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电池生产的助力——从源头优化与管控激光工艺

汽车厂商大力发展电动汽车，面临诸多生产挑战。企业若在产线规划阶段引入前沿技术，既能长期降本，也可保障电池质量与整车安全。激光焊接是自动化制造关键工艺，生产需要稳定质量、实现品质追溯，并从异常中获取改进数据。本文通过分析电池制造痛点，阐述光束质量在制造数字化中的重要作用。

激光功率决定产品质量

各类激光焊接工艺下，焊点、焊缝质量直接决定零部件安全可靠性，影响整车品质。可参见图 1。若无法及时检测识别，会引发质量缺陷，甚至造成产品召回。新建产线的优势，就是可以在项目初期就部署全新的检测技术，规避生产风险。

图 1：电池生产中，过大热量带来严重负面影响。

轻量化同时保证结构稳定性

汽车零部件追求轻量化与高强度的平衡，激光焊接可实现铝材、高强钢、纤维增强材料及铜材的可靠焊接。其中，电池电芯串并联的焊接接头精度要求极高，单处焊接瑕疵就会降低电池模组整体性能，而激光功率检测就是把控焊接精度的核心手段。

图 2：电池模组由大量单体电芯构成，电芯之间需要完成焊接；多个电池模组组装成电池包，整体密封封装在壳体内部。

加工面的功率测量

车身制造普遍使用千瓦级激光器。MKS 旗下 Ophir品牌推出 Ariel 工业功率传感器，为这类激光器提供便捷、紧凑耐用的功率测量方案。

图 3：Ophir Ariel 坚固一体化功率测量设备，可承受高功率密度光束。

该设备支持宽光谱测量：440‑550nm 绿激光、蓝激光（铜焊接应用越来越广泛）；900‑1100nm 光纤激光器（绝大多数金属加工使用）；10.6μm 二氧化碳激光器。 Ariel 工业功率计融合两种工作模式，测量量程覆盖 200 mW～8 kW： (a) 短时曝光能量测量，最高支持 8 kW 大功率激光器； (b) 连续光功率测量，最高 500 W。设备热容量高达 14 kJ，可连续测量多组脉冲，累计能量达到 14 kJ 后才需要冷却。配置可拆卸漫射片，可测量高功率密度光束。举例：对于出光时间在0.5s的情况下，可以高效的完成最高达 8000 W 激光功率测量，设备本身无需额外冷却。这一点在电池焊接场景尤为关键，电池加工现场应当尽量避免水冷装置。

自动化产线中的测量应用

基于全自动化产线，激光器部署在自动化环境后，对测量技术的要求也随之改变。自动化生产过程中，企业除了需要设备完成功率检测，还要求测量设备能够把数据接入生产网络。这就需要体积小巧、耐用、易于集成的测量仪器。 MKS 基于 Ophir 脉冲功率传感技术，专门开发 Helios Plus 工业功率传感器，适配该类场景。

这款功率计可在 0.1‑10 s 内，测量工业二极管、光纤、Nd:YAG 激光器的功率与能量。除 900‑1100nm 红外波段外，还可测量汽车铜焊常用的蓝光、绿光激光器。最大可测量功率 12 kW、能量 10 kJ，设备无需风冷、水冷。测量耗时仅数秒甚至更短，可利用设备上下料间隙完成检测。具备 Profinet、EtherNet/IP 以及 RS232 接口，可按需存储、解析测量数据。一旦加工面的激光功率偏离可允许误差，系统立刻触发应对措施，保障生产质量。

图 4：MKS 推出 Ophir Helios Plus，用于自动化产线快速激光功率检测；最高 12 kW 测量，无需额外风冷水冷。

光束轮廓影响功率密度

掌握加工面的激光功率，只能初步判断激光器是否工作在规格范围内。焦点位置和大小直接决定功率密度，进而决定焊缝焊接质量。焦点位置以及焦点随时间的漂移变化，只能依靠光束轮廓分析仪获取。

图 5：焦点尺寸与功率密度关系示意图：焦点直径减半，光强提升为原来 4 倍。

如图 5 所示，焦点位置微小偏移，就会造成功率密度大幅改变，直接影响焊缝品质。对于高精密的焊接工艺，功率密度的允许变动误差范围极窄；难点在于高功率下的测量。

非接触式测量

为此，Ophir 开发基于瑞利散射原理的非接触测量方案：激光照射空气中尺寸小于光波长的微粒（氧气、氮气分子等），发生电磁波散射现象。激光电场令分子的偶极子以激光频率振动，产生同频率弹性散射。使用镜头搭配 CCD/CMOS 相机，从侧面采集散射光。CCD 相机采集散射光信号，作为光束轮廓光强采样点。配套高精度内置软件，依据 ISO 13694、ISO 11146 标准计算光束参数：焦点直径、焦点位置、发散角、椭圆度、M² 因子、光束参数积 BBP。