新能源汽车激光焊接难点解析

随着全国各地环保政策的大力推行，新能源汽车行业呈现出欣欣向荣的发展态势。相比技术成熟的传统车型，尽管新能源汽车已向市场推出多年，但相关的制造技术仍待改进。在新能源汽车生产环节，核心是电池pack制造。针对铝合金和电机焊接，BINZEL宾采尔根据行业技术难点，结合不同客户的实践反馈，推出了包括填丝焊接头、激光远程焊接头在内的焊接设备和激光技术解决方案，被国内头部新能源车企所采用。

铝合金焊接缺陷及解决方法
目前，激光焊接铝合金部件时容易出现两大工艺缺陷，一是裂纹（热裂纹），二是气孔（氢气孔）。这两大缺陷是目前铝合金激光焊接中遇到的常见难题。与普通材料焊接相比，在铝合金焊接过程中，合金含量的比例是产生热裂纹的主要诱因。

以6061铝合金为例，其硅含量是0.4%-0.8%，镁含量是0.8%-1.2%。从裂纹敏感性图可以看到，硅含量在0.4%-0.8%范围内是处于高敏感性区域；同样，镁含量在0.8%-1.2%内也是处于高敏感性区域。因此，从合金含量分析的角度看，6系铝合金容易产生热裂纹的根源是合金含量（硅、镁）处于高敏感性区域。
因为合金元素的存在，使得铝在凝固时容易形成低熔点共晶，即铝硅和镁硅。低熔点共晶的强度比铝或铝合金弱也更脆，容易形成热裂纹。相比6061铝合金，4047铝合金就不易形成低熔点共晶，因其硅含量（1.2%）和镁含量（0.1%）都处于低敏感性区域。

激光焊接铝合金缺陷之热裂纹

解决低熔点共晶问题，主要方法是通过在高系铝合金中填充低系金属，通过填丝改善焊接接头处的合金含量，从而避免焊缝裂纹。比如在对高系金属焊接时（6系和6系），加入低系金属后，让其镁硅含量混合后处于低敏感性区域，大大降低裂纹产生的概率。

改善热裂纹的另一种方法是使用激光远程焊。因激光远程焊的熔池小，热输入量小，所以也同样能起到降低热裂纹产生的作用。同时，激光远程焊还可以通过熔池搅拌使晶粒更细致，从而实现增强强度的效果。另外，搅拌还能让气体更易溢出，减少气孔的产生。但在为激光远程焊加振镜时，需要选择一个合适的参数。如果参数不合适，焊接产品的不合格率也同样会高。

激光焊接铝合金缺陷之气孔

说完焊缝裂纹，第二个主要缺陷是气孔。激光焊接的气孔来源主要有两个，一是氢气孔，二是保护气体产生的气孔。因为氢气很容易混进液体中，如果焊接板材夹杂了水或者其他含氢的物质，就容易产生氢气孔。保护气体产生气孔是因为焊接速度过快，快速凝固后不易让熔池底部的气体溢出，因此也会形成一些微小气孔。
对于改善气孔的产生，核心是减少水汽的来源。第一要保证来料的干燥，第二是保证保护器的干燥，第三保证环境湿度足够低，这样就能够有效减少水分的来源，从而减少氢气孔的产生。

填丝焊接解决方案
在生产过程中，通过填丝焊可以有效改善裂纹。通常情况下，焊接填丝装置是由熔焊头、送丝机，以及跟踪监视需要的视觉识别系统所组成。BINZEL宾采尔与SCANSONIC联合开发推出了ALO4填丝焊接方案，具备了接触式焊缝跟踪、TA-motion导丝模块、Auto-focus自动对焦、重力补偿模块、保护器装置、Sceye焊接过程监控、PGM保护玻璃监控、FOM-motion焊丝对中、MF3-laser高速精密送丝机。

接触式焊缝跟踪
接触式焊缝跟踪与CCD图像识别不一样。通常情况下，激光从光路出来后与送丝汇合，激光熔覆熔化焊丝，焊丝熔池铺在母材上。BINZEL宾采尔解决方案的区别是多了一个摆臂，摆臂能跟随机器人的行进沿着焊缝边缘跟踪。在跟踪过程中，电机能实时感应跟踪力度，始终紧靠焊缝，保证焊接路径按照程序设定进行。
在托盘和模组焊接中，因其焊缝基本都是直边，同时还有T型焊缝和角焊缝，采用接触式焊缝跟踪可以很好地跟踪托盘和模组的焊接进程。平面Y方向上的跟踪范围是±15mm，力度是±5N。操作人员还可以在跟踪过程中调用4个不同的参数，以适应不同的跟踪情况。

合金元素与裂纹敏感关系图

TA-motion导丝模块
为解决激光头容易将铝焊丝折弯的情况，BINZEL宾采尔开发了具备TA-motion模块的焊接头，可以根据焊丝的粗细和软硬度，调整焊丝跟踪的力度。如焊丝的材质偏软如铝材，TA-motion会给出一个反向作用力，抵消铝焊丝向下的重力，从而能很好地切合在加工平面上。对于材质较硬的焊丝，TA-motion同样也能给出一个下压力，让其紧贴加工平面。

Auto-focus自动对焦
对于焊接不同高度的焊缝，BINZEL宾采尔的Autofocus（自动对焦）模块配合TA-motion，可以在不同高度上确保焦点和光斑一致。遇到焊接平面有高度变化时，TAmotion模块会上下浮动，Auto-focus模块则根据TA-motion模块浮动，通过准直镜组保持光斑恒定，因此光斑在不同的高度可以始终保持一致。这对于铝合金焊接，尤其在转角和直角焊接上十分适用。另外，Auto-focus模块的另一个强大功能是，操作人员可以通过设定不同的光斑大小，实现不同方向的光斑大小。

发卡电机

Sceye焊接过程监控
该功能对工艺分析和调试的帮助很大，其三个功能是表面质量监控、交互信号监控和焊接过程追溯。Sceye功能的本质是一个内置激光光路的摄像头。当焊丝跟踪超出范围时，激光头会及时断光。Sceye软件还会自动记录焊丝跟踪，工程师也可以从软件中调出视频查看。

在前期调试过程中，工程师通过Sceye软件能很快找到焊接过程中遇到的问题，通过直观的视频记录分析具体问题，并做出马上调整。

FOM-motion焊丝对中
在对模组和托盘焊接时，由于焊接机器人姿态变化较多，送丝管的位置一直在变，导致丝和光在不同位置时的中心点不重合，如果发生较大偏差，焊接质量就难以保证。引入光丝对中模块，就能保证无论机器人在何种位置都能确保光丝中心重合，从而保障了产品的良品率。

RLW-S光路设计原理

近年来，BINZEL宾采尔还开发了送丝机产品，MF3-laser高速精密送丝机拥有5%以下的送丝误差，最高速度可达10m/min，适用0.8mm-1.6mm焊丝。除了ALO4标准焊接头外，BINZEL宾采尔还推出了其特殊型号。如ALO4-L针对焊接空间狭小的场景，ALO4-FLAT适用托盘/模组上的垂直焊缝，ALO4-vario则适合解决对焊缝质量要求较高的场景。

激光远程焊接解决方案
BINZEL宾采尔在激光远程焊接解决方案上的产品是RLW-A。相比其他厂商的激光远程焊接，RLW-A的设备结构更复杂，具备了实时跟踪技术、振镜后置技术、超快振镜、自动间隙补充，还有Sceye焊接过程监控和PGM保护玻璃监控。

实时跟踪技术基于三角测量原理，RLW-A使用三角测量法的传感传感器，一道激光打到被测物体上，同时被旁边的CCD矩阵接收，通过接收激光能计算出被测物体的位置，同时绘制出被射物体的形状，并得到6D数据，包括XYZ三个方向以及6个轴的旋转数据。

RLW-S焊接系统操作界面

在RLW-A上前置了三道线检测焊缝，后面还有一个激光检测点。提前测量并后置10mm焊接，就可以在焊接时得到非常好的效果。同时，RLW-A不需要补光灯，可以在0-90度进行焊接。RLW-A的测量精度达到0.1mm，最快测量速度是7m/min，适用于大部分焊接要求。

另外，用户在RLW-A上还能看到BINZEL宾采尔全新的光路设计。目前，市面上的激光头大多是基于F-Theta大场镜的光路原理，先通过震荡再通过物镜聚焦，最后使光斑聚焦在工件上。这种聚焦物镜的优点是工作面大，仿造成本低，产业链较成熟。但追求大场镜的后果是功率密度和准度的降低，从而导致聚焦的光斑容易失真。
RLW-A的光路设计原理，采用了尺寸较小的聚焦物镜，这样就能在很小的工作范围内实现对功率的精确控制。因此，对于焊接要求比较高的铝合金焊接上，这种光路设计就非常有用。精确的功率控制得到的是稳定输出的焊缝质量。

由于大场镜更换成本较高且耗气量大，因此对于企业而言不是一种经济型的解决方案。尽管RLW-A采用的是小场镜，但结合上述谈到的实时跟踪技术，就能在一个较大的工作范围内实现快速的焊接速度和优质的焊缝质量。

RLW-A的小场镜具有均匀的功率分布，同时使用的是一块超快振镜，摆动频率高达1000Hz，振动范围是±1mm。小场镜与超快振镜的组合，可以在振动轨迹上实现功率大小的精确控制，均匀的振动波形也减少了裂纹的产生。

间隙补偿功能基于三角测量技术。三角测量技术能够测量出焊缝的6D数据，所以当焊缝有间隙时就能被测量到。同时，激光头搭载了内置算法，当检测到焊缝变宽时会自动增加功率和振幅，从而更多地从熔覆上补偿间隙。

在实验演示中，工程师采用了1.5mm的6082铝合金，补偿的最大间隙可以达到0.6mm。通过多熔覆上板以补偿间隙。这种方法对于模组焊接比较适用，因为在装配过程中多少都会有误差产生，这时就可以通过激光远程焊接的方式补偿间隙，避免模组报废。

Sceye功能在激光远程焊接上与填丝焊相似，但在远程焊接上还带有机器算法的功能，因此能自动判定焊缝的好坏。结合ALO4和RLW-A，对于客户而言，需要根据实际需求选择具体的激光加工方式。如果需要焊接效率高，那么激光远程焊接比较合适；如果焊接的板材较厚，则推荐使用填丝焊接。

发卡电机焊接解决方案
发卡电机是近两年才兴起的一个名词，英文名叫Hair-pin motor。发卡电机最先在丰田第四代Pruis、雪弗兰Volt和特斯拉上应用。相对于传统电机采用圆形漆包线绕组，发卡电机用铜条代替，从而获得更高的效率、功率密度和电机散热率。

目前发卡电机之所以没有普及，主要原因是在自动化程度和生产方面有很高的要求。发卡电机的焊接难点首当其冲的是材料焊接，因为“发卡”是由铜组成，如果焊接采用的是1000nm左右的近红外波段，铜的高反射率导致材料很难吸收激光能量。

对此，有的厂商采用600nm左右波段的绿光焊接铜。由于铜在高温状态下的吸收率较高，所以通常需要使用强激光加工，但这又会带来飞溅的问题，成为生产中的焊接难点。第二个问题是气孔，因为铜的流动性较差，液体张力形成熔池的时候会造成内部气孔塌陷。另外，如果焊接速度过高，也会使气孔不易溢出，形成气孔。
发卡电机的第二个焊接难点是绝缘层烧损，这是由于电机自身设计决定的。因为绝缘层就在Hair-pin的下面，而且铜的热传导率很高，如果输入热量过大就会容易造成绝缘层烧损。如果使用的是小尺寸发卡电机，那么Hair-pin的尺寸更短，对焊接的挑战更大。

最后还需要考虑焊接夹具的问题。当焊接200-400个Hair-pin时，焊接时的精准定位也是一大挑战。此外，发卡电机对平面和高度的错位要求特别严格，XY方向上的错位需要控制在0.1mm以内，Z方向上的错位需要控制在0.5mm以内。

如果Hair-pin组件中的一个模块出现焊接缺陷，没有达到工艺要求，整个发卡电机就要报废。因此，稳定的输出和识别缺陷技术对于生产发卡电机，显得尤为重要。目前，多数厂商采用的是普通熔焊头外接视觉识别系统的组合方式，但这种方法只能捕捉到平面数据，而不能显示高度数据。如果Z方向上存有误差，焊缝质量难以保证。同时，该方法还十分依赖夹具的定位。

对此，SCANSONIC推出了全新的电机焊接解决方案RLW-S。RLW-S具备增强型图像识别、高速稳定振镜、智能补偿算法、焊后检测和经济性的特点。增强型图像识别技术包含灰度识别和三角测量，三角测量能获得XYZ方向上的数据，灰度测量能识别平面的形状，两个摄像头的数据结合能够得到完整的6D数据，两种识别方式互不干扰。

对于材料的焊接问题，其实通过振镜解决，当焊接速度大于20m/min时不会有飞溅产生，但需要稳定的焊接振镜才能实现。另一个方法是通过智能补偿算法解决，与RLW-A的间隙补偿功能相似，但却更智能。对于高度和平面上的不同落差和间隙，智能补偿算法都能通过内置算法实现精准的补偿焊接。

RLW-S除了焊接发卡电机外，还在Busbar电极焊接上表现优异。因为Busbar电极采用的是铝或者铝铜合金的材质，同时也需要焊缝识别。

在RLW-S焊接界面截图上，焊接件是一个热交换器，每焊完一处系统会自动算出一个评分，如果焊缝质量达不到要求还会自动报警。软件能实时显示焊缝的平面数据和6D数据，这也是三角测量的优势。因此，RLW-S正是通过增强型识别、高速稳定振镜、智能补偿算法、焊后检测和经济性，从而保证生产和测量的稳定性。

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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