01 Inleiding Met de snelle ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen en supergeleidende technologie bij hoge- temperaturen zijn lichtgewicht, hoge geleidbaarheid en zeer betrouwbare verbindingstechnologieën belangrijke kwesties geworden in de productiesector. Aluminium en koper worden veel gebruikt in stroombatterijen, elektrische aandrijfsystemen, railverbindingen en supergeleidende apparaten vanwege hun uitstekende elektrische geleidbaarheid, lage dichtheid en goede corrosieweerstand. Aluminium-aluminium-, koper-koper- en aluminium-koperverbindingen worden echter vaak geconfronteerd met problemen zoals overmatige warmte-inbreng, vorming van intermetallische verbindingen, verzachting van verbindingen en lasvervorming tijdens conventionele smeltlasprocessen, waardoor hun technische toepassingen ernstig worden beperkt. Ultrasoon lassen, als typische vaste- verbindingstechnologie, bereikt metallurgische binding van materialen door middel van hoog- mechanische trillingen en grensvlakwrijving, wat voordelen biedt zoals een lage warmte-inbreng, korte lastijd en regelbare grensvlakreacties. De afgelopen jaren heeft het veel aandacht gekregen op het gebied van elektrische voertuigen en supergeleidende techniek. Met name bij aansluitingen op batterijtabs, het lassen van aluminium-koper-verschillende metalen en de- productie van busbars met hoge geleidbaarheid, levert ultrasoon lassen uitgebreide prestaties die superieur zijn aan traditionele lasmethoden. Tegen deze achtergrond beoordeelt dit artikel systematisch de onderzoeksvoortgang van de ultrasone lastechnologie van aluminium en koper in elektrische voertuigen en supergeleidende toepassingen, vat de lasmechanismen, procesevolutie en huidige technische toepassingen samen, en biedt daarmee een theoretische referentie voor daaropvolgende procesoptimalisatie en technologische ontwikkeling.
02 Kenmerken van ultrasoon lassen
Bij ultrasoon lassen worden voornamelijk twee typische configuraties gebruikt: het wig-druksysteem en het laterale- aandrijfsysteem (Figuur 1). Beide zijn vergelijkbaar qua trillingsmechanisme, maar verschillen qua structurele vorm, amplitudeniveau, klemkracht en toepasselijke materialen. Het wigdruksysteem- wordt gekenmerkt door een lage amplitude en een hoge klemkracht, waarbij ultrasone energie rechtstreeks op het werkstuk wordt overgebracht door de combinatie van longitudinale trillingen en transversale trillingen bij de laspunt, geschikt voor dikkere of stijvere materialen. Het laterale-aandrijfsysteem biedt de voordelen van een hoge amplitude, een lage klemkracht en nauwkeurig meetbare parameters, waardoor het beter geschikt is voor het verbinden van fijne draden, folies en dunne platen en daarom veel wordt gebruikt op gebieden als lithium-ionbatterijen en supergeleidende tapes. Op basis hiervan kunnen ultrasone lasparameters worden onderverdeeld in procesparameters en materiaalparameters, waarbij lasenergie, tijd, klemkracht en trillingsamplitude de belangrijkste factoren zijn die de laskwaliteit bepalen. Tijdens het lassen is het noodzakelijk om de klemkracht en trillingsamplitude redelijk op elkaar af te stemmen en tegelijkertijd voldoende contact te garanderen, om slippen als gevolg van onvoldoende klemkracht of overmatig dunner worden van het materiaal als gevolg van overmatige kracht te voorkomen.
Figuur 1 illustreert een ultrasoon lassysteem dat gebruik maakt van een transversale trillingsmodus, inclusief (a) een wigveersysteem en (b) een transversaal aandrijfsysteem[1] 2.
2 Elektrische, thermische en mechanische eisen van ultrasoon lassen Als typisch verbindingsproces in vaste- toestand biedt ultrasoon metaallassen voordelen op het gebied van elektrische, thermische en materiaalcompatibiliteit, en is vooral geschikt voor het verbinden van materialen met een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid. Studies hebben aangetoond dat ultrasoon lassen, vergeleken met weerstandspuntlassen, het energieverbruik bij de voorbereiding van verbindingen van aluminiumlegeringen vermindert, terwijl extreem lage elektrische en thermische contactweerstanden worden bereikt, waarbij de lastijden slechts op een transiënt niveau liggen, wat uitstekende energie-efficiëntie en thermische beheerprestaties aantoont. Bij magneet- en supergeleidende toepassingen bij lage- temperaturen (zoals REBCO CC-tapes) zijn de verbindingsprestaties in hoge mate afhankelijk van de thermische geleidbaarheid, de aanpassing van de thermische uitzettingscoëfficiënt en de mechanische stabiliteit. Omdat bij ultrasoon lassen geen gebruik wordt gemaakt van vulmetalen, worden restspanningen, scheuren of delaminatie van het grensvlak, veroorzaakt door niet-passende thermische uitzetting, effectief vermeden, waardoor de risico's op afschrikking worden verminderd en de levensduur wordt verlengd. Tegelijkertijd hebben verbindingen geproduceerd door het ultrasone lasproces een goede thermische stabiliteit, wat gunstig is voor het behoud van de structurele integriteit tijdens stroomvoerende processen. Vanuit een materiaal- en metallurgisch perspectief kan ultrasoon lassen als een solid{9}}-proces een betrouwbare verbinding van ongelijksoortige metalen bewerkstelligen, lage eisen stellen aan de oppervlakteconditie, een hoog aanpassingsvermogen, materialen met grote verschillen in smeltpunten verbinden en het risico op corrosie verminderen. Verbindingen die door dit proces worden geproduceerd, vertonen minimale vervorming en hoge laskwaliteit, geschikt voor dikke platen, dunne platen en ultra{11}}dunne folies, wat goede duurzaamheid en technische toepassingsvooruitzichten demonstreert op het gebied van precisieverbinding, zoals lithium-ionbatterijen en supergeleidende tapes.
3.1 Uitdagingen bij lasoptimalisatie Bij ultrasoon lastoepassingen van aluminium, koper en ongelijksoortige materialen wordt het bereiken van consistente verbindingen van hoge kwaliteit- nog steeds met meerdere uitdagingen geconfronteerd. Hoewel bewezen is dat de meeste aluminiumlegeringen (zoals de 5xxx- en 6xxx-serie) een goede ultrasone lasbaarheid hebben, hebben sommige legeringen nog steeds last van problemen zoals de adhesie van de laspunt, ernstige vervorming en smalle procesvensters, waardoor parameteroptimalisatie sterk afhankelijk is van de materiaaleigenschappen. De laskwaliteit is uiterst gevoelig voor procesparameters, waaronder lasenergie, tijd, trillingsamplitude en klemdruk de dominante factoren, en hun interactie verhoogt de procescomplexiteit verder. Hoewel traditioneel volledig-factorieel experimenteel ontwerp een grote hoeveelheid gegevens kan verkrijgen, is het kostbaar en statistisch inefficiënt; Daarentegen is bewezen dat variantieanalyse (ANOVA) met minder experimenten de belangrijkste parameters en hun interacties effectief kan identificeren, waardoor een betrouwbare basis wordt geboden voor het maximaliseren van de lassterkte en het controleren van de consistentie. De toepassing van statistische methoden in industriële omgevingen wordt echter nog steeds beperkt door de moeilijkheid van gegevensinterpretatie.
Vanuit een mechanistisch perspectief kan de dynamische grensvlakspanning die wordt gegenereerd tijdens ultrasoon lassen de oxidefilm verpletteren en de metallurgische hechting bevorderen. Onvoldoende of overmatige warmte-inbreng kan gemakkelijk leiden tot te weinig of te veel laswerk, wat kan leiden tot grensvlakbreuk of verslechtering van de prestaties. Studies hebben aangetoond dat een redelijke afstemming tussen lastijd en trillingsamplitude een optimale laskernstructuur kan vormen, terwijl geavanceerde strategieën zoals amplitudecurvecontrole de lassterkte en stabiliteit van ongelijksoortige Al-Cu-verbindingen verbeteren door de energie-input in fasen aan te passen. Bovendien hebben structurele parameters zoals de positie van dunne platen in meer--laagstructuren, de oppervlaktetextuur van de laspunt en het aambeeld, en de initiële opening ook een aanzienlijke invloed op de laskwaliteit, vooral in zeer gevoelige toepassingen zoals supergeleidende tapes, waar een verkeerde combinatie van parameters kan leiden tot verhoogde weerstand of schade aan de functionele laag. Over het geheel genomen ligt de kernuitdaging van de optimalisatie van ultrasoon lassen in het bereiken van synergetische verbetering van het materiaalaanpassingsvermogen, de gezamenlijke prestaties en de processtabiliteit onder sterk gekoppelde multi-parameteromstandigheden, wat een systematisch ontwerp vereist dat mechanistisch begrip en statistische optimalisatiemethoden combineert met minimale experimentele kosten.
3.2 Uitdagingen op het gebied van materialen en metallurgie Bij het ultrasone lasproces van aluminium, koper en ongelijksoortige materialen is de invloed van materiaal- en metallurgische factoren op de prestatie van verbindingen bijzonder complex. Corrosiegedrag is een van de belangrijkste problemen die de betrouwbaarheid van de verbinding beperken. Atmosferische corrosie, wrijvingscorrosie en galvanische corrosie degraderen allemaal het contactvlak tussen metaal-naar-metaal, waardoor de weerstand toeneemt en de stabiliteit op de lange- termijn van batterijen en REBCO CC-verbindingen afneemt. Het oxidatiegedrag van verschillende materialen varieert: de oxidelaag op het aluminiumoppervlak vormt zich snel en is relatief dun, terwijl de koperoxidelaag een complexere structuur heeft, die zowel geleidende als isolerende eigenschappen bezit, waardoor metallurgische controle van het grensvlak van verschillende materialen moeilijk wordt. Bij ultrasoon Al-Cu-lassen bestaat de grensvlakdiffusielaag gewoonlijk uit nanokristallijne, amorfe fasen en dislocaties met hoge-dichtheid. Deze structuur is afkomstig van ernstige plastische vervorming en atomaire interdiffusie veroorzaakt door ultrasone trillingen, wat gunstig is voor mechanische in elkaar grijpende en metallurgische bindingen, maar ook de vorming van brosse intermetallische verbindingen (IMC's) kan bevorderen. Vanwege de hoge chemische affiniteit tussen Al en Cu worden IMC's zoals Al₂Cu gemakkelijk gevormd wanneer de temperatuur of afschuifvervorming kritische omstandigheden overschrijdt, wat leidt tot een afname van de mechanische eigenschappen van de verbinding en een toename van de weerstand. Vooral wanneer de IMC-laagdikte groter wordt dan ongeveer 2 µm, worden de nadelige effecten ervan groter.
Zoals u kunt zien in Figuur 2, neemt bij toenemende lastijd en -energie het indrukkingseffect van de laskop en het aambeeld toe, en verschijnen er inkepingen in het oppervlak en dunner wordende kenmerken in de dwarsdoorsnede in de laszone, die de plastische stroming en de herschikking van het materiaal tijdens het lasproces weerspiegelen. De golving op het grensvlak neemt toe naarmate de lastijd toeneemt, waardoor niet alleen het scheurvoortplantingspad wordt verkort, maar ook de breukmodus verandert, waarbij geleidelijk wordt getransformeerd van grensvlakbreuk naar uittrekking of gemengde breuk, waardoor de bezwijkbelasting van de verbinding wordt beïnvloed. Bij het lassen van ongelijksoortige materialen versterkt het verschil in materiaalhardheid deze vervormingsasymmetrie; het zachtere materiaal is gevoeliger voor dynamische herkristallisatie en korrelverfijning, wat resulteert in een ongelijkmatige verdeling van de hardheid in de laszone.
3.3 Elektromechanische koppelingsuitdagingen In toepassingen zoals accupakketten voor elektrische voertuigen en supergeleidende REBCO CC-tapes moeten ultrasone lasverbindingen niet alleen voldoen aan de mechanische verbindingsvereisten, maar moeten ze ook een lage en stabiele elektrische contactweerstand hebben om accumulatie van Joule-verwarming, elektrische onbalans en daaruit voortvloeiende veiligheidsproblemen zoals overladen, over- ontladen en zelfs oververhitting te voorkomen. Uit onderzoek blijkt dat de verbindingsstructuur en materiaalconfiguratie de weerstand en het thermisch gedrag beïnvloeden: bij meerlaagse Cu-Al-verbindingen zijn zachtere materialen aan de laskopzijde gevoeliger voor vervorming en dunner worden, waardoor de elektrische prestaties van de verbinding afnemen; Daarentegen kan het plaatsen van een dikkere of hardere Cu-laag op de aambeeldzijde grensvlakdefecten verminderen en de gewrichtsweerstand verminderen. Uit huidige experimenten met pulsbelasting blijkt verder dat Al-Cu-verbindingen, als gevolg van de hogere grensvlakweerstand, onder dezelfde huidige omstandigheden een grotere temperatuurstijging ervaren dan Cu-Cu-verbindingen, wat het beperkende effect van elektro-thermische-structurele koppeling op de betrouwbaarheid van verbindingen benadrukt. Zoals weergegeven in figuur 3 verminderen ultrasone lasverbindingen, vergeleken met traditionele hardsoldeerverbindingen, het aantal materiaallagen en grensvlakken in het stroompad door een directe vaste -verbinding tussen de koperlagen te vormen, waardoor de algehele contactweerstand wordt verlaagd; hun grensvlak bestaat echter gewoonlijk uit zowel gebonden (P1) als niet-gebonden (P2) gebieden, en de elektrische prestaties zijn zeer gevoelig voor het effectieve hechtingsgebied. Om de stabiliteit van de verbinding in sterke magnetische velden en cryogene omgevingen verder te verbeteren, is een hardsoldeer-ultrasone composietlasmethode voorgesteld. Deze methode verbetert de continuïteit van het elektrische contact, vermindert de verbindingsweerstand en verbetert de mechanische stabiliteit en buigweerstand door soldeer de niet-gebonden gebieden te laten binnendringen. Over het geheel genomen demonstreren de resultaten in de figuur intuïtief een nauwe correlatie tussen de gewrichtsinterfacestructuur, het effectieve geleidende oppervlak en het elektromechanische koppelingsgedrag. Een rationeel ontwerp van de ultrasone lasverbindingsconfiguratie en het hybride proces ervan zijn de sleutel tot het realiseren van zeer betrouwbare elektrische verbindingen.
04 Conclusie Over het geheel genomen vertoont ultrasoon lassen aanzienlijke technische voordelen bij het verbinden van aluminium en koper, waardoor het bijzonder geschikt is voor elektrische voertuigen en supergeleidende toepassingen die een extreem hoge elektrische geleidbaarheid en structurele integriteit vereisen. Bestaand onderzoek heeft systematisch het interface-bindingsmechanisme onthuld en belangrijke vooruitgang geboekt bij de optimalisatie van procesparameters en technische toepassingen. Onderzoek naar complexe meerlaagse structuren, de betrouwbaarheid van verschillende materialen op lange termijn- en de numerieke modellering van het lasproces blijft echter relatief beperkt. Toekomstig onderzoek zou zich verder moeten concentreren op de analyse van mechanismen op meerdere-schalen, verfijnde controle van het procesvenster en de synergetische toepassing van ultrasoon lassen met andere geavanceerde verbindingstechnologieën om de-diepgaande ontwikkeling en technische toepassing van deze technologie in-high-end productie te bevorderen.
