汽车电池铝/铜激光搭接焊接的*无损检测技术进展

例如，比亚迪电动汽车电池工厂安装了碟片式激光器，激光搭接焊接工艺在厚度≤2 mm的铜、铝薄板部件上实现，要求焊缝微细、热扩散低、内应力低。

然而，铝/铜异种金属材料的激光焊接通常较为困难，原因在于不同金属元素之间光学性能和热物理性能的差异性与不兼容性，铝/铜大量混合会形成脆性的、高电阻的金属间化合物相（IMC）。

在实际生产中，汽车电池模组制造商倾向于选择通过控制铝/铜熔化时间来抑制IMC相生成量的解决方案，这样就会使工艺参数窗口变得非常狭窄。

铝/铜激光焊接固有的不稳定性使得生产中很难保证焊接性能的重复性与再现性，不可避免地形成未焊透、未熔合、烧穿、咬边、焊瘤、凹坑、间隙过大、气孔及裂纹等焊接缺陷。图1显示了铝/铜异种金属激光焊接的良好焊缝与常见的典型焊接缺陷。

                                                                                                                                       图1 良好焊缝与焊接缺陷

激光焊缝缺陷的*无损检测技术有超声波红外热像技术、超声波C扫描成像技术、空气耦合超声波检测技术、全聚焦成像技术、同轴图像传感技术及磁光成像检测技术等。目前，这些*无损检测技术方法在电池制造工业中应用非常有限。

为实现汽车动力电池模组件铝/铜激光焊缝的快速、批量无损检测技术的应用，尚需融合非传统的*检测技术，开发探索激光焊缝缺陷人工智能可视化检测技术。实现焊缝缺陷检测技术可视化、自动化是未来的发展趋势，人工智能技术是焊缝缺陷检测的关键技术。开发适用于汽车动力电池生产线上铝/铜异种金属激光搭接焊缝的人工智能无损检测技术，是有待深入探索的工业技术挑战课题。

随着机器视觉理论的发展，机器视觉检测技术逐渐应用于焊接生产的实时监控与质量检测，通过摄像机获取被测图像，集中用于对焊点的识别检测。金属片的激光焊接区域，可视为无数点焊形成的焊缝，使得机器视觉系统在对焊缝实时监控中具备应用可行性。

由于软包单体电池自身的特点，焊接工装定位尤为困难，将机器视觉系统用于动力电池模块的组装及焊接，有助于实现电池组装的高精度定位以及电池激光焊接的实时追踪。

徐劼深入讨论了如何使用iRVision机器视觉系统进行单体电池极耳高精度定位以及Precitec视觉系统对激光焊缝的实时精准追踪，设备制程能力评判标准CPK结果显示，视觉系统参与定位引导的制造设备的制程能力远高于不使用视觉系统的制造设备，解决了动力电池模组制造过程中激光焊接合格率低的问题。

龚凯学等基于机器视觉对快充电池表面金属片激光焊接区域进行识别与检测的研究，检测系统构成时选择了合适的采集摄像机及光源照明方案，预处理阶段进行图像的灰度处理、模糊度量及复原，焊接区域的识别中设计了阈值分割与边缘检测相结合的自适应算法，通过特征提取实现对偏焊、过焊、虚焊等焊接缺陷的识别与检测。

                                                                                                            图2 LED光源位置不同时的焊接裂纹二维灰度图像

                                                                                                                     图3 提取的焊接缺陷三维深度图像

                                                                                                                                     图4 裂纹结构

从激光等离子体源到X射线激光器，从惯性约束聚变到实验室天体物理，固体强激光辐照等离子体的形成是许多应用研究和基础研究领域的课题。发射光谱法（OES）适用于研究过程发射的波长，从而确定等离子体中存在的化学元素，但OES的灵敏度限制了其识别熔池元素之外的其他元素的能力。随着集成度的提高，提高OES信噪比是可行的，但这会降低时间分辨力，不利于OES作为实时监测系统的应用。

CIOHBANU等利用脉冲Nd-YAG激光器和Acton Research光谱仪（最佳光谱分辨力为0.5 nm）着重研究了空气中铝和铜等离子体的发射光谱，并用Boltzmann作图法从试验观测到的CuI谱线强度提取到铜等离子体激发温度为（8210±370）K。

图5为使用Oceanoptics HR2000+型光谱仪得到的纯铝和纯铜激光焊接的光谱，1070 nm对应于光纤激光器的波长，铝在360～430 nm之间的394.4 nm/396.15 nm特征双峰仅表现为395 nm处单峰，在该光谱范围内未发现铜峰。440 nm，454 nm，467 nm，487 nm，514 nm，544 nm和566 nm处的峰显示了Al与O在没有保护气体条件下反应生成了Al₂O₃。

                                                                                                                               图5 铝/铜激光焊接的测量光谱

SIMONDS领导的团队是LIF应用在激光焊接领域内的活跃研究者，其利用LIF技术研究了对铝/铜激光搭接焊焊接过程进行原位监测的可能性，结果表明，即使在焊缝熔深太浅而未形成牢固焊接接头的情况下，LIF仍具有足够的灵敏度在真实条件下探测到铝/铜异种金属薄片激光焊接蒸气烟尘中的铜原子信号。LIF可凭借其优异的灵敏度，成为实时的、原位过程监测的工具，同时也是研究激光焊接基础动力学的工具。

随着新能源汽车动力电池制造技术的发展，模组件铝/铜激光焊接的表征技术也不断提出新的需求。常规无损检测技术一般不适用于生产线上直接检测铝/铜激光焊接焊缝，而焊缝试样从电池模组上取出后，可用RT或CT等常规无损检测方法来探测激光焊接缺陷类型、尺寸、位置等。期待汽车动力电池行业相关机构颁布实施铝/铜激光搭接焊接质量的标准规范，推荐适用的检测方法，并定义不允许存在的焊接缺陷类型、允许存在的焊接缺陷类型及其接受水平。