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汽車電池鋁/銅激光搭接焊接的*無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展
鋁/銅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)，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≤2 mm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。
然而，鋁/銅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，鋁/銅大量混合會(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(guò)控制鋁/銅熔化時(shí)間來(lái)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。
鋁/銅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(guò)大、氣孔及裂紋等焊接缺陷。圖1顯示了鋁/銅異種金屬激光焊接的良好焊縫與常見(jiàn)的典型焊接缺陷。
圖1 良好焊縫與焊接缺陷
傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的局限性
*無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展
激光焊縫缺陷的*無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有超聲波紅外熱像技術(shù)、超聲波C掃描成像技術(shù)、空氣耦合超聲波檢測(cè)技術(shù)、全聚焦成像技術(shù)、同軸圖像傳感技術(shù)及磁光成像檢測(cè)技術(shù)等。目前，這些*無(wú)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)力電池模組件鋁/銅激光焊縫的快速、批量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，尚需融合非傳統(tǒng)的*檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)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(lái)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)。開(kāi)發(fā)適用于汽車動(dòng)力電池生產(chǎn)線上鋁/銅異種金屬激光搭接焊縫的人工智能無(wú)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。
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機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)
隨著機(jī)器視覺(jué)理論的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)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(guò)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(wú)數(shù)點(diǎn)焊形成的焊縫，使得機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在對(duì)焊縫實(shí)時(shí)監(jiān)控中具備應(yīng)用可行性。
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(jué)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。
徐劼深入討論了如何使用iRVision機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行單體電池極耳高精度定位以及Precitec視覺(jué)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(jué)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(jué)系統(tǒng)的制造設(shè)備，解決了動(dòng)力電池模組制造過(guò)程中激光焊接合格率低的問(wèn)題。
龔凱學(xué)等基于機(jī)器視覺(jué)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(guò)特征提取實(shí)現(xiàn)對(duì)偏焊、過(guò)焊、虛焊等焊接缺陷的識(shí)別與檢測(cè)。
圖2 LED光源位置不同時(shí)的焊接裂紋二維灰度圖像
圖3 提取的焊接缺陷三維深度圖像
圖4 裂紋結(jié)構(gòu)
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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(guò)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)別熔池元素之外的其他元素的能力。隨著集成度的提高，提高OES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等利用脈沖Nd-YAG激光器和Acton Research光譜儀（最佳光譜分辨力為0.5 nm）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，1070 nm對(duì)應(yīng)于光纖激光器的波長(zhǎng)，鋁在360～430 nm之間的394.4 nm/396.15 nm特征雙峰僅表現(xiàn)為395 nm處單峰，在該光譜范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)銅峰。440 nm，454 nm，467 nm，487 nm，514 nm，544 nm和566 nm處的峰顯示了Al與O在沒(méi)有保護(hù)氣體條件下反應(yīng)生成了Al2O3。
圖5 鋁/銅激光焊接的測(cè)量光譜
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激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)技術(shù)
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，其利用LIF技術(shù)研究了對(duì)鋁/銅激光搭接焊焊接過(guò)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)到鋁/銅異種金屬薄片激光焊接蒸氣煙塵中的銅原子信號(hào)。LIF可憑借其優(yōu)異的靈敏度，成為實(shí)時(shí)的、原位過(guò)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。
結(jié)束語(yǔ)
隨著新能源汽車動(dòng)力電池制造技術(shù)的發(fā)展，模組件鋁/銅激光焊接的表征技術(shù)也不斷提出新的需求。常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)一般不適用于生產(chǎn)線上直接檢測(cè)鋁/銅激光焊接焊縫，而焊縫試樣從電池模組上取出后，可用RT或CT等常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)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)施鋁/銅激光搭接焊接質(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。