浅谈动力电池模组焊接过程监测和焊缝质量检测方法 

浅谈动力电池模组焊接过程监测和焊缝质量检测方法 

李成林

大连豪森设备制造股份有限公司

摘要：激光焊接是方形和软包装动力电池模块制造过程中的关键技术。焊接过程中的缺陷会影响电池的过电流能力和连接强度，降低电池组的使用寿命，严重的会导致安全事故。因此，动力电池模块激光焊接过程的实时监控和焊缝质量的无损检测方法是非常重要的研究对象。

关键词:动力电池模块；激光焊接；实时过程监控；焊缝质量检查；无损检验

1前言

激光焊接技术具有焊缝深宽比高、精度高、非接触、效率高、热影响面积小、易于自动化等特点，广泛应用于动力电池模块极柱或极耳的连接。但焊接过程是一个强烈的物理、化学和冶金过程，能量密度高，工艺参数多，影响因素多，容易产生虚焊、爆炸等缺陷。虚焊的原因包括a、激光功率密度和穿透力不足，功率不足的原因可能是功率设定过小、保护镜片污染、焊接速度过快、焊接产生的烟尘阻挡光束、散焦量过大、输出功率不稳定等。b .待焊零件贴合不紧密或贴合间隙过大的贴合问题，与材料装配精度和工装控制精度有关。产生爆点的主要原因有a、功率密度高；b、焊接材料氧化或污染；c、环境温度、湿度、洁净度、温度和湿度过高，可能导致设备或工件表面结露，影响设备稳定输出和焊接时工件爆炸飞溅。可以看出，影响焊接质量的因素很多，任何一个因素都可能引起焊接质量的波动。因此，研究如何对焊接过程进行监控，检测焊接质量，以有效识别焊接质量缺陷，降低产品故障成本，是非常必要和重要的。

2焊接过程的实时监控

2.1激光功率监控

激光功率计的光电探头包括光电二极管、热电堆、热释电、光束跟踪仪等。以光电二极管为例，探针的工作原理是:当光子照射PN结时，电子或空穴摆脱束缚，在PN结中形成光生载流子。光生载流子在电场的作用下漂移形成电流，电流的大小与入射光的能量成正比，从而计算出激光发射端的输出功率。热电堆的工作原理:当激光被探头表面的薄膜吸收并转化为热量时，热量传递给热电偶，形成温度梯度场。热电堆探头内外两个节点由于温差产生热电动势，电动势的大小与入射光转化的热量成正比。

在激光发生器的发射端增加功率计，对输出功率进行在线实时监控，并设置功率超限报警，可以保证光纤激光器输出的稳定性。

2.2监测等离子体、可见光和热辐射信号

在激光焊接过程中，等离子体、可见光、红外辐射、紫外辐射等。与高温熔池一起出现。通过基于光电二极管的传感器，从焊接过程中释放的等离子体、可见光和辐射光采集三组数据，并与良好焊接的参考曲线进行比较。根据波形的波动，可以初步做出焊缝熔深、虚焊、飞溅等焊接质量判断。该方法可以实时监测焊接过程，并根据监测信号反馈的异常波形判断焊接质量。但不能准确定位焊接失效模式，仍需人工复检。

2.3焊缝熔深的实时监控

光学相干断层扫描(OCT)技术是一种新的光学成像技术。当弹道光子与散射介质返回的参考光的光程差在光源的相干长度内时，它发生干涉，而扩散光子与参考光的光程差大于光源的相干长度，所以它不能发生干涉。因此，具有测量样本信息的弹道光子和蛇光子可以被提取和成像。它可以实现对被测物体的层析测量。

OCT熔透测量的原理是:通过向液态熔池发射探测激光，接收反射信号，利用光学相干原理，获得焊接过程的实时熔透数据。可以测量焊缝的长度、宽度、堆高值、孔洞大小和数量，实现焊缝的三维形貌成像。当测得的熔深超过设定范围时，发出异常报警，防止次品流入客户端，达到实时监控焊缝质量的目的。

3焊缝质量检查

3.1焊缝表面缺陷的目视检查

焊缝表面缺陷，如焊缝宽度、下沉深度、变色、孔洞、超高、飞溅、焊接偏差、裂纹等。可以被3D视觉检测到。其中，结构光三维测量的应用是典型的。结构光视觉检测基于激光三角测量，视觉检测系统由线激光发生器和摄像机组成。工作原理如下:一束光(黑白)由线激光发生器投射，打在焊缝表面，投射到平面上。焊缝高度使激光条纹变形，摄像头捕捉焊缝表面变形的条纹，然后通过变形算法计算出焊缝高度、形状、尺寸等三维数据。

目测只能识别焊缝的外观缺陷，无法判断焊缝的内部缺陷，如虚焊、渗透、气孔等。

3.2充放电电压曲线

虚焊、间隙、熔宽不足等缺陷无法通过外观识别，但会导致焊点接触电阻过大、过电流能力不足、发热等。充放电电压曲线就是基于这个原理测试的。该方法包括以下步骤:利用充放电设备对电池模块进行充放电，获得N系列单体电池的充放电电压-时间曲线，判断N系列单体电池的电压一致性和压差是否符合标准要求；如果有，证明焊接质量好；如果没有，而一串电芯的电压呈现充电降低的现象，即一串电芯充电时电压最高，放电时电压最低，如图2所示。第160串电池的温差比其他电池大，可以判断该串电池焊接质量异常。

电荷-电压曲线法可以根据电池充放电过程中的压差和温差的表现来判断焊点的质量。而异常焊点的电池电压需要很长时间才会出现充电高降低低的现象，这种现象通常出现在容量测试过程中。通常多个模块串联在一起同时测试，可以提高检测效率。

3.3红外热成像目视检查

红外热成像视觉检测也是基于欧姆定律和焦耳定律，采用过电流导致不良焊点接触电阻增大时温升也会增大的原理。它采用大倍率对电池模块进行充电或放电，通常为2C ~ 3C，利用红外热成像工业摄像机获取电池模块内的热量分布。当一个电池模块的热分布高于阈值，即其他电池接头的平均温度值时，则判定该焊点的焊接质量不合格为虚焊。

红外热成像视觉检测方法利用高速充放电检测焊点温升，可以大大提高检测效率。但由于电芯容量越来越大，对设备的电流输出要求越来越高，所以并不适合所有的电池模块，还是有一定的局限性。

3.4 DC内阻测试

DC内阻测试是对电池模块进行一组高速率DC脉冲循环测试，通过计算DC内阻和DC内阻的范围来判断焊点接触电阻是否异常，从而评价焊接质量的方法。由于组成模块的电池是同批次生产的，并被分成匹配组，所以它们的理化特性是一致的，δ R值很小，而DC内阻可以反映电池各个电阻和电容的叠加值。当电池的焊点出现虚焊时，可以通过DC内阻的绝对值和极差来判断焊点的接触电阻是否异常，从而判断焊接质量是否有缺陷。

DC内阻测试适用于具有少量并联电池的模块。平行电池的数量和连接杆的设计可能会干扰测试结果，导致测试结果的误判。

3.5超声波焊缝质量检验方法

基于超声波的焊缝质量检测技术是焊接领域无损检测的重要组成部分。其优点是超声波探测距离大，体积小。超声波检测的原理是:向被检测对象发射超声波。如果被测零件有缺陷，声波的反射波形和反射时间是不同的。超声波检测缺陷就是利用这种差异来判断被检测对象是否存在缺陷，评价是哪种缺陷。针对国外焊接质量检测的问题，采用超声波检测，通过相应的算法对集中的焊接缺陷进行分类，分析焊接缺陷与超声波回波信号的耦合关系。采用超声波检测方法检测点焊中的焊接缺陷，并通过数值模拟揭示其对应关系。采用超声波C扫描技术对铝合金电阻点焊进行无损检测，并对铝合金点焊的焊缝尺寸和形状进行评价。实验证明了该方法的可行性。超声波检测焊缝质量的缺点是缺陷的显示结果不直观，只返回一系列信号。它还需要有经验的工人来识别缺陷的类型，这表明这种方法容易受到主观因素的影响。

3.6基于X射线的焊缝质量检测

基于x射线的焊缝质量检测技术是一种非常重要的无损检测技术。一些学者已经使用卷积神经网络算法来检测输油管道。特别是对于小面积的缺陷区域，建立缺陷图库。虽然基于X射线照相的焊缝质量检测研究很多，也比较成熟，但是使用X射线数字成像缺陷检测系统只能识别焊缝内部缺陷，不能有效检测焊缝外部缺陷，存在一定的弊端。

4结论

由于激光焊接的质量对动力电池产品的性能、寿命和安全至关重要，因此通过实验设计找出影响焊接质量的所有因素，将焊接工艺参数、材料、环境等变量控制在合理的范围内，是提高焊接质量和降低质量损失成本的最有效途径。然而，在目前的模块制造过程中，可能存在未知因素的干扰和多重因素的叠加失效。因此，低成本、高效率地识别电池模块激光焊接缺陷的检测方法仍然值得研究。