CN102735611B - 锂离子电池电阻焊接强度的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池电阻焊接强度的检测方法，其包括以下步骤：用白色同轴光源照射待检测锂离子电池的导电连接片与电池外壳的电阻焊点；采集、放大焊点图像并将其传输到计算机；通过图像处理软件对焊点图像中各像素点的灰度值及面积参量进行提取和分析，并将分析结果与预设的焊点特征参量阀值门槛进行比较，判断出焊点的强度是否合格。本发明采用非接触、非破坏性的光学成像方式对焊点进行检测，不仅对焊点没有任何损害和破坏，而且检测过程准确高效，可实现100%的在线全检，有效降低了虚焊风险，满足了大规模生产的实际需要。此外，本发明还公开了一种锂离子电池电阻焊接强度的检测装置。

Description

锂离子电池电阻焊接强度的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种焊接强度的检测方法和装置，尤其是一种锂离子电池电阻焊接强度的检测方法和装置。

背景技术

近年来，随着锂离子电池产品的快速发展和日益广泛的应用，对其安全性和产品品质的要求也在不断提升，因此确保锂离子电池内部焊点焊接的可靠性至关重要。

目前，对于圆柱形18650锂离子电池内部的阳极导电连接片（T2材质铜带）与电池外壳（冷轧镀镍钢壳）的焊接，业内普遍采用电阻焊接工艺。但是，这两种金属母材本身的熔点差异较大，铜为1080℃，钢为1530℃；二者的导热系数差异也很大，铜为401W/mK，钢为80W/mK，这些特性容易导致两种金属在焊接过程中瞬间受热熔合不充分，产生虚焊。另外，电阻焊接作为一种较为复杂的工艺制程，技术要求高，生产控制难度大，焊接过程中受到众多偶然因素的干扰，如工件表面状况不良、电极损耗、装配间隙变化、焊接分流、焊机精度及稳定性、可靠性波动等，任一环节的波动都很容易导致虚焊，而虚焊是焊接工艺中最为严重的一类缺陷，直接影响到锂离子电池的安全性能与产品品质。因此，有必要对焊接完成的电阻焊点进行强度检测。

对于电阻焊点的强度检测，现有的方法通常为破坏性检测，即通过施加不同方式的外力来破坏焊点，根据对残留面积的观察或剪切脱出力的测量，来评估焊接强度。例如，中国专利申请第201020526039.4号给出了一种电阻点焊焊点检测装置，中国专利申请第200610097980.7号给出了一种窗帘线焊点检测器，中国专利申请第200920131554.X号给出了一种锂离子电池极耳焊接强度的检测装置，三者的共同特征是：采用机构对焊接物施加外力来进行机械抗拉强度的检验，属于破坏性测试，测试本身会对焊点的可靠性造成一定程度的影响，特别是对于抗拉强度接近规格控制线的焊点；此外，上述方法要使用到特定的工装夹具，会对效率造成影响，因此一般仅适用于抽样检验，而难以在大规模连续生产中进行100%全检监控，以致产品的焊点强度无法避免地存在着一定的质量风险和安全隐患。

有鉴于此，确有必要提供一种能够对锂离子电池的电阻焊接强度进行快速检测、且不会对焊点造成损害的无损检测方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种锂离子电池电阻焊接强度的检测方法和装置，以实现对电阻焊点的快速无损检测。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种锂离子电池电阻焊接强度的检测方法，其包括以下步骤：用白色同轴光源照射待检测锂离子电池的导电连接片与电池外壳的电阻焊点；采集、放大焊点图像并将其传输到计算机；以及通过图像处理软件对焊点图像中各像素点的灰度值及面积参量进行提取和分析，并将分析结果与预设的焊点特征参量阀值门槛进行比较，判断出焊点的强度是否合格。

作为本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测方法的一种改进，所述预设的焊点特征参量阀值门槛为：图像中灰度小于30的像素点面积之和占焊点总像素点面积的比值大于等于60%。

作为本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测方法的一种改进，所述白色同轴光源是通过待检测锂离子电池的电芯孔对电阻焊点进行照射的。

作为本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测方法的一种改进，所述图像处理软件的功能包括：焊点区域轮廓的提取；焊点区域轮廓内各像素点灰度值的提取；图像像素灰度值和面积参量的计算；与预设的焊点特征参量阀值门槛进行比较；输出判断结果；将焊点图像和判断结果进行存储，以便于检测记录的保存和后续调用。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种锂离子电池电阻焊接强度的检测装置，其包括定位支架、白色同轴光源、光源控制器、放大镜头、工业相机和计算机主机，计算机主机内安装有图像采集卡和图像处理软件，待检测锂离子电池定位于定位支架上，光源控制器通过信号线与白色同轴光源连接，白色同轴光源安装在放大镜头上并与待检测锂离子电池垂直对应，放大镜头与工业相机连接，工业相机通过视频信号线连接到计算机主机内的图像采集卡上，工业相机对放大镜头采集的光学放大图像进行瞬时拍摄，工业相机拍摄的焊点图像由视频信号线传输到计算机主机，图像处理软件提取并分析焊点图像的灰度值及面积参量，将分析结果与设定的焊点特征参量阈值门槛进行比较，从而判断焊点强度是否合格。

作为本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测装置的一种改进，还包括高度调节机构，所述放大镜头和工业相机都固定于高度调节机构上。

作为本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测装置的一种改进，还包括通过视频信号线连接到计算机主机上的显示器。

作为本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测装置的一种改进，所述计算机主机为工业控制计算机或个人计算机，显示器为17英寸以上的高清彩色显示器。

作为本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测装置的一种改进，所述放大镜头为焦距超过10厘米、放大倍数为2倍以上、分辨率达到百万像素以上的长焦精密光学镜头；工业相机为500万像素以上的工业彩色相机。

作为本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测装置的一种改进，所述定位支架上设有用于定位待检测锂离子电池的电池定位机构，所述放大镜头对准待检测锂离子电池的电芯孔，所述白色同轴光源发出的同轴光从放大镜头内部射出，穿过电芯孔照射到焊点的表面。

与现有技术相比，本发明采用非接触、非破坏性的光学成像方式对焊点进行检测，不仅对焊点没有任何损害和破坏，而且检测过程准确高效，很容易实现100%的在线全检，有效降低了虚焊风险，并满足了大规模生产的实际需要。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测方法和装置及其有益效果进行详细说明，其中：

图1为待检测锂离子电池的剖视图。

图2为待检测锂离子电池的底盖和导电连接片的焊接示意图。

图3为沿着图2中A-A线的剖视图。

图4为合格焊点对于垂直入射的同轴光的反射作用示意图。

图5为虚焊焊点对于垂直入射的同轴光的反射作用示意图。

图6为合格焊点和虚焊焊点的图像对比图。

图7为本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测装置的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图3所示，待检测的锂离子电池包括圆柱形外壳10、收容于外壳10内的电芯12、位于电芯12轴线上的电芯孔14，以及从电芯12底部伸出并焊接于外壳10的底盖100上的导电连接片16。导电连接片16与底盖100之间的焊接采用电阻焊接，本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测方法和装置即用于检测二者之间的焊点18的可靠性。

为了便于理解，以下首先对本发明检测方法所依据的原理进行说明。

请参阅图4至图6所示，对于电阻焊接来说，合格的焊点18a在焊接过程中得到了足够的热量，焊点熔核区域的温度会达到母材的熔点，熔核冷却后母材铜的金属晶粒经过了再结晶过程，其表面在微观上会出现凸凹不平而呈颗粒磨砂状，如果将白色同轴光源置于合格焊点18a正上方的位置，光线通过狭长的电芯孔14垂直照射到焊点18表面后会产生如图4所示的漫反射，因此回到镜头的光线变少，焊点区域的图像会因灰度值较小而呈现出非常深的色度，如图6中图像20a、20b所示；而虚焊焊点18b由于在焊接过程中得到的能量不足，熔核区域的温度不够，无法使两种母材充分熔合，因此其母材的再结晶过程也是不充分的，焊点18b的表面就会相对比较平整，这样的焊点置于白色同轴光源的照射下时，多数光线将发生图5所示的类似镜面反射，焊点区域通过镜头得到的图像会因灰度值较大而呈现出较浅的色度，如图6中图像20c、20d所示。因此，可以依据焊点图像的像素灰度值参量来表征焊点18的有效熔合面积，从而衡量焊点接头的剪切断裂强度，评估焊点18的可靠性。

依据以上原理，本发明提供一种锂离子电池电阻焊接强度的检测方法，其步骤为：利用白色同轴光源照射导电连接片16与电池外壳10的电阻焊点18，采集、放大焊点图像并将其传输到计算机，计算机中的图像处理软件对焊点图像中各像素点的灰度值及面积参量进行提取和分析，并将分析结果与预设的焊点特征参量阀值门槛进行比较，从而判断焊点的强度是否合格。

根据大规模的焊点可靠性试验验证，强度合格的焊点特征参量阀值门槛为：图像中灰度小于30的像素点面积之和（以黑-灰-白连续变化的灰度值量化为256个灰度级进行衡量）占焊点总像素点面积的比值应大于等于60%。

请参阅图7所示，用于实现上述检测方法的锂离子电池电阻焊接强度的检测装置包括定位支架30、白色同轴光源32、光源控制器34、放大镜头36、工业相机38、高度调节机构40、计算机主机42及显示器44。

定位支架30固定于操作平台60上，定位支架30上设有用于定位待检测锂离子电池1的电池定位机构和用于定位高度调节机构40的定位柱300。光源控制器34通过信号线与白色同轴光源32连接，从而实现对白色同轴光源32所发出的同轴光的亮度调节。白色同轴光源32安装在放大镜头36上并与待检测锂离子电池1垂直对应，放大镜头36则与工业相机38连接。放大镜头36和工业相机38都固定于高度调节机构40上，工业相机38通过视频信号线连接到计算机主机42内的图像采集卡上。

在本发明的一个优选实施方式中，放大镜头36为长焦精密光学镜头，其焦距超过10厘米，放大倍数为2倍以上，分辨率达到百万像素级以上；工业相机38为500万像素以上的工业彩色相机；计算机主机42为工业控制计算机或个人计算机；显示器44为17英寸以上的高清LCD显示器，其通过视频信号线连接到计算机主机42上。计算机主机42、光源控制器34和显示器44均通过电源线连接到220V的稳压电源上。

计算机主机42内还安装有图像处理软件，其作用为瞬时存储焊点图像并对其进行分析和焊接强度判定，主要功能包括：

①焊点区域轮廓的提取，及焊点区域轮廓内各像素点的灰度值的提取（采用黑-灰-白连续变化的灰度值量化为256个灰度级）；

②计算焊点图像20的特征值：即图像像素灰度数值小于30的有效熔合面积占焊点总面积的百分比；

③判定焊点强度是否合格：将计算得到的焊点图像特征值与阈值门槛（60%）进行对比，如特征值大于等于60%则判定为合格，小于60%判定不合格，并将结果输出在显示器44上；

④将焊点图像20及判定结果进行存储，以便于检测记录的保存和后续的调用。

检测时，将放大镜头36对准待检测锂离子电池1的电芯孔14，同时利用高度调节旋钮400调节固定在高度调节机构40上的放大镜头36的高度，使其焦点落在焊点18的表面，利用光源控制器34调节白色同轴光源32所发出的同轴光的亮度，最终使显示器44上显示出清晰的焊点图像20为止，具体显像过程为：

白色同轴光源32发出同轴光，同轴光从放大镜头36内部射出，穿过电芯孔14照射到焊点18的表面后反射回放大镜头36，放大镜头36采集焊点18的图像并将其放大，工业彩色相机38对放大镜头36采集并放大后的焊点图像20进行瞬时拍摄，并将拍摄的图像传输至计算机主机42内的图像采集卡上，之后通过显示器44显示出来。同时，安装于计算机主机42内的图像处理软件对焊点图像20中各像素点的灰度值及面积参量进行提取和分析，并将分析结果与预设的焊点特征参量阀值门槛进行比较，从而判断焊点的强度是否合格。

在实际生产中，本发明的检测装置可以架设在自动化流水线上，通过机械限位装置使每个待检测电池1的电芯12在放大镜头36下方停留1秒钟进行自动判定，根据检测结果，合格品流入下道工序，不合格品通过分拣机构自动挑出。

相对于现有技术，本发明锂离子电池电阻焊接强度的检测方法和装置具有以下有益技术效果：采用非接触、非破坏性的光学成像方式对焊点18进行检测，不仅对焊点18没有任何损害和破坏，而且检测过程快速高效，很容易实现100%的在线全检，从而满足了大规模生产的实际需要。

为了验证本发明检测方法的准确性，进行了以下对比试验：选取2000个18650圆柱形锂离子电池，首先采用本发明的检测方法对其电芯阳极铜导电连接片16与电池钢外壳10的焊接点进行焊接强度判定，判定时设定了两组不同的特征参量阈值门槛；然后采用传统的破坏性检测方法，对焊点的抗剪切拉力数值和剪切剥离残留面积进行测量和判断。两种检测方法的判定结果请参见表1所示。

表1、本发明与传统检测方法的判定结果对比表

从表1可以看出，采用本发明的无损检测方法对焊点强度检测的判定结果与传统的破坏性检测方法判定结果具有高度的一致相关性，因此，本发明通过设定合理的特征参量阈值门槛，就可以准确高效地对焊点强度进行检测，从而最大限度地减小虚焊风险，避免焊接缺陷。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种锂离子电池电阻焊接强度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

用白色同轴光源照射待检测锂离子电池的导电连接片与电池外壳的电阻焊点；

采集、放大焊点图像并将其传输到计算机；以及

通过图像处理软件对焊点图像中各像素点的灰度值及面积参量进行提取和分析，并将分析结果与预设的焊点特征参量阀值门槛进行比较，判断出焊点的强度是否合格；强度合格的焊点特征参量阀值门槛为：以黑-灰-白连续变化的灰度值量化为256个灰度级进行衡量，图像中灰度小于30的像素点面积之和占焊点总像素点面积的比值大于等于60％。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池电阻焊接强度的检测方法，其特征在于，所述白色同轴光源是通过待检测锂离子电池的电芯孔对电阻焊点进行照射的。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池电阻焊接强度的检测方法，其特征在于，所述图像处理软件的功能包括：焊点区域轮廓的提取；焊点区域轮廓内各像素点灰度值的提取；图像像素灰度值和面积参量的计算；与预设的焊点特征参量阀值门槛进行比较；输出判断结果；将焊点图像和判断结果进行存储，以便于检测记录的保存和后续调用。

4.一种锂离子电池电阻焊接强度的检测装置，其特征在于，包括定位支架、白色同轴光源、光源控制器、放大镜头、工业相机和计算机主机，计算机主机内安装有图像采集卡和图像处理软件，待检测锂离子电池定位于定位支架上，光源控制器通过信号线与白色同轴光源连接，白色同轴光源安装在放大镜头上并与待检测锂离子电池垂直对应，放大镜头与工业相机连接，工业相机通过视频信号线连接到计算机主机内的图像采集卡上，工业相机对放大镜头采集的光学放大图像进行瞬时拍摄，工业相机拍摄的焊点图像由视频信号线传输到计算机主机，图像处理软件提取并分析焊点图像的灰度值及面积参量，将分析结果与设定的焊点特征参量阈值门槛进行比较，从而判断焊点强度是否合格；强度合格的焊点特征参量阀值门槛为：以黑-灰-白连续变化的灰度值量化为256个灰度级进行衡量，图像中灰度小于30的像素点面积之和占焊点总像素点面积的比值大于等于60％。

5.根据权利要求4所述的锂离子电池电阻焊接强度的检测装置，其特征在于，还包括高度调节机构，放大镜头和工业相机都固定于高度调节机构上。

6.根据权利要求4所述的锂离子电池电阻焊接强度的检测装置，其特征在于，还包括通过视频信号线连接到计算机主机上的显示器。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池电阻焊接强度的检测装置，其特征在于，所述计算机主机为工业控制计算机或个人计算机，显示器为17英寸以上的高清彩色显示器。

8.根据权利要求4所述的锂离子电池电阻焊接强度的检测装置，其特征在于，所述放大镜头为焦距超过10厘米、放大倍数为2倍以上、分辨率达到百万像素以上的长焦精密光学镜头；工业相机为500万像素以上的工业彩色相机。

9.根据权利要求4所述的锂离子电池电阻焊接强度的检测装置，其特征在于，所述定位支架上设有用于定位待检测锂离子电池的电池定位机构，所述放大镜头对准待检测锂离子电池的电芯孔，所述白色同轴光源发出的同轴光从放大镜头内部射出，穿过电芯孔照射到焊点的表面。