淺談動力電池模組焊接過程監測和焊縫質量檢測方法

孫曉雁

摘 要：激光焊接是方形和軟包動力電池模組制造過程中的關鍵工藝，焊接過程中產生的缺陷將會影響電池的過流能力和連接強度，降低電池包使用壽命，嚴重的將導致安全事故。因此動力電池模組激光焊接的過程實時監測和焊縫質量的無損檢測方法是非常重要的研究對象。

關鍵詞：動力電池模組 激光焊接 過程實時監測 焊縫質量檢測 無損檢測

1 前言

激光焊接技術是美國科學家1960年研發出來的，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、熱影響區域小和易自動化的特點，在動力電池模組極柱或極耳的連接上廣泛應用。但焊接過程是一種劇烈的物理化學冶金過程，能量密度大，工藝參數較多，影響因子多，容易產生虛焊、爆點等不良。虛焊產生的原因有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置偏小、保護鏡片污染、焊接速度過快、焊接產生的煙塵遮擋光束、離焦量偏大、輸出功率不穩定等;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。爆點產生的原因主要有a、功率密度過高;b、焊接材料氧化或污染;c、環境溫度、濕度、潔凈度影響，溫濕度過大，可能導致設備或工件表面結露，影響設備的穩定輸出和工件焊接時炸火飛濺。由此可見，影響焊接質量的因素較多，任何一個因素都可能造成焊接質量的波動，故研究如何對焊接過程進行監測，對焊縫質量進行檢測以有效地識別焊接質量缺陷降低產品失效成本，是非常必要且重要的。

2 焊接過程實時監測

2.1 激光功率監測

激光功率計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：當光子照射到PN結上，電子或空穴擺脫束縛，在PN結內形成光生載流子，光生載流子在電場的作用下產生飄移而形成電流，電流的大小和入射光的能量成比例，以此計算激光發射端的輸出功率。熱電堆的工作原理：當激光被探頭表面的膜層吸收掉轉化成熱量，熱量向熱電偶傳遞并形成溫度梯度場，熱電堆探頭內外兩個節點由于溫度差產生溫差電動勢，電動勢的大小與入射光轉化的熱量成比例。

在激光發生器發射端增加功率計進行輸出功率的在線實時監測，并設置功率超限報警，可以保證光纖激光器的輸出穩定。

2.2 等離子、可見光、熱輻射信號監測

激光焊接過程中，高溫下伴隨熔池出現的還有等離子體、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據，并將其與良好焊接的參考曲線進行比較，根據波形起伏可初步進行焊縫穿透情況、虛焊、飛濺等焊接質量判斷。此方法可實時監測焊接過程，根據監測信號反饋的異常波形進行焊接質量判斷，但無法精確定位焊接失效模式，仍需人工進行復檢確認。

2.3 焊縫熔深實時監測

1991年，美國麻省理工學院在Science上發表了光學相干斷層掃描技術（OCT技術），是一項新興的光學成像技術，當從散射介質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，發生干涉，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，進行成像，它可以實現對被測物體的層析測量。

OCT熔深測量原理即為：通過發射探測激光進入液態熔池并接收反射信號，利用光學相干性原理來獲得焊接過程的實時熔深數據，可測量焊縫的長度、寬度、堆高數值、孔洞大小尺寸和數量，實現焊縫的三維形貌成像。當熔深測量值超過設定范圍時，發送異常報警，從而防止缺陷產品流入客戶端，達到實時監測焊縫質量的目的。

3 焊縫質量檢測

焊縫質量檢測，是指焊接完成后對焊接效果的分析評價，有破壞性檢測和無損檢測兩種方式。拉拔力實驗和金相測試屬于破壞性檢測，通常用于焊接首件檢驗和過程抽檢，本文不做展開討論。無損檢測按檢驗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視覺進行檢測。其中結構光三維測量的應用較為典型，結構光視覺檢測基于激光三角測量法，由線激光發生器和攝像機共同構成視覺檢測系統。工作原理為：通過線激光發生器投射一束光（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生形變，攝像機捕捉到焊縫表面的變形條紋，然后通過變形算法計算獲得焊縫高度形狀尺寸等三維數據。

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

3.2 充放電電壓關系曲線

虛焊、間隙、熔寬不足等不良往往無法通過外觀識別，但其可導致焊點接觸電阻過大，過流能力不足而產生發熱等現象，充放電電壓關系曲線則基于此原理進行檢測。其方法為：使用充放電設備對電池模組進行充放電測試，得到N串單體電芯的充放電電壓時間關系曲線，判斷N串單體電芯的電壓一致性和壓差是否符合標準要求，若符合則證明焊接質量良好，若不符合且某串電芯電壓表現出充高放低現象，即某串電芯在充電時電壓最高，放電時電壓最低，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量異常。

充放電電壓關系曲線法可根據電芯充放電過程中的壓差和溫差表現，對焊點質量進行判定，但異常焊點所在電芯電壓表現出充高放低現象耗時較長，一般在容量測試過程中顯現，通常將多個模組串聯同時進行測試，可提高檢測效率。

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，不良焊點接觸電阻增大導致過流時溫升變大的原理進行檢測，其采用對電池模組進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相機得到電池模組中熱量的分布，當某個電池模組的熱量分布高于閾值即其余電芯焊點平均溫度值，則判定該焊點焊接質量不合格為虛焊。

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 直流內阻測試

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

直流內阻測試適用于電芯并聯數量較少的模組，并聯數量與連接排設計可能對測試結果產生干擾，使檢測結果出現誤判。

4 結語

因激光焊接質量對動力電池產品的性能、壽命和安全性至關重要，識別出所有影響焊接質量的因子，并通過實驗設計將焊接工藝參數和材料、環境等變量控制在合理范圍內，是提升焊接品質降低質量損失成本的最有效方法。但是當前模組生產制造的過程中，可能存在未知因素的干擾和多因子的疊加失效，故低成本高效率識別電池模組激光焊接缺陷的檢測方法仍然值得研究。

參考文獻：

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