01 Introducció Amb el ràpid desenvolupament de vehicles d'energia nova i la tecnologia superconductora d'alta-temperatura, les tecnologies de connexió lleugeres, d'alta conductivitat i altament fiables s'han convertit en problemes clau en el camp de la fabricació. L'alumini i el coure s'utilitzen àmpliament en bateries d'energia, sistemes d'accionament elèctric, connexions de barres i dispositius superconductors a causa de la seva excel·lent conductivitat elèctrica, baixa densitat i bona resistència a la corrosió. No obstant això, les juntes alumini-alumini, coure-coure i alumini-coure sovint s'enfronten a problemes com ara una entrada de calor excessiva, formació de compostos intermetàl·lics, suavització de les juntes i deformació de la soldadura durant els processos de soldadura per fusió convencionals, restringint seriosament les seves aplicacions d'enginyeria. La soldadura per ultrasons, com a tecnologia d'unió d'estat sòlid-típica, aconsegueix la unió metal·lúrgica dels materials mitjançant vibracions mecàniques d'alta-freqüència i fricció de la interfície, oferint avantatges com ara una baixa entrada de calor, un temps de soldadura curt i reaccions interfacials controlables. En els darrers anys, ha rebut una àmplia atenció en els camps dels vehicles elèctrics i l'enginyeria superconductora. Especialment en connexions de pestanyes de bateria, soldadura d'alumini-coure metàl·lic diferent i fabricació de barres d'alta-conductivitat, la soldadura per ultrasons demostra un rendiment integral superior als mètodes de soldadura tradicionals. En aquest context, aquest article revisa sistemàticament el progrés de la investigació de la tecnologia de soldadura per ultrasons d'alumini i coure en aplicacions de vehicles elèctrics i superconductors, resumeix els seus mecanismes de soldadura, l'evolució del procés i les aplicacions actuals d'enginyeria, proporcionant així una referència teòrica per a l'optimització de processos i el desenvolupament tecnològic posteriors.
02 Característiques de la soldadura per ultrasons
La soldadura per ultrasons utilitza principalment dues configuracions típiques: el sistema de pressió-de falca i el sistema d'accionament-lateral (figura 1). Tots dos són similars en el mecanisme de vibració, però difereixen en la forma estructural, el nivell d'amplitud, la força de subjecció i els materials aplicables. El sistema de pressió-de falca es caracteritza per una baixa amplitud i una gran força de subjecció, transferint energia ultrasònica directament a la peça de treball mitjançant la combinació de vibració longitudinal i vibració transversal a la punta de soldadura, adequada per a materials més gruixuts o rígids. El sistema d'accionament lateral-ofereix els avantatges d'una gran amplitud, una força de subjecció baixa i paràmetres mesurables amb precisió, el que el fa més adequat per connectar cables fins, làmines i làmines fines i, per tant, s'utilitza àmpliament en camps com les bateries d'ions de liti- i les cintes superconductores. Sobre aquesta base, els paràmetres de soldadura per ultrasons es poden dividir en paràmetres de procés i paràmetres de material, sent l'energia de soldadura, el temps, la força de subjecció i l'amplitud de vibració els factors clau que determinen la qualitat de la soldadura. Durant la soldadura, cal ajustar raonablement la força de subjecció i l'amplitud de la vibració mentre es garanteix un contacte suficient, per evitar el lliscament a causa d'una força de subjecció insuficient o un aprimament excessiu del material a causa d'una força excessiva.
La figura 1 il·lustra un sistema de soldadura per ultrasons que utilitza un mode de vibració transversal, que inclou (a) un sistema de molla de falca i (b) un sistema d'accionament transversal [1] 2.
2 Requisits elèctrics, tèrmics i mecànics de la soldadura per ultrasons Com a procés típic d'unió d'estat sòlid-, la soldadura per ultrasons de metall ofereix avantatges en la compatibilitat elèctrica, tèrmica i de materials, especialment indicada per unir materials d'alta conductivitat tèrmica i elèctrica. Els estudis han demostrat que, en comparació amb la soldadura per punts per resistència, la soldadura per ultrasons redueix el consum d'energia en la preparació de juntes d'aliatge d'alumini, alhora que aconsegueix resistències de contacte elèctrics i tèrmiques extremadament baixes, amb temps de soldadura només a un nivell transitori, demostrant una excel·lent eficiència energètica i un rendiment de gestió tèrmica. En aplicacions d'imants i superconductors de baixa -temperatura (com ara les cintes REBCO CC), el rendiment de les unions depèn molt de la conductivitat tèrmica, la concordança del coeficient d'expansió tèrmica i l'estabilitat mecànica. Com que la soldadura per ultrasons no utilitza metalls d'aportació, evita efectivament la tensió residual, l'esquerdament o la delaminació de la interfície causada per la manca de concordança de l'expansió tèrmica, reduint així els riscos d'extinció i allargant la vida útil. Al mateix temps, les juntes produïdes pel procés de soldadura per ultrasons tenen una bona estabilitat tèrmica, beneficiosa per mantenir la integritat estructural durant els processos de transmissió-de corrent. Des del punt de vista dels materials i la metal·lúrgia, la soldadura per ultrasons com a procés d'estat sòlid-pode aconseguir una unió fiable de metalls diferents, té requisits baixos per a condicions superficials, alta adaptabilitat, pot unir materials amb grans diferències de punts de fusió i redueix el risc de corrosió. Les juntes produïdes per aquest procés mostren una deformació mínima i una alta qualitat de soldadura, adequades per a plaques gruixudes, plaques fines i làmines ultra-fines, demostrant una bona sostenibilitat i perspectives d'aplicació d'enginyeria en camps d'unió de precisió com ara bateries d'ions de liti- i cintes superconductores.
3.1 Reptes en l'optimització de la soldadura En aplicacions de soldadura per ultrasons d'alumini, coure i materials diferents, assolir juntes consistents i d'alta-qualitat encara s'enfronta a múltiples reptes. Tot i que s'ha demostrat que la majoria dels aliatges d'alumini (com les sèries 5xxx i 6xxx) tenen una bona soldabilitat per ultrasons, alguns aliatges encara pateixen problemes com ara l'adhesió de la punta de soldadura, deformacions greus i finestres de procés estretes, cosa que fa que l'optimització dels paràmetres depèn molt de les característiques del material. La qualitat de la soldadura és extremadament sensible als paràmetres del procés, entre els quals l'energia de soldadura, el temps, l'amplitud de vibració i la pressió de subjecció són els factors dominants, i la seva interacció augmenta encara més la complexitat del procés. Tot i que el disseny experimental tradicional-factorial complet pot obtenir una gran quantitat de dades, és costós i estadísticament ineficient; en canvi, s'ha demostrat que l'anàlisi de la variància (ANOVA) identifica eficaçment els paràmetres clau i les seves interaccions amb menys experiments, proporcionant una base fiable per maximitzar la força de la soldadura i controlar la consistència. Tanmateix, l'aplicació de mètodes estadístics en entorns industrials encara està limitada per la dificultat d'interpretació de les dades.
Des d'una perspectiva mecànica, l'estrès interfacial dinàmic generat durant la soldadura per ultrasons pot aixafar la pel·lícula d'òxid i promoure l'enllaç metal·lúrgic. L'entrada de calor insuficient o excessiva pot provocar fàcilment una-soldadura excessiva o una-soldadura, la qual cosa provoca una fractura interfacial o una degradació del rendiment. Els estudis han demostrat que una coincidència raonable entre el temps de soldadura i l'amplitud de vibració pot formar una estructura òptima del nucli de soldadura, mentre que les estratègies avançades com el control de la corba d'amplitud milloren la resistència i l'estabilitat de la soldadura de les juntes d'Al-Cu diferents ajustant l'entrada d'energia per etapes. A més, els paràmetres estructurals com la posició de les plaques primes en estructures multi-capes, la textura superficial de la punta de soldadura i l'enclusa i el buit inicial també tenen un impacte significatiu en la qualitat de la soldadura, especialment en aplicacions altament sensibles com les cintes superconductores, on el desajust de paràmetres pot augmentar la resistència o danyar la capa funcional. En general, el repte bàsic de l'optimització de la soldadura per ultrasons rau a aconseguir una millora sinèrgica de l'adaptabilitat del material, el rendiment de les unions i l'estabilitat del procés en condicions multi-de paràmetres fortament acoblades, que requereixen un disseny sistemàtic que combini la comprensió mecànica i els mètodes d'optimització estadística amb un cost experimental mínim.
3.2 Reptes en materials i metal·lúrgia En el procés de soldadura per ultrasons d'alumini, coure i materials diferents, la influència dels factors materials i metal·lúrgics en el rendiment de les unions és particularment complexa. El comportament de la corrosió és un dels problemes clau que limita la fiabilitat del servei de la junta. La corrosió atmosfèrica, la corrosió per fretting i la corrosió galvànica degraden la interfície de contacte de metall-a-metall, augmentant la resistència i reduint l'estabilitat-a llarg termini de les bateries i les juntes REBCO CC. El comportament d'oxidació de diferents materials varia: la capa d'òxid a la superfície d'alumini es forma ràpidament i és relativament prima, mentre que la capa d'òxid de coure té una estructura més complexa, amb propietats conductores i aïllants, cosa que dificulta el control metal·lúrgic de la interfície de material diferent. En la soldadura per ultrasons d'Al-Cu, la capa de difusió interfacial sol estar formada per fases nanocristal·lines, amorfes i dislocacions d'alta-densitat. Aquesta estructura prové de la deformació plàstica severa i la interdifusió atòmica induïda per la vibració ultrasònica, que és beneficiosa per a l'enclavament mecànic i l'enllaç metal·lúrgic, però també pot promoure la formació de compostos intermetàl·lics fràgils (IMC). A causa de l'alta afinitat química entre Al i Cu, quan la temperatura o la deformació de cisalla supera les condicions crítiques, els IMC com Al₂Cu es formen fàcilment, provocant una disminució de les propietats mecàniques de l'articulació i un augment de la resistència, especialment quan el gruix de la capa IMC supera aproximadament 2 µm, els seus efectes adversos es fan més significatius.
Com es mostra a la figura 2, amb l'augment del temps i l'energia de soldadura, l'efecte de sagnat del capçal de soldadura i l'enclusa augmenta, i les sagnies superficials i les característiques d'aprimament de la-secció transversal apareixen a la zona de soldadura, reflectint el flux de plàstic i la reordenació del material durant el procés de soldadura. L'ondulació a la interfície augmenta amb l'augment del temps de soldadura, la qual cosa no només escurça el camí de propagació de l'esquerda, sinó que també canvia el mode de fractura, transformant-se gradualment de fractura interfacial a fractura d'extracció o mixta, afectant així la càrrega de fallada de l'articulació. Per a la soldadura de materials diferents, la diferència de duresa del material amplifica aquesta asimetria de deformació; el material més tou és més propens a la recristal·lització dinàmica i el refinament del gra, donant lloc a una distribució desigual de la duresa a la zona de soldadura.
3.3 Reptes d'acoblament electromecànic En aplicacions com ara les bateries de vehicles elèctrics i les cintes superconductores REBCO CC, les juntes soldades per ultrasons no només han de complir els requisits de connexió mecànica sinó que també han de tenir una resistència de contacte elèctric baixa i estable per evitar l'acumulació d'escalfament Joule, el desequilibri elèctric i els problemes de seguretat resultants com ara sobrecàrrega, sobrecàrrega i fins i tot descàrrega. La investigació mostra que l'estructura de la junta i la configuració del material influeixen en la resistència i el comportament tèrmic: a les juntes multicapa Cu-Al, els materials més suaus al costat del capçal de soldadura són més propensos a la deformació i l'aprimament, degradant així el rendiment elèctric de la junta; en canvi, col·locar una capa de Cu més gruixuda o dura al costat de l'enclusa pot reduir els defectes interfacials i disminuir la resistència de les articulacions. Els experiments actuals de càrrega de pols mostren a més que les juntes Al-Cu, a causa de la major resistència interfacial, experimenten un augment de temperatura més gran en les mateixes condicions actuals en comparació amb les juntes Cu-Cu, posant de manifest l'efecte restrictiu de l'acoblament estructural electro{-tèrmic- sobre la fiabilitat de les juntes. Com es mostra a la figura 3, en comparació amb les juntes soldades tradicionals, les juntes soldades per ultrasons redueixen el nombre de capes de material i interfícies en el camí actual mitjançant la formació d'una connexió directa d'estat sòlid- entre les capes de coure, reduint així la resistència total de contacte; tanmateix, la seva interfície normalment consta de regions unides (P1) i no unides (P2), i el rendiment elèctric és molt sensible a l'àrea d'enllaç efectiva. Per millorar encara més l'estabilitat de l'articulació en camps magnètics forts i entorns criogènics, s'ha proposat un mètode de soldadura de compostos per ultrasons-soldada. Aquest mètode millora la continuïtat del contacte elèctric, redueix la resistència de les articulacions i millora l'estabilitat mecànica i la resistència a la flexió permetent que la soldadura penetri a les regions no unides. En general, els resultats que es mostren a la figura demostren de manera intuïtiva una estreta correlació entre l'estructura de la interfície conjunta, l'àrea conductora efectiva i el comportament d'acoblament electromecànic. El disseny racional de la configuració de la junta soldada per ultrasons i el seu procés híbrid és clau per aconseguir connexions elèctriques altament fiables.
04 Conclusió En general, la soldadura per ultrasons demostra avantatges tècnics significatius en la unió d'alumini i coure, la qual cosa la fa especialment adequada per a aplicacions de vehicles elèctrics i superconductors que exigeixen una conductivitat elèctrica i una integritat estructural extremadament elevades. La investigació existent ha revelat sistemàticament el seu mecanisme d'enllaç d'interfície i ha aconseguit un progrés important en l'optimització de paràmetres de procés i aplicacions d'enginyeria. Tanmateix, la investigació sobre estructures multicapa complexes, la fiabilitat del servei a llarg termini-de materials diferents i el modelatge numèric del procés de soldadura segueix sent relativament limitada. La investigació futura s'hauria de centrar encara més en l'anàlisi de mecanismes multi-escala, el control perfeccionat de la finestra del procés i l'aplicació sinèrgica de la soldadura per ultrasons amb altres tecnologies d'unió avançades per promoure el-desenvolupament en profunditat i l'aplicació d'enginyeria d'aquesta tecnologia en la fabricació-de gamma alta.
