01 Įvadas Sparčiai tobulėjant naujoms energetinėms transporto priemonėms ir aukštai{1}}temperatūros superlaidumo technologijoms, lengvos, didelio laidumo ir labai patikimos jungčių technologijos tapo pagrindinėmis gamybos srities problemomis. Dėl puikaus elektros laidumo, mažo tankio ir gero atsparumo korozijai aliuminis ir varis plačiai naudojami maitinimo akumuliatoriuose, elektros pavarų sistemose, šynų jungtyse ir superlaidžiuose įrenginiuose. Tačiau aliuminio-aliuminio, vario-vario ir aliuminio-vario jungtys dažnai susiduria su tokiomis problemomis kaip per didelis šilumos įvedimas, tarpmetalinių junginių susidarymas, jungčių minkštėjimas ir suvirinimo deformacija įprastinio lydinio suvirinimo procesų metu, o tai labai apriboja jų inžinerinį pritaikymą. Ultragarsinis suvirinimas, kaip įprasta kietojo kūno sujungimo technologija, užtikrina metalurginį medžiagų sujungimą dėl didelio-dažnio mechaninių virpesių ir sąsajos trinties, o tai suteikia tokių pranašumų kaip mažas šilumos įvedimas, trumpas suvirinimo laikas ir valdomos sąsajos reakcijos. Pastaraisiais metais jis sulaukė didelio dėmesio elektromobilių ir superlaidumo inžinerijos srityse. Ultragarsinis suvirinimas pasižymi visapusišku našumu, pranašesniu už tradicinius suvirinimo metodus, ypač naudojant akumuliatoriaus ąselių jungtis, aliuminio-vario ir skirtingų metalų suvirinimą ir didelio{10}}laidumo šynų gamybą. Atsižvelgiant į tai, šiame darbe sistemingai apžvelgiama aliuminio ir vario ultragarsinio suvirinimo technologijų elektromobiliuose ir superlaidžiuose įrenginiuose tyrimų pažanga, apibendrinami suvirinimo mechanizmai, proceso raida ir dabartinės inžinerinės programos, taip pateikiant teorinę nuorodą tolesniam proceso optimizavimui ir technologinei plėtrai.
02 Ultragarsinio suvirinimo ypatybės
Ultragarsinio suvirinimo metu pirmiausia naudojamos dvi tipinės konfigūracijos: pleišto{0}}slėgio sistema ir šoninė -pavaros sistema (1 pav.). Abu yra panašūs vibracijos mechanizmu, tačiau skiriasi struktūrine forma, amplitudės lygiu, suspaudimo jėga ir taikomomis medžiagomis. Pleišto{5}}slėgio sistemai būdinga maža amplitudė ir didelė suspaudimo jėga, perduodanti ultragarso energiją tiesiai į ruošinį derinant išilginę vibraciją ir skersinę vibraciją suvirinimo antgalyje, tinkama storesnėms ar standesnėms medžiagoms. Šoninės -pavaros sistemos privalumai yra didelės amplitudės, mažos suspaudimo jėgos ir tiksliai išmatuojamų parametrų pranašumai, todėl ji labiau tinka jungti smulkius laidus, folijas ir plonus lakštus, todėl plačiai naudojama tokiose srityse kaip ličio-jonų baterijos ir superlaidžios juostos. Šiuo pagrindu ultragarsinio suvirinimo parametrus galima suskirstyti į proceso parametrus ir medžiagos parametrus, o pagrindiniai suvirinimo kokybę lemiantys veiksniai yra suvirinimo energija, laikas, suspaudimo jėga ir vibracijos amplitudė. Suvirinimo metu būtina pagrįstai suderinti suspaudimo jėgą ir vibracijos amplitudę, užtikrinant pakankamą kontaktą, kad būtų išvengta slydimo dėl nepakankamos suspaudimo jėgos arba per didelio medžiagos plonėjimo dėl per didelės jėgos.
1 paveiksle pavaizduota ultragarsinio suvirinimo sistema, naudojanti skersinės vibracijos režimą, įskaitant (a) pleištinių spyruoklių sistemą ir (b) skersinę pavaros sistemą[1] 2.
2 Ultragarsinio suvirinimo elektriniai, šiluminiai ir mechaniniai reikalavimai Kaip įprastas kietojo kūno sujungimo procesas, ultragarsinis metalų suvirinimas suteikia elektrinio, šiluminio ir medžiagų suderinamumo pranašumų, ypač tinka jungti didelio šilumos ir elektros laidumo medžiagas. Tyrimai parodė, kad, palyginti su atspariu taškiniu suvirinimu, ultragarsinis suvirinimas sumažina energijos sąnaudas ruošiant aliuminio lydinio siūles, tuo pačiu pasiekiant itin mažą elektrinio ir šiluminio kontakto varžą, o suvirinimo laikas yra tik trumpalaikis, o tai rodo puikų energijos vartojimo efektyvumą ir šilumos valdymo efektyvumą. Naudojant žemos-temperatūrinius magnetus ir superlaidžius (pvz., REBCO CC juostas), jungčių veikimas labai priklauso nuo šilumos laidumo, šiluminio plėtimosi koeficiento atitikimo ir mechaninio stabilumo. Ultragarsinis suvirinimas nenaudoja metalų užpildų, todėl efektyviai išvengiama likutinio įtempimo, įtrūkimų ar sąsajos išsisluoksniavimo, kurį sukelia šiluminio plėtimosi neatitikimas, taip sumažinant gesinimo riziką ir pailginant tarnavimo laiką. Tuo pačiu metu ultragarsinio suvirinimo proceso metu pagamintos jungtys turi gerą šiluminį stabilumą, o tai naudinga išlaikant konstrukcijos vientisumą vykstant dabartiniams{7}}procesams. Žvelgiant iš medžiagų ir metalurgijos perspektyvos, ultragarsinis suvirinimas, kaip kietojo kūno{9}}procesas, gali užtikrinti patikimą skirtingų metalų sujungimą, turi žemus paviršiaus būklės reikalavimus, didelį prisitaikymą, gali sujungti medžiagas, kurių lydymosi taškai skiriasi, ir sumažina korozijos riziką. Šio proceso metu pagamintos jungtys pasižymi minimalia deformacija ir aukšta suvirinimo kokybe, tinka storoms plokštėms, plonoms plokštėms ir ypač plonoms folijoms, o tai rodo gerą tvarumą ir inžinerines taikymo perspektyvas tikslaus sujungimo srityse, pvz., ličio jonų akumuliatoriuose ir superlaidžiose juostose.
3.1 Suvirinimo optimizavimo iššūkiai Ultragarsu suvirinant aliuminį, varį ir skirtingas medžiagas, norint pasiekti aukštos-kokybės, nuoseklius sujungimus, vis dar susiduriama su daugybe iššūkių. Nors buvo įrodyta, kad dauguma aliuminio lydinių (tokių kaip 5xxx ir 6xxx serijos) turi gerą ultragarsinį suvirinamumą, kai kurie lydiniai vis dar turi problemų, tokių kaip suvirinimo antgalio sukibimas, didelė deformacija ir siauri proceso langai, todėl parametrų optimizavimas labai priklauso nuo medžiagos savybių. Suvirinimo kokybė yra labai jautri proceso parametrams, tarp kurių dominuoja suvirinimo energija, laikas, vibracijos amplitudė ir suspaudimo slėgis, o jų sąveika dar labiau padidina proceso sudėtingumą. Nors tradicinis pilnas{7}}fakcinis eksperimentinis projektavimas gali gauti daug duomenų, jis brangus ir statistiškai neefektyvus; priešingai, buvo įrodyta, kad dispersijos analizė (ANOVA) efektyviai nustato pagrindinius parametrus ir jų sąveiką atliekant mažiau eksperimentų, o tai yra patikimas pagrindas maksimaliai padidinti suvirinimo stiprumą ir kontroliuoti nuoseklumą. Tačiau statistinių metodų taikymą pramonėje vis dar riboja duomenų interpretavimo sunkumai.
Žvelgiant iš mechaninės perspektyvos, ultragarsinio suvirinimo metu susidaręs dinaminis paviršinis įtempis gali sutraiškyti oksido plėvelę ir paskatinti metalurginį sukibimą. Nepakankamas arba per didelis šilumos įvedimas gali lengvai sukelti nepakankamą-suvirinimą arba per-suvirinimą, dėl kurio gali lūžti sąsaja arba pablogėti veikimas. Tyrimai parodė, kad pagrįstas suvirinimo laiko ir vibracijos amplitudės atitikimas gali sudaryti optimalią suvirinimo šerdies struktūrą, o pažangios strategijos, pvz., amplitudės kreivės valdymas, pagerina skirtingų Al-Cu jungčių suvirinimo stiprumą ir stabilumą, reguliuodami energijos įvedimą etapais. Be to, struktūriniai parametrai, pvz., plonų plokščių padėtis daugiasluoksnėse struktūrose, suvirinimo antgalio ir priekalo paviršiaus tekstūra ir pradinis tarpas, taip pat turi didelę įtaką suvirinimo kokybei, ypač labai jautriose srityse, pvz., superlaidžiose juostose, kur parametrų neatitikimas gali padidinti atsparumą arba pažeisti funkcinį sluoksnį. Apskritai, pagrindinis ultragarsinio suvirinimo optimizavimo iššūkis yra sinergiškai pagerinti medžiagų pritaikymą, jungties veikimą ir proceso stabilumą stipriai susietomis kelių -parametrų sąlygomis, todėl reikalingas sistemingas dizainas, derinant mechaninį supratimą ir statistinio optimizavimo metodus su minimaliomis eksperimentinėmis išlaidomis.
3.2 Medžiagų ir metalurgijos iššūkiai Ultragarsinio aliuminio, vario ir skirtingų medžiagų suvirinimo procese medžiagų ir metalurginių veiksnių įtaka jungties veikimui yra ypač sudėtinga. Korozijos elgsena yra viena iš pagrindinių problemų, ribojančių jungties eksploatavimo patikimumą. Atmosferinė korozija, dilimo korozija ir galvaninė korozija – visa tai suardo metalo-į-metalinę kontaktinę sąsają, padidindama atsparumą ir sumažindama ilgalaikį-baterijų ir REBCO CC jungčių stabilumą. Įvairių medžiagų oksidacijos elgsena skiriasi: oksido sluoksnis ant aliuminio paviršiaus susidaro greitai ir yra gana plonas, o vario oksido sluoksnis yra sudėtingesnės struktūros, turintis ir laidžias, ir izoliacines savybes, todėl metalurgiškai sunku valdyti skirtingų medžiagų sąsają. Suvirinant Al-Cu ultragarsu, paviršių difuzijos sluoksnį paprastai sudaro nanokristalinės, amorfinės fazės ir didelio-tankio išnirimai. Ši struktūra atsiranda dėl didelės plastinės deformacijos ir atominės tarpusavio difuzijos, kurią sukelia ultragarsinė vibracija, kuri yra naudinga mechaniniam blokavimui ir metalurginiam sujungimui, tačiau taip pat gali paskatinti trapių intermetalinių junginių (IMC) susidarymą. Dėl didelio cheminio afiniteto tarp Al ir Cu, kai temperatūra arba šlyties deformacija viršija kritines sąlygas, lengvai susidaro IMC, pvz., Al₂Cu, dėl to sumažėja jungties mechaninės savybės ir padidėja atsparumas, ypač kai IMC sluoksnio storis viršija apytiksliai 2 µm, jo neigiamas poveikis tampa reikšmingesnis.
Kaip parodyta 2 paveiksle, ilgėjant suvirinimo laikui ir energijai, didėja suvirinimo galvutės ir priekalo įlenkimo efektas, o suvirinimo zonoje atsiranda paviršiaus įdubimų ir skerspjūvio plonėjimo ypatybių, atspindinčių plastiko srautą ir medžiagos persitvarkymą suvirinimo proceso metu. Sąsajos banguotumas didėja ilgėjant suvirinimo laikui, o tai ne tik sutrumpina plyšio plitimo kelią, bet ir pakeičia lūžio režimą, palaipsniui transformuodamas iš sąsajos įtrūkimo į ištraukimą ar mišrų lūžį, taip paveikdamas jungties gedimo apkrovą. Skirtingų medžiagų suvirinimo atveju medžiagos kietumo skirtumas sustiprina šią deformacijos asimetriją; minkštesnė medžiaga yra labiau linkusi į dinamišką perkristalizaciją ir grūdėtumą, todėl suvirinimo zonoje kietumas pasiskirsto netolygiai.
3.3 Elektromechaninio sujungimo iššūkiai Naudojant, pavyzdžiui, elektromobilių akumuliatorių blokuose ir superlaidžiose REBCO CC juostose, ultragarsu suvirintos jungtys turi atitikti ne tik mechaninio sujungimo reikalavimus, bet ir turėti mažą ir stabilų elektrinio kontakto varžą, kad būtų išvengta Džaulio šildymo kaupimosi, šiluminio disbalanso ir dėl to kylančių saugos problemų, tokių kaip perkrovimas, perkrovimas ir net išsikrovimas. Tyrimai rodo, kad siūlės struktūra ir medžiagos konfigūracija turi įtakos atsparumui ir šiluminei elgsenai: daugiasluoksnėse Cu–Al jungtyse minkštesnės medžiagos suvirinimo galvutės pusėje yra labiau linkusios deformuotis ir plonėti, taip pablogindamos jungties elektrines charakteristikas; priešingai, uždėjus storesnį ar kietesnį Cu sluoksnį priekalo pusėje, galima sumažinti sąsajos defektus ir sumažinti sąnarių pasipriešinimą. Dabartiniai impulsų apkrovos eksperimentai taip pat rodo, kad dėl didesnio sąsajos pasipriešinimo Al–Cu jungtys patiria didesnį temperatūros padidėjimą tomis pačiomis srovės sąlygomis, palyginti su Cu–Cu jungtimis, todėl išryškėja ribojantis elektro-šilumos-struktūrinio sujungimo poveikis jungties patikimumui. Kaip parodyta 3 paveiksle, lyginant su tradicinėmis lituotomis jungtimis, ultragarsu suvirintos jungtys sumažina medžiagos sluoksnių ir sąsajų skaičių srovės kelyje, sudarydamos tiesioginį kietojo kūno ryšį tarp vario sluoksnių ir taip sumažindamos bendrą kontakto varžą; tačiau jų sąsają paprastai sudaro ir sujungtos (P1), ir nesujungtos (P2) sritys, o elektrinė charakteristika yra labai jautri efektyviam sukibimo sričiai. Siekiant dar labiau pagerinti jungties stabilumą stipriuose magnetiniuose laukuose ir kriogeninėje aplinkoje, buvo pasiūlytas litavimo{12}}ultragarsinis kompozito suvirinimo metodas. Šis metodas padidina elektrinio kontakto tęstinumą, sumažina jungties pasipriešinimą ir pagerina mechaninį stabilumą bei atsparumą lenkimui, nes lydmetalis gali prasiskverbti į nesusietas sritis. Apskritai paveiksle pateikti rezultatai intuityviai parodo glaudų ryšį tarp jungties sąsajos struktūros, efektyvaus laidžios srities ir elektromechaninio sujungimo. Racionalus ultragarso suvirintų jungčių konfigūracijos dizainas ir hibridinis procesas yra labai svarbūs norint pasiekti labai patikimas elektros jungtis.
04 Išvada Apskritai ultragarsinis suvirinimas pasižymi reikšmingais aliuminio ir vario sujungimo techniniais pranašumais, todėl jis ypač tinkamas elektrinėms transporto priemonėms ir superlaidžioms reikmėms, kurioms reikalingas itin didelis elektros laidumas ir konstrukcijos vientisumas. Esami tyrimai sistemingai atskleidė jo sąsajos sujungimo mechanizmą ir padarė didelę pažangą proceso parametrų optimizavimo ir inžinerinių programų srityse. Tačiau sudėtingų daugiasluoksnių struktūrų, ilgalaikio skirtingų medžiagų naudojimo patikimumo ir skaitmeninio suvirinimo proceso modeliavimo tyrimai tebėra gana riboti. Būsimi tyrimai turėtų būti sutelkti į kelių masto mechanizmų analizę, patobulintą proceso lango valdymą ir sinerginį ultragarsinio suvirinimo taikymą su kitomis pažangiomis sujungimo technologijomis, kad būtų skatinamas nuodugnus šios technologijos kūrimas ir inžinerinis pritaikymas aukštos{7} klasės gamyboje.
