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文章来源：上汽通用汽车有限公司动力总成制造工程部
0引言
动力电池系统的一般制造工艺，是把多个单体电芯通过不同的串并联电连接方式组合成模组，然后再将多个模组组合成电池包，再配以高低压线束、电控单元、热交换组件等，最终完成动力电池系统的装配制造。
由此可见，动力电池的电连接工艺是整个动力电池系统装配制造过程的关键工艺；电连接质量直接关系到动力电池系统的产品性能和产品使用安全。
常见的电池电连接在模组级别是采取激光焊接或超声波焊接方式，将电芯正负极极耳（或极柱）与模组控制电路板可靠地连接起来形成串并联回路，确保电池工作时电连接具备足够的力学强度和过电流能力。对焊接质量检测通常有4种方式，如表1所示。
对于拉伸试验和金相检验，只有在对被焊接工件进行破坏的过程中或破坏后获得可量化的物理数据才能评估焊接质量，所以这些检测方法不能适应产业化的使用环境，不能用于量产产品的100%焊接质量检测；而射线探测，尽管可以不破坏被焊接工件就能检测焊接质量，但是由于使用到专用特殊装备，每检测一次耗时过长，效率低，且需要专业人员的操作和评判，同样也不能用于批量生产的100%质量检测。
外观目视检查虽然简便易行，但是由于过多地依赖于人的个体感官和主观判断，导致对于焊接质量的评价标准缺乏足够的稳定性和一致性。
为此，针对动力电池制造，在批量生产的环境下，从确保质量、降低成本、保证效率的角度出发，根据激光焊接和超声波焊接的连接工艺特性，分别开发无损、高效、稳定的焊接质量检测方法，就显得尤为重要。
1激光焊接质量的无损检测
常见激光焊接质量的评价方法，主要是沿焊点中位线切割，在焊点横截面上通过金相分析的方法，测量焊接熔宽和熔深的实际状态（如图1），以此评价焊接的可靠性。这种破坏性的检测方式，是不能作为量产环境中对产品质量100%检测的。
对激光焊接质量的无损检测研究，首先要理解激光焊接的焊接机理（如图2）。激光焊是以高能量密度的激光束作为热源的熔焊方法。金属表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区（熔池）逐渐扩大，凝固后形成焊点。
激光焊接质量体现在焊件内部。如果要实现无损检测，则需要找到焊点外部可见特征与内部质量指标之间的关系，从而建立间接等效评价机制。通过观察焊点表面状态可以发现，金属表面在激光束的照射下被迅速加热，金属汽化形成的蒸汽将熔化的金属挤在熔池的周围，从而在金属表面形成一道隆起的焊缝（焊痕）。依据激光焊接工作机理及实际焊接试验结果的分析，对于材质均匀的金属焊件，焊缝面积越大，则对应的熔深、熔宽也会随之增大。如果能对焊缝面积进行有效的识别和测算，那么对于激光焊接质量就找到了等效评价方式。
采用“激光传感器+算法建模”的方式对焊缝面积进行测量。激光传感器是一种利用激光技术进行测量的传感器，它具有无接触远距离测量、速度快、精度高、抗干扰等优点，能够满足批量生产环境下“快、准、稳”的测量要求。激光传感器在对焊件表面进行距离测量时，根据反射光的返回时间，可以精确地识别出在某一点上的焊缝表面特征（高度变化状态）。
如果激光传感器以v的速度沿焊缝x轴方向匀速直线移动，那么根据激光反射所获得的连续数据，就能扫描模拟出焊缝x轴方向的断面形状和有效长度（如图3）。同理，让激光传感器沿y轴方向匀速直线运动，扫描出焊缝y轴方向的断面形状和有效长度。对x轴和y轴二维数据进行算法拟合，就能建立实际焊缝状态的三维仿真模型，并计算出有效的焊缝面积。
在实际应用中，选用具备线性光点的激光传感器（具体参数如表2），通过激光的线性光点取代某个维度上的焊缝轮廓采样。这样，只要驱动机构将激光传感器沿线性光斑的垂直方向单向运动，即可实现对焊缝的三维轮廓扫描（如图4）。
将上述三维扫描技术应用于用于生产过程，建立激光焊接质量控制流程（如图5）。在试生产阶段，随机选取一定数量的激光焊接状态样本，收集分析相应的金相检验数据，明确焊接实际熔深、熔宽与三维建模计算焊缝面积之间的对应关系，设定激光焊接焊缝面积的测量限值参数，从而实现对激光焊接质量控制的无损检测，满足批量生产100%检测的要求。
2超声波焊接质量的无损检测
常见的超声波焊接质量的评价方法是：对焊接后的试样进行常温拉伸试验，记录焊件试样在拉伸机的作用下开始相互撕裂分离时的最大拉力值，以此作为焊接质量的评价指标。由图6可见，这也同样属于破坏性的检测方式，难以用于批量生产。
超声波焊接的工作原理是两焊件以搭接的形式固定好相互位置，在静压力作用下，利用超声波的高频振荡使焊件接触表面产生强烈的摩擦作用，消除焊件表面氧化物并伴随有限的温升，在焊件母材不发生熔化的情况下实现冶金结合的一种压焊方法（如图7）。在动力电池系统上采用超声波焊接来实现有效电连接，除了需要保证连接点处有足够的力学强度，不会因外力作用发生脱焊或撕裂而出现电连接失效外，还需要保证连接点处的接触电阻足够小，具备足够的过电流能力，避免在动力电池系统大电流充放电过程中出现局部热量集中而发生安全事故。
对于超声波焊接的力学强度，根据焊接系统结构及工作原理，一旦焊接系统完成焊接功率、振动频率、振幅、静压力、焊接时间等参数的设定，那么对应的力学强度就会随之被确定下来，因此可以沿用拉伸试验对焊接的力学强度进行定期抽检，以验证整个超声波焊接的声学系统及焊接参数的稳定性。
而对于超声波焊接的接触电阻，根据电阻值的计算公式可知，电阻值大小与导电体的横截面积有关，而这里的横截面积即为焊接连接面积。因此，获取超声波焊接的接触电阻，不但可以评价焊接连接点处的电性能状态，而且可以同时评价焊接连接的有效面积。焊接接触电阻的测量方法，即采取搭建恒电流回路的方式（如图8），通过对可变电阻的调节，获得稳定的电流，再采集回路上电压的大小，即可计算出焊接连接点处的电阻值。由公示R=U/I可知，当电流I保持不变，则焊接电阻R仅与电压U成正比关系，消除回路中其他部件对最终测量结果所产生的干扰。
测量焊接电阻的技术核心，在于焊接连接点夹具的设计。首先要确保工作效率，由图7可知，需要测量的动力电池焊接点数量众多，夹具运动耗时和系统测试耗时必须满足量产节拍的要求。此外，夹具的连接需要具备一定的连接可靠性，不但要尽可能地减小夹具与焊接面之间的接触电阻，使得系统测量数值能更加准确地反映焊接连接点处的接触电阻，而且需要夹具具备一定的柔性，能适应于不同焊后状态的连接点夹持要求。
通过系统研发，完成了一套焊接电阻测试夹具的设计（如图9），利用导杆8实现夹具与动力电池模组之间的相对位置固联，在气缸1的驱动下运动控制机构4推动金属夹片7的动片沿导轨部件6向金属夹片7的定片运动，实现对焊接连接点的夹持作用。测试系统的电路连接部件，通过导轨6及金属夹片7形成测量回路。经过系统验证，该套机构可实现对52对电池模组极耳超声波焊接质量的同时检测，实现毫秒级的夹持和测试，测量精度可达5μΩ，满足批量生产100%无损检测的要求。
3结语
新能源汽车电气系统安全故障中比较常见的为动力电池系统电连接故障。因此，焊接作为动力电池系统中电连接的主要工艺，其连接质量必须要在装配制造过程中得到有效的检测和控制。
通过技术研发和实践应用，建立了一套“定期抽检+实时无损检测”的焊接质量控制方法：1）利用金相检验和拉伸试验等常规检测方式作为质量抽检，用于定期确认制造系统（包括设备、参数、物料等）的状态稳定无偏离；2）依托三维扫描技术和焊接电阻检测技术，实现量产条件下对激光焊接和超声波焊接质量的100%实时无损评价，对制造系统及产品制造质量进行实时有效的控制。
基于三维扫描技术和焊接电阻检测技术所建立起的这一套高效、安全可靠、可工艺量化、适应于批量生产的电池产品电连接焊接质量的无损检测方法，已经在我企业多条动力电池装配制造量产线上得到了生产验证（如图10、图11），具有较高的稳定性、可靠性和实用性。
