01 Introdução Com o rápido desenvolvimento de novos veículos de energia e tecnologia de supercondução de alta-temperatura, tecnologias de conexão leves, de alta condutividade e altamente confiáveis tornaram-se questões-chave no campo de fabricação. O alumínio e o cobre são amplamente utilizados em baterias de energia, sistemas de acionamento elétrico, conexões de barramentos e dispositivos supercondutores devido à sua excelente condutividade elétrica, baixa densidade e boa resistência à corrosão. No entanto, as juntas alumínio-alumínio, cobre-cobre e alumínio-cobre frequentemente enfrentam problemas como entrada excessiva de calor, formação de compostos intermetálicos, amolecimento da junta e deformação da soldagem durante processos convencionais de soldagem por fusão, restringindo seriamente suas aplicações em engenharia. A soldagem ultrassônica, como uma tecnologia típica de união-de estado sólido, consegue ligação metalúrgica de materiais por meio de vibrações mecânicas de alta-frequência e fricção de interface, oferecendo vantagens como baixa entrada de calor, curto tempo de soldagem e reações interfaciais controláveis. Nos últimos anos, tem recebido grande atenção nas áreas de veículos elétricos e engenharia de supercondutores. Especialmente em conexões de abas de bateria, soldagem de metais diferentes de alumínio{9}}cobre e fabricação de barramentos de alta{10}condutividade, a soldagem ultrassônica demonstra desempenho abrangente superior aos métodos de soldagem tradicionais. Neste contexto, este artigo analisa sistematicamente o progresso da pesquisa da tecnologia de soldagem ultrassônica de alumínio e cobre em veículos elétricos e aplicações supercondutoras, resume seus mecanismos de soldagem, evolução de processos e aplicações atuais de engenharia, fornecendo assim uma referência teórica para posterior otimização de processos e desenvolvimento tecnológico.
02 Características da soldagem ultrassônica
A soldagem ultrassônica usa principalmente duas configurações típicas: o sistema de pressão-em cunha e o sistema de acionamento-lateral (Figura 1). Ambos são semelhantes no mecanismo de vibração, mas diferem na forma estrutural, nível de amplitude, força de fixação e materiais aplicáveis. O sistema de pressão-cunha é caracterizado por baixa amplitude e alta força de fixação, transferindo energia ultrassônica diretamente para a peça através da combinação de vibração longitudinal e vibração transversal na ponta de soldagem, adequada para materiais mais espessos ou mais rígidos. O sistema de acionamento-lateral oferece as vantagens de alta amplitude, baixa força de fixação e parâmetros mensuráveis com precisão, tornando-o mais adequado para conectar fios finos, folhas e folhas finas e, portanto, amplamente utilizado em campos como baterias de íons de lítio-e fitas supercondutoras. Com base nisso, os parâmetros de soldagem ultrassônica podem ser divididos em parâmetros de processo e parâmetros de material, sendo a energia de soldagem, o tempo, a força de fixação e a amplitude de vibração os principais fatores que determinam a qualidade da soldagem. Durante a soldagem, é necessário combinar razoavelmente a força de fixação e a amplitude de vibração, garantindo ao mesmo tempo contato suficiente, para evitar deslizamento devido à força de fixação insuficiente ou adelgaçamento excessivo do material devido à força excessiva.
A Figura 1 ilustra um sistema de soldagem ultrassônica usando um modo de vibração transversal, incluindo (a) um sistema de mola em cunha e (b) um sistema de acionamento transversal[1] 2.
2 Requisitos elétricos, térmicos e mecânicos da soldagem ultrassônica Como um processo típico de união-de estado sólido, a soldagem ultrassônica de metal oferece vantagens em termos de compatibilidade elétrica, térmica e de materiais, sendo particularmente adequada para unir materiais de alta condutividade térmica e elétrica. Estudos demonstraram que, em comparação com a soldadura por pontos por resistência, a soldadura ultrassónica reduz o consumo de energia na preparação de juntas de ligas de alumínio, ao mesmo tempo que atinge resistências de contacto elétricas e térmicas extremamente baixas, com tempos de soldadura apenas num nível transitório, demonstrando excelente eficiência energética e desempenho de gestão térmica. Em aplicações magnéticas e supercondutoras de baixa-temperatura (como fitas REBCO CC), o desempenho da junta é altamente dependente da condutividade térmica, da correspondência do coeficiente de expansão térmica e da estabilidade mecânica. Como a soldagem ultrassônica não utiliza metais de adição, ela evita efetivamente deformação residual, rachaduras ou delaminação da interface causada por incompatibilidade de expansão térmica, reduzindo assim os riscos de têmpera e prolongando a vida útil. Ao mesmo tempo, as juntas produzidas pelo processo de soldagem ultrassônica apresentam boa estabilidade térmica, benéfica para manter a integridade estrutural durante processos de transporte de corrente. Do ponto de vista dos materiais e da metalurgia, a soldagem ultrassônica como um processo de estado{9}}sólido pode alcançar união confiável de metais diferentes, tem baixos requisitos de condição de superfície, alta adaptabilidade, pode unir materiais com grandes diferenças nos pontos de fusão e reduz o risco de corrosão. As juntas produzidas por esse processo apresentam deformação mínima e alta qualidade de soldagem, adequadas para chapas grossas, finas e folhas ultra{11}}finas, demonstrando boa sustentabilidade e perspectivas de aplicação de engenharia em campos de união de precisão, como baterias de íons de lítio e fitas supercondutoras.
3.1 Desafios na otimização da soldagem Em aplicações de soldagem ultrassônica de alumínio, cobre e materiais diferentes, alcançar juntas consistentes e de alta-qualidade ainda enfrenta vários desafios. Embora a maioria das ligas de alumínio (como as séries 5xxx e 6xxx) tenham comprovado ter boa soldabilidade ultrassônica, algumas ligas ainda sofrem de problemas como adesão da ponta de soldagem, deformação severa e janelas de processo estreitas, tornando a otimização dos parâmetros altamente dependente das características do material. A qualidade da soldagem é extremamente sensível aos parâmetros do processo, entre os quais a energia de soldagem, o tempo, a amplitude de vibração e a pressão de fixação são os fatores dominantes, e sua interação aumenta ainda mais a complexidade do processo. Embora o projeto experimental-fatorial completo tradicional possa obter uma grande quantidade de dados, ele é caro e estatisticamente ineficiente; em contraste, foi comprovado que a análise de variância (ANOVA) identifica eficazmente os principais parâmetros e suas interações com menos experimentos, fornecendo uma base confiável para maximizar a resistência da soldagem e controlar a consistência. No entanto, a aplicação de métodos estatísticos em ambientes industriais ainda é limitada pela dificuldade de interpretação dos dados.
Do ponto de vista mecanicista, a tensão interfacial dinâmica gerada durante a soldagem ultrassônica pode esmagar o filme de óxido e promover a ligação metalúrgica. A entrada de calor insuficiente ou excessiva pode facilmente levar à soldagem insuficiente ou excessiva, resultando em fratura interfacial ou degradação do desempenho. Estudos demonstraram que uma correspondência razoável entre o tempo de soldagem e a amplitude de vibração pode formar uma estrutura de núcleo de solda ideal, enquanto estratégias avançadas, como o controle da curva de amplitude, melhoram a resistência da soldagem e a estabilidade de juntas de Al-Cu diferentes, ajustando a entrada de energia em estágios. Além disso, parâmetros estruturais como a posição de placas finas em estruturas multi{6}}camadas, a textura da superfície da ponta de soldagem e da bigorna e a folga inicial também têm um impacto significativo na qualidade da soldagem, especialmente em aplicações altamente sensíveis, como fitas supercondutoras, onde a incompatibilidade de parâmetros pode levar ao aumento da resistência ou danos à camada funcional. No geral, o principal desafio da otimização da soldagem ultrassônica reside em alcançar a melhoria sinérgica da adaptabilidade do material, desempenho da junta e estabilidade do processo sob condições multiparâmetros fortemente acopladas, o que requer um projeto sistemático que combina compreensão mecanicista e métodos de otimização estatística com custo experimental mínimo.
3.2 Desafios em Materiais e Metalurgia No processo de soldagem ultrassônica de alumínio, cobre e materiais diferentes, a influência de fatores materiais e metalúrgicos no desempenho da junta é particularmente complexa. O comportamento à corrosão é uma das principais questões que limitam a confiabilidade do serviço da junta. Corrosão atmosférica, corrosão por atrito e corrosão galvânica degradam a interface de contato metal-com{4}}metal, aumentando a resistência e reduzindo a estabilidade-de longo prazo das baterias e das juntas REBCO CC. O comportamento de oxidação de diferentes materiais varia: a camada de óxido na superfície do alumínio forma-se rapidamente e é relativamente fina, enquanto a camada de óxido de cobre tem uma estrutura mais complexa, possuindo propriedades condutoras e isolantes, dificultando o controle metalúrgico da interface de materiais diferentes. Na soldagem ultrassônica Al-Cu, a camada de difusão interfacial geralmente consiste em fases nanocristalinas, amorfas e deslocamentos de alta-densidade. Esta estrutura origina-se de severa deformação plástica e interdifusão atômica induzida por vibração ultrassônica, o que é benéfico para intertravamento mecânico e ligação metalúrgica, mas também pode promover a formação de compostos intermetálicos frágeis (IMCs). Devido à alta afinidade química entre Al e Cu, quando a temperatura ou deformação por cisalhamento excede as condições críticas, IMCs como o Al₂Cu são facilmente formados, levando a uma diminuição nas propriedades mecânicas da junta e a um aumento na resistência, especialmente quando a espessura da camada IMC excede aproximadamente 2 µm, seus efeitos adversos tornam-se mais significativos.
Conforme mostrado na Figura 2, com o aumento do tempo e da energia de soldagem, o efeito de indentação da cabeça de soldagem e da bigorna aumenta, e indentações superficiais e características de afinamento da seção-transversal aparecem na zona de solda, refletindo o fluxo plástico e o rearranjo do material durante o processo de soldagem. A ondulação na interface aumenta com o aumento do tempo de soldagem, o que não apenas encurta o caminho de propagação da trinca, mas também altera o modo de fratura, transformando gradualmente de fratura interfacial para arrancamento ou fratura mista, afetando assim a carga de ruptura da junta. Para soldagem de materiais diferentes, a diferença na dureza do material amplifica esta assimetria de deformação; o material mais macio é mais propenso à recristalização dinâmica e ao refinamento do grão, resultando em distribuição desigual de dureza na zona de solda.
3.3 Desafios do acoplamento eletromecânico Em aplicações como baterias de veículos elétricos e fitas supercondutoras REBCO CC, as juntas soldadas ultrassônicas não só precisam atender aos requisitos de conexão mecânica, mas também devem possuir resistência de contato elétrico baixa e estável para evitar acúmulo de aquecimento Joule, desequilíbrio elétrico e problemas de segurança resultantes, como sobrecarga,{1}}descarga excessiva e até mesmo fuga térmica. A pesquisa mostra que a estrutura da junta e a configuração do material influenciam a resistência e o comportamento térmico: em juntas multicamadas de Cu-Al, materiais mais macios no lado da cabeça de soldagem são mais propensos a deformação e adelgaçamento, degradando assim o desempenho elétrico da junta; em contraste, colocar uma camada de Cu mais espessa ou mais dura no lado da bigorna pode reduzir defeitos interfaciais e diminuir a resistência articular. Experimentos atuais de carga de pulso mostram ainda que as juntas Al-Cu, devido à maior resistência interfacial, experimentam um maior aumento de temperatura sob as mesmas condições de corrente em comparação com as juntas Cu-Cu, destacando o efeito restritivo do acoplamento eletro-térmico-estrutural na confiabilidade da junta. Conforme mostrado na Figura 3, em comparação com as juntas soldadas tradicionais, as juntas soldadas ultrassônicas reduzem o número de camadas de material e interfaces no caminho da corrente, formando uma conexão direta-de estado sólido entre as camadas de cobre, diminuindo assim a resistência geral de contato; entretanto, sua interface geralmente consiste em regiões ligadas (P1) e não ligadas (P2), e o desempenho elétrico é altamente sensível à área de ligação efetiva. Para melhorar ainda mais a estabilidade da junta em campos magnéticos fortes e ambientes criogênicos, foi proposto um método de soldagem composta ultrassônica por brasagem. Este método melhora a continuidade do contato elétrico, reduz a resistência da junta e melhora a estabilidade mecânica e a resistência à flexão, permitindo que a solda penetre nas regiões não ligadas. No geral, os resultados mostrados na figura demonstram intuitivamente uma estreita correlação entre a estrutura da interface da junta, a área condutora efetiva e o comportamento do acoplamento eletromecânico. O projeto racional da configuração da junta soldada por ultrassom e seu processo híbrido é fundamental para obter conexões elétricas altamente confiáveis.
04 Conclusão No geral, a soldagem ultrassônica demonstra vantagens técnicas significativas na união de alumínio e cobre, tornando-a particularmente adequada para veículos elétricos e aplicações supercondutoras que exigem condutividade elétrica e integridade estrutural extremamente altas. A pesquisa existente revelou sistematicamente seu mecanismo de ligação de interface e alcançou progressos importantes na otimização de parâmetros de processo e aplicações de engenharia. No entanto, pesquisas sobre estruturas multicamadas complexas, confiabilidade-de serviço de longo prazo de materiais diferentes e modelagem numérica do processo de soldagem permanecem relativamente limitadas. Pesquisas futuras devem se concentrar ainda mais na análise de mecanismos em-escala múltipla, no controle refinado da janela do processo e na aplicação sinérgica da soldagem ultrassônica com outras tecnologias de união avançadas para promover o-desenvolvimento aprofundado e a aplicação de engenharia dessa tecnologia na fabricação-de alta qualidade.
