汽車動力電池匯流排焊接生產線的激光焊接缺陷檢測與預警系統研究

摘 要：文章針對汽車動力電池匯流排焊接生產線展開研究，構建了一套激光焊接缺陷檢測與預警系統。通過對焊接生產線及其工藝的深入分析，設計光電檢測集成方案，搭建在線檢測系統算法，建立檢測模型，并開展臺架試驗和生產線試運行驗證。研究表明，基于光輻射信號檢測的系統能有效識別焊接缺陷，相比傳統聲信號與電信號檢測技術，具有更高的準確性和適應性，可為汽車動力電池生產企業提供可靠的技術支持，助力提升焊接質量、保障電池安全、降低生產成本。

關鍵詞：汽車動力電池 匯流排 焊接生產線 缺陷檢測

在全球汽車產業加速電動化轉型的背景下，汽車動力電池市場需求急劇增長。匯流排作為動力電池的關鍵部件，承擔著連接多個單體電池的重要功能，其焊接質量直接影響電池性能、安全性和使用壽命。激光焊接以其高精度、低熱輸入和良好的適應性，成為汽車動力電池匯流排生產的主流工藝。但在實際生產中，激光焊接過程易受焊接參數波動、工件表面狀態差異等復雜因素影響，導致氣孔、裂紋、虛焊等缺陷。這些缺陷不僅降低電池整體性能，還可能在使用過程中引發安全隱患，增加動力電池生產企業售后成本。目前，焊接缺陷檢測主要依靠人工目檢或離線抽檢，檢測效率低、主觀性強，難以在生產過程中及時發現并處理缺陷，無法滿足現代化大規模、高質量的生產需求[1]。因此，開發一套實時、高效、準確的激光焊接缺陷檢測與預警系統，對提升汽車動力電池匯流排焊接質量、保障電池安全可靠運行、降低企業生產成本具有重要意義。文章針對汽車動力電池匯流排焊接生產線，系統研究激光焊接缺陷的檢測方法與預警技術，旨在解決當前生產過程中焊接缺陷檢測與處理的難題，為汽車動力電池生產企業提供可行的技術方案。

1 汽車動力電池匯流排焊接生產線的缺陷檢測主要問題

傳統的聲信號與電信號檢測技術在復雜生產環境中難以保證檢測準確性。在聲信號檢測里，工業生產中的環境噪聲與設備噪音會疊加在焊接聲信號上，使焊接質量判斷偏差增大。電信號檢測技術對環境濕度和焊接定位精度要求苛刻，定位微小偏差會引入電位差干擾且難以排除[2]。同時，當前許多檢測技術實時性和全面監測能力不足，采樣頻率與處理速度滯后，無法及時感知焊接質量的細微變化，也不能全程監測，導致焊接缺陷難以及時發現，影響產品質量與生產效率。此外，檢測系統對復雜工況適應能力差，焊接工藝參數和工況條件變化時，缺乏自適應機制，難以穩定準確識別焊接缺陷[3]。因此，開發高效、精準且適應復雜環境的汽車動力電池匯流排焊接生產線缺陷檢測系統極為必要，對提升電池產品質量和保障生產穩定意義重大。?

2 汽車動力電池匯流排焊接生產線的激光焊接缺陷檢測與預警系統構建

研究聚焦于某動力電池公司的電池匯流排焊接生產線，該生產線采用激光自動焊接技術，主要進行鋁材料間的焊接作業。鑒于該生產線對焊接質量的極高要求，研究構建了一套激光焊接缺陷檢測與預警系統。該系統借助光電傳感器收集焊接過程中的光信號強度，通過量化分析和激光焊接缺陷檢測系統（Welding Defects Detection，簡稱WDD），實現對焊接質量的精準判定與及時預警。

2.1 光電檢測集成方案的設計

光纖激光器作為光源，發出高單色性、高方向性和高能量密度的激光束。激光束在低損耗石英光纖中傳輸，利用纖芯與包層折射率差異，以全反射方式傳播，減少能量損失。傳播至末端后，由非球面透鏡聚焦，其精確曲面設計校正像差，使光斑直徑達微米量級，提高激光能量集中度，滿足焊接工藝對能量密度的要求。?

焊接過程中，焊接區域因激光與金屬材料相互作用產生多種光輻射信號。光電檢測系統分束器基于多層介質膜干涉原理，通過濾光片膜層厚度和折射率組合，對不同波長光實現高反射率或高透過率，從而分離采集激光反射光、金屬蒸汽輻射可見光及熔池熱輻紅外光。?

系統采用基于光電效應的高速光電探測器采集光信號，如PIN結構或APD結構的光電二極管，采集到的光電流信號經跨阻放大器轉換為電壓信號，再由高速模數轉換器以高采樣速率和分辨率轉換為數字信號，進入數字信號處理器。DSP運用FFT等算法進行頻譜分析，采用濾波算法去除噪聲，提取與焊接質量相關的特征參數。?

激光焊接多光學傳感器一體化設計減少裝配誤差，免光路對準特性避免信號采集偏差。通過標準化接口設計和靈活光路調整機構，可適配多種規格型號激光頭，兼容不同功率、波長的激光焊接系統。可編程控制模塊中的FPGA可通過硬件描述語言編程，實現對信號采集時序、數據處理流程及通訊協議的定制化配置，配合通訊升級功能，實現與上位機或其他設備的高速、穩定數據交互，增強了光電檢測集成方案的適應性和功能性。具體的系統集成方案可參考圖1。

2.2 在線檢測系統算法的搭建

光電傳感器將焊接過程中產生的光輻射信號轉換為電信號。通過設定WDD系統的參數閾值與檢測算法，借助WDD專家庫算法進行數據分析，能夠提取常見缺陷類型的特征，識別焊接過程中出現的常見缺陷，從而獲得實時的焊接質量反饋。WDD系統集成了適用于電池焊接生產線場景的專家算法庫，可通過多種算法的組合，應對復雜的現場檢測需求如下（1）上/下極限值判定算法。用于表征焊接過程中的局部缺陷，適用于檢測局部信號大幅變化且超出評估基準的情況。其診斷原理為：當信號線超出設定的極限值時，開始計算容忍時間（用于適應短時不穩定狀態），若超過容忍時間，信號仍超出極限值，則判定為異常。（2）上/下局部面積判定算法。用于判定長時間的信號偏移。當信號線超出評估基準范圍時，計算信號線與評估基準之間的局部面積。若信號線超出設定的局部面積，開始計算容忍時間，若超出容忍時間，信號線仍未回到評估基準范圍內，則診斷為異常。（3）上/下平均偏移量判定算法。用于表征焊接過程中的全局缺陷，適用于檢測信號整體偏離評估基準中心線的情況。平均偏移閾值通過統計方式確定，計算信號線偏離評估基準中心線的平均值。

2.3 檢測模型的建立

在標準工藝參數與良好工況條件下，采集數量超過100的焊接過程信號樣本。基于WDD專家算法庫，自動過濾異常波動值，學習并建立最佳基準邊界值，如圖2所示。通過這一模型，可以為焊接缺陷的識別檢測提供精準量化依據。在實際應用中，將建立好的最佳基準邊界值模型嵌入到汽車動力電池匯流排焊接生產線的實時監測環節中。在日常生產過程里，系統持續采集焊接過程信號，并依據基準邊界值進行快速比對分析。當檢測到的焊接過程信號超出基準邊界值范圍時，系統將及時發出預警，提示操作人員進行檢查和處理，從而有效提高焊接質量和生產效率。

3 實驗驗證

3.1 臺架試驗

3.1.1 試驗目的

將實際焊接質量試驗結果與光信號機理進行對比分析，評估實際光信號波動是否能顯著表征焊接質量。開展系統檢測性能試驗，驗證WDD系統在當前模型算法下的實際檢測能力，為保障生產線運行時的檢測正確率奠定基礎。

3.1.2 試驗設計

實際焊接質量試驗：探究不同工藝參數（激光功率、焊接速度、離焦量和入射角）以及不同工況條件（搭接間隙、焊接位置、污染物）下，光信號與實際焊接質量（熔深、焊縫形貌等）之間的內在規律。系統檢測性能試驗：在工藝參數和工況條件良好的情況下進行測試，獲取WDD系統的判定結果。設置不同程度偏移的工藝參數或工況進行試驗，為確保準確性與可信度，每個測試點的測試次數不少于5次，記錄WDD系統的判定結果。對所有測試焊點進行外觀、拉力、金相三方面的檢測，并與WDD系統的判定結果進行對比，檢驗系統的誤判率與可信度。若所有偏移項均能被檢測出，且良好件均能通過檢測，則臺架驗證通過；否則，需重新建立缺陷基準模型。

3.1.3 測量處理方法

使用OLYMPUSGX51金相顯微鏡拍攝焊縫橫截面形貌，并測量焊縫熔深。使用HPSCANJET5590掃描儀拍攝焊縫表面。使用拉力檢測儀檢測焊點拉力。

3.2 生產線試運行驗證

生產線實測效果驗證：對生產線進行跟蹤，統計實際焊接缺陷數量、檢出數量、漏殺數量、錯殺數量、實際焊接數量以及WDD檢驗總數，計算系統的缺陷識別率，生成檢測報告與預警信息，評估方案的可行性與系統的穩定性。同時，收集大量實際生產數據，強化模型學習，優化系統參數。

工藝參數優化：依據WDD系統的反饋，指導工藝參數的調整與設備維護。例如，當系統老化或環境變化較大時，在當前設定的標準工藝參數下，若出現大量表征激光功率減小的質量缺陷或預警，經確認后，可對焊接激光功率參數進行優化調整。又如，當出現鏡片臟污的參數表征或預警時，及時清理鏡片。

3.3 可行性分析

某公司匯流排焊接采用激光自動焊接工藝。在主流的實時質量檢測技術中，基于聲信號的檢測技術易受環境噪音和設備噪聲的干擾，降低對焊接質量判斷的準確性；電信號檢測對環境濕度和焊接定位要求較高，在該生產線中，同一焊接姿態需焊接不同焊點，難以排除因定位引起的電位差干擾，從而影響檢測準確性。

激光焊接是光與材料相互作用的過程，期間會產生光的吸收、反射、散射，以及深熔焊接過程中產生的等離子體特征光譜信號、熔池熱輻射信號等。利用光電傳感器檢測焊接過程中的光輻射信號，能夠有效監控焊接過程的穩定性與焊接質量。

光輻射信號檢測方法通過光電傳感器高速采集激光焊接過程中的主要光輻射信號強度，包括紫外及可見光波段（200nm-750nm）、激光反射波段（光纖激光1070nm）、紅外輻射波段（900nm-1700nm），以此判斷焊接狀態的變化。

光電傳感器具有結構簡單、成本低、魯棒性強、適合同軸檢測等優點，在行業內得到廣泛應用[4]。另外，基于光輻射信號的檢測技術采用三維信號探測，相較于基于一維信號探測的聲信號和電信號檢測技術，其在識別焊接過程變化和區分缺陷模式方面具有更強的能力，且實際應用中聲信號存在明顯延遲現象。因此，基于光信號的在線檢測技術是動力電池匯流排焊接生產線較為理想且可行的解決方案。

4 結語

綜上所述，文章圍繞汽車動力電池匯流排激光焊接缺陷檢測與預警展開的研究，成功構建并驗證了一套基于光輻射信號檢測的系統。臺架試驗和生產線試運行結果表明，系統展現出實時監測焊接過程光輻射信號的能力，并且在高效處理與分析信號數據上同樣具備明顯優勢。為汽車動力電池生產企業解決焊接缺陷檢測與處理的難題提供了有效支撐，顯著提升了電池匯流排的焊接質量，保障生產過程的穩定性。

基金項目：2025年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“光信號激光焊接在線檢測在電池匯流排生產線的應用研究”（項目編號：2025KY1937）。

參考文獻：

[1]程琳，張策，龐勝利，等.動力電池匯流排激光焊接工藝問題解決研究[J].汽車制造業，2025（01）：56-59.

[2]周強.高品質動力電池模組制造關鍵工藝分析[J].專用汽車，2024（10）：95-97+101.

[3]趙曉軍，王穎超，陳猛，等.動力電池系統內模組匯流排可靠性淺析[J].儲能科學與技術，2024，13（07）：2450-2458.

[4]楊彪，劉福運，檀財旺，等.動力電池激光焊接技術的應用現狀與展望[J].機械制造文摘（焊接分冊），2023（02）：1-9+30.