01 Ievads Strauji attīstoties jauniem enerģijas transportlīdzekļiem un augstas temperatūras supravadīšanas tehnoloģijai, vieglas, augstas vadītspējas un ļoti uzticamas savienojumu tehnoloģijas ir kļuvušas par galvenajām problēmām ražošanas jomā. Alumīniju un varu plaši izmanto jaudas akumulatoros, elektriskās piedziņas sistēmās, kopņu savienojumos un supravadītājos ierīcēs, jo tiem ir lieliska elektrovadītspēja, zems blīvums un laba izturība pret koroziju. Tomēr alumīnija–alumīnija, vara–vara un alumīnija–vara savienojumi bieži saskaras ar tādām problēmām kā pārmērīga siltuma padeve, starpmetālu savienojumu veidošanās, šuvju mīkstināšana un metināšanas deformācija tradicionālo kausēšanas metināšanas procesu laikā, nopietni ierobežojot to inženierijas pielietojumu. Ultraskaņas metināšana kā tipiska cietvielu -savienošanas tehnoloģija nodrošina materiālu metalurģisku savienošanu, izmantojot augstas-mehāniskās vibrācijas un saskarnes berzi, piedāvājot tādas priekšrocības kā zema siltuma padeve, īss metināšanas laiks un kontrolējamas saskarnes reakcijas. Pēdējos gados tam ir pievērsta liela uzmanība elektrisko transportlīdzekļu un supravadītāju inženierijas jomās. Ultraskaņas metināšana demonstrē vispusīgu veiktspēju, kas ir labāka par tradicionālajām metināšanas metodēm, īpaši akumulatoru savienojumos, alumīnija -vara atšķirīgo metālu metināšanā un augstas-vadītspējas kopņu ražošanā. Ņemot to vērā, šajā rakstā ir sistemātiski apskatīts alumīnija un vara ultraskaņas metināšanas tehnoloģiju pētniecības progress elektriskajos transportlīdzekļos un supravadītājos, apkopoti metināšanas mehānismi, procesa attīstība un pašreizējie inženiertehniskie pielietojumi, tādējādi nodrošinot teorētisku atsauci turpmākai procesa optimizācijai un tehnoloģiju attīstībai.
02 Ultraskaņas metināšanas iezīmes
Ultraskaņas metināšanai galvenokārt tiek izmantotas divas tipiskas konfigurācijas: ķīļ-spiediena sistēma un sānu-piedziņas sistēma (1. attēls). Abi ir līdzīgi vibrācijas mehānismā, taču atšķiras pēc konstrukcijas formas, amplitūdas līmeņa, saspiešanas spēka un izmantojamajiem materiāliem. Ķīlis{5}}spiediena sistēmai ir raksturīga zema amplitūda un liels saspiešanas spēks, kas ultraskaņas enerģiju nodod tieši uz apstrādājamo priekšmetu, izmantojot gareniskās vibrācijas un šķērsvirziena vibrācijas kombināciju metināšanas galā, kas ir piemērota biezākiem vai stingrākiem materiāliem. Sānu -piedziņas sistēma piedāvā augstas amplitūdas, zema iespīlēšanas spēka un precīzi izmērāmu parametru priekšrocības, padarot to piemērotāku smalku vadu, foliju un plānu lokšņu savienošanai, un tādējādi to plaši izmanto tādās jomās kā litija-jonu akumulatori un supravadošās lentes. Pamatojoties uz to, ultraskaņas metināšanas parametrus var iedalīt procesa parametros un materiāla parametros, kur metināšanas enerģija, laiks, iespīlēšanas spēks un vibrācijas amplitūda ir galvenie faktori, kas nosaka metināšanas kvalitāti. Metināšanas laikā ir nepieciešams saprātīgi saskaņot iespīlēšanas spēku un vibrācijas amplitūdu, vienlaikus nodrošinot pietiekamu kontaktu, lai izvairītos no slīdēšanas nepietiekama iespīlēšanas spēka dēļ vai materiāla pārmērīgas retināšanas pārmērīga spēka dēļ.
1. attēlā parādīta ultraskaņas metināšanas sistēma, kas izmanto šķērsvirziena vibrācijas režīmu, tostarp (a) ķīļveida atsperu sistēma un (b) šķērsvirziena piedziņas sistēma[1] 2.
2. Ultraskaņas metināšanas elektriskās, termiskās un mehāniskās prasības Kā tipisks cietvielu savienošanas process, metāla ultraskaņas metināšana piedāvā priekšrocības elektriskā, termiskā un materiālu savietojamībā, īpaši piemērota materiālu savienošanai ar augstu siltuma un elektrisko vadītspēju. Pētījumi ir parādījuši, ka, salīdzinot ar pretestības punktmetināšanu, ultraskaņas metināšana samazina enerģijas patēriņu alumīnija sakausējuma šuvju sagatavošanā, vienlaikus panākot ārkārtīgi zemas elektriskās un termiskās saskares pretestības, metināšanas laikiem tikai pārejošā līmenī, demonstrējot izcilu energoefektivitāti un siltuma pārvaldības veiktspēju. Zemas -temperatūras magnētu un supravadītāju lietojumos (piemēram, REBCO CC lentēs) savienojumu veiktspēja ir ļoti atkarīga no siltumvadītspējas, termiskās izplešanās koeficienta atbilstības un mehāniskās stabilitātes. Tā kā ultraskaņas metināšanā neizmanto pildmetālus, tā efektīvi novērš atlikušo deformāciju, plaisāšanu vai saskarnes atslāņošanos, ko izraisa termiskās izplešanās neatbilstība, tādējādi samazinot dzēšanas risku un pagarinot kalpošanas laiku. Tajā pašā laikā savienojumiem, kas iegūti ar ultraskaņas metināšanas procesu, ir laba termiskā stabilitāte, kas ir labvēlīga struktūras integritātes saglabāšanai pašreizējo -pārvades procesu laikā. No materiālu un metalurģijas viedokļa ultraskaņas metināšana kā cietvielu{9}}process var nodrošināt drošu atšķirīgu metālu savienošanu, tai ir zemas prasības attiecībā uz virsmas stāvokli, augsta pielāgošanās spēja, var savienot materiālus ar lielām kušanas punktu atšķirībām un samazina korozijas risku. Šā procesa rezultātā iegūtie savienojumi uzrāda minimālu deformāciju un augstu metināšanas kvalitāti, kas ir piemēroti biezām plāksnēm, plānām plāksnēm un īpaši plānām folijām, demonstrējot labu ilgtspējību un inženierijas pielietojuma perspektīvas precīzas savienošanas jomās, piemēram, litija{12}jonu akumulatoros un supravadošās lentēs.
3.1. Izaicinājumi metināšanas optimizācijā Alumīnija, vara un dažādu materiālu ultraskaņas metināšanas lietojumos augstas-kvalitātes, konsekventi savienojumi joprojām saskaras ar daudzām problēmām. Lai gan ir pierādīts, ka lielākajai daļai alumīnija sakausējumu (piemēram, 5xxx un 6xxx sērijas) ir laba ultraskaņas metināmība, daži sakausējumi joprojām cieš no tādām problēmām kā metināšanas uzgaļa saķere, smaga deformācija un šauri procesa logi, tādēļ parametru optimizācija ir ļoti atkarīga no materiāla īpašībām. Metināšanas kvalitāte ir ārkārtīgi jutīga pret procesa parametriem, starp kuriem dominējošie faktori ir metināšanas enerģija, laiks, vibrācijas amplitūda un iespīlēšanas spiediens, un to mijiedarbība vēl vairāk palielina procesa sarežģītību. Lai gan tradicionālā pilnā-faktoriālā eksperimentālā plānošana var iegūt lielu datu apjomu, tā ir dārga un statistiski neefektīva; turpretim ir pierādīts, ka dispersijas analīze (ANOVA) efektīvi identificē galvenos parametrus un to mijiedarbību ar mazāku eksperimentu skaitu, nodrošinot uzticamu pamatu metināšanas stiprības maksimālai palielināšanai un konsekvences kontrolei. Tomēr statistikas metožu pielietošanu rūpnieciskos apstākļos joprojām ierobežo datu interpretācijas grūtības.
No mehānisma viedokļa ultraskaņas metināšanas laikā radītais dinamiskais saskarnes spriegums var sasmalcināt oksīda plēvi un veicināt metalurģisko savienojumu. Nepietiekama vai pārmērīga siltuma padeve var viegli izraisīt nepietiekamu-metināšanu vai pārmērīgu-metināšanu, izraisot saskarnes lūzumu vai veiktspējas pasliktināšanos. Pētījumi ir parādījuši, ka saprātīga metināšanas laika un vibrācijas amplitūdas atbilstība var izveidot optimālu metinājuma serdes struktūru, savukārt uzlabotas stratēģijas, piemēram, amplitūdas līknes kontrole, uzlabo atšķirīgu Al-Cu savienojumu metināšanas izturību un stabilitāti, pakāpeniski pielāgojot enerģijas ievadi. Turklāt tādi strukturālie parametri kā plāno plākšņu novietojums daudzslāņu konstrukcijās, metināšanas uzgaļa un laktas virsmas faktūra un sākotnējā sprauga arī būtiski ietekmē metināšanas kvalitāti, īpaši ļoti jutīgos lietojumos, piemēram, supravadošās lentēs, kur parametru neatbilstība var izraisīt paaugstinātu pretestību vai funkcionālā slāņa bojājumus. Kopumā ultraskaņas metināšanas optimizācijas galvenais izaicinājums ir panākt sinerģisku materiālu pielāgošanās spējas, savienojuma veiktspējas un procesa stabilitātes uzlabošanu cieši saistītos vairāku -parametru apstākļos, kam nepieciešama sistemātiska konstrukcija, kurā apvienota mehānisma izpratne un statistiskās optimizācijas metodes ar minimālām eksperimentālām izmaksām.
3.2. Materiālu un metalurģijas izaicinājumi Alumīnija, vara un dažādu materiālu metināšanas ultraskaņas procesā materiālu un metalurģijas faktoru ietekme uz šuvju veiktspēju ir īpaši sarežģīta. Korozijas uzvedība ir viena no galvenajām problēmām, kas ierobežo savienojuma uzticamību. Atmosfēras korozija, korozija un galvaniskā korozija degradē metāla-uz-metāla kontaktu saskarni, palielinot pretestību un samazinot akumulatoru un REBCO CC savienojumu ilgtermiņa stabilitāti-. Dažādu materiālu oksidēšanās īpašības atšķiras: oksīda slānis uz alumīnija virsmas veidojas ātri un ir salīdzinoši plāns, savukārt vara oksīda slānim ir sarežģītāka struktūra, kam piemīt gan vadošas, gan izolācijas īpašības, kas apgrūtina atšķirīgu materiālu saskarnes metalurģisko kontroli. Al-Cu ultraskaņas metināšanā saskarnes difūzijas slānis parasti sastāv no nanokristāliskām, amorfām fāzēm un augsta-blīvuma dislokācijām. Šī struktūra rodas no smagas plastmasas deformācijas un atomu savstarpējās difūzijas, ko izraisa ultraskaņas vibrācija, kas ir labvēlīga mehāniskai bloķēšanai un metalurģiskai savienošanai, bet var arī veicināt trauslu intermetālu savienojumu (IMC) veidošanos. Sakarā ar augsto ķīmisko afinitāti starp Al un Cu, kad temperatūra vai bīdes deformācija pārsniedz kritiskos apstākļus, viegli veidojas IMC, piemēram, Al₂Cu, izraisot savienojuma mehānisko īpašību samazināšanos un pretestības palielināšanos, īpaši, ja IMC slāņa biezums pārsniedz aptuveni 2 µm, tā nelabvēlīgā ietekme kļūst nozīmīgāka.
Kā parādīts 2. attēlā, palielinoties metināšanas laikam un enerģijai, palielinās metināšanas galviņas un laktas ievilkuma efekts, un metināšanas zonā parādās virsmas iespiedumi un šķērsgriezuma retināšanas pazīmes, kas atspoguļo plastmasas plūsmu un materiāla pārkārtošanos metināšanas procesa laikā. Viļņojums saskarnē palielinās, palielinoties metināšanas laikam, kas ne tikai saīsina plaisu izplatīšanās ceļu, bet arī maina lūzuma režīmu, pakāpeniski pārvēršoties no saskarnes lūzuma uz izvilkšanu vai jauktu lūzumu, tādējādi ietekmējot savienojuma bojājumu slodzi. Atšķirīgu materiālu metināšanai materiāla cietības atšķirība pastiprina šo deformācijas asimetriju; mīkstāks materiāls ir vairāk pakļauts dinamiskai pārkristalizācijai un graudu rafinēšanai, kā rezultātā metināšanas zonā ir nevienmērīgs cietības sadalījums.
3.3. Elektromehāniskās savienošanas problēmas Tādos lietojumos kā elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru bloki un supravadošas REBCO CC lentes, ultraskaņas metinātajiem savienojumiem ir ne tikai jāatbilst mehāniskā savienojuma prasībām, bet arī jābūt zemai un stabilai elektrisko kontaktu pretestībai, lai izvairītos no džoula siltuma uzkrāšanās, elektriskās nelīdzsvarotības un no tā izrietošām drošības problēmām, piemēram, pārlādēšanās, pat pārlādēšanas un izlādēšanās dēļ. Pētījumi liecina, ka savienojuma struktūra un materiāla konfigurācija ietekmē pretestību un termisko izturēšanos: daudzslāņu Cu–Al savienojumos mīkstāki materiāli metināšanas galviņas pusē ir vairāk pakļauti deformācijai un retināšanai, tādējādi pasliktinot savienojuma elektrisko veiktspēju; turpretim biezāka vai cietāka Cu slāņa novietošana laktas pusē var samazināt saskarnes defektus un samazināt locītavu pretestību. Pašreizējie impulsu slodzes eksperimenti arī parāda, ka Al-Cu savienojumiem lielākas saskarnes pretestības dēļ tādos pašos strāvas apstākļos ir lielāka temperatūras paaugstināšanās, salīdzinot ar Cu-Cu savienojumiem, izceļot elektro-termiskās-strukturālās savienojuma ierobežojošo ietekmi uz savienojuma uzticamību. Kā parādīts 3. attēlā, salīdzinot ar tradicionālajiem lodētajiem savienojumiem, ultraskaņas metinātie savienojumi samazina materiāla slāņu skaitu un saskarnes strāvas ceļā, veidojot tiešu cietvielu savienojumu starp vara slāņiem, tādējādi pazeminot kopējo kontakta pretestību; tomēr to saskarne parasti sastāv gan no savienotiem (P1), gan nesaistītiem (P2) reģioniem, un elektriskā veiktspēja ir ļoti jutīga pret efektīvo savienojuma zonu. Lai vēl vairāk uzlabotu savienojuma stabilitāti spēcīgos magnētiskos laukos un kriogēnās vidēs, ir ierosināta lodēšanas-ultraskaņas kompozītu metināšanas metode. Šī metode uzlabo elektrisko kontaktu nepārtrauktību, samazina savienojuma pretestību un uzlabo mehānisko stabilitāti un lieces pretestību, ļaujot lodēšanai iekļūt nesavienotajos reģionos. Kopumā attēlā parādītie rezultāti intuitīvi parāda ciešu korelāciju starp savienojuma saskarnes struktūru, efektīvu vadošo laukumu un elektromehāniskās savienojuma uzvedību. Ultraskaņas metināto savienojumu konfigurācijas un hibrīdprocesa racionāla konstrukcija ir ļoti uzticama elektrisko savienojumu izveides atslēga.
04 Secinājums Kopumā ultraskaņas metināšana demonstrē ievērojamas tehniskās priekšrocības alumīnija un vara savienošanā, padarot to īpaši piemērotu elektriskajiem transportlīdzekļiem un supravadītspējas lietojumiem, kam nepieciešama ārkārtīgi augsta elektrovadītspēja un konstrukcijas integritāte. Esošie pētījumi ir sistemātiski atklājuši tā saskarnes savienošanas mehānismu un panākuši nozīmīgu progresu procesa parametru optimizācijā un inženierijas lietojumos. Tomēr pētījumi par sarežģītām daudzslāņu struktūrām, atšķirīgu materiālu ilgtermiņa ekspluatācijas uzticamību un metināšanas procesa skaitlisko modelēšanu joprojām ir salīdzinoši ierobežoti. Turpmākajos pētījumos jāturpina koncentrēties uz vairāku-mērogu mehānismu analīzi, pilnveidotu procesa loga vadību un ultraskaņas metināšanas sinerģisku pielietojumu ar citām progresīvām savienošanas tehnoloģijām, lai veicinātu šīs tehnoloģijas padziļinātu izstrādi un inženiertehnisko pielietojumu augstākās klases ražošanā.
