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 de snel elektrificerende wereld van moderne auto's is het elektrische systeem het zenuwstelsel, dat stroom van de batterij naar de motor en elke controle-unit daartussen vervoert. Naarmate voertuigen verschuiven van 400-volt systemen naar krachtigere 800-volt architecturen om sneller laden mogelijk te maken, is de vraag naar deze elektrische verbindingen enorm gegroeid. Om de hitte en stroom aan te kunnen, moeten ingenieurs vaak twee verschillende metalen samenvoegen: aluminium, dat lichtgewicht en goedkoper is, en koper, dat een uitstekende geleider is maar duurder. Het samenvoegen van deze verschillende metalen is lastig omdat ze zich anders gedragen onder spanning en hitte. De industriestandaard voor het maken van deze verbindingen is ultrasoon lassen, een proces dat gebruikmaat van hoogfrequente trillingen om de metalen op elkaar te persen totdat ze samensmelten zonder te smelten. Omdat het lassen echter zo snel gebeurt en binnenin het materiaal plaatsvindt, is het moeilijk te zien of de verbinding echt solide is of dat er verborgen gaten aanwezig zijn. Als een verbinding faalt, kan de auto stroom verliezen of oververhit raken, wat het essentieel maakt om een manier te vinden om deze verbindingen te inspecteren zonder ze uit elkaar te halen.

Een team van onderzoekers aan de RWTH Aachen Universiteit in Duitsland zette zich in om dit probleem op te lossen door verschillende niet-destructieve methoden te testen om de werkelijke gebonden oppervlakte binnen deze aluminium-op-koper verbindingen te onderzoeken. Ze concentreerden zich op een specifiek type verbinding waarbij een bundel aluminiumdraden wordt gelast aan een koperen terminal, een veelvoorkomende opstelling in de bedrading van elektrische voertuigen. De onderzoekers wisten dat de sterkte van de verbinding afhangt van hoeveel van het aluminium daadwerkelijk met het koper versmelt, maar ze hadden een manier nodig om deze onzichtbare interface te meten zonder het onderdeel te vernietigen. Hiervoor maakten ze twee groepen testmonsters aan: één groep die gelast was met perfecte instellingen om sterke, betrouwbare verbindingen te creëren, en een andere groep die gelast was met slechte instellingen om zwakke, defecte verbindingen te creëren. Vervolgens onderwierpen ze deze monsters aan een reeks verschillende inspectietechnieken, variërend van thermische beeldvorming tot geluidsgolven, om te zien welke methode duidelijk een goede verbinding van een slechte kon onderscheiden.

De eerste groep methoden die ze probeerden, vertrouwde op hitte. Het idee was dat een goed verbonden gebied de hitte anders zou geleiden dan een slecht verbonden gebied, wat een zichtbaar temperatuurpatroon op het oppervlak zou creëren. De onderzoekers gebruikten lasers en halogeenlampen om de monsters te verhitten en infraroodcamera's om te kijken hoe de hitte zich verspreidde. Ze kwamen echter tot de conclusie dat deze aanpak voor deze specifieke materialen volledig faalde. Omdat koper zo'n uitstekende warmtegeleider is, verspreidde elke warmte die op één punt werd geïntroduceerd zich zo snel over de gehele terminal dat alle lokale verschillen werden uitgevlakt. De camera's zagen een uniforme gloed in plaats van de duidelijke patronen die nodig zijn om een defect op te sporen. De hitte bewoog simpelweg te snel door het metaal om de verborgen gaten tussen de draden en de terminal te onthullen.

Vervolgens richtte het team zich op geluid, specifiek door gebruik te maken van ultrasone golven, die hoogfrequente trillingen zijn die vergelijkbaar zijn met die gebruikt worden bij medische beeldvorming. Ze testten twee varianten: één die een laser gebruikte om de geluidsgolven te genereneren en een andere die een traditionele probe met een waterkoppeling gebruikte. De lasermethode leek in theorie veelbelovend, maar liep tegen een praktische muur aan. Het lasproces laat kleine, getextureerde markeringen achter op de achterkant van de koperen terminal waar de machine deze vasthoudt. Deze markeringen verstoorden de door de laser gegenereerde geluidsgolven, waardoor de beelden te ruisachtig werden om te interpreteren. De onderzoekers ontdekten dat ze deze markeringen mechanisch van het onderdeel zouden moeten slijpen voordat ze een helder beeld konden krijgen, een stap die onmogelijk is in een echte fabriekslijn waar onderdelen geïnspecteerd moeten worden zodra ze van de machine komen.

De methode die uiteindelijk werkte, was scannende akoestische microscopie, een techniek die een gefocuste probe gebruikt om geluidsgolven in de verbinding te sturen en naar de echo's te luisteren. Deze aanpak bleek het meest effectieve instrument voor de taak. Wanneer de onderzoekers de sterke, goed gemaakte verbindingen scantten, toonden de beelden een groot, continu gebied waar de aluminiumdraden succesvol met de koperen terminal waren versmolten. In tegenstelling hiertoe toonden de scans van de zwakke, defecte verbindingen een heel ander beeld: slechts kleine, verspreide eilanden van verbinding, met grote openingen waar de metalen elkaar slechts raakten maar niet versmolten waren. De beelden lieten duidelijk zien dat de slechte lassen de uitgebreide contacten misten die nodig zijn voor een sterke verbinding.

Om te bevestigen dat deze visuele bevindingen er ook echt toe deden, vergeleken de onderzoekers de grootte van het gebonden gebied uit de scans met de fysieke sterkte van de verbindingen. Ze trokken de monsters uit elkaar in een machine die mat hoeveel kracht er nodig was om ze te breken. De resultaten waren duidelijk en consistent. De monsters die grote, continue gebieden van verbinding lieten zien in de akoestische scans, weerstonden aanzienlijk hogere krachten, variërend van 4.250 tot 5.000 newtons. De monsters met kleine, onsamenhangende gebieden van verbinding bezweken bij veel lagere krachten, tussen de 900 en 1.600 newtons. Dit bevestigde dat de omvang van de onzichtbare verbinding direct voorspelt hoe sterk de verbinding zal zijn. De studie keek ook naar computertomografie, een vorm van 3D X-ray beeldvorming, die kon laten zien waar de draden dicht op elkaar gepakt zaten, maar niet definitief kon bewijzen of ze chemisch versmolten waren of alleen op elkaar gedrukt. De akoestische methode bleef superieur omdat deze specifiek de metallurgische verbinding kon identificeren.

De studie concludeert dat hoewel er veel hoogtechnologische inspectiemethoden bestaan, scannende akoestische microscopie de meest betrouwbare manier is om de werkelijke kwaliteit van deze ultrasone lassen te zien zonder het onderdeel te beschadigen. Het slaagt erin de kloof te overbruggen tussen de onzichtbare interne structuur en de meetbare sterkte van de verbinding. Hoewel de apparatuur momenteel te traag en complex is om elk afzonderlijk onderdeel op een snel bewegende assemblagelijn te controleren, bieden de bevindingen een krachtig hulpmiddel voor ingenieurs. Zij kunnen deze methode nu gebruiken om lasmachines nauwkeurig af te stellen, nieuwe ontwerpen te valideren en te garanderen dat de cruciale verbindingen in elektrische voertuigen veilig en robuust zijn. Door precies te begrijpen hoe de verbinding wordt gevormd en hoe deze te zien, kunnen fabrikanten dichter bij een toekomst komen waarin elk elektrisch voertuig een bedradingssysteem heeft dat net zo betrouwbaar is als de technologie die het aandrijft.