动力电池生产中的挑战——从源头开始优化与控制激光加工工艺
激光焊接工艺已经在新能源动力电池的生产中占据了举足轻重的地位，而以色列Ophir公司针对客户的实际需要，推出了一系列的激光量测产品，其核心目标是在提升客户产线的加工品质，并通过方便快捷的观测与记录焊接激光的正常或异常现象，对激光焊接的质量水平进行保障并存留记录以备追溯。简而言之，Ophir可提供一系列激光量测设备，可在激光焊接流程的数字化转型中发挥至关重要的作用。
激光功率与功率密度均影响产品品质
无论采用哪种具体的激光焊接工艺，焊点或焊缝的质量对所制造零部件的安全性和可靠性都具有决定性影响，而这些因素又会显著影响动力电池以及整车的整体质量。首先，显而易见的激光自身的功率大小与波动与焊接质量直接相关。其次，激光光束特性的变化也会带来直接的影响，如图1中显示，左边激光聚焦形态良好则可减小热影响区，降低能耗且缩短焊接时间；而右边较差的激光聚焦形态会加大热影响区，不单单可能降低焊缝质量，还会增加能耗且被迫延长焊接时间。生产环境中，内部因素或外部因素均可能会对激光束系统产生影响，进而引发参数变化；唯有及时识别这些变化，才能预防质量下降（包括潜在的产品召回事件）。对于通常集成于自动化生产线中的此类激光焊接系统，激光焊接设备制造商及最终用户应如何确保激光的正常运行？又该如何对测量并记录数据？
图 1 在电池制造过程中，聚焦效果不理想导致高热影响是有害的
在汽车制造领域，重量因素至关重要；尽管所有零部件均力求尽可能轻量化，但其刚性仍需满足设计要求。现代激光焊接系统不仅仅支持在汽车车身制造中适应复杂的焊接工况及多种材料组合，还适应新能源动力电池的焊接。总而言之，激光焊接技术促使螺栓连接转向焊接连接，从而在保持较高强度的同时，显著降低整车重量及空间占用需求。此外，激光焊接技术还能可靠地对铝材、高强度钢材乃至新型纤维增强材料进行加工与连接。为实现紧凑型电池组设计，连接各单体电池（无论串联或并联）的焊接电触点必须具备极高的质量，单个电池单元连接不良均可能导致整个电池模块的性能下降，尤其是铜等高反射率材料对激光焊接系统而言较为棘手。通过功率测量即可初步判断激光焊接系统是否运行精准，通过对焊接激光的聚焦形态测量可更进阶的实施品质管理。
图 2：新能源动力电池众多独立电池单元组成，这些单元的电极需要进行焊接；随后将多个电池模块组合成一个整体，并将其安全地封装在密封外壳中。
对于激光焊接工业客户，Ophir公司提供了从入门到进阶的一系列激光测量设备
Ariel- 入门型随身带千瓦激光功率计功率在千瓦量级的激光器常用于汽车车身制造领域。为便于快速、便捷地测量此类激光器的功率，以色列Ophir开发了Ariel——一款结构紧凑、操作简便的功率测量设备。
图 3：Ophir Ariel 是一款坚固且功能独立的功率测量设备，能够承受高功率密度环境。
该系统可测量广泛的波长范围，包括在铜材焊接中日益普及的 440–550 nm 绿色与蓝色激光器；用于大多数金属加工领域的 900–1100 nm 光纤激光器，以及 10.6 μm 二氧化碳激光器。Ariel 工业功率计结合了两种工作模式，可提供从 200 mW 至 8 kW 的宽广测量范围：(a) 对高达 8 kW 的高功率激光器进行短时曝光能量测量；(b) 对低功率（最高 500 W）进行较长持续时间的连续波功率测量。该系统具有 14 kJ 的高热容，这意味着在需要冷却之前，它可以连续测量多个脉冲，其累计能量为 14 kJ。可拆卸的漫射器支持对高功率密度光束进行测量。这意味着对于持续半秒的脉冲（举例），可经济高效地测量高达 8,000 瓦的激光功率，且无需对设备进行额外冷却。这一特性在焊接电池时尤为重要，因为应不惜一切代价避免使用水冷系统。
Helios Plus自动化制造的进阶检测工具
当激光设备部署于全自动化生产环境（这在汽车制造业中尤为常见），对测量技术的要求便会随之改变。在实现自动化生产环境数字化的过程中，企业通常不仅需要测量设备具备激光功率测量功能，还需支持将测量数据传输至生产数据网络。为此，需要一款结构紧凑、性能可靠且易于集成到生产流程中的测量仪器。Ophir正是针对此类应用场景开发了 Helios Plus。
该功率测量仪可测定二极管激光、光纤激光器或 Nd:YAG 激光器在 0.1 至 10 秒的短时辐照期间的功率与能量。除可测量 900 至 1100 nm 范围内的红外波长外，Helios Plus 还能测量汽车工业中用于铜材焊接的蓝光及绿光激光器。该仪器可计算最高达 12 kW 的总功率或最高达 10 kJ 的总能量——且无需配备空气或水冷系统。测量过程仅需数秒（或更短时间），因此可在物料装卸过程中实时进行功率测量。通过 Profinet 或 EtherNet/IP 以及 RS232 接口，可按需存储并分析所测得的数据；若加工平面上的激光功率超出设定公差范围，可立即采取应对措施以确保产品质量。
图 4： Ophir Helios Plus适合于自动化产线在线检测
Beam Watch 激光聚焦品质的非接触测量利器
了解加工平面处的激光功率可初步判断激光是否符合技术规范；而聚焦品质与位置的详细信息，或聚焦品质与位置随时间的变化情况——唯有通过测量光束轮廓的专用设备才能确定。聚焦品质与位置对功率密度具有重大影响，进而影响焊缝质量。
图 5：当聚焦直径减半时，其光强将提高至原来的四倍。
如图 5 所示，同样是1千瓦的激光，如果未做好聚焦位置对准，作用在焊接表面的激光光斑可能会从最佳位置的100um直径增大到约200um直径，此时激光功率密度会有高达4倍的差别。也就是说即使聚焦位置发生微小偏移，也会导致功率密度发生显著变化。这进而直接影响焊缝质量；尤其是在敏感的焊接工艺中，这意味着对功率密度变化允许的公差必须非常小。
Beam Watch非接触式测量
为此，Ophir 开发了一种基于瑞利散射原理的非接触式测量方法。该设备利用了高功率激光作用到空气中的气体分子（例如氧分子或氮分子）时所发生微小散射现象。强激光辐射的电场会诱导偶极分子在激光频率下产生振荡，从而引发在该相同频率下的弹性散射。这些微小散射信号通过一套远心透镜组被成像到 CCD 或 CMOS 摄像机上；CCD 摄像机单行中的每个独立像素均将散射光检测为光束轮廓中的一个强度测量点。
基于这些测量数据，并借助Ophir标配的Beam Watch软件，可根据 ISO 13694 和 ISO 11146 标准计算出光束及光束质量参数，包括聚焦直径、聚焦位置、发散角、椭圆度、M² (1/k) 以及光束参数 (BBP)。
由于 BeamWatch 产品系列拥有众多优点：
适应激光功率无上限：由于利用的是激光散射非接触测量，适应激光功率无上限
无耗材：激光焦点轰击的是空气分子，对测量设备完全无伤
测量速度快速准确
图 6：Beam Watch非接触式测量不会产生任何损耗
Ophir为此提供多种解决方案：
BeamWatch —— 这款轻便便携的 BeamWatch 测量设备便于携带，且不受电源限制，因为激光束的测量过程完全无需接触。
图 7：Ophir BeamWatch
Ophir BeamWatch Integrated——这款坚固耐用的测量设备基于非接触式光束轮廓测量技术，同时配备激光功率探头。该设备由奥菲尔与汽车工业界合作开发，特别适用于集成到生产线中；如需使用，可在每次上料下料的间隙激光光束轮廓和功率进行测量，超出公差自动提示以保证每一个工件的加工品质。Ophir BeamWatch Integrated 具有全自动操作特性，所有测量结果均可通过集成式界面进行读取与处理。
图 8：Ophir BeamWatch Integrated 专为在自动化生产线中使用而优化设计。
总结
针对具体应用场景选择何种测量方法，应视需求而定。通常情况下，唯有通过有效的测量才能保证有效的品管。电池组的即时系列化生产给测量技术带来了新的挑战。电池单元不仅是电动汽车中核心且成本最高的部件，其性能与安全性也直接取决于其质量。由于这些电池可能包含多达数千个焊点与焊缝，因此制造商持续监控其生产过程的可靠性是十分值得的；唯有如此，才能从长远角度确保产品质量与最高生产效率。
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