电池模块是电动汽车的心脏。电动汽车依靠电池驱动，因此电池的可靠性对于汽车的安全至关重要。早在 2013 年，宝马汽车集团就推出了首款全电动汽车i3，因此非常清楚电池生产面临多重挑战。随着产能的不断提高，电池生产的复杂性也在不断增加，例如在宝马公司第五代电池模块的生产中，就需要多达144条焊缝。

借助Ophir BeamWatch Integrated自动化激光束测量系统，汽车制造商可以在焊接每个新电池模块之前对激光束进行检查，并且不影响生产周期。而在使用Ophir BeamWatch Integrated系统之前，为了确认理想的焊接深度，该汽车制造商每周都要通过显微照片进行抽查。

在不影响生产周期的情况下监测光束质量

电池生产中的激光焊接要求绝对精确。在焊接前定期检查激光束的关键参数，对保证电池组的焊接质量具有重要意义。从与宝马汽车集团专家的第一次讨论开始，Ophir团队就将工作重点聚焦在“如何在对激光束进行定期检查的同时，尽可能减少对生产周期的影响”。激光束检查的关键指标包括：焦点直径、焦点位置、激光功率和焦点偏移。

其中激光功率和焦点偏移这两个参数对于单模激光器尤为重要，但是要快速测量这两个参数却非常困难。唯一能够做到这一点的方法是根据瑞利散射原理，对激光光束进行非接触式测量，这是MKS公司开发的一项技术，并应用于Ophir BeamWatch系列产品中。

该公司专门为自动化制造设计了Ophir BeamWatch Integrated系统。这种光束轮廓仪和功率计的组合有各种接口，直接适配于工业生产。对于宝马汽车集团的技术开发专家来说，这款仪器的问世恰逢其时。

焦点偏移的非接触式探测 

作为电池生产线原型设计和基础定义的一部分，第一套Ophir BeamWatch Integrated系统于2019年投入使用。随后是技术开发的密集测试阶段，很快该设备就能确定所有需要的参数。

然而，测试结果很快显示，人们低估了生产过程中产生的热焦点偏移。BeamWatch Integrated系统的测量显示，焦点的热偏移在毫米范围内，这是工程师们始料未及的结果。幸运的是，工程师们知道了焦点的偏移幅度，就可以在生产过程中对焦点偏移进行调整。

对于汽车制造商来说，这是保持所有接触式焊缝焊接深度一致的重要一步。在开发阶段，使用接触式焊缝的显微照片来确定焦点偏移与焊缝深度之间的关系。在此基础上，汽车制造商与Ophir团队专家密切合作，确定了焦点偏移的极限值。

焊接飞溅物导致焊缝深度减小

此外，工程师还发现：用于接触焊接的单模光纤激光器的光学系统，容易受保护玻璃上飞溅物的影响。飞溅物不仅会造成焦点偏移，甚至还会直接影响焦点直径。

保护玻璃上的污点会使激光束发生散焦，BeamWatch Integrated系统可以通过测量分析这种散焦现象。由于激光束参数的偏差，工程师对每道焊缝的深度都进行了检查。虽然焊缝看起来毫无瑕疵，但焊接深度明显过浅。最后得出的结论是，必须将测量技术集成到批量生产过程中，因为只有这样才能长期保证焊缝质量。

可重复的接触焊缝质量 

如今，Ophir BeamWatch Integrated系统已经集成到宝马汽车第五代电池模块的全球所有自动化生产线中。在加载和卸载过程中，激光器在全功率下短暂运行以确定焦点位移。只有在确认（IO 信号）激光束参数符合要求后，才开始焊接。当生产仍处于启动阶段时，每生产一个电池模块/都要进行激光束校准测量；但在进入正常大批量生产阶段后，可以每生产十个电池模块后进行一次激光束校准测量。

如果BeamWatch Integrated系统检测到先前定义的某个参数出现偏差，就会显示警告信息。负责生产线的操作员就会检查激光器的保护玻璃，必要时进行清洁或更换。这样就可以从一开始就避免因激光束散焦偏差而造成的潜在误差。除了这种主动检测外，所有模块在焊接过程结束后都要进行电气功能测试。

必不可少的监测工具

总的来说，电池模块的生产是一个非常复杂的过程。单个电池单元被堆叠、压制并放置到一个框架中。然后，所有电池的正极和负极必须焊接在电池接触系统中——每个系统每小时要进行多达15000次点焊！工程师们确信，电池模块的质量在很大程度上取决于始终如一的高质量激光束参数；而Ophir beam watch Integrated系统是在电池模块生产过程中监测激光束参数的重要工具，生产线上的设备操作人员也对此深信不疑。

总之，Ophir BeamWatch Integrated系统，能够在不影响生产周期的情况下，能够自动测量激光束质量，检测焦点偏移，确保焊接质量；该系统是保证电池生产过程中焊接质量的关键工具，可促进汽车制造商激光焊接工艺的整体发展和电池模块的质量优化。

图1：Ophir BeamWatch Integrated 50

作者：MKS Instruments