01 Pengenalan Dengan perkembangan pesat kenderaan tenaga baharu dan-teknologi superkonduktor suhu tinggi, ringan, kekonduksian tinggi dan teknologi sambungan yang sangat dipercayai telah menjadi isu utama dalam bidang pembuatan. Aluminium dan tembaga digunakan secara meluas dalam bateri kuasa, sistem pemacu elektrik, sambungan busbar dan peranti superkonduktif kerana kekonduksian elektrik yang sangat baik, ketumpatan rendah dan rintangan kakisan yang baik. Walau bagaimanapun, sambungan aluminium-aluminium, kuprum-kuprum, dan aluminium-tembaga sering menghadapi masalah seperti input haba yang berlebihan, pembentukan sebatian antara logam, pelembutan sendi, dan ubah bentuk kimpalan semasa proses kimpalan gabungan konvensional, dengan serius menyekat aplikasi kejuruteraan mereka. Kimpalan ultrasonik, sebagai teknologi penyambung-keadaan pepejal tipikal, mencapai ikatan metalurgi bahan melalui-getaran mekanikal frekuensi tinggi dan geseran antara muka, menawarkan kelebihan seperti input haba rendah, masa kimpalan yang singkat dan tindak balas antara muka yang boleh dikawal. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, ia telah mendapat perhatian yang meluas dalam bidang kenderaan elektrik dan kejuruteraan superkonduktor. Terutamanya dalam sambungan tab bateri, aluminium-kimpalan logam berbeza tembaga dan{10}}pengilangan busbar kekonduksian tinggi, kimpalan ultrasonik menunjukkan prestasi komprehensif yang lebih baik daripada kaedah kimpalan tradisional. Berdasarkan latar belakang ini, makalah ini secara sistematik mengkaji kemajuan penyelidikan teknologi kimpalan ultrasonik aluminium dan tembaga dalam kenderaan elektrik dan aplikasi superkonduktor, meringkaskan mekanisme kimpalannya, evolusi proses, dan aplikasi kejuruteraan semasa, dengan itu menyediakan rujukan teori untuk pengoptimuman proses dan pembangunan teknologi seterusnya.
02 Ciri-ciri kimpalan ultrasonik
Kimpalan ultrasonik terutamanya menggunakan dua konfigurasi biasa: sistem tekanan-baji dan sistem pemacu-sisi (Rajah 1). Kedua-duanya adalah serupa dalam mekanisme getaran tetapi berbeza dalam bentuk struktur, tahap amplitud, daya pengapit dan bahan yang berkenaan. Sistem tekanan baji-dicirikan oleh amplitud rendah dan daya pengapit yang tinggi, memindahkan tenaga ultrasonik terus ke bahan kerja melalui gabungan getaran membujur dan getaran melintang pada hujung kimpalan, sesuai untuk bahan yang lebih tebal atau lebih tegar. Sistem pemacu-sisi menawarkan kelebihan amplitud tinggi, daya pengapit rendah dan parameter yang boleh diukur dengan tepat, menjadikannya lebih sesuai untuk menyambung wayar halus, kerajang dan kepingan nipis dan oleh itu digunakan secara meluas dalam medan seperti bateri-ion litium dan pita superkonduktor. Atas dasar ini, parameter kimpalan ultrasonik boleh dibahagikan kepada parameter proses dan parameter bahan, dengan tenaga kimpalan, masa, daya pengapit, dan amplitud getaran menjadi faktor utama yang menentukan kualiti kimpalan. Semasa mengimpal, perlu dipadankan dengan munasabah daya pengapit dan amplitud getaran sambil memastikan sentuhan yang mencukupi, untuk mengelakkan gelinciran akibat daya pengapit yang tidak mencukupi atau penipisan bahan yang berlebihan akibat daya yang berlebihan.
Rajah 1 menggambarkan sistem kimpalan ultrasonik menggunakan mod getaran melintang, termasuk (a) sistem spring baji dan (b) sistem pemacu melintang[1] 2.
2 Keperluan elektrik, haba dan mekanikal bagi kimpalan ultrasonik Sebagai proses penyambungan-keadaan pepejal yang tipikal, kimpalan ultrasonik logam menawarkan kelebihan dalam keserasian elektrik, haba dan bahan, terutamanya sesuai untuk menyambung bahan kekonduksian haba dan elektrik yang tinggi. Kajian telah menunjukkan bahawa berbanding dengan kimpalan titik rintangan, kimpalan ultrasonik mengurangkan penggunaan tenaga dalam penyediaan sambungan aloi aluminium, sambil mencapai rintangan sentuhan elektrik dan haba yang sangat rendah, dengan masa kimpalan hanya pada tahap sementara, menunjukkan kecekapan tenaga yang sangat baik dan prestasi pengurusan haba. Dalam-suhu rendah magnet dan aplikasi superkonduktor (seperti pita REBCO CC), prestasi sambungan sangat bergantung pada kekonduksian terma, padanan pekali pengembangan haba dan kestabilan mekanikal. Memandangkan kimpalan ultrasonik tidak menggunakan logam pengisi, ia berkesan mengelakkan terikan sisa, keretakan atau delaminasi antara muka yang disebabkan oleh ketidakpadanan pengembangan haba, dengan itu mengurangkan risiko pelindapkejutan dan memanjangkan hayat perkhidmatan. Pada masa yang sama, sambungan yang dihasilkan oleh proses kimpalan ultrasonik mempunyai kestabilan haba yang baik, bermanfaat untuk mengekalkan integriti struktur semasa proses-bawaan semasa. Daripada perspektif bahan dan metalurgi, kimpalan ultrasonik sebagai proses-keadaan pepejal boleh mencapai penyambungan logam yang berbeza yang boleh dipercayai, mempunyai keperluan yang rendah untuk keadaan permukaan, kebolehsuaian yang tinggi, boleh menyambung bahan dengan perbezaan yang besar dalam takat lebur dan mengurangkan risiko kakisan. Sambungan yang dihasilkan oleh proses ini menunjukkan ubah bentuk yang minimum dan kualiti kimpalan yang tinggi, sesuai untuk plat tebal, plat nipis dan kerajang ultra{11}}nipis, menunjukkan kemampanan yang baik dan prospek aplikasi kejuruteraan dalam bidang penyambungan ketepatan seperti bateri lithium-ion dan pita superkonduktor.
3.1 Cabaran dalam Pengoptimuman Kimpalan Dalam aplikasi kimpalan ultrasonik aluminium, kuprum dan bahan yang tidak serupa, mencapai-berkualiti tinggi, sambungan yang konsisten masih menghadapi pelbagai cabaran. Walaupun kebanyakan aloi aluminium (seperti siri 5xxx dan 6xxx) telah terbukti mempunyai kebolehkimpalan ultrasonik yang baik, sesetengah aloi masih mengalami masalah seperti lekatan hujung kimpalan, ubah bentuk teruk, dan tingkap proses yang sempit, menjadikan pengoptimuman parameter sangat bergantung pada ciri bahan. Kualiti kimpalan sangat sensitif kepada parameter proses, antaranya tenaga kimpalan, masa, amplitud getaran, dan tekanan pengapit adalah faktor dominan, dan interaksinya meningkatkan lagi kerumitan proses. Walaupun reka bentuk percubaan faktorial penuh-tradisional boleh memperoleh sejumlah besar data, ia adalah mahal dan tidak cekap dari segi statistik; sebaliknya, analisis varians (ANOVA) telah terbukti berkesan mengenal pasti parameter utama dan interaksinya dengan lebih sedikit eksperimen, menyediakan asas yang boleh dipercayai untuk memaksimumkan kekuatan kimpalan dan mengawal konsistensi. Walau bagaimanapun, penggunaan kaedah statistik dalam tetapan industri masih terhad oleh kesukaran tafsiran data.
Dari perspektif mekanistik, tegasan antara muka dinamik yang dihasilkan semasa kimpalan ultrasonik boleh menghancurkan filem oksida dan menggalakkan ikatan metalurgi. Input haba yang tidak mencukupi atau berlebihan boleh menyebabkan kimpalan kurang-atau lebihan-dengan mudah, mengakibatkan keretakan antara muka atau kemerosotan prestasi. Kajian telah menunjukkan bahawa padanan yang munasabah antara masa kimpalan dan amplitud getaran boleh membentuk struktur teras kimpalan yang optimum, manakala strategi lanjutan seperti kawalan lengkung amplitud meningkatkan kekuatan dan kestabilan kimpalan sambungan Al-Cu yang tidak serupa dengan melaraskan input tenaga secara berperingkat. Selain itu, parameter struktur seperti kedudukan plat nipis dalam struktur berbilang-lapisan, tekstur permukaan hujung kimpalan dan andas, dan jurang awal juga mempunyai kesan yang ketara ke atas kualiti kimpalan, terutamanya dalam aplikasi yang sangat sensitif seperti pita superkonduktor, di mana ketidakpadanan parameter boleh menyebabkan peningkatan rintangan atau kerosakan pada lapisan berfungsi. Secara keseluruhannya, cabaran teras pengoptimuman kimpalan ultrasonik terletak pada mencapai peningkatan sinergistik kebolehsuaian bahan, prestasi bersama dan kestabilan proses di bawah keadaan berbilang parameter yang digandingkan kuat, yang memerlukan reka bentuk sistematik yang menggabungkan pemahaman mekanistik dan kaedah pengoptimuman statistik dengan kos percubaan yang minimum.
3.2 Cabaran dalam Bahan dan Metalurgi Dalam proses kimpalan ultrasonik aluminium, kuprum, dan bahan yang berbeza, pengaruh bahan dan faktor metalurgi terhadap prestasi sendi adalah sangat kompleks. Tingkah laku kakisan adalah salah satu isu utama yang mengehadkan kebolehpercayaan perkhidmatan sambungan. Hakisan atmosfera, kakisan gelisah dan kakisan galvanik semuanya merendahkan logam-ke-antara muka sentuhan logam, meningkatkan rintangan dan mengurangkan-kestabilan jangka panjang bateri dan sambungan REBCO CC. Tingkah laku pengoksidaan bahan yang berbeza berbeza-beza: lapisan oksida pada permukaan aluminium terbentuk dengan cepat dan agak nipis, manakala lapisan oksida kuprum mempunyai struktur yang lebih kompleks, mempunyai kedua-dua sifat konduktif dan penebat, menjadikan kawalan metalurgi antara muka bahan yang berbeza sukar. Dalam kimpalan ultrasonik Al-Cu, lapisan resapan antara muka biasanya terdiri daripada nanohabluran, fasa amorfus dan kehelan-ketumpatan tinggi. Struktur ini berasal daripada ubah bentuk plastik yang teruk dan interdifusi atom yang disebabkan oleh getaran ultrasonik, yang bermanfaat untuk saling mengunci mekanikal dan ikatan metalurgi, tetapi juga boleh menggalakkan pembentukan sebatian antara logam rapuh (IMC). Disebabkan oleh pertalian kimia yang tinggi antara Al dan Cu, apabila suhu atau ubah bentuk ricih melebihi keadaan kritikal, IMC seperti Al₂Cu mudah terbentuk, membawa kepada penurunan sifat mekanikal sendi dan peningkatan rintangan, terutamanya apabila ketebalan lapisan IMC melebihi kira-kira 2 µm, kesan buruknya menjadi lebih ketara.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, dengan peningkatan masa dan tenaga kimpalan, kesan lekukan kepala dan andas kimpalan meningkat, dan lekukan permukaan dan-ciri penipisan keratan rentas muncul dalam zon kimpalan, mencerminkan aliran plastik dan penyusunan semula bahan semasa proses kimpalan. Kegelisahan pada antara muka meningkat dengan peningkatan masa kimpalan, yang bukan sahaja memendekkan laluan perambatan retak tetapi juga menukar mod patah, secara beransur-ansur berubah daripada patah antara muka kepada tercabut-keluar atau patah bercampur, sekali gus menjejaskan beban kegagalan sendi. Untuk kimpalan bahan yang berbeza, perbezaan kekerasan bahan menguatkan asimetri ubah bentuk ini; bahan yang lebih lembut lebih terdedah kepada penghabluran semula dinamik dan penghalusan bijirin, mengakibatkan pengagihan kekerasan yang tidak sekata dalam zon kimpalan.
3.3 Cabaran Gandingan Elektromekanikal Dalam aplikasi seperti pek bateri kenderaan elektrik dan pita REBCO CC superkonduktor, sambungan dikimpal ultrasonik bukan sahaja perlu memenuhi keperluan sambungan mekanikal tetapi juga mesti mempunyai rintangan sentuhan elektrik yang rendah dan stabil untuk mengelakkan pengumpulan pemanasan Joule, ketidakseimbangan elektrik dan masalah keselamatan yang terhasil seperti pengecasan berlebihan,-pelepasan haba. Penyelidikan menunjukkan bahawa struktur sambungan dan konfigurasi bahan mempengaruhi rintangan dan tingkah laku terma: dalam sambungan Cu–Al berbilang lapisan, bahan yang lebih lembut pada bahagian kepala kimpalan lebih terdedah kepada ubah bentuk dan penipisan, sekali gus merendahkan prestasi elektrik sambungan; sebaliknya, meletakkan lapisan Cu yang lebih tebal atau lebih keras pada bahagian andas boleh mengurangkan kecacatan antara muka dan mengurangkan rintangan sendi. Eksperimen pemuatan nadi semasa selanjutnya menunjukkan bahawa sambungan Al–Cu, disebabkan oleh rintangan antara muka yang lebih tinggi, mengalami kenaikan suhu yang lebih tinggi di bawah keadaan semasa yang sama berbanding dengan sambungan Cu–Cu, menyerlahkan kesan pengekangan gandingan struktur-terma-elektro pada kebolehpercayaan sambungan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, berbanding dengan sambungan pateri tradisional, sambungan kimpalan ultrasonik mengurangkan bilangan lapisan bahan dan antara muka dalam laluan semasa dengan membentuk sambungan keadaan pepejal terus- antara lapisan kuprum, dengan itu menurunkan rintangan sentuhan keseluruhan; walau bagaimanapun, antara muka mereka biasanya terdiri daripada kawasan terikat (P1) dan tidak terikat (P2), dan prestasi elektrik sangat sensitif terhadap kawasan ikatan yang berkesan. Untuk meningkatkan lagi kestabilan sambungan dalam medan magnet yang kuat dan persekitaran kriogenik, kaedah kimpalan komposit ultrasonik{12} pematerian telah dicadangkan. Kaedah ini meningkatkan kesinambungan sentuhan elektrik, mengurangkan rintangan sendi, dan meningkatkan kestabilan mekanikal dan rintangan lentur dengan membenarkan pateri menembusi kawasan yang tidak terikat. Secara keseluruhan, keputusan yang ditunjukkan dalam rajah secara intuitif menunjukkan korelasi rapat antara struktur antara muka bersama, kawasan konduktif yang berkesan, dan tingkah laku gandingan elektromekanikal. Reka bentuk rasional konfigurasi sambungan dikimpal ultrasonik dan proses hibridnya adalah kunci untuk mencapai sambungan elektrik yang boleh dipercayai.
04 Kesimpulan Secara keseluruhan, kimpalan ultrasonik menunjukkan kelebihan teknikal yang ketara dalam penyambungan aluminium dan kuprum, menjadikannya amat sesuai untuk kenderaan elektrik dan aplikasi superkonduktif yang memerlukan kekonduksian elektrik yang sangat tinggi dan integriti struktur. Penyelidikan sedia ada telah secara sistematik mendedahkan mekanisme ikatan antara muka dan mencapai kemajuan penting dalam pengoptimuman parameter proses dan aplikasi kejuruteraan. Walau bagaimanapun, penyelidikan tentang struktur berbilang lapisan yang kompleks,-kebolehpercayaan perkhidmatan jangka panjang bagi bahan yang berbeza, dan pemodelan berangka proses kimpalan masih agak terhad. Penyelidikan masa hadapan harus terus menumpukan pada analisis mekanisme berbilang-skala, kawalan halus ke atas tetingkap proses dan aplikasi sinergistik kimpalan ultrasonik dengan teknologi penyambungan lanjutan lain untuk menggalakkan-pembangunan mendalam dan aplikasi kejuruteraan teknologi ini dalam pembuatan-tinggi.
