汽車電池鋁/銅激光搭接焊接的先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展

孔德群，周建，李軒，劉攀，來振華＊

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

1 序言

Al/Cu異種金屬材料激光搭接焊接工藝已成為新能源汽車鋰離子電池制造的關(guān)鍵技術(shù)[1-6]，且要求這些焊接接頭具備優(yōu)良的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能。例如，比亞迪電動(dòng)汽車電池工廠安裝了碟片式激光器，激光搭接焊接工藝在厚度≤2mm的銅、鋁薄板部件上實(shí)現(xiàn)，要求焊縫微細(xì)、熱擴(kuò)散低、內(nèi)應(yīng)力低，并將變形降至最低。然而，Al/Cu異種金屬材料的激光焊接通常較為困難，原因在于不同金屬元素之間光學(xué)性能和熱物理性能的差異性與不兼容性，Al/Cu大量混合會(huì)形成脆性的、高電阻的金屬間化合物相（IMC）。在實(shí)際生產(chǎn)中，汽車電池模組制造商傾向于選擇通過控制Al/Cu熔化時(shí)間來抑制IMC相生成量的解決方案，這樣就會(huì)使工藝參數(shù)窗口變得非常狹窄。Al/Cu激光焊接固有的不穩(wěn)定性使得生產(chǎn)中很難保證焊接性能的重復(fù)性與再現(xiàn)性，不可避免地形成未焊透、未熔合、燒穿、咬邊、焊瘤、凹坑、間隙過大、氣孔及裂紋等焊接缺陷。圖1顯示了Al/Cu異種金屬激光焊接的良好焊縫[2]與常見的典型焊接缺陷[3]。本文重點(diǎn)闡述國內(nèi)外新能源汽車動(dòng)力電池制造行業(yè)中模組件Al/Cu激光搭接焊接領(lǐng)域先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與進(jìn)展。

圖1 良好焊縫[2]與焊接缺陷[3]

2 傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)的局限性

國內(nèi)外焊接生產(chǎn)型企業(yè)對(duì)于焊縫質(zhì)量的無損檢測(cè)一般都采用超聲波（UT）、滲透（PT）、磁粉（MT）、X射線（XT）等傳統(tǒng)檢測(cè)手段，少數(shù)單位擁有計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）檢測(cè)設(shè)備[7]。目前，汽車動(dòng)力電池行業(yè)相關(guān)組織單位尚未頒布統(tǒng)一的Al/Cu激光搭接焊接缺陷接受水平及其檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，汽車電池模組的制造商采用企業(yè)級(jí)檢測(cè)技術(shù)方法與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，多為金相檢測(cè)、拉伸試驗(yàn)等常規(guī)破壞性理化檢測(cè)技術(shù)。相對(duì)而言，傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法在大批量生產(chǎn)的汽車電池模組件Al/Cu異種金屬搭接激光焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用具有明顯的局限性，主要原因在于電池模組整體尺寸較大，而激光焊縫寬度特別狹窄。例如，UT需要在工件涂抹耦合劑，而且精度難以保證微米級(jí)尺寸焊接缺陷的檢測(cè)需求；PT需要至少噴滲透劑和顯像劑，還需要清洗等后處理工序；XT對(duì)人體有輻射，其穿透性不適用于電池模組的厚度；MT只適用于鐵磁性焊接材料的檢測(cè)，不適用于無磁性的Al/Cu工件。當(dāng)然，傳統(tǒng)的焊接缺陷無損檢測(cè)方法也有一定的應(yīng)用價(jià)值，例如，當(dāng)焊縫試件從模組上取下后，XT和CT可以用于表征其焊接缺陷屬性。目視檢測(cè)（VT）適用于檢測(cè)目視可見的表面焊接缺陷，缺點(diǎn)是在量產(chǎn)階段人工檢測(cè)的工作效率極低，漏檢率較高。

3 先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展

激光焊縫缺陷的先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)有超聲波紅外熱像技術(shù)[8]、超聲波C掃描成像技術(shù)[9]、空氣耦合超聲波檢測(cè)技術(shù)[10]、全聚焦成像技術(shù)[11]、同軸圖像傳感技術(shù)[12]及磁光成像檢測(cè)技術(shù)[13]等。目前，這些先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)方法在電池制造工業(yè)中應(yīng)用非常有限。為實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)力電池模組件Al/Cu激光焊縫的快速、批量無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，尚需融合非傳統(tǒng)的先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)，開發(fā)探索激光焊縫缺陷人工智能可視化檢測(cè)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)焊縫缺陷檢測(cè)技術(shù)可視化、自動(dòng)化是未來的發(fā)展趨勢(shì)，人工智能技術(shù)是焊縫缺陷檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)[14]。開發(fā)適用于汽車動(dòng)力電池生產(chǎn)線上Al/Cu異種金屬激光搭接焊縫的人工智能無損檢測(cè)技術(shù)，是有待深入探索的工業(yè)技術(shù)挑戰(zhàn)課題。

3.1 機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)

隨著機(jī)器視覺理論的發(fā)展，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)逐漸應(yīng)用于焊接生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與質(zhì)量檢測(cè)，通過攝像機(jī)獲取被測(cè)圖像，集中用于對(duì)焊點(diǎn)的識(shí)別檢測(cè)。金屬片的激光焊接區(qū)域，可視為無數(shù)點(diǎn)焊形成的焊縫，使得機(jī)器視覺系統(tǒng)在對(duì)焊縫實(shí)時(shí)監(jiān)控中具備應(yīng)用可行性[7]。

由于軟包單體電池自身的特點(diǎn)，焊接工裝定位尤為困難，將機(jī)器視覺系統(tǒng)用于動(dòng)力電池模塊的組裝及焊接，有助于實(shí)現(xiàn)電池組裝的高精度定位以及電池激光焊接的實(shí)時(shí)追蹤。徐劼[15]深入討論了如何使用iRVision機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行單體電池極耳高精度定位以及Precitec視覺系統(tǒng)對(duì)激光焊縫的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)追蹤，設(shè)備制程能力評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)CPK結(jié)果顯示，視覺系統(tǒng)參與定位引導(dǎo)的制造設(shè)備的制程能力遠(yuǎn)高于不使用視覺系統(tǒng)的制造設(shè)備，解決了動(dòng)力電池模組制造過程中激光焊接合格率低的問題。龔凱學(xué)等[7]基于機(jī)器視覺對(duì)快充電池表面金屬片激光焊接區(qū)域進(jìn)行識(shí)別與檢測(cè)的研究，檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)選擇了合適的采集攝像機(jī)及光源照明方案，預(yù)處理階段進(jìn)行圖像的灰度處理、模糊度量及復(fù)原，焊接區(qū)域的識(shí)別中設(shè)計(jì)了閾值分割與邊緣檢測(cè)相結(jié)合的自適應(yīng)算法，通過特征提取實(shí)現(xiàn)對(duì)偏焊、過焊、虛焊等焊接缺陷的識(shí)別與檢測(cè)。YAN等[16]構(gòu)建了一種能夠同時(shí)對(duì)鋁合金焊縫表面進(jìn)行三維深度和二維灰度成像的復(fù)合視覺系統(tǒng)，在多角度灰度二維圖像中提出了裂紋（見圖2）、表面黑化等缺陷的提取算法，在三維深度圖像中研究了凹陷、咬邊、燒穿、過度強(qiáng)化、表面氣孔、飛濺及成形不良等缺陷（見圖3）的提取算法。再如，HUANG等[17]創(chuàng)新性地引入了一種非接觸、靈活的照相檢測(cè)技術(shù)，提出了一種鋁合金焊接接頭可靠性估計(jì)方法，即建立裂紋擴(kuò)展圖像在線監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)裂紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模（見圖4），計(jì)算裂紋長(zhǎng)度，預(yù)測(cè)制造過程中裂紋的擴(kuò)展數(shù)據(jù)。

圖2 LED光源位置不同時(shí)的焊接裂紋二維灰度圖像[16]

圖3 提取的焊接缺陷三維深度圖像[16]

圖4 裂紋結(jié)構(gòu) [17]

3.2 發(fā)射光譜檢測(cè)技術(shù)

從激光等離子體源到X射線激光器，從慣性約束聚變到實(shí)驗(yàn)室天體物理，固體強(qiáng)激光輻照等離子體的形成是許多應(yīng)用研究和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的課題。發(fā)射光譜法（OES）適用于研究過程發(fā)射的波長(zhǎng)，從而確定等離子體中存在的化學(xué)元素，但OES的靈敏度限制了其識(shí)別熔池最豐富元素之外的其他元素的能力。隨著集成度的提高，提高O E S信噪比是可行的，但這會(huì)降低時(shí)間分辨力，不利于OES作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。CIOHBANU等[18]利用脈沖Nd-YAG激光器和Acton Research 光譜儀（最佳光譜分辨力為0.5nm）著重研究了空氣中鋁和銅等離子體的發(fā)射光譜，并用Boltzmann作圖法從試驗(yàn)觀測(cè)到的CuI譜線強(qiáng)度提取到銅等離子體激發(fā)溫度為（8210±370）K。圖5為使用Oceanoptics HR2000+型光譜儀得到的純鋁和純銅激光焊接的光譜[19]，1070nm對(duì)應(yīng)于光纖激光器的波長(zhǎng)，鋁在360～430nm之間的394.4nm/396.15nm特征雙峰僅表現(xiàn)為395n m處單峰，在該光譜范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)銅峰。440nm、454nm、467nm、487nm、514nm、544nm和566nm處的峰顯示了Al與O在沒有保護(hù)氣體條件下反應(yīng)生成了Al2O3。

圖5 Al/Cu激光焊接的測(cè)量光譜[19]

SCHALEN等[19]使用敏感范圍為340～1100nm的Thorlabs PDA100A型光電二極管和濾光片（見圖6），研究了無保護(hù)氣體的純Al/Cu異種金屬材料焊接中光纖激光誘導(dǎo)等離子體的光譜分析，結(jié)果表明，這種方法能夠探測(cè)并可量化等離子體羽輝中的特定金屬，394nm/396nm峰適合Al元素的分析，而578nm峰適合Cu元素的分析；與光譜儀相比，雖然分辨力有所降低，但是成本較低、采集快速；這種檢測(cè)特征峰的新方法未來可應(yīng)用于焊接質(zhì)量矩陣的過程監(jiān)控，或關(guān)于閉環(huán)過程控制的工作。該方法的研究目的在于通過光譜等離子體研究來探測(cè)Al熔進(jìn)Cu側(cè)的焊接熔深，有助于測(cè)定焊縫中是否存在熔融銅，而這是形成IMC的一個(gè)關(guān)鍵因素。

圖6 測(cè)量Al/Cu特征發(fā)射的光電二極管裝置 [19]

3.3 激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)技術(shù)

高功率激光加工金屬過程中合金元素之間的蒸氣壓差會(huì)造成非均衡的合金元素?fù)p失，在激光焊接中造成力學(xué)性能和微觀組織的變化，對(duì)加工材料的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。在之前的相關(guān)研究中，這類測(cè)定工作均是建立在有損的、非原位分析基礎(chǔ)上的[20-22]。 激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)技術(shù)（L I F）是一種更加有效的、原位的、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)蒸氣元素?fù)p失的非接觸式光學(xué)技術(shù)（見圖7），能夠應(yīng)用在激光焊接工藝中，對(duì)于低濃度合金元素?fù)p失檢測(cè)，比過去人們依賴的發(fā)射光譜法（OES）敏感4萬倍[23]。

圖7 激光焊接及激光誘導(dǎo)熒光系統(tǒng) [24]

通常情況下，A l/C u激光焊接是以搭接的形式，激光入射到Al片上，為了限制IMC的形成，下層Cu的熔化時(shí)間成為關(guān)鍵因素。因此，探測(cè)激光焊接蒸氣羽輝中的銅原子可以作為IMC形成的有效證據(jù)[24]。前面提到的發(fā)射光譜檢測(cè)技術(shù)（OES）的應(yīng)用，缺點(diǎn)在于有限的靈敏度只能確定激光是否入射到Al或Cu表面[19]。SIMONDS領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)是LIF應(yīng)用在激光焊接領(lǐng)域內(nèi)的活躍研究者[22-24]，其利用LIF技術(shù)研究了對(duì)Al/Cu激光搭接焊焊接過程進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)的可能性，結(jié)果表明，即使在焊縫熔深太淺而未形成牢固焊接接頭的情況下，LIF仍具有足夠的靈敏度在真實(shí)條件下探測(cè)到Al/Cu異種金屬薄片激光焊接蒸氣煙塵中的Cu原子信號(hào)。LIF可憑借其優(yōu)異的靈敏度，成為實(shí)時(shí)的、原位過程監(jiān)測(cè)的工具，同時(shí)也是研究激光焊接基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)的工具。

4 結(jié)束語

隨著新能源汽車動(dòng)力電池制造技術(shù)的發(fā)展，模組件Al/Cu激光焊接的表征技術(shù)也不斷提出新的需求。常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)一般不適用于生產(chǎn)線上直接檢測(cè)Al/Cu激光焊接焊縫，而焊縫試樣從電池模組上取出后，可用XT或CT等常規(guī)無損檢測(cè)方法來探測(cè)激光焊接缺陷類型、尺寸、位置等。期待汽車動(dòng)力電池行業(yè)相關(guān)機(jī)構(gòu)頒布實(shí)施Al/Cu激光搭接焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推薦適用的檢測(cè)方法，并定義不允許存在的焊接缺陷類型、允許存在的焊接缺陷類型及其接受水平。

在Al/Cu異種金屬激光焊接領(lǐng)域，人工智能檢測(cè)技術(shù)尚處于發(fā)展階段，相關(guān)的理論與實(shí)踐均具有很大的發(fā)展空間，可借鑒其他工業(yè)焊接自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展前沿的新方法與新成果。在線視覺檢測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上激光焊縫快速智能檢測(cè)的可行的先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)，尚需進(jìn)一步提升智能檢測(cè)理論建設(shè)與實(shí)踐水平，借鑒類似行業(yè)的先進(jìn)研究成果。