01 Einleitung Mit der rasanten Entwicklung neuer Energiefahrzeuge und der Hochtemperatur-Supraleitungstechnologie sind Leichtgewichtigkeit, hohe Leitfähigkeit und äußerst zuverlässige Verbindungstechnologien zu Schlüsselthemen im Fertigungsbereich geworden. Aluminium und Kupfer werden aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit, geringen Dichte und guten Korrosionsbeständigkeit häufig in Leistungsbatterien, elektrischen Antriebssystemen, Sammelschienenverbindungen und supraleitenden Geräten verwendet. Bei Aluminium-Aluminium-, Kupfer-Kupfer- und Aluminium-Kupfer-Verbindungen treten jedoch bei herkömmlichen Schmelzschweißverfahren häufig Probleme wie übermäßiger Wärmeeintrag, Bildung intermetallischer Verbindungen, Verbindungserweichung und Schweißverformung auf, was ihre technischen Anwendungen erheblich einschränkt. Ultraschallschweißen als typische Festkörperverbindungstechnologie erreicht eine metallurgische Verbindung von Materialien durch hochfrequente mechanische Vibrationen und Grenzflächenreibung und bietet Vorteile wie geringe Wärmezufuhr, kurze Schweißzeit und kontrollierbare Grenzflächenreaktionen. In den letzten Jahren hat es in den Bereichen Elektrofahrzeuge und Supraleitungstechnik große Aufmerksamkeit erregt. Insbesondere bei Batterielaschenverbindungen, beim Schweißen von Aluminium-Kupfer-unähnlichen Metallen und bei der Herstellung von Stromschienen mit hoher Leitfähigkeit zeigt das Ultraschallschweißen eine umfassende Leistung, die herkömmlichen Schweißmethoden überlegen ist. Vor diesem Hintergrund untersucht dieser Artikel systematisch den Forschungsfortschritt der Ultraschallschweißtechnologie für Aluminium und Kupfer in Elektrofahrzeug- und Supraleitungsanwendungen, fasst die Schweißmechanismen, die Prozessentwicklung und aktuelle technische Anwendungen zusammen und bietet so eine theoretische Referenz für die anschließende Prozessoptimierung und technologische Entwicklung.
02 Merkmale des Ultraschallschweißens
Beim Ultraschallschweißen werden hauptsächlich zwei typische Konfigurationen verwendet: das Keildrucksystem und das seitliche Antriebssystem (Abbildung 1). Beide sind im Vibrationsmechanismus ähnlich, unterscheiden sich jedoch in der Strukturform, dem Amplitudenniveau, der Klemmkraft und den anwendbaren Materialien. Das Keildrucksystem zeichnet sich durch eine geringe Amplitude und eine hohe Spannkraft aus und überträgt Ultraschallenergie durch die Kombination von Längsvibration und Quervibration an der Schweißspitze direkt auf das Werkstück und eignet sich für dickere oder steifere Materialien. Das laterale Antriebssystem bietet die Vorteile einer hohen Amplitude, einer geringen Klemmkraft und präzise messbarer Parameter, wodurch es sich besser zum Verbinden feiner Drähte, Folien und dünner Bleche eignet und daher in Bereichen wie Lithium-Ionen-Batterien und supraleitenden Bändern weit verbreitet ist. Auf dieser Grundlage können Ultraschallschweißparameter in Prozessparameter und Materialparameter unterteilt werden, wobei Schweißenergie, Zeit, Schließkraft und Vibrationsamplitude die Schlüsselfaktoren für die Schweißqualität sind. Beim Schweißen ist es notwendig, die Spannkraft und die Vibrationsamplitude angemessen aufeinander abzustimmen und gleichzeitig einen ausreichenden Kontakt sicherzustellen, um ein Verrutschen aufgrund unzureichender Spannkraft oder eine übermäßige Materialverdünnung aufgrund übermäßiger Kraft zu vermeiden.
Abbildung 1 zeigt ein Ultraschallschweißsystem mit einem transversalen Vibrationsmodus, einschließlich (a) einem Keilfedersystem und (b) einem transversalen Antriebssystem[1] 2.
2 Elektrische, thermische und mechanische Anforderungen des Ultraschallschweißens Als typisches Festkörperverbindungsverfahren bietet das Ultraschallschweißen von Metallen Vorteile hinsichtlich der elektrischen, thermischen und Materialverträglichkeit und eignet sich besonders zum Verbinden von Materialien mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Studien haben gezeigt, dass das Ultraschallschweißen im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen den Energieverbrauch bei der Vorbereitung von Aluminiumlegierungsverbindungen senkt und gleichzeitig extrem niedrige elektrische und thermische Kontaktwiderstände mit nur vorübergehenden Schweißzeiten erreicht, was eine hervorragende Energieeffizienz und Wärmemanagementleistung beweist. Bei Niedertemperatur-Magnet- und Supraleitungsanwendungen (wie REBCO CC-Bändern) hängt die Verbindungsleistung stark von der Wärmeleitfähigkeit, der Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und der mechanischen Stabilität ab. Da beim Ultraschallschweißen keine Zusatzmetalle zum Einsatz kommen, werden Restspannungen, Risse oder Grenzflächenablösungen aufgrund von Wärmeausdehnungsunterschieden wirksam vermieden, wodurch das Abschreckungsrisiko verringert und die Lebensdauer verlängert wird. Gleichzeitig weisen durch das Ultraschallschweißverfahren hergestellte Verbindungen eine gute thermische Stabilität auf, was für die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität während stromführender Prozesse von Vorteil ist. Aus material- und metallurgischer Sicht kann das Ultraschallschweißen als Festkörperverfahren eine zuverlässige Verbindung unterschiedlicher Metalle ermöglichen, stellt geringe Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit und eine hohe Anpassungsfähigkeit, kann Materialien mit großen Unterschieden in den Schmelzpunkten verbinden und verringert das Korrosionsrisiko. Mit diesem Verfahren hergestellte Verbindungen weisen eine minimale Verformung und eine hohe Schweißqualität auf, eignen sich für dicke Bleche, dünne Bleche und ultradünne Folien und weisen gute Nachhaltigkeits- und technische Anwendungsaussichten in Präzisionsverbindungsbereichen wie Lithium-Ionen-Batterien und supraleitenden Bändern auf.
3.1 Herausforderungen bei der Schweißoptimierung Bei Ultraschallschweißanwendungen von Aluminium, Kupfer und unterschiedlichen Materialien ist die Erzielung qualitativ hochwertiger, konsistenter Verbindungen immer noch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Obwohl die meisten Aluminiumlegierungen (z. B. die Serien 5xxx und 6xxx) nachweislich eine gute Ultraschallschweißbarkeit aufweisen, leiden einige Legierungen immer noch unter Problemen wie Schweißspitzenhaftung, starker Verformung und engen Prozessfenstern, wodurch die Parameteroptimierung stark von den Materialeigenschaften abhängt. Die Schweißqualität ist äußerst empfindlich gegenüber Prozessparametern, unter denen Schweißenergie, Zeit, Vibrationsamplitude und Spanndruck die dominierenden Faktoren sind, und ihr Zusammenspiel erhöht die Prozesskomplexität zusätzlich. Mit der herkömmlichen vollfaktoriellen Versuchsplanung können zwar große Datenmengen gewonnen werden, sie ist jedoch kostspielig und statistisch ineffizient. Im Gegensatz dazu kann die Varianzanalyse (ANOVA) nachweislich Schlüsselparameter und ihre Wechselwirkungen mit weniger Experimenten effektiv identifizieren und so eine zuverlässige Grundlage für die Maximierung der Schweißfestigkeit und die Kontrolle der Konsistenz bieten. Allerdings ist die Anwendung statistischer Methoden in industriellen Umgebungen immer noch durch die Schwierigkeit der Dateninterpretation begrenzt.
Aus mechanistischer Sicht kann die beim Ultraschallschweißen erzeugte dynamische Grenzflächenspannung den Oxidfilm zerdrücken und die metallurgische Bindung fördern. Eine unzureichende oder übermäßige Wärmezufuhr kann leicht zu einer Unter--Verschweißung oder einer Über--Verschweißung führen, was zu Grenzflächenbrüchen oder Leistungseinbußen führt. Studien haben gezeigt, dass eine angemessene Abstimmung zwischen Schweißzeit und Vibrationsamplitude eine optimale Schweißkernstruktur bilden kann, während fortschrittliche Strategien wie die Amplitudenkurvensteuerung die Schweißfestigkeit und Stabilität unterschiedlicher Al-Cu-Verbindungen verbessern, indem sie den Energieeintrag stufenweise anpassen. Darüber hinaus haben auch Strukturparameter wie die Position dünner Platten in mehrschichtigen Strukturen, die Oberflächenbeschaffenheit von Schweißspitze und Amboss sowie der Anfangsspalt einen erheblichen Einfluss auf die Schweißqualität, insbesondere bei hochsensiblen Anwendungen wie supraleitenden Bändern, bei denen eine Nichtübereinstimmung der Parameter zu einem erhöhten Widerstand oder einer Beschädigung der Funktionsschicht führen kann. Insgesamt besteht die zentrale Herausforderung der Optimierung des Ultraschallschweißens darin, eine synergistische Verbesserung der Materialanpassungsfähigkeit, der Verbindungsleistung und der Prozessstabilität unter stark gekoppelten Multi-Parameter-Bedingungen zu erreichen, was ein systematisches Design erfordert, das mechanistisches Verständnis und statistische Optimierungsmethoden mit minimalen experimentellen Kosten kombiniert.
3.2 Herausforderungen bei Materialien und Metallurgie Beim Ultraschallschweißprozess von Aluminium, Kupfer und unterschiedlichen Materialien ist der Einfluss von Material und metallurgischen Faktoren auf die Verbindungsleistung besonders komplex. Das Korrosionsverhalten ist eines der Hauptprobleme, das die Betriebszuverlässigkeit der Verbindung einschränkt. Atmosphärische Korrosion, Passungsrost und galvanische Korrosion beeinträchtigen alle die Kontaktschnittstelle von Metall-zu-, wodurch der Widerstand erhöht und die Langzeitstabilität von Batterien und REBCO CC-Verbindungen verringert wird. Das Oxidationsverhalten verschiedener Materialien variiert: Die Oxidschicht auf der Aluminiumoberfläche bildet sich schnell und ist relativ dünn, während die Kupferoxidschicht eine komplexere Struktur aufweist und sowohl leitende als auch isolierende Eigenschaften besitzt, was die metallurgische Kontrolle der Grenzfläche zwischen unterschiedlichen Materialien erschwert. Beim Al-Cu-Ultraschallschweißen besteht die Grenzflächendiffusionsschicht normalerweise aus nanokristallinen, amorphen Phasen und Versetzungen mit hoher --Dichte. Diese Struktur entsteht durch starke plastische Verformung und atomare Interdiffusion, die durch Ultraschallschwingungen hervorgerufen wird, was sich positiv auf die mechanische Verzahnung und metallurgische Bindung auswirkt, aber auch die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen (IMCs) fördern kann. Aufgrund der hohen chemischen Affinität zwischen Al und Cu bilden sich leicht IMCs wie Al₂Cu, wenn die Temperatur- oder Scherverformung kritische Bedingungen überschreitet, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung und einer Erhöhung des Widerstands führt, insbesondere wenn die IMC-Schichtdicke etwa 2 µm überschreitet, werden ihre nachteiligen Auswirkungen noch deutlicher.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, nimmt mit zunehmender Schweißzeit und -energie der Eindruckeffekt des Schweißkopfes und des Amboss zu, und in der Schweißzone treten Oberflächenvertiefungen und Querschnittsverdünnungen auf, die den plastischen Fluss und die Materialumlagerung während des Schweißprozesses widerspiegeln. Die Welligkeit an der Grenzfläche nimmt mit zunehmender Schweißzeit zu, was nicht nur den Rissausbreitungsweg verkürzt, sondern auch den Bruchmodus verändert und sich allmählich vom Grenzflächenbruch zum Herauszieh- oder Mischbruch verändert, was sich auf die Versagenslast der Verbindung auswirkt. Beim Schweißen unterschiedlicher Materialien verstärkt der Unterschied in der Materialhärte diese Verformungsasymmetrie; Das weichere Material ist anfälliger für dynamische Rekristallisation und Kornverfeinerung, was zu einer ungleichmäßigen Härteverteilung in der Schweißzone führt.
3.3 Herausforderungen bei der elektromechanischen Kopplung In Anwendungen wie Batteriepaketen für Elektrofahrzeuge und supraleitenden REBCO CC-Bändern müssen Ultraschallschweißverbindungen nicht nur mechanische Verbindungsanforderungen erfüllen, sondern auch einen niedrigen und stabilen elektrischen Kontaktwiderstand aufweisen, um eine Ansammlung von Joule-Erwärmung, ein elektrisches Ungleichgewicht und daraus resultierende Sicherheitsprobleme wie Überladung, Tiefentladung und sogar thermisches Durchgehen zu vermeiden. Untersuchungen zeigen, dass die Verbindungsstruktur und die Materialkonfiguration den Widerstand und das thermische Verhalten beeinflussen: Bei mehrschichtigen Cu-Al-Verbindungen sind weichere Materialien auf der Schweißkopfseite anfälliger für Verformung und Ausdünnung, wodurch die elektrische Leistung der Verbindung beeinträchtigt wird. Im Gegensatz dazu kann das Aufbringen einer dickeren oder härteren Cu-Schicht auf der Ambossseite Grenzflächendefekte reduzieren und den Verbindungswiderstand verringern. Aktuelle Pulsbelastungsexperimente zeigen außerdem, dass Al-Cu-Verbindungen aufgrund des höheren Grenzflächenwiderstands unter den gleichen Strombedingungen einen größeren Temperaturanstieg erfahren als Cu-Cu-Verbindungen, was den einschränkenden Effekt der elektro-thermischen-strukturellen Kopplung auf die Verbindungszuverlässigkeit verdeutlicht. Wie in Abbildung 3 dargestellt, reduzieren Ultraschallschweißverbindungen im Vergleich zu herkömmlichen Hartlötverbindungen die Anzahl der Materialschichten und Grenzflächen im Strompfad, indem sie eine direkte Festkörperverbindung zwischen den Kupferschichten bilden, wodurch der Gesamtkontaktwiderstand gesenkt wird. Ihre Grenzfläche besteht jedoch normalerweise sowohl aus gebundenen (P1) als auch aus ungebundenen (P2) Bereichen, und die elektrische Leistung hängt stark von der effektiven Bindungsfläche ab. Um die Stabilität der Verbindung in starken Magnetfeldern und kryogenen Umgebungen weiter zu verbessern, wurde ein Hartlöt--Ultraschall-Verbundschweißverfahren vorgeschlagen. Dieses Verfahren verbessert die Kontinuität des elektrischen Kontakts, verringert den Verbindungswiderstand und verbessert die mechanische Stabilität und Biegefestigkeit, indem es dem Lot ermöglicht, in die nicht verbundenen Bereiche einzudringen. Insgesamt zeigen die in der Abbildung dargestellten Ergebnisse intuitiv eine enge Korrelation zwischen der Verbindungsschnittstellenstruktur, der effektiven leitfähigen Fläche und dem elektromechanischen Kopplungsverhalten. Eine rationelle Gestaltung der ultraschallgeschweißten Verbindungskonfiguration und ihres Hybridprozesses ist der Schlüssel zum Erreichen äußerst zuverlässiger elektrischer Verbindungen.
04 Fazit Insgesamt zeigt das Ultraschallschweißen erhebliche technische Vorteile beim Verbinden von Aluminium und Kupfer, wodurch es sich besonders für Elektrofahrzeuge und supraleitende Anwendungen eignet, die eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit und strukturelle Integrität erfordern. Die bestehende Forschung hat den Mechanismus der Grenzflächenbindung systematisch aufgedeckt und wichtige Fortschritte bei der Optimierung von Prozessparametern und technischen Anwendungen erzielt. Die Forschung zu komplexen Mehrschichtstrukturen, der langfristigen Betriebszuverlässigkeit unterschiedlicher Materialien und der numerischen Modellierung des Schweißprozesses ist jedoch nach wie vor relativ begrenzt. Zukünftige Forschung sollte sich weiter auf die Analyse multiskaliger Mechanismen, eine verfeinerte Steuerung des Prozessfensters und die synergetische Anwendung des Ultraschallschweißens mit anderen fortschrittlichen Verbindungstechnologien konzentrieren, um die tiefgreifende Entwicklung und technische Anwendung dieser Technologie in der High-End-Fertigung zu fördern.
