工業(yè)激光應(yīng)用白皮書-BeamWatch動力電池激光焊接在線檢測系統(tǒng)
前言：
動力電池是所有新能源汽車的核心部件，與新能源汽車的續(xù)航能力和安全性息息相關(guān)。動力電池的可靠程度直接決定了新能源汽車是否為廣大消費(fèi)者所接受。德國寶馬公司在2013年推出了寶馬首臺電動汽車i3, 在其動力電池產(chǎn)線上也大規(guī)模使用了動力電池激光焊接工藝。為了保證動力電池激光焊接質(zhì)量與長時(shí)間的穩(wěn)定性，德國寶馬公司在近年引入了Ophir公司的BeamWatch激光光束品質(zhì)分析儀，得以在上料下料時(shí)間內(nèi)即可快速的完成焊接激光綜合參數(shù)的測量，從而保證每個(gè)動力電池的最優(yōu)焊接質(zhì)量，并進(jìn)一步保證了動力電池在整個(gè)壽命期間內(nèi)的安全性。
激光焊接在動力電池單元生產(chǎn)中需要絕對的精度。焊接前需要定期檢查焊接激光的關(guān)鍵參數(shù)，Ophir公司的Helios在線激光功率計(jì)可以實(shí)時(shí)的反饋當(dāng)前激光功率值。
Ophir Helios在線激光功率計(jì)
如果精益求精的考量，實(shí)時(shí)檢測激光功率就夠了么？顯然不是！因?yàn)樵诤附舆^程中，直接影響到焊接質(zhì)量的不單單是激光功率這一點(diǎn)。焊縫處的激光功率密度更為重要，只有保證了焊縫處的激光功率密度穩(wěn)定和統(tǒng)一，才能保證所有動力電池焊縫的高質(zhì)量和長壽命。影響到焊縫處焊接激光功率密度的因素就遠(yuǎn)不止激光功率這一點(diǎn)了，我們簡單的羅列一下，至少會包含：
激光功率
激光焦斑大小
激光焦斑位置
激光焦斑的位置漂移
Ophir公司的BeamWatch Integrated在線式激光光束品質(zhì)分析儀可以集成在激光焊接機(jī)上，測量速度快到可以在上料下料周期內(nèi)（此時(shí)焊接激光并不作用在工件焊縫上）完成上述所有激光參數(shù)的自動測量，并自動給出可繼續(xù)焊接的建議或者給出警示，提醒產(chǎn)線人員清潔鏡片或調(diào)整激光。BeamWatch Integrated是利用高能激光在空氣中傳輸時(shí)，在空氣中的產(chǎn)生的微小散射來完成其非接觸的測試，可以在秒的量級內(nèi)完成激光絕對功率，焦斑大小，焦斑位置，焦斑漂移，激光發(fā)散角，激光傾斜角，激光m2因子等綜合參數(shù)測量并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。
BeamWatch Integrated在線式激光光束品質(zhì)分析儀
熱漂移：
在動力電池激光焊接生產(chǎn)中觀察到，激光焦斑是會有緩慢漂移的，而激光焦斑的漂移會直接影響到焊接深度的一致性，當(dāng)激光焦斑漂移達(dá)到毫米級別時(shí)，建議適時(shí)調(diào)整激光與光路。
鏡片污染：
高功率激光焊接機(jī)在實(shí)施焊接過程中不可避免的會產(chǎn)生飛濺，為此一般會設(shè)置保護(hù)玻璃盡量保護(hù)激光輸出光路不被污染。在激光焊接生產(chǎn)過程中還發(fā)現(xiàn)到，逐漸骯臟的保護(hù)玻璃會小幅度影響到有效焊接激光功率，更為重要的時(shí)，離散的飛濺物對于保護(hù)玻璃的污染，還會直接影響到焦斑直徑和焦斑位置漂移，從而比前文提及激光功率減弱更嚴(yán)重的影響到了作用到焊縫上的有效激光功率密度，結(jié)果是導(dǎo)致焊接深度明顯過淺。而我們可以在BeamWatch Integrated操作軟件上設(shè)置閾值，超過閾值即給出警示，產(chǎn)線人員得以及時(shí)清潔保護(hù)窗片或激光鏡片，保證激光焊接與焊縫質(zhì)量的長時(shí)間穩(wěn)定性。
BeamWatch Integrated實(shí)時(shí)測量界面
Ophir公司的BeamWatch Integrated在線式激光光束品質(zhì)分析儀已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置在全球所有生產(chǎn)寶馬第五代電池模塊的自動化生產(chǎn)線中，如前文所言，在上料下料周期內(nèi)完成焊接激光的綜合參數(shù)測試，并實(shí)時(shí)反饋給中央控制器。另外在全負(fù)荷,滿速度生產(chǎn)時(shí)，還可設(shè)定比如每五個(gè)或每十個(gè)動力電池模塊焊接后自動做一次綜合測試等設(shè)置。
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設(shè)備 |
BW-Integrated-150 |
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適用波長 |
980- 1080nm |
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束腰直徑精度 |
±5% |
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束腰位置精度 |
±125um |
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相機(jī)視場 |
32.17mm×8.55mm |
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最大光束口徑 |
12.5mm |
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焦點(diǎn)漂移精度 |
±50μm |
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BPP精度 |
±3.5% rms |
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發(fā)散角精度 |
±3.5% rms |
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M²精度 |
±3.5% rms |
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氣體充灌 |
干燥氣體(空氣，氮?dú)?，氬?,5~10L/min,6bar |
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功率測量范圍 |
500W～9999W(可訂制30kW級) |
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功率探頭處 最大功率密度
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10kW/cm²,<15mm光束 7kW/cm²,15-20mm光束
5kW/cm²,20-40mm光束
4kW/cm²,40-45mm光束
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功率探測響應(yīng)時(shí)間 |
最大2.7s(9999W) |
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背散射 |
<1% |
參考文獻(xiàn)來源：
“ Automobile manufacturer counts on 100% inspection with Ophir BeamWatch Integrated systems”-- Casestudy_BMW_01/23 @MKS Instruments, Inc.
編譯人：
北京卓立漢光儀器有限公司 業(yè)務(wù)發(fā)展部 吳京航
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