Detection of the real joint interface between ultrasonically welded aluminium strands (Al-strands) and copper terminals (Cu-terminals) connections using non-destructive testing methods
Questo studio investiga metodi avanzati di test non distruttivi, inclusi la tomografia computerizzata e l'imaging termico, per quantificare la compattazione dei filamenti e caratterizzare l'area di legame effettiva delle giunzioni alluminio-rame saldate ad ultrasuoni, con l'obiettivo di migliorare la previsione della qualità e sostituire il limitato campionamento distruttivo nella produzione dell'elettrificazione automobilistica.
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Nel mondo rapidamente elettrificato delle auto moderne, il sistema elettrico è il sistema nervoso, che trasporta l'energia dalla batteria al motore e a ogni unità di controllo nel mezzo. Mentre i veicoli passano da sistemi a 400 volt a architetture più potenti a 800 volt per consentire una ricarica più rapida, la richiesta su queste connessioni elettriche è cresciuta enormemente. Per gestire il calore e la corrente, gli ingegneri devono spesso unire due metalli diversi: l'alluminio, che è leggero ed economico, e il rame, che è un eccellente conduttore ma più costoso. Unire questi metalli dissimili è complicato perché si comportano diversamente sotto stress e calore. Lo standard del settore per realizzare queste connessioni è la saldatura a ultrasuoni, un processo che utilizza vibrazioni ad alta frequenza per premere i metalli insieme finché non si fondono senza fondersi. Tuttavia, poiché la saldatura avviene molto rapidamente e all'interno del materiale, è difficile capire se il legame sia realmente solido o se rimangano lacune nascoste. Se una connessione fallisce, l'auto potrebbe perdere potenza o surriscaldarsi, rendendo vitale trovare un modo per ispezionare questi giunti senza romperli.
Un team di ricercatori della RWTH Aachen University in Germania si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema testando vari metodi non distruttivi per vedere l'effettiva area di legame all'interno di queste connessioni tra alluminio e rame. Si sono concentrati su un tipo specifico di giunto in cui un fascio di fili di alluminio viene saldato a un terminale di rame, una configurazione comune nel cablaggio dei veicoli elettrici. I ricercatori sapevano che la forza del giunto dipende da quanto l'alluminio si fonda effettivamente con il rame, ma avevano bisogno di un modo per misurare questa interfaccia invisibile senza distruggere il componente. Per farlo, hanno creato due gruppi di campioni di prova: un gruppo saldato con impostazioni perfette per creare giunti forti e affidabili, e un altro gruppo saldato con impostazioni scarse per creare giunti deboli e difettosi. Hanno poi sottoposto questi campioni a una serie di diverse tecniche di ispezione, che spaziavano dall'imaging termico alle onde sonore, per vedere quale metodo potesse distinguere chiaramente un buon legame da uno cattivo.
Il primo gruppo di metodi testati si basava sul calore. L'idea era che un'area ben legata avrebbe condotto il calore diversamente da una mal legata, creando un modello di temperatura visibile sulla superficie. I ricercatori hanno utilizzato laser e lampade alogene per riscaldare i campioni e telecamere a infrarossi per osservare come il calore si diffondesse. Tuttavia, hanno scoperto che questo approccio falliva completamente per questi specifici materiali. Poiché il rame è un eccellente conduttore di calore, qualsiasi calore introdotto in un punto si diffondeva così rapidamente attraverso l'intero terminale da livellare tutte le differenze locali. Le telecamere vedevano un bagliore uniforme piuttosto che i modelli distinti necessari per individuare un difetto. Il calore si muoveva semplicemente troppo velocemente attraverso il metallo per rivelare le lacune nascoste tra i fili e il terminale.
Successivamente, il team si è rivolto al suono, in particolare utilizzando onde ultrasoniche, che sono vibrazioni ad alta frequenza simili a quelle utilizzate nell'imaging medico. Hanno testato due variazioni: una che utilizzava un laser per generare le onde sonore e un'altra che utilizzava una sonda tradizionale con un accoppiamento ad acqua. Il metodo laser mostrava una promessa teorica, ma si è scontrato con un limite pratico. Il processo di saldatura lascia piccole marche testurizzate sul retro del terminale di rame dove la macchina lo tiene premuto. Queste marche hanno rimescolato le onde sonore generate dal laser, rendendo le immagini troppo rumorose per essere interpretate. I ricercatori hanno scoperto che avrebbero dovuto molare meccanicamente queste marche dal pezzo prima di poter ottenere un'immagine chiara, un passaggio impossibile in una vera linea di fabbrica dove i pezzi devono essere ispezionati non appena escono dalla macchina.
Il metodo che ha finalmente funzionato è la microscopia acustica a scansione, una tecnica che utilizza una sonda focalizzata per inviare onde sonore nel giunto e ascoltare gli echi. Questo approccio si è dimostrato lo strumento più efficace per il compito. Quando i ricercatori hanno scansionato i giunti forti e ben realizzati, le immagini mostravano un'area ampia e continua dove i fili di alluminio si erano fusi con successo con il terminale di rame. Al contrario, le scansioni dei giunti deboli e difettosi rivelavano un quadro molto diverso: solo piccole isole isolate di legame, con grandi spazi dove i metalli si stavano solo toccando ma non fondendo. Le immagini mostravano chiaramente che le saldature scadenti mancavano dell'esteso contatto necessario per una connessione forte.
Per confermare che queste scoperte visive contassero davvero, i ricercatori hanno confrontato la dimensione dell'area di legame vista nelle scansioni con la forza fisica dei giunti. Hanno separato i campioni con una macchina che misurava quanta forza fosse necessaria per romperli. I risultati sono stati chiari e coerenti. I campoli che mostravano ampie aree di legame continuo nelle scansioni acustiche hanno resistito a forze significativamente più elevate, compresi tra 4.250 e 5.000 Newton. I campioni con piccole aree di legame frammentate sono falliti a forze molto più basse, tra 900 e 1.600 Newton. Ciò ha confermato che la dimensione del legame invisibile predice direttamente quanto sarà forte il giunto. Lo studio ha anche esaminato la tomografia computerizzata, un tipo di imaging a raggi X 3D, che poteva mostrare dove i fili fossero compatti, ma non poteva provare definitivamente se fossero fusi chimicamente o solo pressati insieme. Il metodo acustico rimaneva superiore perché poteva identificare specificamente il legame metallurgico.
Lo studio conclude che, sebbene esistano molti metodi di ispezione ad alta tecnologia, la microscopia acustica a scansione è il modo più affidabile per vedere la reale qualità di queste saldature a ultrasuoni senza danneggiare il pezzo. Essa riesce a colmare il divario tra la struttura interna invisibile e la forza misurabile del giunto. Sebbene l'attrezzatura sia attualmente troppo lenta e complessa per controllare ogni singolo pezzo su una linea di assemblaggio veloce, i risultati forniscono uno strumento potente per gli ingegneri. Possono ora utilizzare questo metodo per perfezionare le macchine saldatrici, validare nuovi progetti e garantire che le connessioni critiche nei veicoli elettrici siano sicure e robuste. Comprendendo esattamente come si forma il legame e come vederlo, i produttori possono avvicinarsi a un futuro in cui ogni auto elettrica abbia un sistema di cablaggio che sia affidabile quanto la tecnologia che alimenta.
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