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

現代の自動車が急速に電化する中で、電気システムは神経系としての役割を担っており、バッテリーからモーター、そしてその間にあるすべての制御ユニットへと電力を運びます。車両が、より高速な充電を可能にする強力な800ボルト・アーキテクチャへと移行するにつれ、これらの電気接続への要求は膨大になっています。熱と電流に対処するため、エンジニアはしばしば、軽量で安価なアルミニウムと、高価ではあるものの優れた導電性を持つ銅という、2つの異なる金属を接合する必要があります。これらの異種金属を接合することは、ストレスや熱に対する挙動が異なるため、非常に困難です。この業界の標準的な接合方法は超音波溶接であり、これは高周波の振動を利用して、金属を溶融させることなく融合するまで押し付けるプロセスです。しかし、溶接は非常に迅速に行われ、かつ材料の内部で発生するため、その結合が本当に強固なものなのか、あるいは隠れた隙間が残っているのかを見極めることは困難です。もし接続が故障すれば、車は電力を失ったり過熱したりする可能性があるため、部品を破壊することなくこれらの接合部を検査する方法を見つけることが不可ло不可欠です。

ドイツのRWTHアーヘン大学の研究チームは、これらのアルミニウムと銅の接続における実際の接合面積を確認するために、さまざまな非破壊検査法をテストすることで、この問題の解決に取り組みました。彼らは、電気自動車の配線で一般的な構成である、アルミニウム線の束を銅の端子に溶接した特定のタイプの接合に焦点を当てました。研究者たちは、接合部の強度がアルミニウムがどの程度実際に銅と融合しているかに依存することを知っていましたが、部品を破壊せずにこの目に見えない界面を測定する方法が必要でした。そのため、彼らは2つのテストサンプルグループを作成しました。一つは完璧な設定で溶接された、強固で信頼性の高い接合を持つグループ、もう一つは不適切な設定で溶接された、脆弱で欠陥のある接合を持つグループです。その後、彼らはこれらのサンプルを、熱画像法から音波を用いたものまで、さまざまな検査技術にかけ、どの手法が良好な結合と不良な結合を明確に区別できるかを検証しました。

最初に試された手法のグループは、熱に依存するものでした。その考え方は、適切に結合された領域は、結合が不十分な領域とは熱の伝わり方が異なるため、表面に目に見える温度パターンを生み出すというものです。研究者たちは、レーザーやハロゲンランプを使用してサンプルを加熱し、赤外線カメラを使用して熱がどのように広がるかを観察しました。しかし、彼らはこのアプローチがこれらの特定の材料に対しては完全に失敗したことを発見しました。銅は非常に優れた熱伝導体であるため、ある一点に導入された熱は端子全体にあまりにも速く広がってしまい、局所的な差異を平滑化してしまうのです。カメラは、欠陥を特定するために必要な明確なパターンではなく、均一な輝きを捉えるだけでした。熱が金属の中をあまりにも速く移動するため、ワイヤーと端子の間の隠れた隙間を明らかにすることができなかったのです。

次に、チームは音、具体的には医療用画像診断に似た高周波の振動である超音波を使用することに切り替えました。彼らは、レーザーを使用して音波を発生させる方法と、従来のプローブと水による結合（ウォーターカップリング）を使用する方法の2つのバリエーションをテストしました。レーザー方式は理論上は有望でしたが、実用的な壁に突き当たりました。溶接プロセスによって、銅端子の背面には機械が固定するための小さな質感のある跡が残ります。これらの跡がレーザー生成の音波を乱し、画像を解釈不能なほどノイズだらけにしてしまうのです。研究者たちは、鮮明な画像を得るためには、これらの跡を部品から機械的に研磨しなければならないことを発見しましたが、これは部品が機械から出てくるたびに検査を行う実際の工場ラインにおいては不可能な工程です。

最終的に機能した手法は、スキャニング・アコースティック・マイクロスコピー（走査型音響顕微鏡）であり、これは集束されたプローブを使用して接合部に音波を送り込み、そのエコーを聞き取る技術です。このアプローチが、この作業において最も効果的なツールであることが証明されました。研究者が強固で適切に作られた接合部をスキャンすると、アルミニウム線が銅端子と正常に融合している、大きく連続した領域が画像に示されました。対照的に、弱く欠陥のある接合部のスキャンでは、全く異なる光景が明らかになりました。つまり、結合部は小さく散在する「島」のような状態であり、金属同士が単に接触しているだけで融合していない大きな隙間が存在していました。画像は、不良な溶接が強い接続に必要な広範な接触を欠いていることを明確に示していました。

これらの視覚的な発見が実際に意味を持つものであることを確認するため、研究者たちはスキャンで見られた結合面積と、接合部の物理的な強度を比較しました。彼らは、どれほどの力を加えると部品が壊れるかを測定する機械を用いてサンプルを引き離しました。結果は明確かつ一貫していました。アコースティック・スキャンで大きく連続した結合領域を示したサンプルは、4,250から5,000ニュートンの範囲で、著しく高い力に耐えました。小さく断片的な結合領域を示したサンプルは、わずか900から1,600ニュートンの間で破断しました。これにより、目に見えない結合のサイズが、接合部の強度を直接予測することが裏付けられました。また、研究はコンピュータ・トモグラフィー（3D X線画像法）についても調査しましたが、これはワイヤーが密に詰まっている様子を示すことはできても、それらが化学的に融合しているのか、単に押し付けられているだけなのかを決定的に証明することはできませんでした。アコースティック法は、冶金学的な結合を特定できるため、依然として優れていました。

本研究は、多くのハイテクな検査手法が存在するものの、スキャニング・アコースティック・マイクロスコピーが、部品を損傷することなく超音波溶接の真の品質を確認する最も信頼できる方法であると結論付けています。この手法は、目に見えない内部構造と、測定可能な接合部の強度の間の溝を埋めることに成功しました。現在、装置は高速で動く組立ライン上のすべての部品をチェックするには遅すぎ、かつ複雑ではありますが、その知見はエンジニアにとって強力なツールとなります。彼らは今や、この手法を用いて溶接機の微調整を行い、新しい設計を検証し、電気自動車の重要な接続部が安全で堅牢であることを保証することができます。結合がどのように形成されるかを理解し、それを可視化する方法を知ることで、製造業者は、すべての電気自動車がその技術と同じくらい信頼性の高い配線システムを備える未来へと近づくことができるのです。