淺談動(dòng)力電池模組焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)和焊縫質(zhì)量檢測(cè)方法

孫曉雁

摘 要：激光焊接是方形和軟包動(dòng)力電池模組制造過(guò)程中的關(guān)鍵工藝，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷將會(huì)影響電池的過(guò)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(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和焊縫質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)方法是非常重要的研究對(duì)象。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池模組 激光焊接 過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 焊縫質(zhì)量檢測(cè) 無(wú)損檢測(cè)

1 前言

激光焊接技術(shù)是美國(guó)科學(xué)家1960年研發(fā)出來(lái)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(guò)程是一種劇烈的物理化學(xué)冶金過(guò)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(guò)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(wèn)題，未貼緊或配合間隙過(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)，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(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)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。

2 焊接過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

2.1 激光功率監(jiān)測(cè)

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(chǎng)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(chǎng)，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(shì)，電動(dòng)勢(shì)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(cè)，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(jiàn)光、熱輻射信號(hào)監(jiān)測(cè)

激光焊接過(guò)程中，高溫下伴隨熔池出現(xiàn)的還有等離子體、可見(jiàn)光、紅外輻射、紫外輻射等，通過(guò)基于光電二極管的傳感器，從焊接過(guò)程中釋放的離子體、可見(jiàn)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(cè)焊接過(guò)程，根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)反饋的異常波形進(jìn)行焊接質(zhì)量判斷，但無(wú)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(cè)

1991年，美國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)度，不能發(fā)生干涉，從而把帶有被測(cè)樣品信息的彈道光子和蛇行光子提取出來(lái)，進(jìn)行成像，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的層析測(cè)量。

OCT熔深測(cè)量原理即為：通過(guò)發(fā)射探測(cè)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(lái)獲得焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)熔深數(shù)據(jù)，可測(cè)量焊縫的長(zhǎng)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(cè)量值超過(guò)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(cè)焊縫質(zhì)量的目的。

3 焊縫質(zhì)量檢測(cè)

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

3.1 焊縫表面缺陷視覺(jué)檢測(cè)

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(jué)進(jìn)行檢測(cè)。其中結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量的應(yīng)用較為典型，結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)基于激光三角測(cè)量法，由線激光發(fā)生器和攝像機(jī)共同構(gòu)成視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。工作原理為：通過(guò)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(guò)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(jué)檢測(cè)僅可識(shí)別焊縫的外觀缺陷，但是無(wú)法對(duì)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(wú)法通過(guò)外觀識(shí)別，但其可導(dǎo)致焊點(diǎn)接觸電阻過(guò)大，過(guò)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(cè)。其方法為：使用充放電設(shè)備對(duì)電池模組進(jìn)行充放電測(cè)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(guò)程中的壓差和溫差表現(xiàn)，對(duì)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(zhǎng)，一般在容量測(cè)試過(guò)程中顯現(xiàn)，通常將多個(gè)模組串聯(lián)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，可提高檢測(cè)效率。

3.3 紅外熱成像視覺(jué)檢測(cè)

紅外熱成像視覺(jué)檢測(cè)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(guò)流時(shí)溫升變大的原理進(jìn)行檢測(cè)，其采用對(duì)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(jué)檢測(cè)法因采用大倍率充放電檢測(cè)焊點(diǎn)溫升情況，可大大提高檢測(cè)效率，但因目前電芯單體容量越來(lái)越大，對(duì)設(shè)備電流輸出要求越來(lái)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(cè)試

直流內(nèi)阻測(cè)試是對(duì)電池模組進(jìn)行一組大倍率直流脈沖循環(huán)測(cè)試，通過(guò)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(píng)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(guò)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(duì)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(cè)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(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾，使檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤判。

4 結(jié)語(yǔ)

因激光焊接質(zhì)量對(duì)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(guò)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(guò)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(cè)方法仍然值得研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒瓊瓊，龔紅英，黃繼龍，等.激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 熱加工工藝， 2016，045（021）：20-23.