激光焊接是方形和軟包動(dòng)力電池模組制造過程中的關(guān)鍵工藝，焊接過程中產(chǎn)生的缺陷將會(huì)影響電池的過流能力和連接強(qiáng)度，降低電池包使用壽命，嚴(yán)重的將導(dǎo)致安全事故。因此動(dòng)力電池模組激光焊接的過程實(shí)時(shí)監(jiān)測和焊縫質(zhì)量的無損檢測方法是非常重要的研究對象。

01 前言?

激光焊接技術(shù)是美國科學(xué)家 1960 年研發(fā)出來的，是一種高能束的精密焊接方式，具有高焊縫深寬比、高精度、非接觸式、效率高、熱影響區(qū)域小和易自動(dòng)化的特點(diǎn)，在動(dòng)力電池模組極柱或極耳的連接上廣泛應(yīng)用。但焊接過程是一種劇烈的物理化學(xué)冶金過程，能量密度大，工藝參數(shù)較多，影響因子多，容易產(chǎn)生虛焊、爆點(diǎn)等不良。虛焊產(chǎn)生的原因有 a、激光功率密度不足，穿透力不夠，而造成功率不夠的原因可能是功率設(shè)置偏小、保護(hù)鏡片污染、焊接速度過快、焊接產(chǎn)生的煙塵遮擋光束、離焦量偏大、輸出功率不穩(wěn)定等；b、待焊件配合問題，未貼緊或配合間隙過大，與材料裝配精度和工裝控制精度有關(guān)。爆點(diǎn)產(chǎn)生的原因主要有 a、功率密度過高；b、焊接材料氧化或污染；c、環(huán)境溫度、濕度、潔凈度影響，溫濕度過大，可能導(dǎo)致設(shè)備或工件表面結(jié)露，影響設(shè)備的穩(wěn)定輸出和工件焊接時(shí)炸火飛濺。由此可見，影響焊接質(zhì)量的因素較多，任何一個(gè)因素都可能造成焊接質(zhì)量的波動(dòng)，故研究如何對焊接過程進(jìn)行監(jiān)測，對焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測以有效地識(shí)別焊接質(zhì)量缺陷降低產(chǎn)品失效成本，是非常必要且重要的。

02 焊接過程實(shí)時(shí)監(jiān)測? ?

2.1激光功率監(jiān)測

激光功率計(jì)的光電探頭有光電二極管、熱電堆、熱釋電、BeamTrack 等。以光電二極管為例，探頭的工作原理為：當(dāng)光子照射到 PN 結(jié)上，電子或空穴擺脫束縛， 在 PN 結(jié)內(nèi)形成光生載流子，光生載流子在電場的作用下產(chǎn)生飄移而形成電流，電流的大小和入射光的能量成比例，以此計(jì)算激光發(fā)射端的輸出功率。熱電堆的工作原理：當(dāng)激光被探頭表面的膜層吸收掉轉(zhuǎn)化成熱量，熱量向熱電偶傳遞并形成溫度梯度場，熱電堆探頭內(nèi)外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)由于溫度差產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢，電動(dòng)勢的大小與入射光轉(zhuǎn)化的熱量成比例。

在激光發(fā)生器發(fā)射端增加功率計(jì)進(jìn)行輸出功率的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，并設(shè)置功率超限報(bào)警，可以保證光纖激光器的輸出穩(wěn)定。

2.2等離子、可見光、熱輻射信號(hào)監(jiān)測

激光焊接過程中，高溫下伴隨熔池出現(xiàn)的還有等離子體、可見光、紅外輻射、紫外輻射等，通過基于光電二極管的傳感器，從焊接過程中釋放的離子體、可見光和輻射光采集獲取三組數(shù)據(jù)，并將其與良好焊接的參考曲線進(jìn)行比較，根據(jù)波形起伏可初步進(jìn)行焊縫穿透情況、虛焊、飛濺等焊接質(zhì)量判斷。此方法可實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接過程，根據(jù)監(jiān)測信號(hào)反饋的異常波形進(jìn)行焊接質(zhì)量判斷，但無法精確定位焊接失效模式，仍需人工進(jìn)行復(fù)檢確認(rèn)。

2.3焊縫熔深實(shí)時(shí)監(jiān)測

1991 年，美國麻省理工學(xué)院在 Science 上發(fā)表了光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（OCT 技術(shù)），是一項(xiàng)新興的光學(xué)成像技術(shù)，當(dāng)從散射介質(zhì)中返回的彈道光子和蛇行光子與參考光的光程差在光源的相干長度范圍內(nèi)，發(fā)生干涉，而漫射光子與參考光的光程差大于光源的相干長度，不能發(fā)生干涉，從而把帶有被測樣品信息的彈道光子和蛇行光子提取出來，進(jìn)行成像，它可以實(shí)現(xiàn)對被測物體的層析測量。

OCT 熔深測量原理即為：通過發(fā)射探測激光進(jìn)入液態(tài)熔池并接收反射信號(hào)，利用光學(xué)相干性原理來獲得焊接過程的實(shí)時(shí)熔深數(shù)據(jù)，可測量焊縫的長度、寬度、堆高數(shù)值、孔洞大小尺寸和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)焊縫的三維形貌成像。當(dāng)熔深測量值超過設(shè)定范圍時(shí)，發(fā)送異常報(bào)警，從而防止缺陷產(chǎn)品流入客戶端， 達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測焊縫質(zhì)量的目的。

圖 1 焊縫熔深檢測與實(shí)物對比?

03 焊縫質(zhì)量檢測?

焊縫質(zhì)量檢測， 是指焊接完成后對焊接效果的分析評價(jià)，有破壞性檢測和無損檢測兩種方式。拉拔力實(shí)驗(yàn)和金相測試屬于破壞性檢測，通常用于焊接首件檢驗(yàn)和過程抽檢，本文不做展開討論。無損檢測按檢驗(yàn)頻率可分為抽檢和在線百分之百檢測兩種方式；按檢測方法可分為外觀檢測和電性能檢測。本文主要討論適用于批量制造的在線百分之百檢測方式，包含外觀檢測和電性能檢測。

3.1焊縫表面缺陷視覺檢測

焊縫表面缺陷如焊縫寬度、下陷深度、變色、孔洞、余高、飛濺、焊偏、裂紋等， 可用 3D 視覺進(jìn)行檢測。其中結(jié)構(gòu)光三維測量的應(yīng)用較為典型，結(jié)構(gòu)光視覺檢測基于激光三角測量法，由線激光發(fā)生器和攝像機(jī)共同構(gòu)成視覺檢測系統(tǒng)。工作原理為：通過線激光發(fā)生器投射一束光（黑白相間），打在焊縫表面并投影到平面，焊縫高度使激光條紋發(fā)生形變，攝像機(jī)捕捉到焊縫表面的變形條紋，然后通過變形算法計(jì)算獲得焊縫高度形狀尺寸等三維數(shù)據(jù)。

視覺檢測僅可識(shí)別焊縫的外觀缺陷，但是無法對焊縫內(nèi)部缺陷如虛焊、熔深、氣孔等不良進(jìn)行判定。

3.2充放電電壓關(guān)系曲線

虛焊、間隙、熔寬不足等不良往往無法通過外觀識(shí)別，但其可導(dǎo)致焊點(diǎn)接觸電阻過大，過流能力不足而產(chǎn)生發(fā)熱等現(xiàn)象，充放電電壓關(guān)系曲線則基于此原理進(jìn)行檢測。其方法為：使用充放電設(shè)備對電池模組進(jìn)行充放電測試，得到 N 串單體電芯的充放電電壓時(shí)間關(guān)系曲線，判斷 N 串單體電芯的電壓一致性和壓差是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，若符合則證明焊接質(zhì)量良好，若不符合且某串電芯電壓表現(xiàn)出充高放低現(xiàn)象，即某串電芯在充電時(shí)電壓最高，放電時(shí)電壓最低，如圖 2 第 160 串電芯，溫差較其他電芯大，可判定該串電芯焊接質(zhì)量異常。

充放電電壓關(guān)系曲線法可根據(jù)電芯充放

電過程中的壓差和溫差表現(xiàn)，對焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行判定，但異常焊點(diǎn)所在電芯電壓表現(xiàn)出充高放低現(xiàn)象耗時(shí)較長，一般在容量測試過程中顯現(xiàn)，通常將多個(gè)模組串聯(lián)同時(shí)進(jìn)行測試， 可提高檢測效率。

圖 2 充放電電壓曲線

3.3紅外熱成像視覺檢測

紅外熱成像視覺檢測同樣基于歐姆定律和焦耳定律，不良焊點(diǎn)接觸電阻增大導(dǎo)致過流時(shí)溫升變大的原理進(jìn)行檢測，其采用對電池模組進(jìn)行大倍率的充電或放電，通常采用2C ～ 3C，使用紅外熱成像工業(yè)相機(jī)得到電池模組中熱量的分布，當(dāng)某個(gè)電池模組的熱量分布高于閾值即其余電芯焊點(diǎn)平均溫度值， 則判定該焊點(diǎn)焊接質(zhì)量不合格為虛焊。

紅外熱成像視覺檢測法因采用大倍率充放電檢測焊點(diǎn)溫升情況，可大大提高檢測效率，但因目前電芯單體容量越來越大，對設(shè)備電流輸出要求越來越高，并不能適用于所有電池模組，仍有一定局限性。

3.4直流內(nèi)阻測試

直流內(nèi)阻測試是對電池模組進(jìn)行一組大倍率直流脈沖循環(huán)測試，通過計(jì)算直流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻極差判斷焊點(diǎn)接觸電阻是否異常，從而評估焊接質(zhì)量的方法。因組成模組的電芯為同批次生產(chǎn)并經(jīng)過分選配組， 其物理和化學(xué)特性一致性較好，ΔR 值非常小，而直流內(nèi)阻可反映電池的各電阻和電容的疊加值，當(dāng)某顆電芯焊點(diǎn)出現(xiàn)虛焊時(shí)，可從直流內(nèi)阻的絕對值和極差判斷焊點(diǎn)接觸阻值是否異常，從而判定焊接質(zhì)量是否存在缺陷。

直流內(nèi)阻測試適用于電芯并聯(lián)數(shù)量較少的模組，并聯(lián)數(shù)量與連接排設(shè)計(jì)可能對測試結(jié)果產(chǎn)生干擾，使檢測結(jié)果出現(xiàn)誤判。

04 結(jié)語

因激光焊接質(zhì)量對動(dòng)力電池產(chǎn)品的性能、壽命和安全性至關(guān)重要，識(shí)別出所有影響焊接質(zhì)量的因子，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將焊接工藝參數(shù)和材料、環(huán)境等變量控制在合理范圍內(nèi)，是提升焊接品質(zhì)降低質(zhì)量損失成本的最有效方法。但是當(dāng)前模組生產(chǎn)制造的過程中，可能存在未知因素的干擾和多因子的疊加失效，故低成本高效率識(shí)別電池模組激光焊接缺陷的檢測方法仍然值得研究。

編輯：黃飛

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