01 Pendahuluan Dengan pesatnya perkembangan kendaraan energi baru dan-teknologi superkonduktor suhu tinggi, teknologi koneksi yang ringan, berkonduktivitas tinggi, dan sangat andal telah menjadi isu utama dalam bidang manufaktur. Aluminium dan tembaga banyak digunakan dalam baterai daya, sistem penggerak listrik, sambungan busbar, dan perangkat superkonduktor karena konduktivitas listriknya yang sangat baik, kepadatan rendah, dan ketahanan korosi yang baik. Namun, sambungan aluminium-aluminium, tembaga-tembaga, dan aluminium-tembaga sering menghadapi masalah seperti masukan panas yang berlebihan, pembentukan senyawa intermetalik, pelunakan sambungan, dan deformasi pengelasan selama proses pengelasan fusi konvensional, sehingga sangat membatasi aplikasi tekniknya. Pengelasan ultrasonik, sebagai teknologi penyambungan-keadaan padat pada umumnya, mencapai ikatan metalurgi material melalui-getaran mekanis frekuensi tinggi dan gesekan antarmuka, sehingga menawarkan keuntungan seperti masukan panas yang rendah, waktu pengelasan yang singkat, dan reaksi antarmuka yang dapat dikontrol. Dalam beberapa tahun terakhir, hal ini mendapat perhatian luas di bidang kendaraan listrik dan teknik superkonduktor. Khususnya pada sambungan tab baterai, pengelasan logam aluminium-tembaga yang berbeda, dan pembuatan busbar-konduktivitas tinggi, pengelasan ultrasonik menunjukkan kinerja komprehensif yang lebih unggul dibandingkan metode pengelasan tradisional. Dengan latar belakang ini, makalah ini secara sistematis meninjau kemajuan penelitian teknologi pengelasan ultrasonik aluminium dan tembaga dalam aplikasi kendaraan listrik dan superkonduktor, merangkum mekanisme pengelasan, evolusi proses, dan aplikasi teknik saat ini, sehingga memberikan referensi teoretis untuk optimalisasi proses dan pengembangan teknologi selanjutnya.
02 Fitur pengelasan ultrasonik
Pengelasan ultrasonik pada dasarnya menggunakan dua konfigurasi umum: sistem tekanan-baji dan sistem penggerak-lateral (Gambar 1). Keduanya serupa dalam mekanisme getaran tetapi berbeda dalam bentuk struktural, tingkat amplitudo, gaya penjepit, dan bahan yang digunakan. Sistem tekanan baji-dicirikan dengan amplitudo rendah dan gaya penjepitan tinggi, mentransfer energi ultrasonik langsung ke benda kerja melalui kombinasi getaran memanjang dan getaran melintang pada ujung pengelasan, cocok untuk material yang lebih tebal atau lebih kaku. Sistem penggerak-lateral menawarkan keunggulan amplitudo tinggi, gaya penjepitan rendah, dan parameter terukur secara tepat, sehingga lebih cocok untuk menyambung kabel halus, foil, dan lembaran tipis sehingga banyak digunakan dalam bidang seperti baterai litium-ion dan pita superkonduktor. Atas dasar ini, parameter pengelasan ultrasonik dapat dibagi menjadi parameter proses dan parameter material, dengan energi pengelasan, waktu, gaya penjepit, dan amplitudo getaran menjadi faktor kunci yang menentukan kualitas pengelasan. Selama pengelasan, gaya penjepitan dan amplitudo getaran harus disesuaikan secara wajar sambil memastikan kontak yang cukup, untuk menghindari selip karena gaya penjepitan yang tidak mencukupi atau penipisan material yang berlebihan karena gaya yang berlebihan.
Gambar 1 mengilustrasikan sistem pengelasan ultrasonik dengan menggunakan mode getaran melintang, meliputi (a) sistem pegas baji dan (b) sistem penggerak melintang[1] 2.
2 Persyaratan kelistrikan, termal, dan mekanis pada pengelasan ultrasonik Sebagai proses penyambungan benda padat pada umumnya, pengelasan ultrasonik logam menawarkan keunggulan dalam kompatibilitas kelistrikan, termal, dan material, terutama cocok untuk menyambung material dengan konduktivitas termal dan listrik yang tinggi. Penelitian telah menunjukkan bahwa dibandingkan dengan pengelasan titik resistensi, pengelasan ultrasonik mengurangi konsumsi energi dalam persiapan sambungan paduan aluminium, sekaligus mencapai resistensi kontak listrik dan termal yang sangat rendah, dengan waktu pengelasan hanya pada tingkat sementara, menunjukkan efisiensi energi dan kinerja manajemen termal yang sangat baik. Dalam aplikasi magnet dan superkonduktor bersuhu rendah (seperti pita REBCO CC), kinerja sambungan sangat bergantung pada konduktivitas termal, pencocokan koefisien ekspansi termal, dan stabilitas mekanis. Karena pengelasan ultrasonik tidak menggunakan logam pengisi, pengelasan ini secara efektif menghindari regangan sisa, retak, atau delaminasi antarmuka yang disebabkan oleh ketidaksesuaian ekspansi termal, sehingga mengurangi risiko pendinginan dan memperpanjang masa pakai. Pada saat yang sama, sambungan yang dihasilkan oleh proses pengelasan ultrasonik memiliki stabilitas termal yang baik, bermanfaat untuk menjaga integritas struktural selama-proses pembawa arus. Dari sudut pandang material dan metalurgi, pengelasan ultrasonik sebagai proses-keadaan padat dapat mencapai penyatuan logam berbeda yang andal, memiliki persyaratan kondisi permukaan yang rendah, kemampuan beradaptasi yang tinggi, dapat menggabungkan material dengan perbedaan titik leleh yang besar, dan mengurangi risiko korosi. Sambungan yang dihasilkan melalui proses ini menunjukkan deformasi minimal dan kualitas pengelasan yang tinggi, cocok untuk pelat tebal, pelat tipis, dan foil ultra-tipis, menunjukkan keberlanjutan yang baik dan prospek penerapan teknik dalam bidang penyambungan presisi seperti baterai litium-ion dan pita superkonduktor.
3.1 Tantangan dalam Optimasi Pengelasan Dalam aplikasi pengelasan ultrasonik pada aluminium, tembaga, dan material berbeda, mencapai-sambungan yang konsisten dan berkualitas tinggi masih menghadapi banyak tantangan. Meskipun sebagian besar paduan aluminium (seperti seri 5xxx dan 6xxx) telah terbukti memiliki kemampuan las ultrasonik yang baik, beberapa paduan masih mengalami masalah seperti adhesi ujung las, deformasi parah, dan jendela proses yang sempit, sehingga pengoptimalan parameter sangat bergantung pada karakteristik material. Kualitas pengelasan sangat sensitif terhadap parameter proses, di antaranya energi pengelasan, waktu, amplitudo getaran, dan tekanan penjepitan merupakan faktor dominan, dan interaksinya semakin meningkatkan kompleksitas proses. Meskipun desain eksperimen faktorial penuh-tradisional dapat memperoleh data dalam jumlah besar, biayanya mahal dan tidak efisien secara statistik; sebaliknya, analisis varians (ANOVA) telah terbukti secara efektif mengidentifikasi parameter utama dan interaksinya dengan eksperimen yang lebih sedikit, memberikan dasar yang dapat diandalkan untuk memaksimalkan kekuatan pengelasan dan mengendalikan konsistensi. Namun penerapan metode statistik di lingkungan industri masih dibatasi oleh sulitnya interpretasi data.
Dari perspektif mekanistik, tegangan antarmuka dinamis yang dihasilkan selama pengelasan ultrasonik dapat menghancurkan lapisan oksida dan meningkatkan ikatan metalurgi. Masukan panas yang tidak mencukupi atau berlebihan dapat dengan mudah menyebabkan pengelasan yang kurang-atau berlebihan-yang mengakibatkan patahnya antarmuka atau penurunan kinerja. Penelitian telah menunjukkan bahwa kesesuaian yang wajar antara waktu pengelasan dan amplitudo getaran dapat membentuk struktur inti las yang optimal, sementara strategi lanjutan seperti kontrol kurva amplitudo meningkatkan kekuatan pengelasan dan stabilitas sambungan Al-Cu yang berbeda dengan menyesuaikan masukan energi secara bertahap. Selain itu, parameter struktural seperti posisi pelat tipis dalam struktur multi-lapisan, tekstur permukaan ujung dan landasan pengelasan, serta celah awal juga memiliki dampak signifikan terhadap kualitas pengelasan, terutama pada aplikasi yang sangat sensitif seperti pita superkonduktor, di mana ketidaksesuaian parameter dapat menyebabkan peningkatan resistensi atau kerusakan pada lapisan fungsional. Secara keseluruhan, tantangan inti pengoptimalan pengelasan ultrasonik terletak pada pencapaian peningkatan sinergis dalam kemampuan adaptasi material, kinerja sambungan, dan stabilitas proses dalam kondisi multi-parameter yang digabungkan secara kuat, yang memerlukan desain sistematis yang menggabungkan pemahaman mekanistik dan metode pengoptimalan statistik dengan biaya eksperimen minimal.
3.2 Tantangan Material dan Metalurgi Dalam proses pengelasan ultrasonik pada aluminium, tembaga, dan material berbeda, pengaruh faktor material dan metalurgi terhadap kinerja sambungan sangatlah kompleks. Perilaku korosi adalah salah satu masalah utama yang membatasi keandalan layanan sambungan. Korosi atmosfer, korosi fretting, dan korosi galvanik semuanya menurunkan antarmuka kontak logam-ke-logam, sehingga meningkatkan ketahanan dan mengurangi-stabilitas jangka panjang baterai dan sambungan REBCO CC. Perilaku oksidasi bahan yang berbeda bervariasi: lapisan oksida pada permukaan aluminium terbentuk dengan cepat dan relatif tipis, sedangkan lapisan oksida tembaga memiliki struktur yang lebih kompleks, memiliki sifat konduktif dan isolasi, membuat kontrol metalurgi pada antarmuka bahan yang berbeda menjadi sulit. Dalam pengelasan ultrasonik Al-Cu, lapisan difusi antarmuka biasanya terdiri dari nanokristalin, fase amorf, dan dislokasi kepadatan-tinggi. Struktur ini berasal dari deformasi plastis yang parah dan interdifusi atom yang disebabkan oleh getaran ultrasonik, yang bermanfaat untuk interlocking mekanis dan ikatan metalurgi, namun juga dapat mendorong pembentukan senyawa intermetalik rapuh (IMC). Karena afinitas kimia yang tinggi antara Al dan Cu, ketika suhu atau deformasi geser melebihi kondisi kritis, IMC seperti Al₂Cu mudah terbentuk, menyebabkan penurunan sifat mekanik sambungan dan peningkatan resistensi, terutama ketika ketebalan lapisan IMC melebihi sekitar 2 µm, efek buruknya menjadi lebih signifikan.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, dengan bertambahnya waktu dan energi pengelasan, efek lekukan kepala dan landasan pengelasan meningkat, dan lekukan permukaan serta fitur penipisan penampang muncul di zona las, yang mencerminkan aliran plastis dan penataan ulang material selama proses pengelasan. Kegelisahan pada antarmuka meningkat seiring bertambahnya waktu pengelasan, yang tidak hanya memperpendek jalur perambatan retak namun juga mengubah mode rekahan, secara bertahap berubah dari rekahan antarmuka menjadi rekahan tarik keluar atau rekahan campuran, sehingga memengaruhi beban kegagalan sambungan. Untuk pengelasan material yang berbeda, perbedaan kekerasan material memperkuat asimetri deformasi ini; bahan yang lebih lembut lebih rentan terhadap rekristalisasi dinamis dan penghalusan butiran, sehingga menyebabkan distribusi kekerasan yang tidak merata di zona pengelasan.
3.3 Tantangan Kopling Elektromekanis Dalam aplikasi seperti paket baterai kendaraan listrik dan pita REBCO CC superkonduktor, sambungan las ultrasonik tidak hanya harus memenuhi persyaratan sambungan mekanis namun juga harus memiliki ketahanan kontak listrik yang rendah dan stabil untuk menghindari akumulasi pemanasan Joule, ketidakseimbangan listrik, dan masalah keselamatan yang diakibatkannya seperti pengisian daya berlebih,-pengosongan berlebih, dan bahkan pelepasan panas. Penelitian menunjukkan bahwa struktur sambungan dan konfigurasi material mempengaruhi ketahanan dan perilaku termal: pada sambungan multilapis Cu–Al, material yang lebih lembut pada sisi kepala las lebih rentan terhadap deformasi dan penipisan, sehingga menurunkan kinerja kelistrikan sambungan; sebaliknya, penempatan lapisan Cu yang lebih tebal atau lebih keras pada sisi landasan dapat mengurangi cacat antarmuka dan menurunkan resistensi sendi. Eksperimen pembebanan pulsa saat ini lebih lanjut menunjukkan bahwa sambungan Al–Cu, karena resistansi antarmuka yang lebih tinggi, mengalami kenaikan suhu yang lebih besar pada kondisi arus yang sama dibandingkan dengan sambungan Cu–Cu, sehingga menyoroti efek penghambat kopling struktural elektro-termal-pada keandalan sambungan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, dibandingkan dengan sambungan brazing tradisional, sambungan las ultrasonik mengurangi jumlah lapisan material dan antarmuka pada jalur arus dengan membentuk sambungan keadaan padat langsung antara lapisan tembaga, sehingga menurunkan resistansi kontak secara keseluruhan; namun, antarmukanya biasanya terdiri dari daerah terikat (P1) dan tidak terikat (P2), dan kinerja listriknya sangat sensitif terhadap daerah ikatan efektif. Untuk lebih meningkatkan stabilitas sambungan dalam medan magnet kuat dan lingkungan kriogenik, metode pengelasan komposit ultrasonik pematrian telah diusulkan. Metode ini meningkatkan kontinuitas kontak listrik, mengurangi resistensi sambungan, dan meningkatkan stabilitas mekanik dan ketahanan lentur dengan memungkinkan solder menembus daerah yang tidak terikat. Secara keseluruhan, hasil yang ditunjukkan pada gambar secara intuitif menunjukkan korelasi erat antara struktur antarmuka sambungan, area konduktif efektif, dan perilaku kopling elektromekanis. Desain rasional konfigurasi sambungan las ultrasonik dan proses hibridnya adalah kunci untuk mencapai sambungan listrik yang sangat andal.
04 Kesimpulan Secara keseluruhan, pengelasan ultrasonik menunjukkan keunggulan teknis yang signifikan dalam penyambungan aluminium dan tembaga, sehingga sangat cocok untuk aplikasi kendaraan listrik dan superkonduktor yang menuntut konduktivitas listrik dan integritas struktural yang sangat tinggi. Penelitian yang ada telah secara sistematis mengungkap mekanisme ikatan antarmuka dan mencapai kemajuan penting dalam optimalisasi parameter proses dan aplikasi rekayasa. Namun, penelitian tentang struktur multilapis yang kompleks, keandalan layanan jangka panjang dari material yang berbeda, dan pemodelan numerik proses pengelasan masih relatif terbatas. Penelitian di masa depan harus lebih fokus pada analisis mekanisme multi-skala, kontrol jendela proses yang lebih baik, dan penerapan pengelasan ultrasonik secara sinergis dengan teknologi gabungan canggih lainnya untuk mendorong-pengembangan mendalam dan penerapan rekayasa teknologi ini di-manufaktur kelas atas.
