Detection of the real joint interface between ultrasonically welded aluminium strands (Al-strands) and copper terminals (Cu-terminals) connections using non-destructive testing methods
यह अध्ययन उन्नत गैर-विनाशकारी परीक्षण विधियों, जिसमें कंप्यूटेड टोमोग्राफी और थर्मल इमेजिंग शामिल हैं, के माध्यम से अल्ट्रासोनिक रूप से वेल्ड किए गए एल्युमीनियम-कॉपर जोड़ों के स्ट्रैंड संपीड़न (स्ट्रैंड कॉम्पेक्शन) को मापने और प्रभावी बॉन्डेड क्षेत्र को चित्रित करने की जांच करता है, जिसका लक्ष्य ऑटोमोटिव विद्युतीकरण उत्पादन में सीमित विनाशकारी नमूनाकरण को बदलना और गुणवत्ता भविष्यवाणी में सुधार करना है।
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आधुनिक कारों की तेजी से विद्युतीकृत होती दुनिया में, विद्युत प्रणाली तंत्रिका तंत्र की तरह है, जो बैटरी से मोटर और उसके बीच के प्रत्येक नियंत्रण इकाई तक शक्ति पहुँचाती है। जैसे-जैसे वाहन तेज़ चार्जिंग को सक्षम करने के लिए 400-वोल्ट प्रणालियों से अधिक शक्तिशाली 800-वोल्ट आर्किटेक्चर की ओर बढ़ रहे हैं, इन विद्युत कनेक्शनों पर मांग अत्यधिक बढ़ गई है। गर्मी और करंट को संभालने के लिए, इंजीनियरों को अक्सर दो अलग-अलग धातुओं को जोड़ने की आवश्यकता होती है: एल्युमीनियम, जो हल्का और सस्ता है, और तांबा, जो एक उत्कृष्ट सुचालक है लेकिन अधिक महंगा है। इन असतत धातुओं को जोड़ना कठिन है क्योंकि वे तनाव और गर्मी के तहत अलग-अलग व्यवहार करते हैं। इन कनेक्शनों को बनाने के लिए उद्योग मानक अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग है, एक ऐसी प्रक्रिया है जो उच्च-आवृत्ति वाले कंपनों का उपयोग करती है ताकि धातुओं को तब तक आपस में जोड़ा जा सके जब तक कि वे बिना पिघले जुड़ न जाएं। हालांकि, क्योंकि वेल्डिंग बहुत तेज़ी से और सामग्री के भीतर होती है, यह देखना मुश्किल होता है कि बंधन वास्तव में ठोस है या छिपे हुए अंतराल रह गए हैं। यदि कोई कनेक्शन विफल हो जाता है, तो कार की शक्ति समाप्त हो सकती है या वह ओवरहीट हो सकती है, जिससे इन जोड़ों का निरीक्षण उन्हें तोड़े बिना करना महत्वपूर्ण हो जाता है।
जर्मनी के RWTH Aachen यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन एल्युमीनियम-टू-कॉपर कनेक्शनों के भीतर वास्तविक बॉन्डेड क्षेत्र को देखने के लिए विभिन्न गैर-विनाशकारी तरीकों का परीक्षण करके इस समस्या को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के जोड़ पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एल्युमीनियम तारों के एक बंडल को कॉपर टर्मिनल से वेल्ड किया जाता है, जो इलेक्ट्रिक वाहन वायरिंग में एक सामान्य सेटअप है। शोधकर्ता जानते थे कि जोड़ की मजबूती इस बात पर निर्भर करती है कि एल्युमीनियम वास्तव में तांबे के साथ कितना फ्यूज हुआ है, लेकिन उन्हें इस अदृश्य इंटरफेस को बिना भाग को नष्ट किए मापने के तरीके की आवश्यकता थी। इसके लिए, उन्होंने परीक्षण नमूनों के दो समूह बनाए: एक समूह जिसे सटीक सेटिंग्स के साथ वेल्ड किया गया था ताकि मजबूत, विश्वसनीय जोड़ बन सकें, और दूसरा समूह जिसे खराब सेटिंग्स के साथ वेल्ड किया गया था ताकि कमजोर, दोषपूर्ण जोड़ बन सकें। फिर उन्होंने इन नमूनों को थर्मल इमेजिंग से लेकर ध्वनि तरंगों तक, विभिन्न निरीक्षण तकनीकों के एक समूह के अधीन किया, यह देखने के लिए कि कौन सी विधि एक अच्छे बंधन को एक बुरे बंधन से स्पष्ट रूप से अलग कर सकती है।
उनके द्वारा आजमाए गए तरीकों का पहला समूह ऊष्मा (गर्मी) पर आधारित था। विचार यह था कि एक अच्छी तरह से बॉन्डेड क्षेत्र एक खराब बॉन्डेड क्षेत्र की तुलना में गर्मी का संचालन अलग तरह से करेगा, जिससे सतह पर एक दृश्य तापमान पैटर्न बनेगा। शोधकर्ताओं ने नमूनों को गर्म करने के लिए लेजर और हैलोजन लैंप का उपयोग किया और गर्मी कैसे फैलती है यह देखने के लिए इन्फ्रारेड कैमरों का उपयोग किया। हालांकि, उन्होंने पाया कि यह दृष्टिकोण इन विशिष्ट सामग्रियों के लिए पूरी तरह से विफल रहा। क्योंकि तांबा ऊष्मा का इतना उत्कृष्ट सुचालक है, एक स्थान पर उत्पन्न की गई कोई भी गर्मी पूरे टर्मिनल में इतनी तेज़ी से फैल गई कि उसने सभी स्थानीय अंतरों को समाप्त कर दिया। कैमरों ने एक समान चमक देखी, न कि दोषों को पहचानने के लिए आवश्यक विशिष्ट पैटर्न। धातु के माध्यम से गर्मी इतनी तेज़ी से चली गई कि वह तारों और टर्मिनल के बीच के छिपे हुए अंतरालों को प्रकट नहीं कर सकी।
इसके बाद, टीम ने ध्वनि की ओर रुख किया, विशेष रूप से अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग करते हुए, जो मेडिकल इमेजिंग के समान उच्च-आवृत्ति वाले कंपन हैं। उन्होंने दो रूपांतरों का परीक्षण किया: एक जो ध्वनि तरंगें उत्पन्न करने के लिए लेजर का उपयोग करता है और दूसरा जो वाटर कपलिंग के साथ एक पारंपरिक प्रोब का उपयोग करता है। लेजर विधि ने सिद्धांत में आशा दिखाई, लेकिन इसे एक व्यावहारिक बाधा का सामना करना पड़ा। वेल्डिंग प्रक्रिया कॉपर टर्मिनल के पीछे छोटे, बनावट वाले निशान छोड़ देती है जहाँ मशीन उसे पकड़ती है। ये निशान लेजर-जनित ध्वनि तरंगों को बाधित कर देते हैं, जिससे चित्र बहुत शोर वाले (नॉइजी) हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि उन्हें एक स्पष्ट चित्र प्राप्त करने के लिए भाग से इन निशानों को यांत्रिक रूप से घिसना होगा, जो एक वास्तविक फैक्ट्री लाइन में असंभव है जहाँ भागों का निरीक्षण मशीन से निकलते ही किया जाना चाहिए।
वह तरीका जो अंततः काम आया, वह था स्कैनिंग एकोस्टिक माइक्रोस्कोपी, एक ऐसी तकनीक जो एक केंद्रित प्रोब का उपयोग करके जोड़ में ध्वनि तरंगें भेजती है और उनकी गूँज (इको) को सुनती है। यह दृष्टिकोण काम के लिए सबसे प्रभावी उपकरण साबित हुआ। जब शोधकर्ताओं ने मजबूत, अच्छी तरह से बने जोड़ों को स्कैन किया, तो चित्रों ने एक बड़े, निरंतर क्षेत्र को दिखाया जहाँ एल्युमीनियम तारों ने कॉपर टर्मिनल के साथ सफलतापूर्वक फ्यूज किया था। इसके विपरीत, कमजोर, दोषपूर्ण जोड़ों के स्कैन ने एक बहुत ही अलग तस्वीर दिखाई: बॉन्डिंग के केवल छोटे, बिखरे हुए द्वीप, जिनमें बड़े अंतराल थे जहाँ धातुएं केवल स्पर्श कर रही थीं लेकिन फ्यूज नहीं हुई थीं। चित्रों ने स्पष्ट रूप से दिखाया कि खराब वेल्ड में एक मजबूत कनेक्शन के लिए आवश्यक व्यापक संपर्क की कमी थी।
यह पुष्टि करने के लिए कि उनके दृश्य निष्कर्ष वास्तव में मायने रखते हैं, शोधकर्ताओं ने स्कैन में देखे गए बॉन्डेड क्षेत्र के आकार की तुलना जोड़ों की भौतिक मजबूती से की। उन्होंने नमूनों को एक ऐसी मशीन में अलग किया जो यह मापती थी कि उन्हें तोड़ने के लिए कितने बल की आवश्यकता होती है। परिणाम स्पष्ट और सुसंगत थे। जिन नमूनों ने एक बड़े, निरंतर बॉन्डेड क्षेत्र को दिखाया, वे काफी अधिक बल, 4,250 से 5,000 न्यूटन के बीच, सहन कर सके। जिन नमूनों में छोटे, पैची बॉन्डेड क्षेत्र थे, वे बहुत कम बल, 900 से 1,600 न्यूटन के बीच, पर विफल हो गए। इसने पुष्टि की कि अदृश्य बंधन का आकार सीधे तौर पर भविष्यवाणी करता है कि जोड़ कितना मजबूत होगा। अध्ययन ने कंप्यूटेड टोमोग्राफी को भी देखा, जो 3D एक्स-रे इमेजिंग का एक प्रकार है, जो यह दिखा सकता था कि तार कहाँ कसकर पैक किए गए थे लेकिन यह निश्चित रूप से सिद्ध नहीं कर सका कि वे रासायनिक रूप से फ्यूज हुए हैं या केवल दबे हुए हैं। एकोस्टिक विधि श्रेष्ठ बनी रही क्योंकि यह विशेष रूप से धातुकर्म संबंधी बंधन (मेटालर्जिकल बॉन्ड) की पहचान कर सकती थी।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि कई उच्च-तकनीकी निरीक्षण विधियाँ मौजूद हैं, स्कैनिंग एकोस्टिक माइक्रोस्कोपी इन अल्ट्रासोनिक वेल्ड की वास्तविक गुणवत्ता को भाग को नुकसान पहुँचाए बिना देखने का सबसे विश्वसनीय तरीका है। यह सफलतापूर्वक अदृश्य आंतरिक संरचना और जोड़ की मापने योग्य मजबूती के बीच के अंतर को पाटता है। हालांकि वर्तमान में उपकरण एक तेज़ गति से चलने वाली असेंबली लाइन पर प्रत्येक भाग की जाँच के लिए बहुत धीमा और जटिल है, लेकिन ये निष्कर्ष इंजीनियरों के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करते हैं। अब वे इस पद्धति का उपयोग वेल्डिंग मशीनों को फाइन-ट्यून करने, नए डिजाइनों को मान्य करने और यह सुनिश्चित करने के लिए कर सकते हैं कि इलेक्ट्रिक वाहनों के महत्वपूर्ण कनेक्शन सुरक्षित और मजबूत हैं। यह समझकर कि बंधन वास्तव में कैसे बनता है और इसे कैसे देखा जा सकता है, निर्माता एक ऐसे भविष्य के करीब पहुँच सकते हैं जहाँ प्रत्येक इलेक्ट्रिक कार में एक ऐसी वायरिंग प्रणाली हो जो उस तकनीक जितनी ही विश्वसनीय हो जिसे वह संचालित करती है।
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