电动汽车电池模块制造商面临着提高系统性能的持续压力 - 特别是通过延长续航时间和缩短充电时间，同时降低生产成本。这些价格压力往往导致制造商倾向于棱柱电池，因为这是目前最经济的电池外形。遗憾的是，棱柱电池的性能通常低于圆柱形电池，系统设计人员仍然只能解决一半的问题。
通过增加母线的横截面积，从而降低电阻，可以提高棱柱形设计的充放电率。但较厚的母线带来了新的挑战，尤其是在焊接方面。特别是，传统上用于母线与端子焊接的激光器很难达到所需的深度穿透，而又不会产生过高的热量，从而增加部件损坏的几率。
现在，有两种技术已经克服了这些挑战，从而能够以具有成本效益的方式焊接较厚的母线，同时还能保持大批量生产所需的速度、可靠性和产量。其中第一项技术是双光束光纤激光焊接。第二项技术是使用光学相干断层扫描 (OCT) 进行实时、过程中焊接测量和验证。
在此，我们将了解这些工具如何支持下一代先进电动汽车电池模块的制造。
双束激光焊接
双光束技术是近年来激光加工领域最重要的进步之一。双光束技术在电动汽车制造领域的影响尤为明显，它可以对铜和铝等高反射金属以及具有挑战性的异种材料组合进行可靠的锁孔焊接。使用传统的单束光纤激光器焊接这些材料时，经常会出现飞溅、气孔和穿透深度不一致等问题。
双光束技术中应用最广泛、最有效的形式是中央圆形 "核心光束"，周围是同心环形 "环形光束"。每个光束的功率都可以独立调节 - 在整个 0% 到 100% 的范围内均可调节。
双束激光焊接的工作原理
要了解这种配置的优点，必须认识到稳定的激光锁孔焊接需要适当平衡熔融金属中的两种对立力。
压力：第一种力量是打开和保持锁孔的压力。这种压力是激光加热表面和气化金属膨胀时产生的。
表面张力：第二种是熔融金属中的表面张力和粘性力共同作用，使钥匙孔闭合。
当这两种对立力的平衡受到破坏时，钥匙孔就会发生振荡、塌陷、夹气或喷射出熔融金属。
在双光束激光焊接中，核心光束启动并保持焊接锁孔，而环形光束则稳定焊接熔池。具体地说，环形光束温和地预热和熔化焊芯周围的材料。这样可以消除温度梯度，使蒸汽稳定排出，减少导致飞溅、塌陷或其他不稳定的压力峰值。通过这种方式，可以保持力的平衡。
让钥匙孔周围保持熔融状态还能让材料流回其中。这样，材料就能在凝固前更均匀地扩散。此外，环形梁的加热可减缓冷却和凝固速度，从而防止铝产生热裂纹。
环形光束预熔化还能增加铜对红外线的吸收，从而提高工艺效率并进一步增强稳定性。
这些效果结合在一起，几乎消除了飞溅，提供了一致的穿透力，并产生了具有卓越机械强度的更平滑的接缝。双光束激光器的焊接速度是单光束系统的十倍。
利用单模激光器实现精确性
双光束激光器的总输出功率、环芯尺寸比和总光束尺寸有多种可能的组合。没有通用的 "最佳 "配置 - 最佳激光参数始终取决于特定材料和加工要求。
对于焊接较厚母线（超过 2 毫米）的情况，关键是要实现深熔透和大而一致的焊接截面，以最大限度地减少电阻。有几种不同的方法可以实现这一目标。
第一种是使用带有多模核心光束的高功率双光束激光器。这种配置可以将大量激光能量快速传输到相对较大的焊接区域。
这种方法的优点是速度快。它能快速形成大截面焊缝。
但不利的一面是，如此快速地输送所有这些能量会产生一个相当大的热影响区（HAZ）。这就增加了损坏附近热敏部件或结构（如端子后面的塑料部件）的可能性。
第二种方法是使用双光束激光器，其核心光束为功率较低的单模（TEM00）光束。尽管总功率较低，但高光束质量可使中心光束聚焦到更小的光斑上。这比使用多模光束通常能获得更高的能量密度。
与总功率相同的低能量密度光束相比，高能量密度光束的穿透深度更深。此外，与多模激光器相比，单模激光器的光束轮廓在一段时间内具有更高的一致性，从而可以更好地控制锁孔并提高加工一致性。
因此，即使是铜和铝等高反射率金属，带有单模核心光束的双光束激光器也能快速启动焊接。同时，它还能快速达到所需的焊接穿透深度。由于更多的激光能量用于焊接材料，而不是加热材料，因此可以最大限度地减少热影响区。
单模中心光束还有另一个更微妙的优点。更好的模式质量 (M²) 意味着瑞利范围的增加。这是聚焦光束保持近乎恒定光斑尺寸的距离。
由于聚焦点上下的光束尺寸变化不大，焊接过程对材料高度或厚度变化的敏感性大大降低。这意味着焊接过程的容差更大，焊接窗口更宽。这对实际生产焊接环境中的产量影响巨大。
最后，需要指出的是，所有这些优点都与激光模式质量有关。随着 M² 的减小（表明光束质量的提高），所有这些优点都会变得更加明显。
当然，使用单模芯梁焊接也有缺点。这样会产生较窄的焊缝，这意味着需要较长的焊接时间才能形成足够大的总焊接截面。通常情况下，可以通过焊接图案（如螺旋形）或进行多个紧密间隔的短焊缝，而不是单个长直焊缝来实现。
因此，在加工速度和焊接质量之间存在明显的折衷。多模式激光焊接速度更快，但会产生更大的热影响区。单模激光焊接焊接给定截面需要更长的时间，但能最大限度地减少热影响区，提高焊点质量。
优先考虑焊接质量保证
电动汽车电池模块可能包含数百个单独的焊接点。一个有缺陷的连接可能会增加内阻、降低电池组性能，甚至造成安全隐患。这意味着低至万分之一的缺陷率也会导致模块级故障频发。因此，即使使用高可靠性的激光焊接系统，也必须进行在线验证。
传统上，大多数焊缝监测系统都使用光电二极管传感器来检测焊缝上方熔池和等离子体羽流发出的光。然后将这些信号与存储的已知良好焊缝的参考数据进行统计比较。虽然这种方法可以揭示一般的工艺变化，但它实际上并不测量焊缝本身 - 只是测量发出的光与过去的平均值有何不同。
此外，由于信号取决于收集的光线而非真实的焊接几何形状，因此很容易受到无关因素的影响。表面反射率、光束对准或聚焦位置的变化都会改变回光量，从而引发错误读数。更糟糕的是，穿透不足和穿透过度通常会产生几乎相同的发射曲线。这种不确定性会导致不必要的废品、返工以及实际焊接质量的持续不确定性。
光学相干断层扫描（OCT）的开发是为了直接测量真正的焊接深度。OCT 采用低功率、近红外测量光束，通过与焊接激光相同的光学器件投射。这意味着它始终保持与加工光束完全对齐和同轴。
OCT 光源发出的光进入钥匙孔，然后被反射回来。干涉测量法用于获取到反射面的距离 - 在本例中就是钥匙孔的底部。
对这种反射进行连续监测，以微米级精度实时测量锁孔深度。由于 OCT 是通过相干干涉进行感应，而不是依靠焊缝羽流的亮度或温度，因此不受表面状况、材料反射率或光束功率变化的影响。
OCT 对于单模芯束焊接尤为重要。这种焊接会产生深、窄、高光谱比的键孔，大多数光学系统都很难进入这些键孔。但 OCT 可以轻松探查只有几十微米宽的键孔。因此，它非常适合测量对深度控制至关重要的厚母线的穿透情况。
OCT 仪器的速度使制造商能够实时验证所进行的每一次焊接。可以立即识别和标记未充分渗透或过度渗透等情况。.
对于大批量电动汽车电池生产而言，这意味着吞吐量的增加、产量的提高，以及对每个母线连接是否符合规格的更大信心。此外，存储的测量数据可实现更高的可追溯性。
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