01 مقدمة مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة-وتقنية التوصيل الفائق التي تتحمل درجات الحرارة العالية، أصبحت تقنيات التوصيل الخفيف الوزن والموصلية العالية وتقنيات الاتصال الموثوقة للغاية من المشكلات الرئيسية في مجال التصنيع. يستخدم الألومنيوم والنحاس على نطاق واسع في بطاريات الطاقة، وأنظمة القيادة الكهربائية، ووصلات بسبار، والأجهزة فائقة التوصيل بسبب موصليتها الكهربائية الممتازة، وكثافتها المنخفضة، ومقاومتها الجيدة للتآكل. ومع ذلك، غالبًا ما تواجه وصلات الألومنيوم والألمنيوم والنحاس والنحاس والألمنيوم والنحاس مشاكل مثل مدخلات الحرارة الزائدة، وتكوين المركبات بين المعادن، وتليين المفاصل، وتشوه اللحام أثناء عمليات اللحام بالانصهار التقليدية، مما يحد بشكل خطير من تطبيقاتها الهندسية. يحقق اللحام بالموجات فوق الصوتية، باعتباره تقنية وصل نموذجية -في الحالة الصلبة، ترابطًا معدنيًا للمواد من خلال-اهتزازات ميكانيكية عالية التردد واحتكاك الواجهة، مما يوفر مزايا مثل انخفاض مدخلات الحرارة وقصر وقت اللحام وتفاعلات بينية يمكن التحكم فيها. وفي السنوات الأخيرة، حظي باهتمام واسع في مجالات السيارات الكهربائية وهندسة الموصلية الفائقة. وخاصة في توصيلات علامات تبويب البطارية، واللحام المعدني المختلف من الألومنيوم-والنحاس، وتصنيع قضبان التوصيل ذات الموصلية العالية-، يُظهر اللحام بالموجات فوق الصوتية أداءً شاملاً يتفوق على طرق اللحام التقليدية. على هذه الخلفية، تستعرض هذه الورقة بشكل منهجي التقدم البحثي في تكنولوجيا اللحام بالموجات فوق الصوتية للألمنيوم والنحاس في المركبات الكهربائية وتطبيقات الموصلية الفائقة، وتلخص آليات اللحام، وتطور العملية، والتطبيقات الهندسية الحالية، وبالتالي توفير مرجع نظري لتحسين العملية اللاحقة والتطوير التكنولوجي.
02 مميزات اللحام بالموجات فوق الصوتية
يستخدم اللحام بالموجات فوق الصوتية في المقام الأول تكوينين نموذجيين: نظام الضغط الإسفيني- ونظام التشغيل الجانبي- (الشكل 1). كلاهما متشابهان في آلية الاهتزاز ولكنهما يختلفان في الشكل الهيكلي، ومستوى السعة، وقوة التثبيت، والمواد القابلة للتطبيق. يتميز نظام الضغط الإسفيني - بسعة منخفضة وقوة تثبيت عالية، مما ينقل طاقة الموجات فوق الصوتية مباشرة إلى قطعة العمل من خلال مزيج من الاهتزاز الطولي والاهتزاز العرضي عند طرف اللحام، وهو مناسب للمواد السميكة أو الأكثر صلابة. يوفر نظام التشغيل الجانبي- مزايا السعة العالية وقوة التثبيت المنخفضة والمعلمات القابلة للقياس بدقة، مما يجعله أكثر ملاءمة لتوصيل الأسلاك الدقيقة والرقائق والصفائح الرقيقة وبالتالي يستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل بطاريات الليثيوم- الأيونية والأشرطة فائقة التوصيل. على هذا الأساس، يمكن تقسيم معلمات اللحام بالموجات فوق الصوتية إلى معلمات العملية ومعلمات المواد، مع كون طاقة اللحام والوقت وقوة التثبيت وسعة الاهتزاز هي العوامل الرئيسية التي تحدد جودة اللحام. أثناء اللحام، من الضروري مطابقة قوة التثبيت وسعة الاهتزاز بشكل معقول مع ضمان الاتصال الكافي، لتجنب الانزلاق بسبب قوة التثبيت غير الكافية أو التخفيف المفرط للمادة بسبب القوة المفرطة.
يوضح الشكل 1 نظام اللحام بالموجات فوق الصوتية باستخدام وضع الاهتزاز العرضي، بما في ذلك (أ) نظام الزنبرك الإسفيني و(ب) نظام الدفع العرضي[1] 2.
2 المتطلبات الكهربائية والحرارية والميكانيكية للحام بالموجات فوق الصوتية باعتباره عملية ربط نموذجية -لحالة صلبة، يوفر لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية مزايا في التوافق الكهربائي والحراري والمادي، ومناسب بشكل خاص لربط المواد الحرارية والكهربائية العالية. أظهرت الدراسات أنه بالمقارنة مع اللحام النقطي بالمقاومة، فإن اللحام بالموجات فوق الصوتية يقلل من استهلاك الطاقة في إعداد وصلات سبائك الألومنيوم، مع تحقيق مقاومة اتصال كهربائية وحرارية منخفضة للغاية، مع أوقات اللحام فقط على مستوى عابر، مما يدل على كفاءة ممتازة في استخدام الطاقة وأداء الإدارة الحرارية. في تطبيقات المغناطيس ذات درجات الحرارة المنخفضة -والتوصيل الفائق (مثل أشرطة REBCO CC)، يعتمد أداء المفاصل بشكل كبير على التوصيل الحراري ومطابقة معامل التمدد الحراري والثبات الميكانيكي. نظرًا لأن اللحام بالموجات فوق الصوتية لا يستخدم معادن الحشو، فإنه يتجنب بشكل فعال الإجهاد المتبقي، أو التشقق أو انفصال الواجهة الناتج عن عدم تطابق التمدد الحراري، وبالتالي تقليل مخاطر التبريد وإطالة عمر الخدمة. وفي الوقت نفسه، تتمتع الوصلات التي تنتجها عملية اللحام بالموجات فوق الصوتية بثبات حراري جيد، مما يفيد في الحفاظ على السلامة الهيكلية أثناء عمليات الحمل الحالية. من منظور المواد والمعادن، يمكن أن يحقق اللحام بالموجات فوق الصوتية كعملية في الحالة الصلبة -ربطًا موثوقًا للمعادن المتباينة، وله متطلبات منخفضة لحالة السطح، وقدرة عالية على التكيف، ويمكنه ربط المواد ذات الاختلافات الكبيرة في نقاط الانصهار، ويقلل من خطر التآكل. تُظهر المفاصل التي تنتجها هذه العملية حدًا أدنى من التشوه وجودة لحام عالية، ومناسبة للألواح السميكة والألواح الرقيقة والرقائق الرقيقة-البالغة الرقة، مما يوضح الاستدامة الجيدة وآفاق التطبيقات الهندسية في مجالات الربط الدقيقة مثل بطاريات أيونات الليثيوم- والأشرطة فائقة التوصيل.
3.1 تحديات تحسين اللحام في تطبيقات اللحام بالموجات فوق الصوتية للألمنيوم والنحاس والمواد المختلفة، لا يزال تحقيق وصلات متسقة وعالية الجودة- يواجه تحديات متعددة. على الرغم من أن معظم سبائك الألومنيوم (مثل سلسلة 5xxx و6xxx) قد ثبت أنها تتمتع بقابلية لحام جيدة بالموجات فوق الصوتية، إلا أن بعض السبائك لا تزال تعاني من مشاكل مثل التصاق طرف اللحام، والتشوه الشديد، ونوافذ العملية الضيقة، مما يجعل تحسين المعلمة يعتمد بشكل كبير على خصائص المادة. تعتبر جودة اللحام حساسة للغاية لمعلمات العملية، ومن بينها طاقة اللحام، والوقت، وسعة الاهتزاز، وضغط التثبيت هي العوامل السائدة، كما أن تفاعلها يزيد من تعقيد العملية. في حين أن التصميم التجريبي العاملي الكامل-التقليدي يمكن أن يحصل على كمية كبيرة من البيانات، إلا أنه مكلف وغير فعال من الناحية الإحصائية؛ في المقابل، أثبت تحليل التباين (ANOVA) أنه يحدد بشكل فعال المعلمات الرئيسية وتفاعلاتها مع عدد أقل من التجارب، مما يوفر أساسًا موثوقًا لزيادة قوة اللحام إلى الحد الأقصى والتحكم في الاتساق. ومع ذلك، فإن تطبيق الأساليب الإحصائية في البيئات الصناعية لا يزال محدودا بسبب صعوبة تفسير البيانات.
من منظور ميكانيكي، يمكن للضغط السطحي الديناميكي المتولد أثناء اللحام بالموجات فوق الصوتية أن يسحق طبقة الأكسيد ويعزز الترابط المعدني. يمكن أن يؤدي إدخال الحرارة غير الكافي أو المفرط بسهولة إلى اللحام الناقص- أو اللحام الزائد-، مما يؤدي إلى كسر بين السطح أو تدهور الأداء. أظهرت الدراسات أن التطابق المعقول بين وقت اللحام وسعة الاهتزاز يمكن أن يشكل بنية أساسية مثالية للحام، بينما تعمل الاستراتيجيات المتقدمة مثل التحكم في منحنى السعة على تحسين قوة اللحام واستقرار وصلات Al-Cu المتباينة عن طريق ضبط مدخلات الطاقة على مراحل. بالإضافة إلى ذلك، فإن المعلمات الهيكلية مثل موضع الصفائح الرقيقة في الهياكل متعددة-الطبقات، والملمس السطحي لطرف اللحام والسندان، والفجوة الأولية لها أيضًا تأثير كبير على جودة اللحام، خاصة في التطبيقات الحساسة للغاية مثل الأشرطة فائقة التوصيل، حيث قد يؤدي عدم تطابق المعلمات إلى زيادة المقاومة أو تلف الطبقة الوظيفية. بشكل عام، يكمن التحدي الأساسي لتحسين اللحام بالموجات فوق الصوتية في تحقيق تحسين تآزري لقدرة المواد على التكيف، والأداء المشترك، واستقرار العملية في ظل ظروف معلمات متعددة -مقترنة بقوة، الأمر الذي يتطلب تصميمًا منهجيًا يجمع بين الفهم الميكانيكي وطرق التحسين الإحصائي بأقل تكلفة تجريبية.
3.2 التحديات في المواد والمعادن في عملية اللحام بالموجات فوق الصوتية للألمنيوم والنحاس والمواد المتباينة، يكون تأثير العوامل المادية والمعدنية على أداء المفاصل معقدًا بشكل خاص. يعد سلوك التآكل أحد المشكلات الرئيسية التي تحد من موثوقية خدمة المفصل. يؤدي التآكل الجوي والتآكل المزعج والتآكل الجلفاني جميعها إلى تدهور المعدن-إلى-واجهة التلامس المعدنية، مما يزيد المقاومة ويقلل -ثبات البطاريات ومفاصل REBCO CC على المدى الطويل. يختلف سلوك الأكسدة للمواد المختلفة: تتشكل طبقة الأكسيد على سطح الألومنيوم بسرعة وتكون رقيقة نسبيًا، في حين أن طبقة أكسيد النحاس لها بنية أكثر تعقيدًا، وتمتلك خصائص موصلة وعازلة، مما يجعل التحكم المعدني في واجهة المواد المتباينة أمرًا صعبًا. في اللحام بالموجات فوق الصوتية Al-Cu، تتكون طبقة الانتشار البيني عادةً من بلورات نانوية ومراحل غير متبلورة وخلع عالي الكثافة. ينشأ هذا الهيكل من تشوه البلاستيك الشديد والانتشار الذري الناجم عن الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية، وهو مفيد للتشابك الميكانيكي والترابط المعدني، ولكنه قد يشجع أيضًا على تكوين مركبات بين معدنية هشة (IMCs). بسبب التقارب الكيميائي العالي بين Al وCu، عندما تتجاوز درجة الحرارة أو تشوه القص الظروف الحرجة، تتشكل IMCs مثل Al₂Cu بسهولة، مما يؤدي إلى انخفاض الخواص الميكانيكية للمفصل وزيادة في المقاومة، خاصة عندما يتجاوز سمك طبقة IMC حوالي 2 ميكرومتر، وتصبح آثارها الضارة أكثر أهمية.
كما هو موضح في الشكل 2، مع زيادة وقت اللحام والطاقة، يزداد تأثير المسافة البادئة لرأس اللحام والسندان، وتظهر المسافات البادئة السطحية وميزات ترقق المقطع العرضي- في منطقة اللحام، مما يعكس تدفق البلاستيك وإعادة ترتيب المواد أثناء عملية اللحام. يزداد التموج في الواجهة مع زيادة وقت اللحام، الأمر الذي لا يؤدي إلى تقصير مسار انتشار الشق فحسب، بل يغير أيضًا وضع الكسر، ويتحول تدريجيًا من الكسر السطحي إلى -كسر سحب أو كسر مختلط، وبالتالي يؤثر على حمل فشل المفصل. بالنسبة إلى لحام المواد المتباينة، يؤدي الاختلاف في صلابة المادة إلى تضخيم عدم تناسق التشوه هذا؛ تكون المادة الأكثر ليونة أكثر عرضة لإعادة التبلور الديناميكي وصقل الحبوب، مما يؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للصلابة في منطقة اللحام.
3.3 تحديات الاقتران الكهروميكانيكي في تطبيقات مثل مجموعات بطاريات السيارات الكهربائية وأشرطة REBCO CC فائقة التوصيل، لا تحتاج الوصلات الملحومة بالموجات فوق الصوتية إلى تلبية متطلبات التوصيل الميكانيكي فحسب، بل يجب أيضًا أن تتمتع بمقاومة اتصال كهربائية منخفضة ومستقرة لتجنب تراكم تسخين جول، وعدم التوازن الكهربائي، ومشكلات السلامة الناتجة مثل الشحن الزائد، والتفريغ الزائد-، وحتى الهروب الحراري. تظهر الأبحاث أن هيكل المفصل وتكوين المادة يؤثران على المقاومة والسلوك الحراري: في وصلات Cu-Al متعددة الطبقات، تكون المواد اللينة الموجودة على جانب رأس اللحام أكثر عرضة للتشوه والترقق، وبالتالي يؤدي ذلك إلى تدهور الأداء الكهربائي للمفصل؛ في المقابل، فإن وضع طبقة نحاس أكثر سمكًا أو صلابة على جانب السندان يمكن أن يقلل من العيوب البينية ويقلل من مقاومة المفاصل. تُظهر تجارب تحميل النبض الحالية أيضًا أن مفاصل Al-Cu، بسبب المقاومة البينية الأعلى، تشهد ارتفاعًا أكبر في درجة الحرارة في ظل نفس الظروف الحالية مقارنة بمفاصل Cu-Cu، مما يسلط الضوء على التأثير المقيد للاقتران الهيكلي الكهربائي -الحراري- على موثوقية المفصل. كما هو موضح في الشكل 3، بالمقارنة مع الوصلات النحاسية التقليدية، تعمل الوصلات الملحومة بالموجات فوق الصوتية على تقليل عدد طبقات المواد والواجهات في المسار الحالي عن طريق تكوين اتصال حالة صلبة - مباشر بين طبقات النحاس، وبالتالي تقليل مقاومة التلامس الإجمالية؛ ومع ذلك، تتكون واجهتها عادةً من مناطق مرتبطة (P1) وغير مرتبطة (P2)، ويكون الأداء الكهربائي حساسًا للغاية لمنطقة الربط الفعالة. لزيادة تحسين استقرار المفصل في المجالات المغناطيسية القوية والبيئات المبردة، تم اقتراح طريقة اللحام المركب بالموجات فوق الصوتية بالنحاس. تعمل هذه الطريقة على تعزيز استمرارية الاتصال الكهربائي، وتقليل مقاومة المفاصل، وتحسين الاستقرار الميكانيكي ومقاومة الانحناء من خلال السماح للحام باختراق المناطق غير المرتبطة. بشكل عام، توضح النتائج الموضحة في الشكل بشكل بديهي وجود علاقة وثيقة بين بنية الواجهة المشتركة ومنطقة التوصيل الفعالة وسلوك الاقتران الكهروميكانيكي. يعد التصميم العقلاني لتكوين الوصلة الملحومة بالموجات فوق الصوتية وعمليتها الهجينة أمرًا أساسيًا لتحقيق توصيلات كهربائية موثوقة للغاية.
04 الاستنتاج بشكل عام، يُظهر اللحام بالموجات فوق الصوتية مزايا تقنية كبيرة في ربط الألومنيوم والنحاس، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للسيارات الكهربائية وتطبيقات التوصيل الفائق التي تتطلب توصيلًا كهربائيًا عاليًا للغاية وسلامة هيكلية. كشفت الأبحاث الحالية بشكل منهجي عن آلية ربط الواجهة الخاصة بها وحققت تقدمًا مهمًا في تحسين معلمات العملية والتطبيقات الهندسية. ومع ذلك، تظل الأبحاث حول الهياكل المعقدة متعددة الطبقات-ووثوقية الخدمة طويلة المدى للمواد المتباينة والنمذجة الرقمية لعملية اللحام محدودة نسبيًا. ينبغي أن تركز الأبحاث المستقبلية بشكل أكبر على تحليل الآليات متعددة النطاقات-، والتحكم الدقيق في نافذة العملية، والتطبيق التآزري للحام بالموجات فوق الصوتية مع تقنيات الربط المتقدمة الأخرى لتعزيز-التطوير المتعمق والتطبيق الهندسي لهذه التكنولوجيا في-التصنيع عالي الجودة.
