Detection of the real joint interface between ultrasonically welded aluminium strands (Al-strands) and copper terminals (Cu-terminals) connections using non-destructive testing methods
本研究调查了包括计算机断层扫描和热成像在内的先进无损检测方法，旨在量化丝束紧实度并表征超声焊接铝铜接头的有效结合面积，以期提高质量预测能力并取代汽车电气化生产中有限的破坏性抽检。
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在现代汽车快速电气化的世界中，电气系统就像是神经系统，将电力从电池传输到电机以及中间的每一个控制单元。随着车辆从400伏系统向更强大的800伏架构转型以实现更快充电，对这些电气连接的需求也随之剧增。为了处理热量和电流，工程师通常需要将两种不同的金属连接在一起：铝，它轻便且成本较低；以及铜，它是极佳的导体但价格更高。将这些性质不同的金属连接在一起非常棘手，因为它们在压力和热量作用下的表现各不相同。该行业的标准连接工艺是超声波焊接，这种工艺利用高频振动将金属压在一起，使其在不熔化的情况下融合。然而，由于焊接过程发生得非常快且是在材料内部进行，很难判断连接是否真正牢固，或者是否存在隐藏的缝隙。如果连接失效，汽车可能会失去动力或过热，因此寻找一种无需拆解即可检查这些接头的方法至关重要。
德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的研究小组致力于解决这一问题，他们测试了各种无损检测方法，以观察这些铝铜连接内部的实际结合区域。他们专注于一种特定类型的接头，即一束铝线焊接在铜端子上，这是电动汽车布线中的常见配置。研究人员知道，接头的强度取决于铝与铜实际融合的程度，但他们需要一种方法在不破坏零件的情况下测量这个不可见的界面。为此，他们创建了两组测试样品：一组是用完美参数焊接的，以创建强韧可靠的接头；另一组是用较差参数焊接的，以创建脆弱、有缺陷的接头。随后，他们对这些样品进行了一系列不同的检测技术测试，涵盖了从热成像到声波的多种手段，以观察哪种方法能清晰地分辨出好的结合与坏的结合。
第一组尝试的方法依赖于热量。其原理是，结合良好的区域与结合较差的区域在导热性能上会有所不同，从而在表面形成可见的温度模式。研究人员使用激光器和卤素灯加热样品，并利用红外相机观察热量的扩散情况。然而，他们发现这种方法在这些特定材料上完全失效了。由于铜是极佳的导热体，任何引入某处的热量都会迅速扩散到整个端子上，从而抹平了所有的局部差异。摄像机看到的是均匀的光辉，而不是识别缺陷所需的独特模式。热量在金属中的移动速度太快，以至于无法揭示丝线与端子之间的隐藏缝隙。
接着，团队转向了声音，具体使用了超声波，这是一种类似于医学成像的高频振动。他们测试了两种变体：一种使用激光产生声波，另一种使用带有水耦合的传统探头。激光法在理论上显示出前景，但在实际操作中遇到了障碍。焊接过程会在铜端子的背面留下细小的纹理痕迹，那是焊接机压紧的地方。这些痕迹会扰乱激光产生的声波，导致图像噪声过大而无法解释。研究人员发现，他们必须先通过机械研磨将这些痕柄磨掉，才能获得清晰的图像，而这在要求零件即产即检的真实工厂流水线上是不可能的。
最终奏效的方法是扫描声学显微术，这是一种利用聚焦探头向接头发送声波并监听回声的技术。这种方法被证明是最有效的工具。当研究人员扫描强韧、制作精良的接头时，图像显示出了铝线与铜端子成功融合的大面积连续区域。相比之下，对脆弱、有缺陷接头的扫描则呈现出截然不同的景象：只有零星、散落的结合“孤岛”，在这些地方，金属仅仅是接触而没有融合，存在着巨大的缝隙。图像清晰地展示了质量较差的焊点缺乏实现强力连接所需的广泛接触。
为了证实这些视觉发现确实具有实际意义，研究人员将扫描中看到的结合区域大小与接头的物理强度进行了对比。他们使用一台测量断裂所需力量的机器对样品进行拉伸实验。结果清晰且一致：在声学扫描中显示出大面积连续结合区域的样品，能够承受显著更高的力量，范围在4,250至5,000牛顿之间。而那些显示出细小、斑驳结合区域的样品，其失效时的力量则低得多，仅在900至1,600牛顿之间。这证实了不可见结合的大小直接预示了接头的强度。研究还观察了计算机断层扫描（一种3D X射线成像技术），该技术可以显示出电线排列紧密的部位，但无法明确证明它们是化学融合还是仅仅被挤压在一起。声学方法依然更具优势，因为它能专门识别冶金结合。
研究结论指出，尽管存在许多高科技检测方法，但扫描声学显微术是观察这些超声波焊缝真实质量且不损坏零件的最可靠方式。它成功地架起了不可见的内部结构与可测量的接头强度之间的桥梁。尽管目前的设备对于在快速移动的装配线上检查每一个零件来说过于缓慢且复杂，但这些发现为工程师提供了一个强大的工具。他们现在可以使用这种方法来微调焊接机、验证新设计，并确保电动汽车中的关键连接既安全又稳固。通过了解结合是如何形成的以及如何观察它，制造商可以更接近一个让每一辆电动汽车都拥有与其技术相匹配的可靠布线系统的未来。
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