01 Вступ Зі швидким розвитком нових енергетичних транспортних засобів і технологій високотемпературної надпровідності, легкі, високопровідні та високонадійні технології з’єднання стали ключовими проблемами у сфері виробництва. Алюміній і мідь широко використовуються в акумуляторних батареях, системах електроприводу, шинних з’єднаннях і надпровідних пристроях через їх відмінну електропровідність, низьку щільність і хорошу стійкість до корозії. Однак з’єднання алюміній-алюміній, мідь-мідь і алюміній-мідь часто стикаються з такими проблемами, як надмірне надходження тепла, утворення інтерметалічних сполук, розм’якшення з’єднань і зварювальна деформація під час звичайних процесів зварювання плавленням, що серйозно обмежує їх інженерне застосування. Ультразвукове зварювання, як типова технологія твердотільного з’єднання, забезпечує металургійне з’єднання матеріалів за допомогою високочастотних-механічних коливань і тертя між поверхнями, пропонуючи такі переваги, як низьке підведення тепла, короткий час зварювання та контрольовані міжфазні реакції. В останні роки він отримав широку увагу в галузі електромобілів і надпровідної техніки. Ультразвукове зварювання демонструє всеосяжну ефективність, кращу від традиційних методів, особливо у з’єднаннях акумуляторів, зварюванні алюмінію-міді різнорідними металами та-виробництві шин високої провідності. На цьому фоні в цій статті систематично розглядається прогрес досліджень технології ультразвукового зварювання алюмінію та міді в електромобілях і надпровідних додатках, підсумовуються її механізми зварювання, еволюція процесу та поточні інженерні застосування, таким чином надаючи теоретичну довідку для подальшої оптимізації процесу та технологічного розвитку.
02 Особливості ультразвукового зварювання
Ультразвукове зварювання переважно використовує дві типові конфігурації: клиноподібну-систему тиску та бокову-систему приводу (рис. 1). Обидва подібні за механізмом вібрації, але відрізняються структурною формою, рівнем амплітуди, силою затиску та застосовуваними матеріалами. Клин-система тиску характеризується низькою амплітудою та високою силою затиску, передаючи ультразвукову енергію безпосередньо на заготовку через комбінацію поздовжньої вібрації та поперечної вібрації на зварювальному кінчику, що підходить для більш товстих або більш жорстких матеріалів. Система бокового-приводу пропонує переваги високої амплітуди, низької сили затиску та точно вимірюваних параметрів, що робить її більш придатною для з’єднання тонких проводів, фольги та тонких листів і, отже, широко використовується в таких галузях, як літій-іонні батареї та надпровідні стрічки. На цій основі параметри ультразвукового зварювання можна розділити на параметри процесу та параметри матеріалу, причому енергія зварювання, час, сила затиску та амплітуда вібрації є ключовими факторами, що визначають якість зварювання. Під час зварювання необхідно розумно узгоджувати силу затиску та амплітуду вібрації, забезпечуючи при цьому достатній контакт, щоб уникнути ковзання через недостатнє зусилля затиску або надмірного потоншення матеріалу через надмірне зусилля.
На малюнку 1 зображено систему ультразвукового зварювання з використанням режиму поперечної вібрації, включаючи (а) систему клинової пружини та (б) систему поперечного приводу [1] 2.
2 Електричні, термічні та механічні вимоги до ультразвукового зварювання Як типовий твердотільний процес з’єднання, ультразвукове зварювання металу пропонує переваги в електричній, термічній сумісності та сумісності матеріалів, особливо підходить для з’єднання матеріалів з високою тепло- та електропровідністю. Дослідження показали, що порівняно з контактним точковим зварюванням ультразвукове зварювання зменшує споживання енергії під час підготовки з’єднань алюмінієвого сплаву, досягаючи при цьому надзвичайно низьких електричних і теплових контактних опорів, а час зварювання лише на перехідному рівні, демонструючи чудову енергоефективність і ефективність керування температурою. У низько{4}}температурних магнітах і надпровідних додатках (таких як стрічки REBCO CC) ефективність з’єднання сильно залежить від теплопровідності, відповідності коефіцієнта теплового розширення та механічної стабільності. Оскільки при ультразвуковому зварюванні не використовуються присадки, воно ефективно запобігає залишковій деформації, тріщинам або відшаруванням поверхні поверхні, спричиненим невідповідністю температурного розширення, тим самим зменшуючи ризики загартування та подовжуючи термін служби. У той же час з’єднання, отримані за допомогою процесу ультразвукового зварювання, мають добру термічну стабільність, сприятливу для збереження структурної цілісності під час-процесів, що проводять струм. З точки зору матеріалів і металургії, ультразвукове зварювання як твердотільний -процес може досягти надійного з’єднання різнорідних металів, має низькі вимоги до стану поверхні, високу адаптивність, може з’єднувати матеріали з великою різницею в точках плавлення та зменшує ризик корозії. З’єднання, отримані за допомогою цього процесу, демонструють мінімальну деформацію та високу якість зварювання, придатні для товстих пластин, тонких пластин і ультра-тонкої фольги, демонструючи гарну стійкість і перспективи інженерного застосування в сферах точного з’єднання, таких як літій-іонні батареї та надпровідні стрічки.
3.1 Проблеми в оптимізації зварювання Під час застосування ультразвукового зварювання алюмінію, міді та різнорідних матеріалів досягнення високої-якісності з’єднань все ще стикається з багатьма проблемами. Хоча було доведено, що більшість алюмінієвих сплавів (таких як серії 5xxx і 6xxx) мають хорошу ультразвукову зварюваність, деякі сплави все ще страждають від таких проблем, як адгезія зварювального кінчика, сильна деформація та вузькі вікна процесу, що робить оптимізацію параметрів сильно залежною від характеристик матеріалу. Якість зварювання надзвичайно чутлива до параметрів процесу, серед яких енергія зварювання, час, амплітуда вібрації та тиск затиску є домінуючими факторами, і їх взаємодія ще більше збільшує складність процесу. Хоча традиційний повний-факторний експериментальний дизайн може отримати велику кількість даних, він дорогий і статистично неефективний; навпаки, було доведено, що дисперсійний аналіз (ANOVA) ефективно визначає ключові параметри та їх взаємодію з меншою кількістю експериментів, забезпечуючи надійну основу для максимізації міцності зварювання та контролю консистенції. Однак застосування статистичних методів у промислових умовах все ще обмежене через складність інтерпретації даних.
З точки зору механіки, динамічне міжфазне напруження, яке створюється під час ультразвукового зварювання, може подрібнити оксидну плівку та сприяти металургійному з’єднанню. Недостатнє або надмірне надходження тепла може легко призвести до-зварювання або над-зварювання, що призведе до руйнування міжфазної поверхні або погіршення продуктивності. Дослідження показали, що розумна відповідність між часом зварювання та амплітудою вібрації може сформувати оптимальну структуру серцевини зварного шва, тоді як передові стратегії, такі як керування амплітудною кривою, покращують міцність зварювання та стабільність різнорідних з’єднань Al-Cu шляхом поетапного регулювання споживання енергії. Крім того, структурні параметри, такі як положення тонких пластин у багато-шарових структурах, текстура поверхні зварювального наконечника та ковадла, а також початковий зазор також мають значний вплив на якість зварювання, особливо у високочутливих застосуваннях, таких як надпровідні стрічки, де невідповідність параметрів може призвести до підвищеного опору або пошкодження функціонального шару. Загалом, основна проблема оптимізації ультразвукового зварювання полягає в досягненні синергічного покращення адаптивності матеріалу, продуктивності з’єднання та стабільності процесу за сильно пов’язаних багато-параметричних умов, що вимагає систематичного дизайну, що поєднує механістичне розуміння та статистичні методи оптимізації з мінімальними експериментальними витратами.
3.2 Виклики в матеріалознавстві та металургії У процесі ультразвукового зварювання алюмінію, міді та різнорідних матеріалів вплив матеріалу та металургійних факторів на продуктивність з’єднання є особливо складним. Корозійна поведінка є однією з ключових проблем, що обмежують експлуатаційну надійність з'єднання. Атмосферна корозія, фреттинг-корозія та гальванічна корозія погіршують межу контактів метал--метал, збільшуючи опір і знижуючи-тривалу стабільність батарей і з’єднань REBCO CC. Поведінка окислення різних матеріалів різна: шар оксиду на поверхні алюмінію утворюється швидко і є відносно тонким, тоді як шар оксиду міді має більш складну структуру, володіючи як провідними, так і ізоляційними властивостями, що ускладнює металургійний контроль межі розділу різних матеріалів. При ультразвуковому зварюванні Al-Cu міжфазний дифузійний шар зазвичай складається з нанокристалічних, аморфних фаз і дислокацій високої-щільності. Ця структура походить від серйозної пластичної деформації та атомної взаємної дифузії, спричиненої ультразвуковою вібрацією, яка є корисною для механічного блокування та металургійного з’єднання, але також може сприяти утворенню крихких інтерметалічних сполук (IMC). Через високу хімічну спорідненість між Al і Cu, коли температура або деформація зсуву перевищує критичні умови, IMC, такі як Al₂Cu, легко утворюються, що призводить до зниження механічних властивостей з’єднання та збільшення опору, особливо коли товщина шару IMC перевищує приблизно 2 мкм, його несприятливий вплив стає більш значним.
Як показано на малюнку 2, із збільшенням часу та енергії зварювання ефект вдавлення зварювальної головки та ковадла збільшується, а в зоні зварювання з’являються вм’ятини на поверхні та поперечні -перерізи, що стоншуються, що відображає пластичну течію та перегрупування матеріалу під час процесу зварювання. Хвилястість на межі розділу збільшується зі збільшенням часу зварювання, що не тільки скорочує шлях поширення тріщини, але й змінює режим руйнування, поступово перетворюючись із міжфазного руйнування на вирив-або змішаний руйнування, таким чином впливаючи на навантаження від руйнування з’єднання. Для зварювання різнорідних матеріалів різниця в твердості матеріалу посилює цю асиметрію деформації; більш м'який матеріал більш схильний до динамічної рекристалізації та подрібнення зерна, що призводить до нерівномірного розподілу твердості в зоні зварювання.
3.3 Проблеми з електромеханічним з’єднанням У таких сферах застосування, як акумуляторні батареї для електромобілів і надпровідні стрічки REBCO CC, ультразвукові зварні з’єднання повинні не тільки відповідати вимогам до механічного з’єднання, але й мати низький і стабільний електричний контактний опір, щоб уникнути накопичення джоулевого нагрівання, електричного дисбалансу та проблем безпеки, таких як надмірне заряджання, надмірне-розряджання та навіть перепади температури. Дослідження показують, що структура з’єднання та конфігурація матеріалу впливають на опір і термічну поведінку: у багатошарових з’єднаннях Cu–Al більш м’які матеріали на стороні зварювальної головки більш схильні до деформації та витончення, що погіршує електричні характеристики з’єднання; навпаки, розміщення більш товстого або твердішого шару Cu на стороні ковадла може зменшити міжфазні дефекти та зменшити опір з’єднання. Поточні експерименти з імпульсним навантаженням також показують, що з’єднання Al–Cu через вищий міжфазний опір зазнають більшого підвищення температури за тих самих умов струму порівняно з з’єднаннями Cu–Cu, підкреслюючи стримуючий ефект електро-теплового-структурного зв’язку на надійність з’єднання. Як показано на малюнку 3, порівняно з традиційними паяними з’єднаннями ультразвукове зварювання зменшує кількість шарів матеріалу та поверхонь на шляху струму, утворюючи прямий твердотільний-з’єднання між шарами міді, тим самим знижуючи загальний контактний опір; однак їх інтерфейс зазвичай складається як із зв’язаних (P1), так і з незв’язаних (P2) областей, і електричні характеристики дуже чутливі до ефективної площі зв’язку. Щоб ще більше підвищити стабільність з’єднання в сильних магнітних полях і кріогенних середовищах, було запропоновано метод-ультразвукового композитного зварювання. Цей метод покращує безперервність електричного контакту, зменшує опір з’єднань і покращує механічну стабільність і стійкість до згинання, дозволяючи припою проникати в нескріплені області. Загалом результати, показані на малюнку, інтуїтивно демонструють тісний зв’язок між структурою межі з’єднання, ефективною провідною площею та поведінкою електромеханічного з’єднання. Раціональна конструкція конфігурації ультразвукового зварного з’єднання та його гібридний процес є ключовими для досягнення високонадійних електричних з’єднань.
04 Висновок Загалом ультразвукове зварювання демонструє значні технічні переваги у з’єднанні алюмінію та міді, що робить його особливо придатним для застосування в електромобілях і надпровідних установках, які вимагають надзвичайно високої електропровідності та структурної цілісності. Існуючі дослідження систематично виявили його механізм з’єднання інтерфейсу та досягли значного прогресу в оптимізації параметрів процесу та інженерних застосувань. Проте дослідження складних багатошарових конструкцій, надійності-тривалої служби різнорідних матеріалів і чисельного моделювання процесу зварювання залишаються відносно обмеженими. Майбутні дослідження мають і надалі зосереджуватись на багато-аналізі механізмів, уточненому контролі технологічного вікна та синергічному застосуванні ультразвукового зварювання з іншими передовими технологіями з’єднання, щоб сприяти-поглибленому розвитку та інженерному застосуванню цієї технології у високо-виробництві.
