點擊左上角“鋰電聯盟會長”，即可關注！
文章來源：上汽通用汽車有限公司動力總成制造工程部
0引言
動力電池系統的一般制造工藝，是把多個單體電芯通過不同的串并聯電連接方式組合成模組，然后再將多個模組組合成電池包，再配以高低壓線束、電控單元、熱交換組件等，最終完成動力電池系統的裝配制造。
由此可見，動力電池的電連接工藝是整個動力電池系統裝配制造過程的關鍵工藝；電連接質量直接關系到動力電池系統的產品性能和產品使用安全。
常見的電池電連接在模組級別是采取激光焊接或超聲波焊接方式，將電芯正負極極耳（或極柱）與模組控制電路板可靠地連接起來形成串并聯回路，確保電池工作時電連接具備足夠的力學強度和過電流能力。對焊接質量檢測通常有4種方式，如表1所示。
對于拉伸試驗和金相檢驗，只有在對被焊接工件進行破壞的過程中或破壞后獲得可量化的物理數據才能評估焊接質量，所以這些檢測方法不能適應產業化的使用環境，不能用于量產產品的100%焊接質量檢測；而射線探測，盡管可以不破壞被焊接工件就能檢測焊接質量，但是由于使用到專用特殊裝備，每檢測一次耗時過長，效率低，且需要專業人員的操作和評判，同樣也不能用于批量生產的100%質量檢測。
外觀目視檢查雖然簡便易行，但是由于過多地依賴于人的個體感官和主觀判斷，導致對于焊接質量的評價標準缺乏足夠的穩定性和一致性。
為此，針對動力電池制造，在批量生產的環境下，從確保質量、降低成本、保證效率的角度出發，根據激光焊接和超聲波焊接的連接工藝特性，分別開發無損、高效、穩定的焊接質量檢測方法，就顯得尤為重要。
1激光焊接質量的無損檢測
常見激光焊接質量的評價方法，主要是沿焊點中位線切割，在焊點橫截面上通過金相分析的方法，測量焊接熔寬和熔深的實際狀態（如圖1），以此評價焊接的可靠性。這種破壞性的檢測方式，是不能作為量產環境中對產品質量100%檢測的。
對激光焊接質量的無損檢測研究，首先要理解激光焊接的焊接機理（如圖2）。激光焊是以高能量密度的激光束作為熱源的熔焊方法。金屬表面將所吸收的激光能轉變為熱能，使金屬表面溫度升高而熔化，然后通過熱傳導方式把熱能傳向金屬內部，使熔化區（熔池）逐漸擴大，凝固后形成焊點。
激光焊接質量體現在焊件內部。如果要實現無損檢測，則需要找到焊點外部可見特征與內部質量指標之間的關系，從而建立間接等效評價機制。通過觀察焊點表面狀態可以發現，金屬表面在激光束的照射下被迅速加熱，金屬汽化形成的蒸汽將熔化的金屬擠在熔池的周圍，從而在金屬表面形成一道隆起的焊縫（焊痕）。依據激光焊接工作機理及實際焊接試驗結果的分析，對于材質均勻的金屬焊件，焊縫面積越大，則對應的熔深、熔寬也會隨之增大。如果能對焊縫面積進行有效的識別和測算，那么對于激光焊接質量就找到了等效評價方式。
采用“激光傳感器+算法建模”的方式對焊縫面積進行測量。激光傳感器是一種利用激光技術進行測量的傳感器，它具有無接觸遠距離測量、速度快、精度高、抗干擾等優點，能夠滿足批量生產環境下“快、準、穩”的測量要求。激光傳感器在對焊件表面進行距離測量時，根據反射光的返回時間，可以精確地識別出在某一點上的焊縫表面特征（高度變化狀態）。
如果激光傳感器以v的速度沿焊縫x軸方向勻速直線移動，那么根據激光反射所獲得的連續數據，就能掃描模擬出焊縫x軸方向的斷面形狀和有效長度（如圖3）。同理，讓激光傳感器沿y軸方向勻速直線運動，掃描出焊縫y軸方向的斷面形狀和有效長度。對x軸和y軸二維數據進行算法擬合，就能建立實際焊縫狀態的三維仿真模型，并計算出有效的焊縫面積。
在實際應用中，選用具備線性光點的激光傳感器（具體參數如表2），通過激光的線性光點取代某個維度上的焊縫輪廓采樣。這樣，只要驅動機構將激光傳感器沿線性光斑的垂直方向單向運動，即可實現對焊縫的三維輪廓掃描（如圖4）。
將上述三維掃描技術應用于用于生產過程，建立激光焊接質量控制流程（如圖5）。在試生產階段，隨機選取一定數量的激光焊接狀態樣本，收集分析相應的金相檢驗數據，明確焊接實際熔深、熔寬與三維建模計算焊縫面積之間的對應關系，設定激光焊接焊縫面積的測量限值參數，從而實現對激光焊接質量控制的無損檢測，滿足批量生產100%檢測的要求。
2超聲波焊接質量的無損檢測
常見的超聲波焊接質量的評價方法是：對焊接后的試樣進行常溫拉伸試驗，記錄焊件試樣在拉伸機的作用下開始相互撕裂分離時的最大拉力值，以此作為焊接質量的評價指標。由圖6可見，這也同樣屬于破壞性的檢測方式，難以用于批量生產。
超聲波焊接的工作原理是兩焊件以搭接的形式固定好相互位置，在靜壓力作用下，利用超聲波的高頻振蕩使焊件接觸表面產生強烈的摩擦作用，消除焊件表面氧化物并伴隨有限的溫升，在焊件母材不發生熔化的情況下實現冶金結合的一種壓焊方法（如圖7）。在動力電池系統上采用超聲波焊接來實現有效電連接，除了需要保證連接點處有足夠的力學強度，不會因外力作用發生脫焊或撕裂而出現電連接失效外，還需要保證連接點處的接觸電阻足夠小，具備足夠的過電流能力，避免在動力電池系統大電流充放電過程中出現局部熱量集中而發生安全事故。
對于超聲波焊接的力學強度，根據焊接系統結構及工作原理，一旦焊接系統完成焊接功率、振動頻率、振幅、靜壓力、焊接時間等參數的設定，那么對應的力學強度就會隨之被確定下來，因此可以沿用拉伸試驗對焊接的力學強度進行定期抽檢，以驗證整個超聲波焊接的聲學系統及焊接參數的穩定性。
而對于超聲波焊接的接觸電阻，根據電阻值的計算公式可知，電阻值大小與導電體的橫截面積有關，而這里的橫截面積即為焊接連接面積。因此，獲取超聲波焊接的接觸電阻，不但可以評價焊接連接點處的電性能狀態，而且可以同時評價焊接連接的有效面積。焊接接觸電阻的測量方法，即采取搭建恒電流回路的方式（如圖8），通過對可變電阻的調節，獲得穩定的電流，再采集回路上電壓的大小，即可計算出焊接連接點處的電阻值。由公示R=U/I可知，當電流I保持不變，則焊接電阻R僅與電壓U成正比關系，消除回路中其他部件對最終測量結果所產生的干擾。
測量焊接電阻的技術核心，在于焊接連接點夾具的設計。首先要確保工作效率，由圖7可知，需要測量的動力電池焊接點數量眾多，夾具運動耗時和系統測試耗時必須滿足量產節拍的要求。此外，夾具的連接需要具備一定的連接可靠性，不但要盡可能地減小夾具與焊接面之間的接觸電阻，使得系統測量數值能更加準確地反映焊接連接點處的接觸電阻，而且需要夾具具備一定的柔性，能適應于不同焊后狀態的連接點夾持要求。
通過系統研發，完成了一套焊接電阻測試夾具的設計（如圖9），利用導桿8實現夾具與動力電池模組之間的相對位置固聯，在氣缸1的驅動下運動控制機構4推動金屬夾片7的動片沿導軌部件6向金屬夾片7的定片運動，實現對焊接連接點的夾持作用。測試系統的電路連接部件，通過導軌6及金屬夾片7形成測量回路。經過系統驗證，該套機構可實現對52對電池模組極耳超聲波焊接質量的同時檢測，實現毫秒級的夾持和測試，測量精度可達5μΩ，滿足批量生產100%無損檢測的要求。
3結語
新能源汽車電氣系統安全故障中比較常見的為動力電池系統電連接故障。因此，焊接作為動力電池系統中電連接的主要工藝，其連接質量必須要在裝配制造過程中得到有效的檢測和控制。
通過技術研發和實踐應用，建立了一套“定期抽檢+實時無損檢測”的焊接質量控制方法：1）利用金相檢驗和拉伸試驗等常規檢測方式作為質量抽檢，用于定期確認制造系統（包括設備、參數、物料等）的狀態穩定無偏離；2）依托三維掃描技術和焊接電阻檢測技術，實現量產條件下對激光焊接和超聲波焊接質量的100%實時無損評價，對制造系統及產品制造質量進行實時有效的控制。
基于三維掃描技術和焊接電阻檢測技術所建立起的這一套高效、安全可靠、可工藝量化、適應于批量生產的電池產品電連接焊接質量的無損檢測方法，已經在我企業多條動力電池裝配制造量產線上得到了生產驗證（如圖10、圖11），具有較高的穩定性、可靠性和實用性。
