Detection of the real joint interface between ultrasonically welded aluminium strands (Al-strands) and copper terminals (Cu-terminals) connections using non-destructive testing methods

In der rasant elektrifizierenden Welt moderner Autos ist das elektrische System das Nervensystem, das die Energie von der Batterie zum Motor und zu jeder dazwischenliegenden Steuereinheit leitet. Da sich Fahrzeuge von 400-Volt-Systemen hin zu leistungsstärkeren 800-Volt-Architekturen bewegen, um schnelleres Laden zu ermöglichen, ist die Belastung dieser elektrischen Verbindungen immens gewachsen. Um die Hitze und den Strom zu bewältigen, müssen Ingenieure oft zwei verschiedene Metalle verbinden: Aluminium, das leicht und kostengünstig ist, und Kupfer, das ein hervorragender Leiter, aber teurer ist. Das Verbinden dieser unterschiedlichen Metalle ist schwierig, da sie sich unter Belastung und Hitze unterschiedlich verhalten. Der Industriestandard für diese Verbindungen ist das Ultraschallschweißen, ein Prozess, bei dem hochfrequente Vibrationen verwendet werden, um die Metalle zusammenzupressen, bis sie verschmelzen, ohne zu schmelzen. Da das Schweißen jedoch sehr schnell und im Inneren des Materials stattfindet, ist es schwierig zu erkennen, ob die Verbindung wirklich solide ist oder ob verborgene Lücken bestehen bleiben. Wenn eine Verbindung ausfällt, könnte das Auto den Strom verlieren oder überhitzen, weshalb es entscheidend ist, einen Weg zu finden, diese Verbindungsstellen zu inspizieren, ohne sie auseinanderzunehmen.

Ein Forscherteam der RWTH Aachen University in Deutschland setzte sich zum Ziel, dieses Problem zu lösen, indem es verschiedene zerstörungsfreie Methoden testete, um die tatsächliche Kontaktfläche innerhalb dieser Aluminium-zu-Kupfer-Verbindungen zu untersuchen. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art von Verbindung, bei der ein Bündel aus Aluminiumdrähten an ein Kupferterminal geschweißt wird, ein gängiger Aufbau in der Elekt Fahrzeugverkabelung. Die Forscher wussten, dass die Festigkeit der Verbindung davon abhängt, wie viel des Aluminiums tatsächlich mit dem Kupfer verschmilzt, aber sie brauchten eine Möglichkeit, diese unsichtbare Grenzfläche zu messen, ohne das Teil zu zerstören. Zu diesem Zweck erstellten sie zwei Gruppen von Testproben: Eine Gruppe wurde mit perfekten Einstellungen geschweißt, um starke, zuverlässige Verbindungen zu erzeugen, und eine andere Gruppe wurde mit schlechten Einstellungen geschweißt, um schwache, defekte Verbindungen zu erzeugen. Anschließend unterzogen sie diese Proben einer Reihe verschiedener Inspektionsmethoden, die von Wärmebildverfahren bis hin zu Schallwellen reichten, um zu sehen, welche Methode klar zwischen einer guten und einer schlechten Verbindung unterscheiden konnte.

Die erste Gruppe der Methoden, die sie ausprobierten, stützte sich auf Wärme. Die Idee war, dass ein gut verbundener Bereich die Wärme anders leiten würde als ein schlecht verbundener, was ein sichtbares Temperaturmuster auf der Oberfläche erzeugt. Die Forscher verwendeten Laser und Halogenlampen, um die Proben zu erhitzen, und Infrarotkameras, um zu beobachten, wie sich die Wärme ausbreitete. Sie stellten jedoch fest, dass dieser Ansatz für diese spezifischen Materialien völlig fehlschlug. Da Kupfer ein so hervorragender Wärmeleiter ist, breitete sich jede an einer Stelle eingebrachte Wärme so schnell über das gesamte Terminal aus, dass sie alle lokalen Unterschiede glättete. Die Kameras sahen ein gleichmäßiges Leuchten statt der ausgeprägten Muster, die zur Erkennung eines Defekts nötig wären. Die Hitze bewegte sich einfach zu schnell durch das Metall, um die verborgenen Lücken zwischen den Drähten und dem Terminal zu offenbaren.

Als Nächstes wandte sich das Team der Akustik zu, speziell unter Verwendung von Ultraschallwellen, die hochfrequente Vibrationen sind, ähnlich denen, die in der medizinischen Bildgebung verwendet werden. Sie testeten zwei Variationen: eine, die einen Laser verwendet, um die Schallwellen zu erzeugen, und eine, die eine traditionelle Sonde mit einer Wasserkopplung nutzt. Die Lasermethode zeigte theoretisch vielversprechende Ansätze, stieß jedoch an eine praktische Grenze. Der Schweißprozess hinterlässt kleine, strukturierte Markierungen auf der Rückseite des Kupferterminals, wo die Maschine es festhält. Diese Markierungen störten die lasergenerierten Schallwellen, wodurch die Bilder zu verrauscht für eine Interpretation wurden. Die Forscher fanden heraus, dass sie diese Markierungen mechanisch vom Teil abschleifen müssten, bevor sie ein klares Bild erhalten könnten – ein Schritt, der in einer echten Fabriklinie, in der Teile direkt nach der Entstehung der Maschine inspiziert werden müssen, unmöglich ist.

Die Methode, die schließlich funktionierte, war die Scankustische Mikroskopie (Scanning Acoustic Microscopy), eine Technik, die eine fokussierte Sonde verwendet, um Schallwellen in die Verbindung zu senden und auf deren Echos zu hören. Dieser Ansatz erwies sich als das effektivste Werkzeug für diese Aufgabe. Wenn die Forscher die starken, gut hergestellten Verbindungen scannten, zeigten die Bilder einen großen, kontinuierlichen Bereich, in dem die Aluminiumdrähte erfolgreich mit dem Kupferterminal verschmolzen waren. Im Gegensatz dazu zeigten die Scans der schwachen, defekten Verbindungen ein ganz anderes Bild: nur kleine, verstreute Inseln der Verbindung, mit großen Lücken, in denen die Metalle zwar nur Kontakt hatten, aber nicht verschmolzen waren. Die Bilder zeigten deutlich, dass den schlechten Schweißnähten der umfangreiche Kontakt fehlte, der für eine starke Verbindung erforderlich ist.

Um zu bestätigen, dass diese visuellen Befunde tatsächlich eine Bedeutung hatten, verglichen die Forscher die Größe der verbundenen Fläche in den Scans mit der physischen Festigkeit der Verbindungen. Sie zogen die Proben in einer Maschine auseinander, die maß, wie viel Kraft erforderlich war, um sie zu brechen. Die Ergebnisse waren eindeutig und konsistent. Die Proben, die in den akustischen Scans große, kontinuierliche Verbindungsbereiche zeigten, hielten deutlich höheren Kräften von 4.250 bis 5.000 Newton stand. Die Proben mit kleinen, fleckigen Verbindungsbereichen versagten bei viel geringeren Kräften zwischen 900 und 1.600 Newton. Dies bestätigte, dass die Größe der unsichtbaren Verbindung direkt vorhersagt, wie stark die Verbindung sein wird. Die Studie untersuchte auch die Computertomographie, eine Art 3D-Röntgenbildgebung, die zwar zeigen konnte, wo die Drähte dicht gepackt waren, aber nicht definitiv beweisen konnte, ob sie chemisch verschmolzen oder nur zusammengedrückt waren. Die akustische Methode blieb überlegen, da sie spezifisch die metallurgische Verbindung identifizieren konnte.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die scankustische Mikroskopie die zuverlässigste Methode ist, um die wahre Qualität dieser Ultraschallschweißungen zu sehen, ohne das Teil zu beschädigen, obwohl viele hochtechnologische Inspektionsmethoden existieren. Sie schlägt erfolgreich die Brücke zwischen der unsichtbaren internen Struktur und der messbaren Festigkeit der Verbindung. Obwohl die Ausrüstung derzeit zu langsam und komplex für die Überprüfung jedes einzelnen Teils auf einer schnell laufenden Montagelinie ist, bieten die Ergebnisse ein leistungsstarkes Werkzeug für Ingenieure. Sie können nun diese Methode nutzen, um Schweißmaschinen fein abzustimmen, neue Designs zu validieren und sicherzustellen, dass die kritischen Verbindungen in Elektrofahrzeugen sicher und robust sind. Indem sie genau verstehen, wie sich die Verbindung bildet und wie man sie sieht, können Hersteller näher zu einer Zukunft kommen, in der jedes Elektroauto ein Kabelsystem hat, das so zuverlässig ist wie die Technologie, die es antreibt.