微型電阻點焊質量的紅外檢測研究

范秋月　陳虹微　金璐　王吉波　陳木鳳

摘要：18650鋰電池是一種應用范圍廣泛的動力電池，其采用微型電阻點焊作為串并聯工藝時，焊接質量的可靠性無法檢測。以18650電池殼體與鍍鎳薄鋼板的微型電阻點焊質量為研究對象，通過合適的熱激勵配合高幀頻的紅外熱像儀，采集其紅外熱圖像，研究熱圖像隨時間的變化與熔核之間的關系，判斷18650電池微型電阻點焊的接頭質量。結果顯示，不同質量的微型電阻點焊接頭在相同的熱激勵下，焊點位置的溫度降低速度越快，焊點圖像出現清晰的輪廓時間越早，則微型電阻點焊接頭的結合狀態越好，即熔核面積越大。

關鍵詞：微型電阻點焊;紅外檢測;熔核;18650電池

中圖分類號：TG453.9 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0096-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.20

0 前言

微型電阻點焊技術在電池包裝、醫療器械、電子裝置等制造過程中得到廣泛應用，隨著智能化技術的發展，對微型電阻點焊質量的要求不斷提高[1]。因容量高、循環壽命長等特點廣泛應用于筆記本電腦、手機、平板電腦、電動汽車、掃地機等領域的18650電池[2]，其串并聯方式也主要采用微型電阻點焊法連接，其電池殼體與母排均為0.3 mm以下的薄板[3]，因其焊接接頭質量受多種因素影響[4-5]，一直以來缺乏可靠的檢測手段。目前該類微型電阻點焊質量主要依靠人工檢測手段，但是質量檢測員連續工作極易疲勞，易產生漏檢部分點焊接頭的問題。這種方法不僅效率低，而且也無法科學地、定量地檢測焊接質量。因此，實現微型電阻點焊質量的自動化、智能化檢測具有重要的現實意義。

目前對常規電阻點焊質量檢測方法有超聲波檢測和射線檢測，尤其是超聲波檢測在常規點焊檢測中取得了良好應用效果[6]。射線檢測一般用于鋁合金材料的檢測，檢測效率較高，但是由于點焊接頭內部組織結構的復雜性，檢測效果并不理想。

超聲波無損檢測手段在薄件、超薄件方面一直未得到滿意的解決方案，檢測對象的厚度與超聲波探頭性能密切相關。在薄件檢測中一般要求超聲波探頭發射頻率較高，波形較窄，限于目前技術手段，無法滿足工件厚度小于0.3 mm的微型電阻點焊質量檢測。

18650電池的微型電阻點焊焊接時間極短，一般持續在2～3 μs，較高的焊接效率使得超聲波在線檢測較為困難。因此，現有的點焊接頭質量檢測方法很難滿足微型電阻點焊生產的需要，亟待探究合適的檢測方法。

1 試驗方法

文中以18650電池殼體與鍍鎳薄鋼板的微型電阻點焊質量為研究對象，18650電池殼體為板厚0.3 mm的JIS-SPCC材料，鍍鎳薄鋼板厚度0.2 mm，每個電池殼體正負極分別焊接兩個焊點，電池殼體與鍍鎳薄鋼板搭接方式如圖1所示。為驗證紅外熱像儀檢測方法可以有效區分不同焊接質量的微型電阻點焊接頭，設置了兩種焊接工藝，如表1所示。

微型電阻點焊質量紅外檢測采用閃光燈陣列對焊點表面進行脈沖加熱，然后使用紅外熱像儀探測并記錄熱激勵前后焊點的表面溫場分布及其變化，由于微型電阻點焊工件很薄，對紅外探測器幀頻要求較高，為確保檢測過程的可靠性，采用高幀頻紅外探測器對加熱后的微型電阻點焊表面熱輻射進行采樣分析，其中紅外探測參數見表2，紅外探測窗口設為44×136，幀頻為3 000 Hz。

2 分析與討論

2.1 紅外熱像儀檢測18650微型電阻點焊質量的圖像表征

18650電池上表面殼體受脈沖閃光燈熱激勵后隨時間推移的熱圖像變化情況如圖3所示。

圖3a在受熱激勵初期，電池殼體邊緣位置因熱激勵光源無法垂直作用，溫度基本在100 ℃以下。電池殼體上表面因受熱激勵光源的垂直照射，吸收熱能較多，表面溫度約為200 ℃。鍍鎳薄鋼板雖然受到熱激勵光源垂直照射，但是鍍鎳薄鋼板邊緣散熱效果較好，導致邊緣溫度較其他位置的溫度稍低，局部邊緣輪廓略顯現。圖3b中整體溫度降低至120 ℃以內，鍍鎳薄鋼板邊緣輪廓整體顯現出來，鍍鎳薄鋼板表面溫度略高于電池殼體表面溫度，原因是鍍鎳薄鋼板的熱量損失主要依靠熱輻射，而電池殼體的熱量損失依靠熱傳導與熱輻射兩種方式共同作用。微型電阻點焊焊點的位置與電池殼體相連，在焊接狀態良好的情況下，微型電阻點焊焊點處發生熱傳導與熱輻射兩種方式共同作用，導致焊點處溫度較鍍鎳薄鋼板其他位置的溫度稍低，此時熱圖像中焊點出現在鍍鎳薄鋼板上。隨著熱激勵后時間的推移，圖3c、3d、3e、3f熱圖像溫度逐漸降低，所在熱圖像中高溫區域始終處于鍍鎳薄鋼板上，并且鍍鎳薄鋼板與焊點溫差逐漸增大，焊點圖像輪廓逐漸清晰。

2.2 不同質量的微型電阻點焊接頭紅外熱圖像對比分析

微型電阻點焊焊點的焊接質量體現在上下薄板熔接的熔核面積上，其中焊接工藝1為18650電池串并聯的正常生產工藝參數，微型電阻點焊接頭形核情況較好，熔核面積較大。焊接工藝2的焊接電流小，且焊接時間短，相比與焊接工藝1的微型電阻點焊接頭，焊接工藝2的微型電阻點焊接頭形核情況較差，熔核面積較小。

表1中焊接工藝1微型電阻點焊質量紅外熱像圖如圖4所示，焊接工藝2微型電阻點焊質量紅外熱像圖如圖5所示，為熱激勵后隨時間推移的熱圖像變化情況。

圖4a、5a為熱激勵后第一幀熱圖像，圖4a中微型電阻點焊接頭位置出現局部溫度略低的現象，而圖5a、5b中微型電阻點焊接頭位置與周圍的溫度并無明顯差異，直到圖5c的熱圖像中微型電阻點焊接頭位置才開始出現局部溫度略低于周圍的現象，說明圖4的鍍鎳薄鋼板與電池殼體之間的熱傳導效率高于圖5。在初始溫度與熱輻射條件相同情況下，鍍鎳薄鋼板與電池殼體之間的熱傳導效率取決于鍍鎳薄鋼板與電池殼體之間的熱傳導截面，即鍍鎳薄鋼板與電池殼體之間的微型電阻點焊接頭熔核面積，與上面分析的焊接工藝1微型電阻點焊接頭熔核面積大于焊接工藝2的微型電阻點焊接頭完全吻合。

圖4b～4f與圖5d～5f的微型電阻點焊接頭位置的溫度較周圍溫差增大，微型電阻點焊接頭的熱圖像越來越明顯，在圖4與圖5d～5f的對應圖像中，圖4中的微型電阻點焊接頭輪廓明顯大于圖5，再次印證了圖4中的微型電阻點焊接頭熔核面積大于圖5。

4 結論

在使用合適的熱激勵源與高幀頻紅外熱像儀檢測微型電阻點焊質量時，相同材料的不同質量的微型電阻點焊接頭，在相同檢測參數與檢測環境中，鍍鎳薄鋼板上焊點位置溫度降低越快，焊點圖像輪廓越清晰，微型電阻點焊接頭結合狀態越好，換而言之，焊點圖像出現清晰的輪廓時間越早，熔核面積越大，因此基于紅外熱圖像的方法對微型電阻點焊質量的檢測有重要意義。

參考文獻：

[1] Mansor M S，Yusof F，Ariga T，et al. Microstructure andmechanical properties of micro-resistance spot weldingbetween stainless steel 316L and Ti-6Al-4V[J]. The Inte-rnational Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018：2567-2581.

[2] 程建良，李新海，王志興，等. 18650型柱狀鋰離子電池的容量衰減機理（英文）[J]. Transactions of Nonferrous MetalsSociety of China，2017（7）：169-174.

[3] 戈軍委，陳玉華，謝吉林，等. 燃料電池用鍍鎳鋼片微電阻點焊接頭組織性能研究[J]. 熱加工工藝，2014，43（19）：33-35，38.

[4] Chen F，Gao X P，Yue X K，et al. Effects of welding par-ameters on electrode element diffusion during micro-resi-stance spot welding[J]. International Journal of AdvancedManufacturing Technology，2017.

[5] 潘慶軍，崔立虎，邱然鋒，等. 基于非對稱電極的鋁合金/鋼電阻點焊[J]. 電焊機，2016，46（5）：9-12.

[6] Hua L，Wang B，Wang X，et al. In-situ ultrasonic detectionof resistance spot welding quality using embedded probe[J].Journal of Materials Processing Technology，2019：205-214.

收稿日期：2020-06-29;修回日期：2020-08-23

基金項目：龍巖市科技計劃項目（2018LYF8006）;龍巖學院科研啟動項目;福建省大學生創新訓練項目

作者簡介：范秋月（1986— ），女，博士，副教授，主要從事焊接工藝與焊接質量評估的研究。E-mail：fanqiuyue1024@163.com。