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

No mundo rapidamente eletrificado dos carros modernos, o sistema elétrico é o sistema nervoso, transportando energia da bateria para o motor e para cada unidade de controle entre eles. À medida que os veículos transitam de sistemas de 400 volts para arquiteturas mais potentes de 800 volts para permitir um carregamento mais rápido, a demanda sobre essas conexões elétricas cresceu imensamente. Para lidar com o calor e a corrente, os engenheiros frequentemente precisam unir dois metais diferentes: o alumínio, que é leve e mais barato, e o cobre, que é um excelente condutor, mas mais caro. Unir esses metais dissimilres é complicado porque eles se comportam de maneira diferente sob estresse e calor. O padrão da indústria para realizar essas conexões é a soldagem ultrassônica, um processo que utiliza vibrações de alta frequência para pressionar os metais uns contra os outros até que se fundam sem derreter. No entanto, como a soldagem acontece de forma tão rápida e dentro do material, é difícil visualizar se a união é verdadeiramente sólida ou se restam lacunas ocultas. Se uma conexão falhar, o carro pode perder energia ou superaquecer, tornando vital encontrar uma maneira de inspecionar essas juntas sem quebrá-las.

Uma equipe de pesquisadores da RWTH Aachen University, na Alemanha, propôs-se a resolver este problema testando vários métodos não destrutivos para ver a área de união real dentro dessas conexões de alumínio para cobre. Eles focaram em um tipo específico de junta onde um feixe de fios de alumínio é soldado a um terminal de cobre, uma configuração comum na fiação de veículos elétricos. Os pesquisadores sabiam que a resistência da junta depende de quanto do alumínio realmente se funde com o cobre, mas precisavam de uma maneira de medir essa interface invisível sem destruir a peça. Para fazer isso, criaram dois grupos de amostras de teste: um grupo soldado com configurações perfeitas para criar juntas fortes e confiáveis, e outro grupo soldado com configurações ruins para criar juntas fracas e defeituosas. Eles então submeteram essas amostras a uma bateria de diferentes técnicas de inspeção, variando de imagem térmica a ondas sonoras, para ver qual método conseguiria distinguir claramente uma boa união de uma ruim.

O primeiro grupo de métodos que testaram baseou-se no calor. A ideia era que uma área bem unida conduziria o calor de forma diferente de uma área mal unida, criando um padrão de temperatura visível na superfície. Os pesquisadores utilizaram lasers e lâmpadas halógenas para aquecer as amostras e câmeras infravermelhas para observar como o calor se espalhava. No entanto, descobriram que essa abordagem falhou completamente para esses materiais específicos. Como o cobre é um excelente condutor de calor, qualquer calor introduzido em um ponto se espalhou tão rapidamente por todo o terminal que suavizou todas as diferenças locais. As câmeras viam um brilho uniforme em vez dos padrões distintos necessários para detectar um defeito. O calor simplesmente se movia rápido demais através do metal para revelar as lacunas ocultas entre os fios e o terminal.

Em seguida, a equipe voltou-se para o som, especificamente utilizando ondas ultrassônicas, que são vibrações de alta frequência semelhantes às usadas em exames médicos. Eles testaram duas variações: uma que utilizava um laser para gerar as ondas sonoras e outra que utilizava uma sonda tradicional com acoplamento de água. O método a laser mostrou-se promissor em teoria, mas encontrou um obstáculo prático. O processo de soldagem deixa pequenas marcas texturizadas na parte traseira do terminal de cobre, onde a máquina o segura. Essas marcas embaralharam as ondas sonoras geradas pelo laser, tornando as imagens ruidosas demais para serem interpretadas. Os pesquisadores descobriram que teriam que moer mecanicamente essas marcas da peça antes de obterem uma imagem clara, um passo que é impossível em uma linha de produção real, onde as peças devem ser inspecionadas conforme saem da máquina.

O método que finalmente funcionou foi a microscopia acústica de varredura, uma técnica que utiliza uma sonda focalizada para enviar ondas sonoras para dentro da junta e ouvir os ecos. Esta abordagem provou ser a ferramenta mais eficaz para o trabalho. Quando os pesquisadores escanearam as juntas fortes e bem feitas, as imagens mostraram uma área grande e contínua onde os fios de alumínio haviam se fundido com sucesso ao terminal de cobre. Em contraste, os escaneamentos das juntas fracas e defeituosas revelaram um quadro muito diferente: apenas pequenas ilhas dispersas de união, com grandes lacunas onde os metais estavam apenas se tocando, mas não fundidos. As imagens mostraram claramente que as soldas ruins careciam do contato extensivo necessário para uma conexão forte.

Para confirmar que essas descobertas visuais realmente importavam, os pesquisadores compararam o tamanho da área de união vista nos escaneamentos com a resistência física das juntas. Eles puxaram as amostras em uma máquina que media quanta força era necessária para quebrá-las. Os resultados foram claros e consistentes. As amostras que apresentaram áreas de união grandes e contínuas nos escaneamentos acústicos suportaram forças significativamente maiores, variando de 4.250 a 5.000 Newtons. As amostras com áreas de união pequenas e irregulares falharam em forças muito menores, entre 900 e 1.600 Newtons. Isso confirmou que o tamanho da união invisível prevê diretamente quão forte será a junta. O estudo também analisou a tomografia computadorizada, um tipo de imagem de raio-X 3D, que poderia mostrar onde os fios estavam compactados, mas não conseguia provar definitivamente se estavam fundidos quimicamente ou apenas pressionados. O método acústico permaneceu superior porque podia identificar especificamente a união metalúrgica.

O estudo conclui que, embora existam muitos métodos de inspeção de alta tecnologia, a microscopia acústica de varredura é a maneira mais confiável de visualizar a verdadeira qualidade dessas soldas ultrassônicas sem danificar a peça. Ela consegue unir com sucesso a estrutura interna invisível e a resistência mensurável da junta. Embora o equipamento seja atualmente lento e complexo para verificar cada peça individualmente em uma linha de montagem de movimento rápido, as descobertas fornecem uma ferramenta poderosa para os engenheiros. Eles podem agora usar este método para ajustar as máquinas de soldagem, validar novos designs e garantir que as conexões críticas nos veículos elétricos sejam seguras e robustas. Ao compreender exatamente como a união se forma e como vê-la, os fabricantes podem se aproximar de um futuro onde cada carro elétrico tenha um sistema de fiação que seja tão confiável quanto a tecnologia que ele alimenta.