Detection of the real joint interface between ultrasonically welded aluminium strands (Al-strands) and copper terminals (Cu-terminals) connections using non-destructive testing methods
Este estudio investiga métodos avanzados de ensayos no destructivos, incluyendo la tomografía computarizada y la termografía, para cuantificar la compactación de las hebras y caracterizar el área de unión efectiva de las juntas de aluminio-cobre soldadas por ultrasonido, con el objetivo de mejorar la predicción de calidad y reemplazar el limitado muestreo destructivo en la producción de electrificación automotriz.
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En el mundo rápidamente electrificado de los coches modernos, el sistema eléctrico es el sistema nervioso, que transporta la energía desde la batería hasta el motor y cada unidad de control en el medio. A medida que los vehículos pasan de sistemas de 400 voltios a arquitecturas de 800 voltios más potentes para permitir una carga más rápida, la demanda sobre estas conexiones eléctricas ha crecido de forma inmensa. Para gestionar el calor y la corriente, los ingenieros a menudo necesitan unir dos metales diferentes: el aluminio, que es ligero y más barato, y el cobre, que es un excelente conductor pero más costoso. Unir estos metales disímiles es complicado porque se comportan de manera diferente bajo estrés y calor. El estándar de la industria para realizar estas conexiones es la soldadura por ultrasonidos, un proceso que utiliza vibraciones de alta frecuencia para presionar los metales entre sí hasta fusionarlos sin derretirlos. Sin embargo, debido a que la soldadura ocurre de forma tan rápida y dentro del material, resulta difícil determinar si la unión es realmente sólida o si persisten huecos ocultos. Si una conexión falla, el coche podría perder potencia o sobrecalentarse, lo que hace vital encontrar una forma de inspeccionar estas juntas sin tener que romperlas.
Un equipo de investigadores de la RWTH Aachen University en Alemania se propuso resolver este problema probando diversos métodos no destructivos para ver el área de unión real dentro de estas conexiones de aluminio a cobre. Se centraron en un tipo específico de unión donde un haz de cables de aluminio se suelda a un terminal de cobre, una configuración común en el cableado de vehículos eléctricos. Los investigadores sabían que la resistencia de la unión depende de cuánto aluminio se fusiona realmente con el cobre, pero necesitaban una forma de medir esta interfaz invisible sin destruir la pieza. Para ello, crearon dos grupos de muestras de prueba: un grupo soldado con ajustes perfectos para crear uniones fuertes y fiables, y otro grupo soldado con ajustes deficientes para crear uniones débiles y defectuosas. Luego sometieron estas muestras a una batería de diferentes técnicas de inspección, que iban desde la termografía hasta las ondas sonoras, para ver qué método podía distinguir claramente un buen enlace de uno malo.
El primer grupo de métodos que probaron se basaba en el calor. La idea era que un área bien unida conduciría el calor de forma diferente a una mal unida, creando un patrón de temperatura visible en la superficie. Los investigadores utilizaron láseres y lámparas halógenas para calentar las muestras y cámaras infrarrojas para observar cómo se propagaba el calor. Sin embargo, descubrieron que este enfoque fallaba por completo para estos materiales específicos. Debido a que el cobre es un conductor térmico tan excelente, cualquier calor introducido en un punto se extendía tan rápido por todo el terminal que suavizaba todas las diferencias locales. Las cámaras veían un brillo uniforme en lugar de los patrones distintos necesarios para detectar un defecto. El calor simplemente se movía demasiado rápido a través del metal como para revelar los huecos ocultos entre los cables y el terminal.
A continuación, el equipo recurrió al sonido, específicamente utilizando ondas ultrasónicas, que son vibraciones de alta frecuencia similares a las utilizadas en las imágenes médicas. Probaron dos variaciones: una que utilizaba un láser para generar las ondas sonoras y otra que utilizaba una sonda tradicional con un acoplamiento de agua. El método láser parecía prometedor en teoría, pero se topó con un muro práctico. El proceso de soldadura deja pequeñas marcas texturizadas en la parte posterior del terminal de cobre donde la máquina lo sujeta. Estas marcas desordenaban las ondas sonoras generadas por el láser, haciendo que las imágenes fueran demasiado ruidosas para ser interpretadas. Los investigadores descubrieron que tendrían que esmerilar mecánicamente estas marcas de la pieza antes de poder obtener una imagen clara, un paso que es imposible en una línea de producción real donde las piezas deben inspeccionarse conforme salen de la máquina.
El método que finalmente funcionó fue la microscopía acústica de barrido, una técnica que utiliza una sonda enfocada para enviar ondas sonoras hacia la unión y escuchar los ecos. Este enfoque demostró ser la herramienta más eficaz para la tarea. Cuando los investigadores escanearon las uniones fuertes y bien fabricadas, las imágenes mostraron un área grande y continua donde los cables de aluminio se habían fusionado con éxito con el terminal de cobre. En contraste, los escaneos de las uniones débiles y defectuosas revelaron un panorama muy diferente: solo pequeñas islas dispersas de unión, con grandes huecos donde los metales simplemente se tocaban pero no estaban fusionados. Las imágenes mostraban claramente que las malas soldaduras carecían del contacto extenso necesario para una conexión fuerte.
Para confirmar que estos hallazgos visuales realmente importaban, los investigadores compararon el tamaño del área unida observada en los escaneos con la resistencia física de las uniones. Separaron las muestras en una máquina que medía cuánta fuerza se requería para romperlas. Los resultados fueron claros y consistentes. Las muestras que mostraban áreas de unión grandes y continuas en los escaneos acústicos soportaron fuerzas significativamente mayores, que oscilaban entre 4.250 y 5.000 newtons. Las muestras con áreas de unión pequeñas y fragmentadas fallaron a fuerzas mucho menores, entre 900 y 1.600 newtons. Esto confirmó que el tamaño de la unión invisible predice directamente qué tan fuerte será la conexión. El estudio también analizó la tomografía computarizada, un tipo de imagen de rayos X en 3D, que podía mostrar dónde los cables estaban apretados pero no podía probar definitivamente si estaban fusionados químicamente o simplemente presionados. El método acústico siguió siendo superior porque podía identificar específicamente la unión metalúrgica.
El estudio concluye que, aunque existen muchos métodos de inspección de alta tecnología, la microscopía acústica de barrido es la forma más fiable de ver la calidad real de estas soldaduras por ultrasonidos sin dañar la pieza. Logra cerrar la brecha entre la estructura interna invisible y la resistencia mensurable de la unión. Aunque el equipo es actualmente demasiado lento y complejo para revisar cada pieza en una línea de montaje de movimiento rápido, los hallazgos proporcionan una herramienta poderosa para los ingenieros. Ahora pueden utilizar este método para ajustar con precisión las máquinas de soldadura, validar nuevos diseños y asegurar que las conexiones críticas en los vehículos eléctricos sean seguras y robustas. Al comprender exactamente cómo se forma la unión y cómo verla, los fabricantes pueden acercarse a un futuro donde cada coche eléctrico tenga un sistema de cableado que sea tan fiable como la tecnología que alimenta.
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