近日，日本产业技术综合研究所（AIST）多材料研究部高级研究员Yutaka Maruyama等人开发了一种通过音频数据高精度判断异种金属超声波焊接质量的技术。
金属的超声波焊接由于接合部位的电阻较低且能够在短时间内实现高强度接合，因此被广泛应用于各种电池的电极接合等需要高强度和低电阻的部位。然而，在不同金属的超声波焊接过程中，接合后的强度可能会有所不同。因此，在这项研究中，AIST专注于接合部位附近产生的声音，旨在开发一种无需像以往那样进行高成本检测即可准确预测接合强度的技术。这些技术有望为超声波焊接的质量控制做出贡献。
在这项开发中，以铝合金与镁合金接合时产生的超声波音频数据为对象，采用了声谱图（声纹）化以及非负矩阵分解（NMF）的数据处理方法。此外，针对这些数据，设计了多个适合判断接合质量的指标，并对其性能进行了比较，最终发现基于Mahalanobis距离的指标能够高精度地判断接合质量。未来，AIST将基于这种高识别性能，研究音频数据与接合强度之间的关系，致力于开发能够定量预测强度的评估技术。
该技术的详细信息将在2025年5月22日举行的AIST中部地区中心讲座上公布。
金属的超声波焊接是一种通过同时施加超声波振动和压力，使金属原子直接接触并扩散从而实现接合的技术。焊接过程中的摩擦会破坏并去除表面的氧化膜和附着物，使干净的金属表面直接相互接合。因此，与焊接等其他接合技术相比，可以显著降低接合部位的电阻。此外，这种技术还具有焊接时间短、焊接过程中不易受热损伤等优点，因此被广泛应用于各种电池的电极接合等需要高强度和低电阻的部位。
超声波焊接可以实现异种金属之间的接合，作为一种用于电池电极和运输设备轻量化措施的方法，异种轻量化合金的超声波焊接技术正在开发中。然而，在异种金属的接合中，由于超声波能量传播的不均匀性以及脆性金属间化合物的生成，接合强度可能会出现波动。 因此，根据产品的质量标准，有时需要对接合后的产品进行全面检查。然而，目前很难在不增加检查成本或避免对产品造成损害的情况下实现这一目标。如果要保证所有产品都具有足够的接合强度，目前唯一的方法是将输入能量或接合时间增加数倍，并设置苛刻的接合条件。在这种情况下，超声波焊接的许多优势，如节能、低损伤和快速等，就都丧失了。即便如此，在某些情况下，通常还需要在此基础上再进行额外的检查。
因此，人们迫切需要一种能够对焊接部位进行无损、快速且低成本的强度预测方法。无需将产品从生产线移出或经过额外的设备进行检测，即可通过使用焊接时的音频数据在现场快速测量并保证焊接部位是否具备所需强度的技术，将提高整个产品的安全性和可靠性并降低生产成本。
AIST正在开展技术攻关，旨在通过多种材料的接合和粘接实现并提升单一材料无法达到的部件或构件的特性与功能。超声波焊接是异种金属接合的方法之一，但问题是，即使在相同的条件下进行焊接，接合也可能不起作用。为了解决这一问题，AIST展示了通过音频数据，即有望直接反映接合过程的数据，可以在一定程度上解释接合质量的好坏（2025年1月29日在东京国际展览中心举办的nano tech 2025展会上的演讲）。这一次，AIST进一步发展了这项技术，找到了一种能够更准确地判断接合质量的方法。
迄今为止，研究已经进行了铝合金和镁合金接合时音频数据的采集与分析。未来，AIST将验证铝合金和镁合金以外的金属组合在接合时的音频数据差异，并为了明确接合强度与音频数据之间的关系，进行大量数据的采集与分析。此外，AIST还将开发适用于制造生产线环境下的数据采集的分析方法。从长远来看，AIST计划通过与实际应用超声波焊接的企业开展联合研究，推动该技术的社会应用。
