電池模塊是電動汽車的心臟。電動汽車依靠電池驅動，因此電池的可靠性對于汽車的安全至關重要。早在 2013 年，寶馬汽車集團就推出了首款全電動汽車i3，因此非常清楚電池生產(chǎn)面臨多重挑戰(zhàn)。隨著產(chǎn)能的不斷提高，電池生產(chǎn)的復雜性也在不斷增加，例如在寶馬公司第五代電池模塊的生產(chǎn)中，就需要多達144條焊縫。

借助Ophir BeamWatch Integrated自動化激光束測量系統(tǒng)，汽車制造商可以在焊接每個新電池模塊之前對激光束進行檢查，并且不影響生產(chǎn)周期。而在使用Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)之前，為了確認理想的焊接深度，該汽車制造商每周都要通過顯微照片進行抽查。

在不影響生產(chǎn)周期的情況下監(jiān)測光束質量

電池生產(chǎn)中的激光焊接要求絕對精確。在焊接前定期檢查激光束的關鍵參數(shù)，對保證電池組的焊接質量具有重要意義。從與寶馬汽車集團專家的第一次討論開始，Ophir團隊就將工作重點聚焦在“如何在對激光束進行定期檢查的同時，盡可能減少對生產(chǎn)周期的影響”。激光束檢查的關鍵指標包括：焦點直徑、焦點位置、激光功率和焦點偏移。

其中激光功率和焦點偏移這兩個參數(shù)對于單模激光器尤為重要，但是要快速測量這兩個參數(shù)卻非常困難。唯一能夠做到這一點的方法是根據(jù)瑞利散射原理，對激光光束進行非接觸式測量，這是MKS公司開發(fā)的一項技術，并應用于Ophir BeamWatch系列產(chǎn)品中。

該公司專門為自動化制造設計了Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)。這種光束輪廓儀和功率計的組合有各種接口，直接適配于工業(yè)生產(chǎn)。對于寶馬汽車集團的技術開發(fā)專家來說，這款儀器的問世恰逢其時。

焦點偏移的非接觸式探測 

作為電池生產(chǎn)線原型設計和基礎定義的一部分，第一套Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)于2019年投入使用。隨后是技術開發(fā)的密集測試階段，很快該設備就能確定所有需要的參數(shù)。

然而，測試結果很快顯示，人們低估了生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱焦點偏移。BeamWatch Integrated系統(tǒng)的測量顯示，焦點的熱偏移在毫米范圍內(nèi)，這是工程師們始料未及的結果。幸運的是，工程師們知道了焦點的偏移幅度，就可以在生產(chǎn)過程中對焦點偏移進行調整。

對于汽車制造商來說，這是保持所有接觸式焊縫焊接深度一致的重要一步。在開發(fā)階段，使用接觸式焊縫的顯微照片來確定焦點偏移與焊縫深度之間的關系。在此基礎上，汽車制造商與Ophir團隊專家密切合作，確定了焦點偏移的極限值。

焊接飛濺物導致焊縫深度減小

此外，工程師還發(fā)現(xiàn)：用于接觸焊接的單模光纖激光器的光學系統(tǒng)，容易受保護玻璃上飛濺物的影響。飛濺物不僅會造成焦點偏移，甚至還會直接影響焦點直徑。

保護玻璃上的污點會使激光束發(fā)生散焦，BeamWatch Integrated系統(tǒng)可以通過測量分析這種散焦現(xiàn)象。由于激光束參數(shù)的偏差，工程師對每道焊縫的深度都進行了檢查。雖然焊縫看起來毫無瑕疵，但焊接深度明顯過淺。最后得出的結論是，必須將測量技術集成到批量生產(chǎn)過程中，因為只有這樣才能長期保證焊縫質量。

可重復的接觸焊縫質量 

如今，Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)已經(jīng)集成到寶馬汽車第五代電池模塊的全球所有自動化生產(chǎn)線中。在加載和卸載過程中，激光器在全功率下短暫運行以確定焦點位移。只有在確認（IO 信號）激光束參數(shù)符合要求后，才開始焊接。當生產(chǎn)仍處于啟動階段時，每生產(chǎn)一個電池模塊/都要進行激光束校準測量；但在進入正常大批量生產(chǎn)階段后，可以每生產(chǎn)十個電池模塊后進行一次激光束校準測量。

如果BeamWatch Integrated系統(tǒng)檢測到先前定義的某個參數(shù)出現(xiàn)偏差，就會顯示警告信息。負責生產(chǎn)線的操作員就會檢查激光器的保護玻璃，必要時進行清潔或更換。這樣就可以從一開始就避免因激光束散焦偏差而造成的潛在誤差。除了這種主動檢測外，所有模塊在焊接過程結束后都要進行電氣功能測試。

必不可少的監(jiān)測工具

總的來說，電池模塊的生產(chǎn)是一個非常復雜的過程。單個電池單元被堆疊、壓制并放置到一個框架中。然后，所有電池的正極和負極必須焊接在電池接觸系統(tǒng)中——每個系統(tǒng)每小時要進行多達15000次點焊！工程師們確信，電池模塊的質量在很大程度上取決于始終如一的高質量激光束參數(shù)；而Ophir beam watch Integrated系統(tǒng)是在電池模塊生產(chǎn)過程中監(jiān)測激光束參數(shù)的重要工具，生產(chǎn)線上的設備操作人員也對此深信不疑。

總之，Ophir BeamWatch Integrated系統(tǒng)，能夠在不影響生產(chǎn)周期的情況下，能夠自動測量激光束質量，檢測焦點偏移，確保焊接質量；該系統(tǒng)是保證電池生產(chǎn)過程中焊接質量的關鍵工具，可促進汽車制造商激光焊接工藝的整體發(fā)展和電池模塊的質量優(yōu)化。

圖1：Ophir BeamWatch Integrated 50

作者：MKS Instruments