Detection of the real joint interface between ultrasonically welded aluminium strands (Al-strands) and copper terminals (Cu-terminals) connections using non-destructive testing methods
تتقصى هذه الدراسة طرق الاختبار المتقدمة غير الإتلافية، بما في ذلك التصوير المقطعي المحوسب والتصوير الحراري، لقياس تراص الخيوط وتوصيف مساحة الترابط الفعالة لوصلات الألمنيوم والنحاس الملحومة بالموجات فوق الصوتية، بهدف تحسين التنبؤ بالجودة واستبدال أخذ العينات الإتلافي المحدود في إنتاج كهربة السيارات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم السيارات الحديثة الذي يتجه بسرعة نحو الكهرباء، يُعد النظام الكهربائي بمثابة الجهاز العصبي، حيث ينقل الطاقة من البطارية إلى المحرك وكل وحدة تحكم بينهما. ومع انتقال المركبات من أنظمة 400 فولت إلى بنى تحتية أكثر قوة بقدرة 800 فولت لتمكين الشحن السريع، تزايدت الضغوط على هذه الوصلات الكهربائية بشكل هائل. وللتعامل مع الحرارة والتيار، يحتاج المهندسون غالباً إلى دمج معدنين مختلفين: الألمنيوم، الذي يتميز بخفة الوزن وتكلفته المنخفضة، والنحاس، وهو موصل ممتاز لكنه أكثر تكلفة. إن دمج هذه المعادن غير المتشابهة أمر صعب لأنها تتصرف بشكل مختلف تحت تأثير الإجهاد والحرارة. والمعيار الصناعي لإجراء هذه الوصلات هو اللحام بالموجات فوق الصوتية، وهي عملية تستخدم اهتزازات عالية التردد للضغط على المعادن معاً حتى تندمج دون أن تنصهر. ومع ذلك، ولأن اللحام يحدث بسرعة كبيرة وداخل المادة، فمن الصعب معرفة ما إذا كانت الوصلة صلبة حقاً أو إذا كانت هناك فجوات خفية متبقية. وإذا فشلت إحدى الوصلات، فقد تفقد السيارة طاقتها أو ترتفع حرارتها، مما يجعل من الضروري إيجاد طريقة لفحص هذه الوصلات دون تفكيكها.
سعى فريق من الباحثين في جامعة RWTH Aachen في ألمانيا لحل هذه المشكلة من خلال اختبار طرق غير تدميرية مختلفة لمعرفة مساحة الربط الفعلية داخل هذه الوصلات من الألمنيوم إلى النحاس. وقد ركزوا على نوع محدد من الوصلات حيث يتم لحام حزمة من أسلاك الألمنيوم بطرف نحاسي، وهو إعداد شائع في أسلاك السيارات الكهربائية. أدرك الباحثون أن قوة الوصلة تعتمد على مقدار الألمنيوم الذي اندمج فعلياً مع النحاس، لكنهم كانوا بحاجة إلى طريقة لقياس هذا الواجهة غير المرئية دون تدمير القطعة. ولتحقيق ذلك، أنشأوا مجموعتين من عينات الاختبار: مجموعة تم لحامها بإعدادات مثالية لإنشاء وصلات قوية وموثوقة، وأخرى تم لحامها بإعدادات سيئة لإنشاء وصلات ضعيفة ومعيبة. ثم أخضعوا هذه العينات لمجموعة من تقنيات الفحص المختلفة، بدءاً من التصوير الحراري وصولاً إلى الموجات الصوتية، لمعرفة أي طريقة يمكنها التمييز بوضوح بين الربط الجيد والربيط السيئ.
اعتمدت المجموعة الأولى من الطرق التي جربوها على الحرارة. وكانت الفكرة هي أن المنطقة المترابطة جيداً ستوصل الحرارة بشكل مختلف عن المنطقة المترابطة بشكل سيئ، مما يخلق نمطاً حرارياً مرئياً على السطح. استخدم الباحثون الليزر ومصابيح الهالوجين لتسخين العينات وكاميرات الأشعة تحت الحمراء لمراقبة كيفية انتشار الحرارة. ومع ذلك، وجدوا أن هذا النهج فشل تماماً بالنسبة لهذه المواد المحددة. ولأن النحاس موصل ممتاز للحرة، فإن أي دفء يتم إدخاله في نقطة واحدة ينتشر بسرعة كبيرة عبر الطرف بأكل، مما يؤدي إلى تسوية جميع الاختلافات المحلية. رأت الكاميرات توهجاً موحداً بدلاً من الأنماط المتميزة اللازمة لرصد العيب. لقد انتقلت الحرارة ببساطة بسرعة كبيرة عبر المعدن بحيث لا تكشف عن الفجوات المخفية بين الأسلاك والطرف.
بعد ذلك، توجه الفريق إلى الصوت، وتحديداً باستخدام الموجات فوق الصوتية، وهي اهتزازات عالية التردد تشبه تلك المستخدمة في التصوير الطبي. واختبروا نوعين من هذه الموجات: أحدهما يستخدم الليزر لتوليد الموجات الصوتية والآخر يستخدم مجساً تقليدياً مع اقتران مائي. أظهرت طريقة الليزر وعداً من الناحية النظرية، لكنها اصطدمت بعائق عملي. إذ يترك عملية اللحام علامات نسيجية صغيرة على الجزء الخلفي من الطرف النحاسي حيث تقوم الآلة بتثبيته. هذه العلامات تسببت في تشتيت الموجات الصوتية المولدة بالليزر، مما جعل الصور مشوشة للغاية ويصعب تفسيرها. ووجد الباحثون أنهم سيضطرون إلى طحن هذه العلامات ميكانيكياً من القطعة قبل الحصول على صورة واضحة، وهي خطوة مستحيلة في خط الإنتاج الفعلي حيث يجب فحص القطع فور خروجها من الآلة.
الطريقة التي نجحت أخيراً هي مجهر المسح الصوتي (Scanning Acoustic Microscopy)، وهي تقنية تستخدم مجساً مركزاً لإرسال موجات صوتية إلى الوصلة والاستماع إلى الأصداء. أثبت هذا النهج أنه الأداة الأكثر فعالية للمهمة. فعندما قام الباحثون بمسح الوصلات القوية والمصنوعة جيداً، أظهرت الصور مساحة مستمرة وواسعة حيث اندمجت أسلاك الألمنيوم بنجاح مع الطرف النحاسي. وفي المقابل، كشفت عمليات مسح الوصلات الضعيفة والمعيبة عن صورة مختلفة تماماً: مساحات صغيرة ومبعثرة من الربط، مع وجود فجوات كبيرة حيث كانت المعادن تتلامس فقط دون أن تندمج. أظهرت الصور بوضوح أن اللحامات الضعيفة تفتقر إلى الاتصال الواسع المطلوب لتكوين اتصال قوي.
ولتأكيد أن هذه النتائج المرئية تهم فعلياً، قارن الباحثون حجم المنطقة المترابطة التي ظهرت في عمليات المسح مع القوة الفيزيائية للوصلات. قاموا بسحب العينات في آلة تقيس مقدار القوة المطلوبة لكسرها. وكانت النتائج واضحة ومتسقة؛ فالعينات التي أظهرت مساحات ربط كبيرة ومستمرة في المسحات الصوتية تحملت قوى أعلى بكثير، تراوحت بين 4,250 و5,000 نيوتن. أما العينات ذات مساحات الربط الصغيرة والمتقطعة، فقد فشلت عند قوى أقل بكثير، بين 900 و1,600 نيوتن. أكد هذا أن حجم الربط غير المرئي يتنبأ مباشرة بمدى قوة الوصلة. كما بحثت الدراسة في التصوير المقطعي المحوسب (Computed Tomography)، وهو نوع من التصوير بالأشعة السينية ثلاثي الأبعاد، والذي استطاع إظهار أين كانت الأسلاك متراصة بإحكام، لكنه لم يستطع إثبات ما إذا كانت مندمجة كيميائياً أم مجرد مضغوطة معاً بشكل قاطع. ظل الأسلوب الصوتي متفوقاً لأنه استطاع تحديد الربط المعدني (metallurgical bond) بشكل محدد.
تخلص الدراسة إلى أنه بينما توجد العديد من طرق الفحص عالية التقنية، فإن مجهر المسح الصوتي هو الطريقة الأكثر موثوقية لرؤية جودة هذه اللحامات بالموجات فوق الصوتية دون إتلاف الجزء. لقد نجح في سد الفجوة بين البنية الداخلية غير المرئية والقوة القابلة للقياس للوصلة. وعلى الرغم من أن المعدات حالياً بطيئة ومعقدة جداً لفحص كل قطعة على خط تجميع سريع الحركة، إلا أن النتائج توفر أداة قوية للمهندسين. يمكنهم الآن استخدام هذه الطريقة لضبط آلات اللحام، والتحقق من صحة التصاميم الجديدة، وضمان أن الوصلات الحرجة في السيارات الكهربائية آمنة ومتينة. ومن خلال فهم كيفية تشكل الربط وكيفية رؤيته، يمكن للمصنعين الاقتراب من مستقبل تكون فيه كل سيارة كهربائية تمتلك نظام أسلاك موثوق بقدر التكنولوجيا التي تعمل بها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.