și forță mare de strângere, transferând energia ultrasonică direct piesei de prelucrat prin combinația de vibrații longitudinale și vibrații transversale la vârful de sudare, potrivite pentru materiale mai groase sau mai rigide. Sistemul de antrenare lateral-oferă avantajele unei amplitudini mari, al unei forțe de strângere reduse și al parametrilor măsurabili cu precizie, făcându-l mai potrivit pentru conectarea firelor fine, foliilor și a foilor subțiri și, prin urmare, utilizat pe scară largă în domenii precum bateriile cu litiu-ion și benzile supraconductoare. Pe această bază, parametrii de sudare cu ultrasunete pot fi împărțiți în parametrii de proces și parametrii materialelor, energia de sudare, timpul, forța de strângere și amplitudinea vibrațiilor fiind factorii cheie care determină calitatea sudurii. În timpul sudării, este necesar să se potrivească în mod rezonabil forța de strângere și amplitudinea vibrației, asigurând în același timp un contact suficient, pentru a evita alunecarea din cauza forței de strângere insuficiente sau subțierea excesivă a materialului din cauza forței excesive.
Figura 1 ilustrează un sistem de sudare cu ultrasunete care utilizează un mod de vibrație transversală, incluzând (a) un sistem cu arc cu pană și (b) un sistem de antrenare transversal[1] 2.
2 Cerințe electrice, termice și mecanice ale sudării cu ultrasunete Fiind un proces tipic de îmbinare în stare solidă-, sudarea metalică cu ultrasunete oferă avantaje în compatibilitatea electrică, termică și a materialelor, în special potrivită pentru îmbinarea materialelor cu conductivitate termică și electrică ridicată. Studiile au arătat că, în comparație cu sudarea prin puncte prin rezistență, sudarea cu ultrasunete reduce consumul de energie în pregătirea îmbinărilor din aliaj de aluminiu, obținând în același timp rezistențe de contact electrice și termice extrem de mici, cu timpii de sudare doar la un nivel tranzitoriu, demonstrând o eficiență energetică excelentă și performanță de management termic. În aplicațiile cu magneti cu temperatură joasă-și supraconductoare (cum ar fi benzile REBCO CC), performanța îmbinării depinde în mare măsură de conductivitatea termică, potrivirea coeficientului de dilatare termică și stabilitatea mecanică. Deoarece sudarea cu ultrasunete nu folosește metale de umplutură, evită în mod eficient deformarea reziduală, fisurarea sau delaminarea interfeței cauzate de nepotrivirea expansiunii termice, reducând astfel riscurile de stingere și prelungind durata de viață. În același timp, îmbinările produse prin procesul de sudare cu ultrasunete au o bună stabilitate termică, benefică pentru menținerea integrității structurale în timpul proceselor de-transport curent. Din punct de vedere al materialelor și metalurgică, sudarea cu ultrasunete ca proces în stare solidă-poate obține îmbinarea fiabilă a metalelor diferite, are cerințe scăzute pentru starea suprafeței, adaptabilitate ridicată, poate îmbina materiale cu diferențe mari de puncte de topire și reduce riscul de coroziune. Îmbinările produse prin acest proces prezintă o deformare minimă și o calitate ridicată a sudurii, potrivite pentru plăci groase, plăci subțiri și folii ultra-subțiri, demonstrând sustenabilitate și perspective bune de aplicare a ingineriei în domenii de imbinare de precizie, cum ar fi bateriile cu ioni de litiu-și benzile supraconductoare.
3.1 Provocări în optimizarea sudării În aplicațiile de sudare cu ultrasunete a aluminiului, cuprului și materialelor diferite, obținerea îmbinărilor consistente și de înaltă calitate se confruntă în continuare cu multiple provocări. Deși majoritatea aliajelor de aluminiu (cum ar fi seriile 5xxx și 6xxx) s-a dovedit a avea o bună sudabilitate cu ultrasunete, unele aliaje suferă în continuare de probleme precum aderența vârfului de sudură, deformarea severă și ferestrele înguste ale procesului, ceea ce face ca optimizarea parametrilor să fie foarte dependentă de caracteristicile materialului. Calitatea sudurii este extrem de sensibilă la parametrii procesului, printre care energia de sudare, timpul, amplitudinea vibrațiilor și presiunea de strângere sunt factorii dominanti, iar interacțiunea lor crește și mai mult complexitatea procesului. În timp ce designul experimental complet-factorial tradițional poate obține o cantitate mare de date, este costisitor și ineficient din punct de vedere statistic; în contrast, s-a dovedit că analiza varianței (ANOVA) identifică în mod eficient parametrii cheie și interacțiunile lor cu mai puține experimente, oferind o bază fiabilă pentru maximizarea rezistenței sudurii și controlul consistenței. Cu toate acestea, aplicarea metodelor statistice în medii industriale este încă limitată de dificultatea interpretării datelor.
Dintr-o perspectivă mecanică, stresul interfacial dinamic generat în timpul sudării cu ultrasunete poate zdrobi filmul de oxid și poate promova legarea metalurgică. Aportul de căldură insuficient sau excesiv poate duce cu ușurință la sub-sudare sau supra-sudare, ceea ce duce la ruperea interfeței sau degradarea performanței. Studiile au arătat că o potrivire rezonabilă între timpul de sudare și amplitudinea vibrațiilor poate forma o structură optimă a miezului de sudură, în timp ce strategiile avansate, cum ar fi controlul curbei de amplitudine, îmbunătățesc rezistența sudurii și stabilitatea îmbinărilor diferite de Al-Cu prin ajustarea aportului de energie în etape. În plus, parametrii structurali, cum ar fi poziția plăcilor subțiri în structurile cu mai multe straturi, textura suprafeței vârfului de sudură și a nicovalei și golul inițial au, de asemenea, un impact semnificativ asupra calității sudurii, în special în aplicații extrem de sensibile, cum ar fi benzile supraconductoare, unde nepotrivirea parametrilor poate duce la creșterea rezistenței sau deteriorarea stratului funcțional. În general, principala provocare a optimizării sudurii cu ultrasunete constă în obținerea unei îmbunătățiri sinergice a adaptabilității materialelor, a performanței îmbinării și a stabilității procesului în condiții multi-parametrice puternic cuplate, care necesită o proiectare sistematică care combină înțelegerea mecanică și metodele de optimizare statistică cu costuri experimentale minime.
3.2 Provocări în materiale și metalurgie În procesul de sudare cu ultrasunete a aluminiului, cuprului și materialelor diferite, influența materialelor și a factorilor metalurgici asupra performanței îmbinărilor este deosebit de complexă. Comportamentul la coroziune este una dintre problemele cheie care limitează fiabilitatea de serviciu a îmbinării. Coroziunea atmosferică, coroziunea prin frecare și coroziunea galvanică degradează interfața de contact metal-cu-metal, crescând rezistența și reducând-stabilitatea pe termen lung a bateriilor și a îmbinărilor REBCO CC. Comportamentul la oxidare a diferitelor materiale variază: stratul de oxid de pe suprafața aluminiului se formează rapid și este relativ subțire, în timp ce stratul de oxid de cupru are o structură mai complexă, având proprietăți atât conductoare, cât și izolatoare, făcând dificil controlul metalurgic al interfeței materiale diferite. În sudarea cu ultrasunete Al{-Cu, stratul de difuzie interfacial constă de obicei din faze nanocristaline, amorfe și dislocații de-înaltă densitate. Această structură provine din deformarea plastică severă și interdifuzia atomică indusă de vibrația ultrasonică, care este benefică pentru interblocarea mecanică și legarea metalurgică, dar poate promova și formarea de compuși intermetalici fragili (IMC). Datorită afinității chimice mari dintre Al și Cu, atunci când temperatura sau deformarea prin forfecare depășește condițiile critice, IMC-uri precum Al₂Cu se formează cu ușurință, ducând la o scădere a proprietăților mecanice ale îmbinării și o creștere a rezistenței, mai ales când grosimea stratului IMC depășește aproximativ 2 µm, efectele adverse ale acestuia devin mai semnificative.
După cum se arată în Figura 2, odată cu creșterea timpului și a energiei de sudare, efectul de indentare al capului de sudare și al nicovalei crește, iar în zona de sudare apar adâncituri de suprafață și-secțiuni transversale, reflectând fluxul de plastic și rearanjarea materialului în timpul procesului de sudare. Ondularea la interfață crește odată cu creșterea timpului de sudare, ceea ce nu numai că scurtează calea de propagare a fisurii, dar modifică și modul de fractură, transformându-se treptat de la fractură interfacială la fractură de trage-out sau mixtă, afectând astfel sarcina de rupere a îmbinării. Pentru sudarea cu materiale diferite, diferența de duritate a materialului amplifică această asimetrie de deformare; materialul mai moale este mai predispus la recristalizare dinamică și rafinarea cerealelor, rezultând o distribuție neuniformă a durității în zona de sudură.
3.3 Provocări electromecanice de cuplare În aplicații cum ar fi bateriile pentru vehicule electrice și benzile supraconductoare REBCO CC, îmbinările sudate cu ultrasunete nu trebuie doar să îndeplinească cerințele de conectare mecanică, ci și să aibă rezistență electrică de contact scăzută și stabilă pentru a evita acumularea de încălzire Joule, dezechilibrul electric și problemele de siguranță care rezultă, cum ar fi supraîncărcarea, supraîncărcarea și chiar descarcarea. Cercetările arată că structura îmbinării și configurația materialului influențează rezistența și comportamentul termic: în îmbinările multistrat Cu–Al, materialele mai moi de pe partea capului de sudare sunt mai predispuse la deformare și subțiere, degradând astfel performanța electrică a îmbinării; în schimb, plasarea unui strat de Cu mai gros sau mai dur pe partea nicovală poate reduce defectele interfaciale și poate scădea rezistența articulațiilor. Experimentele curente de încărcare a impulsurilor arată că îmbinările Al–Cu, datorită rezistenței interfațale mai mari, experimentează o creștere mai mare a temperaturii în aceleași condiții de curent în comparație cu îmbinările Cu–Cu, evidențiind efectul de constrângere al cuplării electro-termice-structurale asupra fiabilității îmbinărilor. După cum se arată în Figura 3, în comparație cu îmbinările tradiționale lipite, îmbinările sudate cu ultrasunete reduc numărul de straturi de material și interfețe pe calea curentului prin formarea unei conexiuni directe-în stare solidă între straturile de cupru, scăzând astfel rezistența totală de contact; totuși, interfața lor constă de obicei din ambele regiuni legate (P1) și nelegate (P2), iar performanța electrică este foarte sensibilă la zona efectivă de legare. Pentru a îmbunătăți și mai mult stabilitatea îmbinării în câmpuri magnetice puternice și în medii criogenice, a fost propusă o metodă de sudare prin lipire-compozit cu ultrasunete. Această metodă îmbunătățește continuitatea contactului electric, reduce rezistența îmbinării și îmbunătățește stabilitatea mecanică și rezistența la îndoire, permițând lipiturii să pătrundă în regiunile nelegate. În general, rezultatele prezentate în figură demonstrează intuitiv o corelație strânsă între structura interfeței articulației, aria conductivă efectivă și comportamentul de cuplare electromecanic. Proiectarea rațională a configurației îmbinării sudate cu ultrasunete și a procesului său hibrid este cheia pentru realizarea unor conexiuni electrice extrem de fiabile.
04 Concluzie În general, sudarea cu ultrasunete demonstrează avantaje tehnice semnificative în îmbinarea aluminiului și cuprului, făcând-o deosebit de potrivită pentru vehicule electrice și aplicații supraconductoare care necesită conductivitate electrică și integritate structurală extrem de ridicate. Cercetările existente au dezvăluit sistematic mecanismul său de legare a interfeței și au realizat progrese importante în optimizarea parametrilor de proces și aplicațiile de inginerie. Cu toate acestea, cercetările privind structurile complexe cu mai multe straturi, fiabilitatea-de serviciu pe termen lung a materialelor diferite și modelarea numerică a procesului de sudare rămâne relativ limitată. Cercetările viitoare ar trebui să se concentreze în continuare pe analiza mecanismelor pe mai multe-scări, pe controlul rafinat al ferestrei procesului și pe aplicarea sinergică a sudării cu ultrasunete cu alte tehnologii avansate de îmbinare pentru a promova-dezvoltarea aprofundată și aplicarea ingineriei a acestei tehnologii în producția de-enaltă tehnologie.
