范秋月　陳虹微　金璐　王吉波　陳木鳳

摘要：18650鋰電池是一種應(yīng)用范圍廣泛的動(dòng)力電池，其采用微型電阻點(diǎn)焊作為串并聯(lián)工藝時(shí)，焊接質(zhì)量的可靠性無法檢測(cè)。以18650電池殼體與鍍鎳薄鋼板的微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量為研究對(duì)象，通過合適的熱激勵(lì)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(shí)間的變化與熔核之間的關(guān)系，判斷18650電池微型電阻點(diǎn)焊的接頭質(zhì)量。結(jié)果顯示，不同質(zhì)量的微型電阻點(diǎn)焊接頭在相同的熱激勵(lì)下，焊點(diǎn)位置的溫度降低速度越快，焊點(diǎn)圖像出現(xiàn)清晰的輪廓時(shí)間越早，則微型電阻點(diǎn)焊接頭的結(jié)合狀態(tài)越好，即熔核面積越大。

關(guān)鍵詞：微型電阻點(diǎn)焊;紅外檢測(cè);熔核;18650電池

中圖分類號(hào)：TG453.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0096-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.20

0 前言

微型電阻點(diǎn)焊技術(shù)在電池包裝、醫(yī)療器械、電子裝置等制造過程中得到廣泛應(yīng)用，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的要求不斷提高[1]。因容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、平板電腦、電動(dòng)汽車、掃地機(jī)等領(lǐng)域的18650電池[2]，其串并聯(lián)方式也主要采用微型電阻點(diǎn)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(zhì)量受多種因素影響[4-5]，一直以來缺乏可靠的檢測(cè)手段。目前該類微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量主要依靠人工檢測(cè)手段，但是質(zhì)量檢測(cè)員連續(xù)工作極易疲勞，易產(chǎn)生漏檢部分點(diǎn)焊接頭的問題。這種方法不僅效率低，而且也無法科學(xué)地、定量地檢測(cè)焊接質(zhì)量。因此，實(shí)現(xiàn)微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的自動(dòng)化、智能化檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前對(duì)常規(guī)電阻點(diǎn)焊質(zhì)量檢測(cè)方法有超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)，尤其是超聲波檢測(cè)在常規(guī)點(diǎn)焊檢測(cè)中取得了良好應(yīng)用效果[6]。射線檢測(cè)一般用于鋁合金材料的檢測(cè)，檢測(cè)效率較高，但是由于點(diǎn)焊接頭內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，檢測(cè)效果并不理想。

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

18650電池的微型電阻點(diǎn)焊焊接時(shí)間極短，一般持續(xù)在2～3 μs，較高的焊接效率使得超聲波在線檢測(cè)較為困難。因此，現(xiàn)有的點(diǎn)焊接頭質(zhì)量檢測(cè)方法很難滿足微型電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)的需要，亟待探究合適的檢測(cè)方法。

1 試驗(yàn)方法

文中以18650電池殼體與鍍鎳薄鋼板的微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量為研究對(duì)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(gè)電池殼體正負(fù)極分別焊接兩個(gè)焊點(diǎn)，電池殼體與鍍鎳薄鋼板搭接方式如圖1所示。為驗(yàn)證紅外熱像儀檢測(cè)方法可以有效區(qū)分不同焊接質(zhì)量的微型電阻點(diǎn)焊接頭，設(shè)置了兩種焊接工藝，如表1所示。

微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量紅外檢測(cè)采用閃光燈陣列對(duì)焊點(diǎn)表面進(jìn)行脈沖加熱，然后使用紅外熱像儀探測(cè)并記錄熱激勵(lì)前后焊點(diǎn)的表面溫場(chǎng)分布及其變化，由于微型電阻點(diǎn)焊工件很薄，對(duì)紅外探測(cè)器幀頻要求較高，為確保檢測(cè)過程的可靠性，采用高幀頻紅外探測(cè)器對(duì)加熱后的微型電阻點(diǎn)焊表面熱輻射進(jìn)行采樣分析，其中紅外探測(cè)參數(shù)見表2，紅外探測(cè)窗口設(shè)為44×136，幀頻為3 000 Hz。

2 分析與討論

2.1 紅外熱像儀檢測(cè)18650微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的圖像表征

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

圖3a在受熱激勵(lì)初期，電池殼體邊緣位置因熱激勵(lì)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(lì)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(lì)光源垂直照射，但是鍍鎳薄鋼板邊緣散熱效果較好，導(dǎo)致邊緣溫度較其他位置的溫度稍低，局部邊緣輪廓略顯現(xiàn)。圖3b中整體溫度降低至120 ℃以內(nèi)，鍍鎳薄鋼板邊緣輪廓整體顯現(xiàn)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(dǎo)與熱輻射兩種方式共同作用。微型電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)的位置與電池殼體相連，在焊接狀態(tài)良好的情況下，微型電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)處發(fā)生熱傳導(dǎo)與熱輻射兩種方式共同作用，導(dǎo)致焊點(diǎn)處溫度較鍍鎳薄鋼板其他位置的溫度稍低，此時(shí)熱圖像中焊點(diǎn)出現(xiàn)在鍍鎳薄鋼板上。隨著熱激勵(lì)后時(shí)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(qū)域始終處于鍍鎳薄鋼板上，并且鍍鎳薄鋼板與焊點(diǎn)溫差逐漸增大，焊點(diǎn)圖像輪廓逐漸清晰。

2.2 不同質(zhì)量的微型電阻點(diǎn)焊接頭紅外熱圖像對(duì)比分析

微型電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量體現(xiàn)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(lián)的正常生產(chǎn)工藝參數(shù)，微型電阻點(diǎn)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(shí)間短，相比與焊接工藝1的微型電阻點(diǎn)焊接頭，焊接工藝2的微型電阻點(diǎn)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(diǎn)焊質(zhì)量紅外熱像圖如圖4所示，焊接工藝2微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量紅外熱像圖如圖5所示，為熱激勵(lì)后隨時(shí)間推移的熱圖像變化情況。

圖4a、5a為熱激勵(lì)后第一幀熱圖像，圖4a中微型電阻點(diǎn)焊接頭位置出現(xiàn)局部溫度略低的現(xiàn)象，而圖5a、5b中微型電阻點(diǎn)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(diǎn)焊接頭位置才開始出現(xiàn)局部溫度略低于周圍的現(xiàn)象，說明圖4的鍍鎳薄鋼板與電池殼體之間的熱傳導(dǎo)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(dǎo)效率取決于鍍鎳薄鋼板與電池殼體之間的熱傳導(dǎo)截面，即鍍鎳薄鋼板與電池殼體之間的微型電阻點(diǎn)焊接頭熔核面積，與上面分析的焊接工藝1微型電阻點(diǎn)焊接頭熔核面積大于焊接工藝2的微型電阻點(diǎn)焊接頭完全吻合。

圖4b～4f與圖5d～5f的微型電阻點(diǎn)焊接頭位置的溫度較周圍溫差增大，微型電阻點(diǎn)焊接頭的熱圖像越來越明顯，在圖4與圖5d～5f的對(duì)應(yīng)圖像中，圖4中的微型電阻點(diǎn)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(diǎn)焊接頭熔核面積大于圖5。

4 結(jié)論

在使用合適的熱激勵(lì)源與高幀頻紅外熱像儀檢測(cè)微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量時(shí)，相同材料的不同質(zhì)量的微型電阻點(diǎn)焊接頭，在相同檢測(cè)參數(shù)與檢測(cè)環(huán)境中，鍍鎳薄鋼板上焊點(diǎn)位置溫度降低越快，焊點(diǎn)圖像輪廓越清晰，微型電阻點(diǎn)焊接頭結(jié)合狀態(tài)越好，換而言之，焊點(diǎn)圖像出現(xiàn)清晰的輪廓時(shí)間越早，熔核面積越大，因此基于紅外熱圖像的方法對(duì)微型電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的檢測(cè)有重要意義。

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收稿日期：2020-06-29;修回日期：2020-08-23

基金項(xiàng)目：龍巖市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018LYF8006）;龍巖學(xué)院科研啟動(dòng)項(xiàng)目;福建省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目

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