汽車電池鋁/銅激光搭接焊接的先進無損檢測技術進展

例如，比亞迪電動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、鋁薄板部件上實現，要求焊縫微細、熱擴散低、內應力低。

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性能和熱物理性能的差異性與不兼容性，鋁/銅大量混合會形成脆性的、高電阻的金屬間化合物相（IMC）。

在實際生產中，汽車電池模組制造商傾向于選擇通過控制鋁/銅熔化時間來抑制IMC相生成量的解決方案，這樣就會使工藝參數窗口變得非常狹窄。

鋁/銅激光焊接固有的不穩定性使得生產中很難保證焊接性能的重復性與再現性，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顯示了鋁/銅異種金屬激光焊接的良好焊縫與常見的典型焊接缺陷。

                                                                                                                                       圖1 良好焊縫與焊接缺陷

激光焊縫缺陷的先進無損檢測技術有超聲波紅外熱像技術、超聲波C掃描成像技術、空氣耦合超聲波檢測技術、全聚焦成像技術、同軸圖像傳感技術及磁光成像檢測技術等。目前，這些先進無損檢測技術方法在電池制造工業中應用非常有限。

為實現汽車動力電池模組件鋁/銅激光焊縫的快速、批量無損檢測技術的應用，尚需融合非傳統的先進檢測技術，開發探索激光焊縫缺陷人工智能可視化檢測技術。實現焊縫缺陷檢測技術可視化、自動化是未來的發展趨勢，人工智能技術是焊縫缺陷檢測的關鍵技術。開發適用于汽車動力電池生產線上鋁/銅異種金屬激光搭接焊縫的人工智能無損檢測技術，是有待深入探索的工業技術挑戰課題。

隨著機器視覺理論的發展，機器視覺檢測技術逐漸應用于焊接生產的實時監控與質量檢測，通過攝像機獲取被測圖像，集中用于對焊點的識別檢測。金屬片的激光焊接區域，可視為無數點焊形成的焊縫，使得機器視覺系統在對焊縫實時監控中具備應用可行性。

由于軟包單體電池自身的特點，焊接工裝定位尤為困難，將機器視覺系統用于動力電池模塊的組裝及焊接，有助于實現電池組裝的高精度定位以及電池激光焊接的實時追蹤。

徐劼深入討論了如何使用iRVision機器視覺系統進行單體電池極耳高精度定位以及Precitec視覺系統對激光焊縫的實時精準追蹤，設備制程能力評判標準CPK結果顯示，視覺系統參與定位引導的制造設備的制程能力遠高于不使用視覺系統的制造設備，解決了動力電池模組制造過程中激光焊接合格率低的問題。

龔凱學等基于機器視覺對快充電池表面金屬片激光焊接區域進行識別與檢測的研究，檢測系統構成時選擇了合適的采集攝像機及光源照明方案，預處理階段進行圖像的灰度處理、模糊度量及復原，焊接區域的識別中設計了閾值分割與邊緣檢測相結合的自適應算法，通過特征提取實現對偏焊、過焊、虛焊等焊接缺陷的識別與檢測。

                                                                                                            圖2 LED光源位置不同時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 裂紋結構

從激光等離子體源到X射線激光器，從慣性約束聚變到實驗室天體物理，固體強激光輻照等離子體的形成是許多應用研究和基礎研究領域的課題。發射光譜法（OES）適用于研究過程發射的波長，從而確定等離子體中存在的化學元素，但OES的靈敏度限制了其識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，但這會降低時間分辨力，不利于OES作為實時監測系統的應用。

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射光譜，并用Boltzmann作圖法從試驗觀測到的CuI譜線強度提取到銅等離子體激發溫度為（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對應于光纖激光器的波長，鋁在360～430 nm之間的394.4 nm/396.15 nm特征雙峰僅表現為395 nm處單峰，在該光譜范圍內未發現銅峰。440 nm，454 nm，467 nm，487 nm，514 nm，544 nm和566 nm處的峰顯示了Al與O在沒有保護氣體條件下反應生成了Al₂O₃。

                                                                                                                               圖5 鋁/銅激光焊接的測量光譜

SIMONDS領導的團隊是LIF應用在激光焊接領域內的活躍研究者，其利用LIF技術研究了對鋁/銅激光搭接焊焊接過程進行原位監測的可能性，結果表明，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條件下探測到鋁/銅異種金屬薄片激光焊接蒸氣煙塵中的銅原子信號。LIF可憑借其優異的靈敏度，成為實時的、原位過程監測的工具，同時也是研究激光焊接基礎動力學的工具。

隨著新能源汽車動力電池制造技術的發展，模組件鋁/銅激光焊接的表征技術也不斷提出新的需求。常規無損檢測技術一般不適用于生產線上直接檢測鋁/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等常規無損檢測方法來探測激光焊接缺陷類型、尺寸、位置等。期待汽車動力電池行業相關機構頒布實施鋁/銅激光搭接焊接質量的標準規范，推薦適用的檢測方法，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。