01 Въведение С бързото развитие на нови енергийни превозни средства и високо{1}}температурна свръхпроводяща технология, леките, високопроводими и високонадеждни свързващи технологии се превърнаха в ключови проблеми в областта на производството. Алуминият и медта се използват широко в захранващи батерии, системи за електрическо задвижване, връзки на шини и свръхпроводящи устройства поради тяхната отлична електрическа проводимост, ниска плътност и добра устойчивост на корозия. Въпреки това, съединенията алуминий-алуминий, мед-мед и алуминий-мед често се сблъскват с проблеми като прекомерно подаване на топлина, образуване на интерметални съединения, омекване на ставите и деформация при заваряване по време на конвенционални процеси на заваряване чрез стопяване, което сериозно ограничава техните инженерни приложения. Ултразвуковото заваряване, като типична технология за-съединяване в твърдо състояние, постига металургично свързване на материали чрез високо{6}}честотни механични вибрации и междинно триене, предлагайки предимства като ниско входящо топлина, кратко време за заваряване и контролируеми межфазови реакции. През последните години той получи широко внимание в областта на електрическите превозни средства и свръхпроводящото инженерство. Ултразвуковото заваряване демонстрира всеобхватна производителност, превъзхождаща традиционните методи за заваряване, особено при свързване на батерии, заваряване на различни метали от алуминий-мед и различни метали и-производство на шини с висока{10}}проводимост. На този фон тази статия систематично прави преглед на напредъка в изследванията на технологията за ултразвуково заваряване на алуминий и мед в електрически превозни средства и свръхпроводящи приложения, обобщава нейните механизми за заваряване, еволюцията на процеса и текущите инженерни приложения, като по този начин предоставя теоретична справка за последваща оптимизация на процеса и технологично развитие.
02 Характеристики на ултразвуковото заваряване
Ултразвуковото заваряване използва основно две типични конфигурации: клин-система за натиск и система за странично-задвижване (Фигура 1). И двете са подобни по механизъм на вибрация, но се различават по структурна форма, ниво на амплитуда, сила на затягане и приложими материали. Клиновата -система за натиск се характеризира с ниска амплитуда и висока сила на затягане, пренасяща ултразвукова енергия директно към детайла чрез комбинация от надлъжни вибрации и напречни вибрации на върха на заваряване, подходяща за по-дебели или по-твърди материали. Системата за странично-задвижване предлага предимствата на висока амплитуда, ниска сила на затягане и прецизно измерими параметри, което я прави по-подходяща за свързване на фини проводници, фолиа и тънки листове и следователно широко използвана в области като литиево-йонни батерии и свръхпроводящи ленти. На тази основа параметрите на ултразвуковото заваряване могат да бъдат разделени на параметри на процеса и параметри на материала, като заваръчната енергия, времето, силата на затягане и амплитудата на вибрациите са ключовите фактори, определящи качеството на заваряване. По време на заваряване е необходимо разумно да се съпоставят силата на затягане и амплитудата на вибрациите, като същевременно се осигури достатъчен контакт, за да се избегне приплъзване поради недостатъчна сила на затягане или прекомерно изтъняване на материала поради прекомерна сила.
Фигура 1 илюстрира система за ултразвуково заваряване, използваща режим на напречна вибрация, включително (a) система с клинова пружина и (b) система за напречно задвижване [1] 2.
2 Електрически, термични и механични изисквания на ултразвуковото заваряване Като типичен процес на свързване в твърдо състояние, ултразвуковото заваряване на метал предлага предимства в електрическата, термичната и материалната съвместимост, особено подходящо за свързване на материали с висока топлинна и електрическа проводимост. Проучванията показват, че в сравнение със съпротивителното точково заваряване, ултразвуковото заваряване намалява консумацията на енергия при подготовката на фуги от алуминиева сплав, като същевременно постига изключително ниски електрически и термични контактни съпротивления, като времената на заваряване са само на преходно ниво, демонстрирайки отлична енергийна ефективност и ефективност на управление на топлината. При ниско{4}}температурни магнитни и свръхпроводящи приложения (като REBCO CC ленти), работата на съединението зависи силно от топлопроводимостта, съвпадението на коефициента на топлинно разширение и механичната стабилност. Тъй като ултразвуковото заваряване не използва добавъчни метали, то ефективно избягва остатъчно напрежение, напукване или разслояване на интерфейса, причинено от несъответствие на термичното разширение, като по този начин намалява рисковете от закаляване и удължава експлоатационния живот. В същото време, съединенията, произведени чрез процеса на ултразвуково заваряване, имат добра термична стабилност, благоприятна за поддържане на структурната цялост по време на-процеси, носещи ток. От гледна точка на материалите и металургията, ултразвуковото заваряване като-процес в твърдо състояние може да постигне надеждно свързване на различни метали, има ниски изисквания за състояние на повърхността, висока адаптивност, може да свързва материали с големи разлики в точките на топене и намалява риска от корозия. Съединенията, произведени чрез този процес, показват минимална деформация и високо качество на заваряване, подходящи за дебели плочи, тънки плочи и ултра-тънки фолиа, демонстрирайки добра устойчивост и перспективи за инженерно приложение в области на прецизно свързване като литиево-йонни батерии и свръхпроводящи ленти.
3.1 Предизвикателства при оптимизирането на заваряването При приложенията за ултразвуково заваряване на алуминий, мед и различни материали, постигането на високо-качествени, последователни съединения все още е изправено пред множество предизвикателства. Въпреки че е доказано, че повечето алуминиеви сплави (като серията 5xxx и 6xxx) имат добра ултразвукова заваряемост, някои сплави все още страдат от проблеми като адхезия на върха на заваряване, тежка деформация и тесни прозорци на процеса, което прави оптимизацията на параметрите силно зависима от характеристиките на материала. Качеството на заваряване е изключително чувствително към параметрите на процеса, сред които заваръчната енергия, времето, амплитудата на вибрациите и налягането на затягане са доминиращите фактори, а тяхното взаимодействие допълнително увеличава сложността на процеса. Въпреки че традиционният пълен-факторен експериментален дизайн може да получи голямо количество данни, той е скъп и статистически неефективен; за разлика от това, анализът на дисперсията (ANOVA) е доказано, че ефективно идентифицира ключови параметри и техните взаимодействия с по-малко експерименти, осигурявайки надеждна основа за максимизиране на якостта на заваряване и контролиране на консистенцията. Въпреки това, прилагането на статистически методи в индустриални условия все още е ограничено от трудността на тълкуването на данните.
От механична гледна точка, динамичното междинно напрежение, генерирано по време на ултразвуково заваряване, може да смаже оксидния филм и да насърчи металургичното свързване. Недостатъчното или прекомерното внасяне на топлина може лесно да доведе до недостатъчно-заваряване или свръх-заваряване, което води до счупване на повърхността или влошаване на производителността. Проучванията показват, че разумното съответствие между времето за заваряване и амплитудата на вибрациите може да формира оптимална структура на заваръчната сърцевина, докато усъвършенствани стратегии като контрол на амплитудната крива подобряват якостта на заваряване и стабилността на различни Al-Cu съединения чрез регулиране на входящата енергия на етапи. В допълнение, структурни параметри като позицията на тънките плочи в много-слойни структури, текстурата на повърхността на заваръчния връх и наковалнята и първоначалната междина също оказват значително влияние върху качеството на заваряване, особено при силно чувствителни приложения като свръхпроводящи ленти, където несъответствието на параметрите може да доведе до повишена устойчивост или повреда на функционалния слой. Като цяло, основното предизвикателство на оптимизацията на ултразвуковото заваряване се крие в постигането на синергично подобрение на адаптивността на материала, производителността на съединението и стабилността на процеса при силно свързани много-параметрични условия, което изисква систематичен дизайн, съчетаващ механично разбиране и методи за статистическа оптимизация с минимални експериментални разходи.
3.2 Предизвикателства в материалите и металургията В процеса на ултразвуково заваряване на алуминий, мед и различни материали, влиянието на материалните и металургичните фактори върху работата на съединението е особено сложно. Корозионното поведение е един от ключовите проблеми, ограничаващи експлоатационната надеждност на съединението. Атмосферната корозия, фретинг корозията и галваничната корозия влошават контактната повърхност метал-към-метал, увеличавайки съпротивлението и намалявайки дългосрочната-стабилност на батериите и REBCO CC съединенията. Окислителното поведение на различните материали варира: оксидният слой върху алуминиевата повърхност се образува бързо и е сравнително тънък, докато медният оксиден слой има по-сложна структура, притежаващ както проводими, така и изолационни свойства, което затруднява металургичния контрол на интерфейса на различни материали. При ултразвуково заваряване с Al-Cu междинният дифузионен слой обикновено се състои от нанокристални, аморфни фази и дислокации с висока-плътност. Тази структура произхожда от тежка пластична деформация и атомна интердифузия, предизвикана от ултразвукова вибрация, която е полезна за механично блокиране и металургично свързване, но може също така да насърчи образуването на крехки интерметални съединения (IMC). Поради високия химичен афинитет между Al и Cu, когато температурата или деформацията на срязване надвишава критичните условия, IMCs като Al₂Cu се образуват лесно, което води до намаляване на механичните свойства на съединението и увеличаване на устойчивостта, особено когато дебелината на IMC слоя надвишава приблизително 2 µm, неговите неблагоприятни ефекти стават по-значими.
Както е показано на Фигура 2, с увеличаване на времето и енергията на заваряване, ефектът на вдлъбнатина на заваръчната глава и наковалнята се увеличава и в зоната на заваряване се появяват вдлъбнатини на повърхността и изтъняване на напречното сечение, което отразява пластичния поток и пренареждането на материала по време на процеса на заваряване. Вълнообразността на интерфейса се увеличава с увеличаване на времето за заваряване, което не само съкращава пътя на разпространение на пукнатината, но също така променя режима на счупване, като постепенно се трансформира от междуфазно счупване в издърпване-навън или смесено счупване, като по този начин влияе върху натоварването при повреда на съединението. За заваряване на различни материали разликата в твърдостта на материала усилва тази асиметрия на деформация; по-мекият материал е по-склонен към динамична рекристализация и усъвършенстване на зърното, което води до неравномерно разпределение на твърдостта в зоната на заваряване.
3.3 Предизвикателства при електромеханичното свързване В приложения като акумулаторни пакети за електрически превозни средства и свръхпроводящи ленти REBCO CC, ултразвуковите заварени съединения не само трябва да отговарят на изискванията за механично свързване, но също така трябва да притежават ниско и стабилно електрическо контактно съпротивление, за да се избегне натрупването на джаулово нагряване, електрически дисбаланс и произтичащите от това проблеми с безопасността, като презареждане, пре-разреждане и дори термично отклонение. Изследванията показват, че структурата на съединението и конфигурацията на материала влияят на съпротивлението и термичното поведение: в многослойните Cu–Al съединения по-меките материали от страната на заваръчната глава са по-податливи на деформация и изтъняване, като по този начин влошават електрическите характеристики на съединението; за разлика от това, поставянето на по-дебел или по-твърд меден слой от страната на наковалнята може да намали повърхностните дефекти и да намали устойчивостта на ставите. Текущите експерименти с импулсно натоварване допълнително показват, че съединенията Al–Cu, поради по-високото междуфазово съпротивление, изпитват по-голямо повишаване на температурата при същите текущи условия в сравнение със съединенията Cu–Cu, подчертавайки ограничаващия ефект на електро-термичното-структурно свързване върху надеждността на съединението. Както е показано на Фигура 3, в сравнение с традиционните запоени съединения, ултразвуковите заварени съединения намаляват броя на материалните слоеве и интерфейсите по пътя на тока чрез образуване на директна връзка в твърдо- състояние между медните слоеве, като по този начин намаляват общото контактно съпротивление; техният интерфейс обаче обикновено се състои както от свързани (P1), така и от несвързани (P2) региони, а електрическите характеристики са силно чувствителни към ефективната област на свързване. За по-нататъшно подобряване на стабилността на съединението в силни магнитни полета и криогенни среди е предложен ултразвуков композитен метод за спояване. Този метод подобрява непрекъснатостта на електрическия контакт, намалява съпротивлението на съединението и подобрява механичната стабилност и устойчивостта на огъване, като позволява на спойката да проникне в несвързаните области. Като цяло резултатите, показани на фигурата, интуитивно демонстрират тясна връзка между структурата на интерфейса на съединението, ефективната проводяща площ и поведението на електромеханичното свързване. Рационалното проектиране на конфигурацията на ултразвуковото заварено съединение и неговия хибриден процес е от ключово значение за постигане на високонадеждни електрически връзки.
04 Заключение Като цяло, ултразвуковото заваряване демонстрира значителни технически предимства при свързването на алуминий и мед, което го прави особено подходящо за електрически превозни средства и свръхпроводящи приложения, които изискват изключително висока електрическа проводимост и структурна цялост. Съществуващите изследвания систематично разкриха неговия механизъм за свързване на интерфейса и постигнаха важен напредък в оптимизирането на параметрите на процеса и инженерните приложения. Изследванията на сложни многослойни структури, дългосрочната{3}}експлоатационна надеждност на различни материали и численото моделиране на процеса на заваряване обаче остават относително ограничени. Бъдещите изследвания трябва допълнително да се съсредоточат върху анализ на много-мащабен механизъм, усъвършенстван контрол на прозореца на процеса и синергичното приложение на ултразвуковото заваряване с други усъвършенствани технологии за свързване, за да се насърчи-задълбочено развитие и инженерно приложение на тази технология в-производството от висок клас.
