汽車動(dòng)力電池匯流排焊接生產(chǎn)線的激光焊接缺陷檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)研究

摘 要：文章針對(duì)汽車動(dòng)力電池匯流排焊接生產(chǎn)線展開研究，構(gòu)建了一套激光焊接缺陷檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。通過對(duì)焊接生產(chǎn)線及其工藝的深入分析，設(shè)計(jì)光電檢測(cè)集成方案，搭建在線檢測(cè)系統(tǒng)算法，建立檢測(cè)模型，并開展臺(tái)架試驗(yàn)和生產(chǎn)線試運(yùn)行驗(yàn)證。研究表明，基于光輻射信號(hào)檢測(cè)的系統(tǒng)能有效識(shí)別焊接缺陷，相比傳統(tǒng)聲信號(hào)與電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，具有更高的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，可為汽車動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)提供可靠的技術(shù)支持，助力提升焊接質(zhì)量、保障電池安全、降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：汽車動(dòng)力電池 匯流排 焊接生產(chǎn)線 缺陷檢測(cè)

在全球汽車產(chǎn)業(yè)加速電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的背景下，汽車動(dòng)力電池市場(chǎng)需求急劇增長(zhǎng)。匯流排作為動(dòng)力電池的關(guān)鍵部件，承擔(dān)著連接多個(gè)單體電池的重要功能，其焊接質(zhì)量直接影響電池性能、安全性和使用壽命。激光焊接以其高精度、低熱輸入和良好的適應(yīng)性，成為汽車動(dòng)力電池匯流排生產(chǎn)的主流工藝。但在實(shí)際生產(chǎn)中，激光焊接過程易受焊接參數(shù)波動(dòng)、工件表面狀態(tài)差異等復(fù)雜因素影響，導(dǎo)致氣孔、裂紋、虛焊等缺陷。這些缺陷不僅降低電池整體性能，還可能在使用過程中引發(fā)安全隱患，增加動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)售后成本。目前，焊接缺陷檢測(cè)主要依靠人工目檢或離線抽檢，檢測(cè)效率低、主觀性強(qiáng)，難以在生產(chǎn)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理缺陷，無法滿足現(xiàn)代化大規(guī)模、高質(zhì)量的生產(chǎn)需求[1]。因此，開發(fā)一套實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的激光焊接缺陷檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)提升汽車動(dòng)力電池匯流排焊接質(zhì)量、保障電池安全可靠運(yùn)行、降低企業(yè)生產(chǎn)成本具有重要意義。文章針對(duì)汽車動(dòng)力電池匯流排焊接生產(chǎn)線，系統(tǒng)研究激光焊接缺陷的檢測(cè)方法與預(yù)警技術(shù)，旨在解決當(dāng)前生產(chǎn)過程中焊接缺陷檢測(cè)與處理的難題，為汽車動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)提供可行的技術(shù)方案。

1 汽車動(dòng)力電池匯流排焊接生產(chǎn)線的缺陷檢測(cè)主要問題

傳統(tǒng)的聲信號(hào)與電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中難以保證檢測(cè)準(zhǔn)確性。在聲信號(hào)檢測(cè)里，工業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境噪聲與設(shè)備噪音會(huì)疊加在焊接聲信號(hào)上，使焊接質(zhì)量判斷偏差增大。電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì)環(huán)境濕度和焊接定位精度要求苛刻，定位微小偏差會(huì)引入電位差干擾且難以排除[2]。同時(shí)，當(dāng)前許多檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)性和全面監(jiān)測(cè)能力不足，采樣頻率與處理速度滯后，無法及時(shí)感知焊接質(zhì)量的細(xì)微變化，也不能全程監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致焊接缺陷難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。此外，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜工況適應(yīng)能力差，焊接工藝參數(shù)和工況條件變化時(shí)，缺乏自適應(yīng)機(jī)制，難以穩(wěn)定準(zhǔn)確識(shí)別焊接缺陷[3]。因此，開發(fā)高效、精準(zhǔn)且適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的汽車動(dòng)力電池匯流排焊接生產(chǎn)線缺陷檢測(cè)系統(tǒng)極為必要，對(duì)提升電池產(chǎn)品質(zhì)量和保障生產(chǎn)穩(wěn)定意義重大。?

2 汽車動(dòng)力電池匯流排焊接生產(chǎn)線的激光焊接缺陷檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

研究聚焦于某動(dòng)力電池公司的電池匯流排焊接生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線采用激光自動(dòng)焊接技術(shù)，主要進(jìn)行鋁材料間的焊接作業(yè)。鑒于該生產(chǎn)線對(duì)焊接質(zhì)量的極高要求，研究構(gòu)建了一套激光焊接缺陷檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助光電傳感器收集焊接過程中的光信號(hào)強(qiáng)度，通過量化分析和激光焊接缺陷檢測(cè)系統(tǒng)（Welding Defects Detection，簡(jiǎn)稱WDD），實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的精準(zhǔn)判定與及時(shí)預(yù)警。

2.1 光電檢測(cè)集成方案的設(shè)計(jì)

光纖激光器作為光源，發(fā)出高單色性、高方向性和高能量密度的激光束。激光束在低損耗石英光纖中傳輸，利用纖芯與包層折射率差異，以全反射方式傳播，減少能量損失。傳播至末端后，由非球面透鏡聚焦，其精確曲面設(shè)計(jì)校正像差，使光斑直徑達(dá)微米量級(jí)，提高激光能量集中度，滿足焊接工藝對(duì)能量密度的要求。?

焊接過程中，焊接區(qū)域因激光與金屬材料相互作用產(chǎn)生多種光輻射信號(hào)。光電檢測(cè)系統(tǒng)分束器基于多層介質(zhì)膜干涉原理，通過濾光片膜層厚度和折射率組合，對(duì)不同波長(zhǎng)光實(shí)現(xiàn)高反射率或高透過率，從而分離采集激光反射光、金屬蒸汽輻射可見光及熔池?zé)彷椉t外光。?

系統(tǒng)采用基于光電效應(yīng)的高速光電探測(cè)器采集光信號(hào)，如PIN結(jié)構(gòu)或APD結(jié)構(gòu)的光電二極管，采集到的光電流信號(hào)經(jīng)跨阻放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器以高采樣速率和分辨率轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器。DSP運(yùn)用FFT等算法進(jìn)行頻譜分析，采用濾波算法去除噪聲，提取與焊接質(zhì)量相關(guān)的特征參數(shù)。?

激光焊接多光學(xué)傳感器一體化設(shè)計(jì)減少裝配誤差，免光路對(duì)準(zhǔn)特性避免信號(hào)采集偏差。通過標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)和靈活光路調(diào)整機(jī)構(gòu)，可適配多種規(guī)格型號(hào)激光頭，兼容不同功率、波長(zhǎng)的激光焊接系統(tǒng)?？删幊炭刂颇K中的FPGA可通過硬件描述語言編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)采集時(shí)序、數(shù)據(jù)處理流程及通訊協(xié)議的定制化配置，配合通訊升級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或其他設(shè)備的高速、穩(wěn)定數(shù)據(jù)交互，增強(qiáng)了光電檢測(cè)集成方案的適應(yīng)性和功能性。具體的系統(tǒng)集成方案可參考圖1。

2.2 在線檢測(cè)系統(tǒng)算法的搭建

光電傳感器將焊接過程中產(chǎn)生的光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過設(shè)定WDD系統(tǒng)的參數(shù)閾值與檢測(cè)算法，借助WDD專家?guī)焖惴ㄟM(jìn)行數(shù)據(jù)分析，能夠提取常見缺陷類型的特征，識(shí)別焊接過程中出現(xiàn)的常見缺陷，從而獲得實(shí)時(shí)的焊接質(zhì)量反饋。WDD系統(tǒng)集成了適用于電池焊接生產(chǎn)線場(chǎng)景的專家算法庫，可通過多種算法的組合，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求如下（1）上/下極限值判定算法。用于表征焊接過程中的局部缺陷，適用于檢測(cè)局部信號(hào)大幅變化且超出評(píng)估基準(zhǔn)的情況。其診斷原理為：當(dāng)信號(hào)線超出設(shè)定的極限值時(shí)，開始計(jì)算容忍時(shí)間（用于適應(yīng)短時(shí)不穩(wěn)定狀態(tài)），若超過容忍時(shí)間，信號(hào)仍超出極限值，則判定為異常。（2）上/下局部面積判定算法。用于判定長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)偏移。當(dāng)信號(hào)線超出評(píng)估基準(zhǔn)范圍時(shí)，計(jì)算信號(hào)線與評(píng)估基準(zhǔn)之間的局部面積。若信號(hào)線超出設(shè)定的局部面積，開始計(jì)算容忍時(shí)間，若超出容忍時(shí)間，信號(hào)線仍未回到評(píng)估基準(zhǔn)范圍內(nèi)，則診斷為異常。（3）上/下平均偏移量判定算法。用于表征焊接過程中的全局缺陷，適用于檢測(cè)信號(hào)整體偏離評(píng)估基準(zhǔn)中心線的情況。平均偏移閾值通過統(tǒng)計(jì)方式確定，計(jì)算信號(hào)線偏離評(píng)估基準(zhǔn)中心線的平均值。

2.3 檢測(cè)模型的建立

在標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)與良好工況條件下，采集數(shù)量超過100的焊接過程信號(hào)樣本?；赪DD專家算法庫，自動(dòng)過濾異常波動(dòng)值，學(xué)習(xí)并建立最佳基準(zhǔn)邊界值，如圖2所示。通過這一模型，可以為焊接缺陷的識(shí)別檢測(cè)提供精準(zhǔn)量化依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，將建立好的最佳基準(zhǔn)邊界值模型嵌入到汽車動(dòng)力電池匯流排焊接生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)中。在日常生產(chǎn)過程里，系統(tǒng)持續(xù)采集焊接過程信號(hào)，并依據(jù)基準(zhǔn)邊界值進(jìn)行快速比對(duì)分析。當(dāng)檢測(cè)到的焊接過程信號(hào)超出基準(zhǔn)邊界值范圍時(shí)，系統(tǒng)將及時(shí)發(fā)出預(yù)警，提示操作人員進(jìn)行檢查和處理，從而有效提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

將實(shí)際焊接質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果與光信號(hào)機(jī)理進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估實(shí)際光信號(hào)波動(dòng)是否能顯著表征焊接質(zhì)量。開展系統(tǒng)檢測(cè)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證WDD系統(tǒng)在當(dāng)前模型算法下的實(shí)際檢測(cè)能力，為保障生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)的檢測(cè)正確率奠定基礎(chǔ)。

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)際焊接質(zhì)量試驗(yàn)：探究不同工藝參數(shù)（激光功率、焊接速度、離焦量和入射角）以及不同工況條件（搭接間隙、焊接位置、污染物）下，光信號(hào)與實(shí)際焊接質(zhì)量（熔深、焊縫形貌等）之間的內(nèi)在規(guī)律。系統(tǒng)檢測(cè)性能試驗(yàn)：在工藝參數(shù)和工況條件良好的情況下進(jìn)行測(cè)試，獲取WDD系統(tǒng)的判定結(jié)果。設(shè)置不同程度偏移的工藝參數(shù)或工況進(jìn)行試驗(yàn)，為確保準(zhǔn)確性與可信度，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試次數(shù)不少于5次，記錄WDD系統(tǒng)的判定結(jié)果。對(duì)所有測(cè)試焊點(diǎn)進(jìn)行外觀、拉力、金相三方面的檢測(cè)，并與WDD系統(tǒng)的判定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)系統(tǒng)的誤判率與可信度。若所有偏移項(xiàng)均能被檢測(cè)出，且良好件均能通過檢測(cè)，則臺(tái)架驗(yàn)證通過；否則，需重新建立缺陷基準(zhǔn)模型。

3.1.3 測(cè)量處理方法

使用OLYMPUSGX51金相顯微鏡拍攝焊縫橫截面形貌，并測(cè)量焊縫熔深。使用HPSCANJET5590掃描儀拍攝焊縫表面。使用拉力檢測(cè)儀檢測(cè)焊點(diǎn)拉力。

3.2 生產(chǎn)線試運(yùn)行驗(yàn)證

生產(chǎn)線實(shí)測(cè)效果驗(yàn)證：對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行跟蹤，統(tǒng)計(jì)實(shí)際焊接缺陷數(shù)量、檢出數(shù)量、漏殺數(shù)量、錯(cuò)殺數(shù)量、實(shí)際焊接數(shù)量以及WDD檢驗(yàn)總數(shù)，計(jì)算系統(tǒng)的缺陷識(shí)別率，生成檢測(cè)報(bào)告與預(yù)警信息，評(píng)估方案的可行性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，收集大量實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，強(qiáng)化模型學(xué)習(xí)，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)。

工藝參數(shù)優(yōu)化：依據(jù)WDD系統(tǒng)的反饋，指導(dǎo)工藝參數(shù)的調(diào)整與設(shè)備維護(hù)。例如，當(dāng)系統(tǒng)老化或環(huán)境變化較大時(shí)，在當(dāng)前設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)下，若出現(xiàn)大量表征激光功率減小的質(zhì)量缺陷或預(yù)警，經(jīng)確認(rèn)后，可對(duì)焊接激光功率參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。又如，當(dāng)出現(xiàn)鏡片臟污的參數(shù)表征或預(yù)警時(shí)，及時(shí)清理鏡片。

3.3 可行性分析

某公司匯流排焊接采用激光自動(dòng)焊接工藝。在主流的實(shí)時(shí)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)中，基于聲信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)易受環(huán)境噪音和設(shè)備噪聲的干擾，降低對(duì)焊接質(zhì)量判斷的準(zhǔn)確性；電信號(hào)檢測(cè)對(duì)環(huán)境濕度和焊接定位要求較高，在該生產(chǎn)線中，同一焊接姿態(tài)需焊接不同焊點(diǎn)，難以排除因定位引起的電位差干擾，從而影響檢測(cè)準(zhǔn)確性。

激光焊接是光與材料相互作用的過程，期間會(huì)產(chǎn)生光的吸收、反射、散射，以及深熔焊接過程中產(chǎn)生的等離子體特征光譜信號(hào)、熔池?zé)彷椛湫盘?hào)等。利用光電傳感器檢測(cè)焊接過程中的光輻射信號(hào)，能夠有效監(jiān)控焊接過程的穩(wěn)定性與焊接質(zhì)量。

光輻射信號(hào)檢測(cè)方法通過光電傳感器高速采集激光焊接過程中的主要光輻射信號(hào)強(qiáng)度，包括紫外及可見光波段（200nm-750nm）、激光反射波段（光纖激光1070nm）、紅外輻射波段（900nm-1700nm），以此判斷焊接狀態(tài)的變化。

光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、魯棒性強(qiáng)、適合同軸檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[4]。另外，基于光輻射信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)采用三維信號(hào)探測(cè)，相較于基于一維信號(hào)探測(cè)的聲信號(hào)和電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，其在識(shí)別焊接過程變化和區(qū)分缺陷模式方面具有更強(qiáng)的能力，且實(shí)際應(yīng)用中聲信號(hào)存在明顯延遲現(xiàn)象。因此，基于光信號(hào)的在線檢測(cè)技術(shù)是動(dòng)力電池匯流排焊接生產(chǎn)線較為理想且可行的解決方案。

4 結(jié)語

綜上所述，文章圍繞汽車動(dòng)力電池匯流排激光焊接缺陷檢測(cè)與預(yù)警展開的研究，成功構(gòu)建并驗(yàn)證了一套基于光輻射信號(hào)檢測(cè)的系統(tǒng)。臺(tái)架試驗(yàn)和生產(chǎn)線試運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)展現(xiàn)出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過程光輻射信號(hào)的能力，并且在高效處理與分析信號(hào)數(shù)據(jù)上同樣具備明顯優(yōu)勢(shì)。為汽車動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)解決焊接缺陷檢測(cè)與處理的難題提供了有效支撐，顯著提升了電池匯流排的焊接質(zhì)量，保障生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。

基金項(xiàng)目：2025年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“光信號(hào)激光焊接在線檢測(cè)在電池匯流排生產(chǎn)線的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2025KY1937）。

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