隨著電動汽車生產(chǎn)規(guī)模的擴大，提高電池組焊接產(chǎn)量的需求不斷增加。這是因為電池模塊和托盤可能包含數(shù)百個電池單元，每個單元都需要多次焊接。在這種產(chǎn)量下，即使是很小的缺陷水平也會導(dǎo)致不可接受的故障率，并因報廢和返工而損失大量資源。

許多制造商仍然依賴傳統(tǒng)的激光焊接監(jiān)測 (LWM) 工具來確保質(zhì)量。但這些系統(tǒng)通常無法直接測量焊縫，甚至無法精確測量焊縫。這就給質(zhì)量保證過程帶來了不確定性，導(dǎo)致廢品率升高，同時仍不可避免地?zé)o法防止不良產(chǎn)品出廠。

為解決這一問題并不斷提高全球電池制造能力，IPG Photonics 將飛行焊接 (OTF) 與我們自己的專利實時在線激光焊縫測量系統(tǒng)相結(jié)合。這些技術(shù)結(jié)合在一起，既能提供經(jīng)濟高效的高產(chǎn)能電池生產(chǎn)所需的速度，又能提供精確焊接驗證所需的測量能力。這種集成方法可以提高產(chǎn)量、降低廢品率，并在不減慢工藝流程的情況下增強對焊接完整性的信心。

讓我們來探討一下開發(fā)這種功能強大的電池焊接解決方案背后的一些考慮因素、驅(qū)動因素和挑戰(zhàn)。 

小焊縫帶來大影響

電池生產(chǎn)的幾乎每個階段都需要焊接--在電池制造、電池與電池、電池與母線的連接、模塊與電池組的集成，甚至是制造結(jié)構(gòu)外殼時。事實證明，激光焊接是一種用途廣泛、經(jīng)濟高效的焊接工具。

在電池生產(chǎn)的后期階段，激光焊接通常通過鎖孔焊接而不是傳導(dǎo)焊接來完成。這是因為與傳導(dǎo)焊接相比，鎖孔焊接具有更深的熔透、更低的熱輸入、更高的耦合效率以及更小的熱影響區(qū)（HAZ）。這些特點更適合這些應(yīng)用的需要。

電池連接處的鎖孔激光焊接（尤其是在將單個電池端子連接到集電板或母線時）是一個特別關(guān)鍵的生產(chǎn)步驟。

電池與母線的連接通常涉及厚度小于 1 毫米的薄材料。這使得焊接過程對穿透不足和穿透過度都非常敏感。具體來說，滲透不足會導(dǎo)致接觸導(dǎo)電性差，而滲透過度則會損壞電池，可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障。因此，不良焊接會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

另一個問題是，模塊通常需要數(shù)百道焊縫（每組電池至少兩道焊縫，再乘以數(shù)十或數(shù)百道焊縫）。這意味著，低至萬分之一的缺陷率也會導(dǎo)致模塊或電池故障頻發(fā)。

集電極板的焊接是在制造過程的后期進行的，而此時電池的價值已經(jīng)非常高，這就增加了風(fēng)險。因此，在這一階段出現(xiàn)故障往往意味著報廢一個已完全組裝好的高成本組件，或至少重新加工。因此，準確、及時的焊接驗證不僅對質(zhì)量至關(guān)重要，而且對運營和經(jīng)濟可行性也至關(guān)重要。 

傳統(tǒng)激光焊接監(jiān)測的局限性

對于電池制造商來說，這些都不是什么新鮮事，他們早就采用了各種工具來確保激光焊接的質(zhì)量。其中一些激光焊接監(jiān)測技術(shù)包括光學(xué)發(fā)射光譜 (OES)、聲學(xué)/超聲波監(jiān)測、紅外線 (IR) 和熱成像以及其他各種白光視覺系統(tǒng)。

所有這些方法的問題在于它們不能直接測量最關(guān)鍵的參數(shù)--熔透深度。傳統(tǒng)上，唯一準確的測量方法是將成品部件切開，查看焊接橫截面。雖然這種方法很有啟發(fā)性，但它是一種破壞性測試，在生產(chǎn)過程中并不廣泛使用。

相反，制造商必須采用一種或多種激光焊接監(jiān)測技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，然后使用統(tǒng)計方法將其與理想的焊接參考標準進行比較。然而，這種對已有數(shù)據(jù)集的依賴本身就受到其所含假設(shè)的限制。如果焊接過程中出現(xiàn)細微變化，例如進場組件的差異，得出的結(jié)果就可能不正確。最糟糕的是，許多方法無法準確識別過度滲透，最終往往會報告很大比例的錯誤故障。

這些激光焊接監(jiān)測工具的局限性是電池焊接廢品率居高不下的主要原因。這一問題甚至促使一些制造商設(shè)計可更換的電池模塊來彌補這一缺陷。但是，在電動汽車制造商紛紛轉(zhuǎn)向框架集成電池組的今天，這并不總是最佳策略。

腳踏實地（焊接測量）

內(nèi)聯(lián)相干成像（ICI）是專門為解決傳統(tǒng)激光焊接監(jiān)測技術(shù)的局限性而開發(fā)的。該技術(shù)由 Laser Depth Dynamics 公司（現(xiàn)為 IPG Photonics 公司的一部分）發(fā)明，并在北美申請了專利。我們將基于 ICI 的直接激光焊接測量技術(shù)稱為 LDD。

LDD 采用低功率近紅外測量光束，通過與焊接光束相同的光學(xué)器件照射。由于 LDD 光束與焊接光束同軸，因此測量光束和加工光束會同時照射到工件上。金屬工件就像一面鏡子，將部分 LDD 光反射回光學(xué)器件。這些反射光通過干涉測量法精確測量到反射表面的距離。

在鎖孔激光焊接過程中，LDD 光束射入該空腔并在其底部反射。這樣就可以直接測量鍵孔深度，精度通常在幾微米之內(nèi)。重要的是，LDD 甚至能夠測量單模激光器產(chǎn)生的窄而高縱橫比的鍵孔。所有這些都使 LDD 有別于其他利用替代信號（如熱量、焊接煙羽或聲音）然后試圖接近焊接區(qū)實際情況的焊接監(jiān)測方法。

LDD 光學(xué)鏡片本身還包含一個振鏡，可快速移動測量光束，不受工藝光束的影響。在典型的在線焊接測量應(yīng)用中，LDD 光束的設(shè)置是略微跟蹤工藝光束，并持續(xù)監(jiān)測鎖孔深度。但它也可以指向工件的頂面，以保持深度參考。

掃描 LDD 測量光束可測量除鑰匙孔深度以外的其他重要焊接參數(shù)。這些參數(shù)包括材料高度、焊縫位置、成品（縱向）焊縫高度和橫向焊縫輪廓。

因此，LDD 使制造商能夠從統(tǒng)計監(jiān)測過渡到直接測量。它提供了對每個焊縫進行單獨、實時驗證的能力。

許多已經(jīng)使用 LDD 技術(shù)的電池制造商已經(jīng)證明，這將對成本和質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響。欠穿透焊縫一旦出現(xiàn)，就能立即識別出來，并標記出來，以便立即或隨后返工。此外，還能注意到過穿透的焊縫。因此，虛假報廢的問題幾乎不復(fù)存在。生產(chǎn)商可以在零件價值被進一步提高之前，立即決定是通過還是報廢。

結(jié)合 OTF + LDD：速度與質(zhì)量并重

飛行焊接（OTF）是另一個重要的技術(shù)里程碑，已經(jīng)為制造商帶來了巨大的收益。在飛行激光焊接系統(tǒng)中，激光掃描系統(tǒng)產(chǎn)生的光束運動與實際工件運動緊密同步。

OTF 大大減少了掃描系統(tǒng)必須停止的頻率，從而大大提高了處理速度。此外，它還能使掃描系統(tǒng)大部分時間在視場中心運行。這樣做的好處是可以最大限度地減少聚焦光束的光學(xué)失真，從而生產(chǎn)出更可靠的焊縫。

OTF 焊接的最大優(yōu)點是效率更高、產(chǎn)量更大、精度更高、可靠性更好以及操作靈活性更高。OTF 還可與其他有益的雷射焊接技術(shù)兼容，例如 雙光束激光器.

但是，對于高產(chǎn)量的電池模塊低溫焊接來說，OTF 本身只是解決方案的一半。具體來說，OTF 能提高速度，但仍不一定能確保焊接質(zhì)量。這就是 LDD 的用武之地。

同時使用 OTF+LDD 技術(shù)，制造商不必再以速度換質(zhì)量。LDD 是對 OTF 的補充，它能以全速實時驗證焊接深度。它還能制定返工策略�？梢詷擞浐图m正未充分滲透的焊縫，同時根據(jù)需要跟蹤過度滲透事件。這樣，生產(chǎn)過程就變得更快、更可靠、更可控。這將直接轉(zhuǎn)化為更高的產(chǎn)量、更低的廢品率和更可預(yù)測的生產(chǎn)結(jié)果。 

工程解決方案

雖然將 LDD 和 OTF 結(jié)合在一起具有明顯的優(yōu)勢，但建立一個將這兩種技術(shù)集成在一起的實用、可靠的系統(tǒng)是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。其中一個主要問題是測量光束和焊接光束之間的對準度必須保持在 5 微米以內(nèi)。

問題在于焊接光束會不斷改變方向。例如，如果最終焊接是一個簡單的圓形路徑，傳統(tǒng)的（固定）焊接掃描儀只需要跟蹤出這個圓形。但在 OTF 中，部件或光學(xué)器件是連續(xù)運動的，這意味著光束必須沿著更復(fù)雜的路徑進行補償。而這種復(fù)雜路徑必須實時計算。

此外，LDD 光束必須位于鑰匙孔內(nèi)焊接光束的正后方。但由于光束的移動方向不斷變化，"后面 "的方位也在不斷變化。當(dāng)光束以高達每秒 1 米的速度在工件表面移動時，LDD 系統(tǒng)必須實時計算這一切。

要使 LDD 與 OTF 以生產(chǎn)速度協(xié)同工作，并不是使用現(xiàn)成的組件和對軟件進行一些調(diào)整就能實現(xiàn)的。這需要對光學(xué)、運動控制和光束傳輸組件以及熱動力學(xué)和工具有深入的了解。

IPG 在設(shè)計這一解決方案方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，因為我們在公司內(nèi)部設(shè)計和制造該系統(tǒng)的全套技術(shù)。我們生產(chǎn)光纖激光器，當(dāng)然也生產(chǎn)振鏡頭、運動系統(tǒng)、控制軟件和 LDD 系統(tǒng)本身。我們還制造這些組件和技術(shù)，并將其集成到許多交鑰匙工程和定制子系統(tǒng)、全套系統(tǒng)和生產(chǎn)線中。

在開發(fā)獨特的激光解決方案時，這種垂直整合為我們帶來了兩大優(yōu)勢。首先，我們擁有豐富的經(jīng)驗，能夠在確定解決方案之前完全理解和描述問題。其次，我們擁有有效實施解決方案所需的開發(fā)資源和對所有系統(tǒng)組件的工程控制。

憑借這些能力，IPG 設(shè)計人員能夠開發(fā)出一種解決方案，在生產(chǎn)速度下獲取高質(zhì)量 LDD 數(shù)據(jù)，并以 OTF + LDD 在生產(chǎn)線上可靠運行所需的精度水平同步光束轉(zhuǎn)向。我們還開發(fā)了校準例程、校正算法和必要的支持工具，以便在高溫、振動、污染和磨損的情況下長期保持精度。

但即使這樣也是不夠的。在生產(chǎn)環(huán)境中，激光系統(tǒng)的性能既取決于系統(tǒng)內(nèi)部，也取決于系統(tǒng)周圍。因此，我們還提供夾具、夾緊裝置和工具。

例如，集電板并不總是與電池端子完全齊平。母線并不總是剛性的。兩個部件之間的間隙可能會因焊縫不同而略有差異。這就是現(xiàn)實，我們的系統(tǒng)就是為了適應(yīng)這種情況而設(shè)計的。無論是確保接觸一致的彈簧加載工具、具有微米級可重復(fù)性的龍門系統(tǒng)，還是補償熱漂移的自動光束對準程序，我們都能提供完整的解決方案，而不僅僅是組件。

轉(zhuǎn)自：IPG光纖激光器

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