電池模塊是電動(dòng)汽車的心臟。電動(dòng)汽車依靠電池驅(qū)動(dòng)，因此電池的可靠性對(duì)于汽車的安全至關(guān)重要。早在 2013 年，寶馬汽車集團(tuán)就推出了首款全電動(dòng)汽車i3，因此非常清楚電池生產(chǎn)面臨多重挑戰(zhàn)。隨著產(chǎn)能的不斷提高，電池生產(chǎn)的復(fù)雜性也在不斷增加，例如在寶馬公司第五代電池模塊的生產(chǎn)中，就需要多達(dá)144條焊縫。

借助Ophir BeamWatch Integrated自動(dòng)化激光束測量系統(tǒng)，汽車制造商可以在焊接每個(gè)新電池模塊之前對(duì)激光束進(jìn)行檢查，并且不影響生產(chǎn)周期。而在使用Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)之前，為了確認(rèn)理想的焊接深度，該汽車制造商每周都要通過顯微照片進(jìn)行抽查。

在不影響生產(chǎn)周期的情況下監(jiān)測光束質(zhì)量

電池生產(chǎn)中的激光焊接要求絕對(duì)精確。在焊接前定期檢查激光束的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)保證電池組的焊接質(zhì)量具有重要意義。從與寶馬汽車集團(tuán)專家的第一次討論開始，Ophir團(tuán)隊(duì)就將工作重點(diǎn)聚焦在“如何在對(duì)激光束進(jìn)行定期檢查的同時(shí)，盡可能減少對(duì)生產(chǎn)周期的影響”。激光束檢查的關(guān)鍵指標(biāo)包括：焦點(diǎn)直徑、焦點(diǎn)位置、激光功率和焦點(diǎn)偏移。

其中激光功率和焦點(diǎn)偏移這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于單模激光器尤為重要，但是要快速測量這兩個(gè)參數(shù)卻非常困難。唯一能夠做到這一點(diǎn)的方法是根據(jù)瑞利散射原理，對(duì)激光光束進(jìn)行非接觸式測量，這是MKS公司開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，并應(yīng)用于Ophir BeamWatch系列產(chǎn)品中。

該公司專門為自動(dòng)化制造設(shè)計(jì)了Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)。這種光束輪廓儀和功率計(jì)的組合有各種接口，直接適配于工業(yè)生產(chǎn)。對(duì)于寶馬汽車集團(tuán)的技術(shù)開發(fā)專家來說，這款儀器的問世恰逢其時(shí)。

焦點(diǎn)偏移的非接觸式探測 

作為電池生產(chǎn)線原型設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)定義的一部分，第一套Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)于2019年投入使用。隨后是技術(shù)開發(fā)的密集測試階段，很快該設(shè)備就能確定所有需要的參數(shù)。

然而，測試結(jié)果很快顯示，人們低估了生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱焦點(diǎn)偏移。BeamWatch Integrated系統(tǒng)的測量顯示，焦點(diǎn)的熱偏移在毫米范圍內(nèi)，這是工程師們始料未及的結(jié)果。幸運(yùn)的是，工程師們知道了焦點(diǎn)的偏移幅度，就可以在生產(chǎn)過程中對(duì)焦點(diǎn)偏移進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于汽車制造商來說，這是保持所有接觸式焊縫焊接深度一致的重要一步。在開發(fā)階段，使用接觸式焊縫的顯微照片來確定焦點(diǎn)偏移與焊縫深度之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，汽車制造商與Ophir團(tuán)隊(duì)專家密切合作，確定了焦點(diǎn)偏移的極限值。

焊接飛濺物導(dǎo)致焊縫深度減小

此外，工程師還發(fā)現(xiàn)：用于接觸焊接的單模光纖激光器的光學(xué)系統(tǒng)，容易受保護(hù)玻璃上飛濺物的影響。飛濺物不僅會(huì)造成焦點(diǎn)偏移，甚至還會(huì)直接影響焦點(diǎn)直徑。

保護(hù)玻璃上的污點(diǎn)會(huì)使激光束發(fā)生散焦，BeamWatch Integrated系統(tǒng)可以通過測量分析這種散焦現(xiàn)象。由于激光束參數(shù)的偏差，工程師對(duì)每道焊縫的深度都進(jìn)行了檢查。雖然焊縫看起來毫無瑕疵，但焊接深度明顯過淺。最后得出的結(jié)論是，必須將測量技術(shù)集成到批量生產(chǎn)過程中，因?yàn)橹挥羞@樣才能長期保證焊縫質(zhì)量。

可重復(fù)的接觸焊縫質(zhì)量 

如今，Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)已經(jīng)集成到寶馬汽車第五代電池模塊的全球所有自動(dòng)化生產(chǎn)線中。在加載和卸載過程中，激光器在全功率下短暫運(yùn)行以確定焦點(diǎn)位移。只有在確認(rèn)（IO 信號(hào)）激光束參數(shù)符合要求后，才開始焊接。當(dāng)生產(chǎn)仍處于啟動(dòng)階段時(shí)，每生產(chǎn)一個(gè)電池模塊/都要進(jìn)行激光束校準(zhǔn)測量；但在進(jìn)入正常大批量生產(chǎn)階段后，可以每生產(chǎn)十個(gè)電池模塊后進(jìn)行一次激光束校準(zhǔn)測量。

如果BeamWatch Integrated系統(tǒng)檢測到先前定義的某個(gè)參數(shù)出現(xiàn)偏差，就會(huì)顯示警告信息。負(fù)責(zé)生產(chǎn)線的操作員就會(huì)檢查激光器的保護(hù)玻璃，必要時(shí)進(jìn)行清潔或更換。這樣就可以從一開始就避免因激光束散焦偏差而造成的潛在誤差。除了這種主動(dòng)檢測外，所有模塊在焊接過程結(jié)束后都要進(jìn)行電氣功能測試。

必不可少的監(jiān)測工具

總的來說，電池模塊的生產(chǎn)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。單個(gè)電池單元被堆疊、壓制并放置到一個(gè)框架中。然后，所有電池的正極和負(fù)極必須焊接在電池接觸系統(tǒng)中——每個(gè)系統(tǒng)每小時(shí)要進(jìn)行多達(dá)15000次點(diǎn)焊！工程師們確信，電池模塊的質(zhì)量在很大程度上取決于始終如一的高質(zhì)量激光束參數(shù)；而Ophir beam watch Integrated系統(tǒng)是在電池模塊生產(chǎn)過程中監(jiān)測激光束參數(shù)的重要工具，生產(chǎn)線上的設(shè)備操作人員也對(duì)此深信不疑。

總之，Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)，能夠在不影響生產(chǎn)周期的情況下，能夠自動(dòng)測量激光束質(zhì)量，檢測焦點(diǎn)偏移，確保焊接質(zhì)量；該系統(tǒng)是保證電池生產(chǎn)過程中焊接質(zhì)量的關(guān)鍵工具，可促進(jìn)汽車制造商激光焊接工藝的整體發(fā)展和電池模塊的質(zhì)量優(yōu)化。

圖1：Ophir BeamWatch Integrated 50

作者：MKS Instruments