CN110243866A - 微电阻点焊质量检测系统与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微电阻点焊质量检测系统与检测方法，属于微型电阻点焊领域。采用非接触式加热模块与红外探测仪相配合的主动红外检测方式对微电阻点焊质量进行无损检测。非接触式加热模块在设定时间内对准微电阻点焊接头在进行均匀加热，红外探测仪接收到微电阻点焊接头温度信号，输入到工业计算机的数据采集处理系统。检测方法包括非接触式加热模块功率密度调整、检测角度调整等步骤，采集反应熔核内部结构的温度随时间变化图像，提取熔核区间温度总和，建立点焊接头质量等级评估模型。本发明首次实现了微电阻点焊质量的无损检测，检测效率高，使用方便，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，特别涉及微型电阻点焊领域，尤指一种微电阻点焊质量检测系统与检测方法。
背景技术
微型电阻点焊技术在电池包装、医疗器械、电子装置等制造过程中得到广泛应用，随着智能化技术的发展，对微型电阻点焊质量的要求不断提高。新能源汽车动力电池组中锂电池的串并联接多数采用微型电阻点焊连接方法，其接头质量对动力电池组的稳定性与安全性起着重要作用。微电阻点焊是锂电池串并联的主要连接方法，一直以来缺乏可靠的质量检测手段。
目前动力电池的微电阻点焊质量检测中是人工检测的手段，一般采用挑拨汇流排的方式，查看微电阻点焊接头是否虚焊。但是质量检测员连续工作极易产生疲劳，易产生漏检部分点焊接头的问题。这种方法不仅效率低，而且也无法科学地、定量检测焊接质量。因此，通过无损检测手段实现微型点焊接质量在线检测有重要现实意义。
目前对常规电阻点焊质量检测方法有超声波检测、射线检测等，尤其是超声波检测在常规点焊检测中取得了良好应用效果。射线检测一般用于铝合金材料的检测，检测效率较高，但是由于点焊接头内部组织结构的复杂性，检测效果并不理想。
超声波无损检测手段在薄件、超薄件方面一直未得到满意的解决方案，检测对象的厚度与超声波探头性能密切相关。在薄件检测中一般要求超声波探头发射频率较高，波形较窄，限于目前技术手段，无法满足工件厚度小于0.3毫米的微电阻点焊质量检测。
另外，动力电池包装中应用的微型点焊，焊接时间及短，一般持续在2-3毫秒，较高的焊接效率使得超声波在线检测较为困难。因此，现有的点焊接头质量检测方法很难满足锂电池微电阻点焊生产的需要，亟待新的检测方法的提出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微电阻点焊质量检测系统与检测方法，解决了现有技术存在的微型点焊质量检测的技术难题。本发明是一种利用非接触式加热模块与红外探测器相结合的主动红外检测方式，微电阻点焊接头在非接触式恒定热源功率加热的情况下，检测其接头温度场随时间的变化图像，利用熔核区间温度总和建立点焊接头质量等级评估模型。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
微电阻点焊质量检测系统，闪光灯电子件2、灯丝3、凸透镜Ⅰ4、光学积分球5共同组成非接触式加热模块，并置于非接触式加热模块壳体1内，所述灯丝3安装在闪光灯电子件2上，凸透镜Ⅰ4置于灯丝3和光学积分球5之间，光学积分球5通过支架固定在非接触式加热模块壳体1内；光源性能调理模块壳体8与非接触式加热模块壳体1固定连接，凸透镜Ⅱ6、凹透镜7共同组成光源性能调理模块，并分别固定在光源性能调理模块壳体8内；微型激光瞄准器Ⅰ9.1与微型激光瞄准器Ⅱ9.2固定在光源性能调理模块壳体8的前面，与PCI系统控制模块12连接；在电池10上的微电阻点焊接头处于红外探测模块11的视野范围内，红外探测模块11、非接触式加热模块壳体1通过PCI系统控制模块12与数据分析模块13相连，数据分析模块13与显示模块14相连。
所述的微型激光瞄准器Ⅰ9.1与微型激光瞄准器Ⅱ9.2在PCI系统控制模块12的控制下发射低功率激光对电池10上的微电阻点焊接头进行定位瞄准，确保非接触式加热模块的加热位置瞄准点焊接头。
所述的非接触式加热模块在PCI系统控制模块12的控制下产生高功率的均匀的平行光，并根据检测的微电阻点焊板厚控制加热时间，以获取最佳检测温度；
所述光学积分球5的位置根据下列公式确定：
其中，凸透镜Ⅰ4的焦距为f0，灯丝3到凸透镜Ⅰ4的距离为l，凸透镜Ⅰ4到光学积分球5的距离为l0。
所述的光源性能调理模块根据待加热的微电阻点焊接头的面积调整平行光的斑点大小与光源密度，配合加热时间获得最佳检测温度，光源加热面的半径通过下列公式确定：
其中，凸透镜Ⅱ6的焦距为f1，凹透镜7的焦距为f2，光学积分球5与凸透镜Ⅱ6之间的距离l1，凸透镜Ⅱ6与凹透镜7之间的距离为l2，凸透镜Ⅱ6的通光孔径大小为y1，加热半径y2。
所述的外探测模块11为短波探测器，非接触式加热模块的热源照射到电池10的微电阻点焊接头上，微电阻点焊接头受到短时间加热，为避免红外探测器受到高功率强光损坏，红外探测模块11在光源照射结束后开始工作，将探测到微电阻点焊接头发出的红外光波转化为数字信号。
所述的数据分析模块13是工业主机系统，红外探测模块11获得的数字信号传送给数据分析模块13中存储；反应微电阻点焊接头的温度随时间变化的多帧热图像的原始数据以矩阵形式存入数据分析模块13的数据库中，以保证检测过程的可追溯性。
所述的显示模块14为工业显示器。
本发明的另一目的在于提供一种微电阻点焊质量检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)、根据微电阻点焊接头所在位置，压痕面积范围，调整l1、l2间距，确定加热面积；根据微电阻点焊接头工件调整红外检测模块探测距离，以确保获得的红外热图像清晰；
步骤(2)、打开检测系统的参数设置对话框，设置微电阻点焊接头——工件Ⅰ、工件Ⅱ的热传导系数；根据焊接材料——微电阻点焊接头的发射率设置红外探测仪的发射率；根据微电阻点焊工件Ⅰ、Ⅱ的厚度设置光源加热时间；根据微电阻点焊接头检测精度的要求，设置红外探测器的窗口大小、采样帧频；设置完毕退出参数设置窗口；
步骤(3)、点击检测系统开始按钮，检测系统开始工作，对相同板厚、不同熔核直径的微电阻点焊接头实施热激励，检测系统采集各微电阻点焊接头随时间t变化的红外热图像，检测过程热图像实时显示在工业显示器14的系统主界面；微电阻点焊熔核直径为dp的每帧红外热图像数据以矩阵形式存储，熔核直径为dp的红外检测热图像检测结果以式储存在数据库中；
步骤(4)、将不同熔核直径的微电阻点焊接头沿直径位置剖开，通过金相试验获得熔核直径d1,d2,d3……dp；
步骤(5)、提取每帧图像矩阵的行向量中心位置的四个转折点(熔核热传递的边界)，计算转折点间距离以及转折点区间的数值总和为再计算每个点焊接头图像熔核区域总温度值
步骤(6)、当检测未知微电阻点焊接头dx时，其检测的红外热图像矩阵根据步骤(5)计算Totaldx,与数据库中不同熔核直径的Totaldp进行对比分析，以确定本次检测的微电阻点焊熔核直径dx所属质量等级。
本发明的有益效果在于：应用于常规电阻点焊质量的超声波检测方案无法应用于超薄板点焊质量的检测，而目前个别应用于焊接的红外检测装置与方法仅限于弧焊的厚板焊缝是否存在漏焊，因为厚板焊缝漏焊在工件内部热传导模型存在明显差异，且不存在定性与定量检测。超薄板在空气中热辐射快，微电阻点焊存在塑性环区域，该区域上下工件接触紧密，与熔核截面共同影响热量传递速度，对是否虚焊检测更为困难，因此微电子点焊虚焊与熔核直径大小的检测问题一直以来未得到有效解决。本发明首次实现了微电阻点焊质量的有效检测，解决了微电阻点焊接头质量因工件过薄而无法检测的问题，为锂电池行业的微电阻点焊接头质量检测提供有效的解决办法，实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的微电阻点焊接头质量检测系统的结构示意图；
图2为本发明的热激励结构关系示意图；
图3为本发明的检测过程中第一帧热图像。
图中：1、非接触式加热模块壳体；2、闪光灯电子件；3、灯丝；4、凸透镜Ⅰ；5、光学积分球；6、凸透镜Ⅱ；7、凹透镜；8、光源调理模块；9.1、微型激光瞄准器Ⅰ；9.2、微型激光瞄准器Ⅱ；10、电池；11、红外探测模块；12、PCI系统控制模块；13、数据分析模块；14、显示模块。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1所示，本发明的微电阻点焊质量检测系统，包括非接触式加热模块壳体1、闪光灯电子件2、灯丝3、凸透镜Ⅰ4、光学积分球5、凸透镜Ⅱ6、凹透镜7、光源性能调理模块壳体8、微型激光瞄准器Ⅰ9.1、微型激光瞄准器Ⅱ9.2、电池10、红外探测模块11、PCI系统控制模块12、数据分析模块13、显示模块14，所述闪光灯电子件2、灯丝3、凸透镜Ⅰ4、光学积分球5共同组成非接触式加热模块，并置于非接触式加热模块壳体1内，所述灯丝3安装在闪光灯电子件2上，凸透镜Ⅰ4置于灯丝3和光学积分球5之间，光学积分球5通过支架固定在非接触式加热模块壳体1内；光源性能调理模块壳体8与非接触式加热模块壳体1固定连接，凸透镜Ⅱ6、凹透镜7共同组成光源性能调理模块，并分别固定在光源性能调理模块壳体8内；微型激光瞄准器Ⅰ9.1与微型激光瞄准器Ⅱ9.2固定在光源性能调理模块壳体8的前面，与PCI系统控制模块12连接；在电池10上的微电阻点焊接头处于红外探测模块11的视野范围内，红外探测模块11、非接触式加热模块壳体1通过PCI系统控制模块12与数据分析模块13相连，数据分析模块13与显示模块14相连。
所述的微型激光瞄准器Ⅰ9.1与微型激光瞄准器Ⅱ9.2在PCI系统控制模块12的控制下发射低功率激光对电池10上的微电阻点焊接头进行定位瞄准，确保非接触式加热模块的加热位置瞄准点焊接头。
所述的非接触式加热模块在PCI系统控制模块12的控制下产生高功率的均匀的平行光，并根据检测的微电阻点焊板厚控制加热时间，以获取最佳检测温度；
所述光学积分球5的位置根据下列公式确定：
其中，凸透镜Ⅰ4的焦距为f0，灯丝3到凸透镜Ⅰ4的距离为l，凸透镜Ⅰ4到光学积分球5的距离为l0。
所述的光源性能调理模块根据待加热的微电阻点焊接头的面积等因素调整平行光的斑点大小与光源密度，配合加热时间获得最佳检测温度，光源加热面的半径通过下列公式确定：
其中，凸透镜Ⅱ6的焦距为f1，凹透镜7的焦距为f2，光学积分球5与凸透镜Ⅱ6之间的距离l1，凸透镜Ⅱ6与凹透镜7之间的距离为l2，凸透镜Ⅱ6的通光孔径大小为y1，加热半径y2。
所述的外探测模块11为短波探测器，非接触式加热模块的热光源照射到电池10的微电阻点焊接头上，微电阻点焊接头受到短时间加热，为避免红外探测器受到高功率强光损坏，红外探测模块11在光源照射结束后开始工作，将探测到微电阻点焊接头发出的红外光波转化为数字信号。
所述的数据分析模块13是工业主机系统，红外探测模块11获得的数字信号传送给数据分析模块13中存储；因此，反应微电阻点焊接头的温度随时间变化的多帧热图像的原始数据以矩阵形式存入数据分析模块13的数据库中，以保证检测过程的可追溯性。
所述的显示模块14为工业显示器，作为用户操作界面协助PCI系统控制模块12完成相应功能；用户操作界面包括开始按钮、停止按钮、退出按钮、参数设置按钮、历史数据查询按钮、检测过程热图像实时显示区域、局部图像放大区域。
所述的开始按钮用于启入检测状态；所述的停止按钮用于检测过程中的暂停；所述的退出按钮用于检测系统的退出。
所述的参数设置按钮打开可弹出新的对话框，设置各参数，包括红外探测仪采样率、红外探测仪窗口像素、设定红外探测仪检测对象(微电阻点焊接头)的发射率、微电阻点焊材料传热属性、工件Ⅰ厚度、工件Ⅱ厚度、环境温度等。
所述的历史数据查询按钮用于系统未处于检测状态下，查询历史检测的微电阻点焊样本的原始数据以及最终的检测分析结果。
所述的检测过程热图像实时显示区域，在检测时间结束后，该区域输出微电阻点焊接头质量的最终分析结果，即熔核质量所属质量等级，并且最终分析结果与该检测样本的原始数据对应的存入数据分析模块13的数据库中。
所述的局部图像放大区域为了便于观察熔核的局部区域而设置，当系统处于检测新样本时，该区域显示的图像为前一个检测样本熔核的局部放大区。
参见图1至图3所示，本发明的微电阻点焊质量检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)、根据微电阻点焊接头所在位置，压痕面积范围，调整l1、l2间距，确定加热面积；根据微电阻点焊接头工件调整红外检测模块探测距离，以确保获得的红外热图像清晰；
步骤(2)、打开检测系统的参数设置对话框，设置微电阻点焊接头——工件Ⅰ、工件Ⅱ的热传导系数；根据焊接材料——微电阻点焊接头的发射率设置红外探测仪的发射率；根据微电阻点焊工件Ⅰ、Ⅱ的厚度设置光源加热时间；根据微电阻点焊接头检测精度的要求，设置红外探测器的窗口大小、采样帧频等参数；设置完毕退出参数设置窗口；
步骤(3)、点击检测系统开始按钮，检测系统开始工作，对相同板厚、不同熔核直径的微电阻点焊接头实施热激励，检测系统采集各微电阻点焊接头随时间t变化的红外热图像，检测过程热图像实时显示在工业显示器14的系统主界面；微电阻点焊熔核直径为dp的每帧红外热图像数据以矩阵形式存储：
其中，m、n与红外探测窗口设置相关，为t时刻的热图像第一排第一列像素点位置的温度，为t时刻的热图像第一排第二列像素点位置的温度，以此类推，为t时刻的热图像第m排第n列像素点位置的温度。
因此，熔核直径为dp的红外检测热图像检测结果以形式储存在数据库中：
步骤(4)、将不同熔核直径的微电阻点焊接头沿直径位置剖开，通过金相试验获得熔核直径d1,d2,d3……dp；
步骤(5)、提取每帧图像矩阵的行向量中心位置的四个转折点(熔核热传递的边界)，计算转折点间距离以及转折点区间的数值总和为再计算每个点焊接头图像熔核区域总温度值
步骤(6)、当检测未知微电阻点焊接头dx时，其检测的红外热图像矩阵根据步骤(5)计算Totaldx,与数据库中不同熔核直径的Totaldp进行对比分析，以确定本次检测的微电阻点焊熔核直径dx所属质量等级。
实施例：
下面结合附图，以18650锂电池电芯的串并联电阻点焊为例，进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图3所示，微电阻点焊质量检测方法的步骤如下：
步骤(1)、根据18650锂电池尺寸参数，直径为18mm，微电阻点焊用于18650电池的正负极钢壳与母排的串并联，为全面快速检测其焊接质量，加热面积需要全面覆盖微电阻点焊接头，因此本具体实施例中调整l1、l2间距,确定其加热面积半径为10mm；根据微电阻点焊接头工件调整红外检测模块探测距离，以确保获得的红外热图像清晰。
步骤(2)、打开检测系统的参数设置对话框，设置微电阻点焊接头工件Ⅰ即18650电池钢壳板厚0.2mm、工件Ⅱ即为母排-镍片的厚度0.2mm；根据微电阻点焊接头检测面即镍在短波情况下设置发射率为0.6；根据微电阻点焊接头检测精度的要求，设置红外探测器的窗口大小68*136、采样帧频为2000帧；环境温度25℃；设置完毕退出参数设置窗口。
步骤(3)、为获得本实施例下不同微电阻点焊接头质量，调节焊接时间与焊接电流，得到不同熔核直径的微电阻点焊接头。
步骤(4)、点击检测系统开始按钮，检测系统开始工作，对不同熔核直径的微电阻点焊实施热激励，检测所有微电阻点焊接头随时间t变化的红外热图像，检测过程热图像实时显示在工业显示器14的系统主界面。微电阻点焊熔核直径为dp的每帧红外热图像数据以矩阵形式存储：
其中，m、n与红外探测窗口设置相关，为t时刻的热图像第一排第一列像素点位置的温度，为t时刻的热图像第一排第二列像素点位置的温度，以此类推，为t时刻的热图像第m排第n列像素点位置的温度。
因此，熔核直径为dp的红外检测热图像检测结果以形式储存在数据库中：
步骤(4)、将不同熔核直径的微电阻点焊接头沿直径位置剖开，通过金相试验获得熔核直径d1,d2,d3……dp。
步骤(5)、提取每帧图像矩阵的行向量中心位置的四个转折点(熔核热传递的边界)，计算转折点间距离以及转折点区间的数值总和为再计算每个点焊接头图像熔核区域总温度值
步骤(6)、当检测未知微电阻点焊接头dx时，其检测的红外热图像矩阵根据步骤(5)计算Totaldx,与数据库中不同熔核直径的Totaldp进行对比分析，以确定本次检测的微电阻点焊熔核直径dx所属质量等级。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微电阻点焊质量检测系统，其特征在于：闪光灯电子件(2)、灯丝(3)、凸透镜Ⅰ(4)、光学积分球(5)共同组成非接触式加热模块，并置于非接触式加热模块壳体(1)内，所述灯丝(3)安装在闪光灯电子件(2)上，凸透镜Ⅰ(4)置于灯丝(3)和光学积分球(5)之间，光学积分球(5)通过支架固定在非接触式加热模块壳体(1)内；光源性能调理模块壳体(8)与非接触式加热模块壳体(1)固定连接，凸透镜Ⅱ(6)、凹透镜(7)共同组成光源性能调理模块，并分别固定在光源性能调理模块壳体(8)内；微型激光瞄准器Ⅰ(9.1)与微型激光瞄准器Ⅱ(9.2)固定在光源性能调理模块壳体(8)的前面，与PCI系统控制模块(12)连接；在电池(10)上的微电阻点焊接头处于红外探测模块(11)的视野范围内，红外探测模块(11)、非接触式加热模块壳体(1)通过PCI系统控制模块(12)与数据分析模块(13)相连，数据分析模块(13)与显示模块(14)相连。
2.根据权利要求1所述的微电阻点焊质量检测系统，其特征在于：所述的微型激光瞄准器Ⅰ(9.1)与微型激光瞄准器Ⅱ(9.2)在PCI系统控制模块(12)的控制下发射低功率激光对电池(10)上的微电阻点焊接头进行定位瞄准，确保非接触式加热模块的加热位置瞄准待加热位置。
3.根据权利要求1所述的微电阻点焊质量检测系统，其特征在于：所述的非接触式加热模块在PCI系统控制模块(12)的控制下产生高功率的均匀的平行光，并根据检测的微电阻点焊板厚控制加热时间，以获取最佳检测温度；
所述光学积分球(5)的位置根据下列公式确定：
其中，凸透镜Ⅰ(4)的焦距为f0，灯丝(3)到凸透镜Ⅰ(4)的距离为l，凸透镜Ⅰ(4)到光学积分球(5)的距离为l0。
4.根据权利要求1所述的微电阻点焊质量检测系统，其特征在于：所述的光源性能调理模块根据待加热的微电阻点焊接头(10)的面积调整平行光的斑点大小与光源密度，配合加热时间获得最佳检测温度，光源加热面的半径通过下列公式确定：
其中，凸透镜Ⅱ(6)的焦距为f1，凹透镜(7)的焦距为f2，光学积分球(5)与凸透镜Ⅱ(6)之间的距离l1，凸透镜Ⅱ(6)与凹透镜(7)之间的距离为l2，凸透镜Ⅱ(6)的通光孔径大小为y1，加热半径y2。
5.根据权利要求1所述的微电阻点焊质量检测系统，其特征在于：所述的外探测模块(11)为短波探测器，非接触式加热模块的热源照射到电池(10)的微电阻点焊接头上，微电阻点焊接头受到短时间加热，为避免红外探测器受到高功率强光损坏，红外探测模块(11)在光源照射结束后开始工作，将探测到微电阻点焊接头发出的红外光波转化为数字信号。
6.根据权利要求1所述的微电阻点焊质量检测系统，其特征在于：所述的数据分析模块(13)是工业主机系统，红外探测模块(11)将获得的数字信号传送给数据分析模块(13)中存储；反应微电阻点焊接头的温度随时间变化的多帧热图像的原始数据以矩阵形式存入数据分析模块(13)的数据库中，以保证检测过程的可追溯性。
7.根据权利要求1所述的微电阻点焊质量检测系统，其特征在于：所述的显示模块(14)为工业显示器。
8.一种微电阻点焊质量检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、根据微电阻点焊接头所在位置，压痕面积范围，调整l1、l2间距，确定加热面积；根据微电阻点焊接头工件调整红外检测模块探测距离，以确保获得的红外热图像清晰；
步骤(2)、打开检测系统的参数设置对话框，设置微电阻点焊接头——工件Ⅰ、工件Ⅱ的热传导系数；根据焊接材料——微电阻点焊接头的发射率设置红外探测仪的发射率；根据微电阻点焊工件Ⅰ、Ⅱ的厚度设置光源加热时间；根据微电阻点焊接头检测精度的要求，设置红外探测器的窗口大小、采样帧频；设置完毕退出参数设置窗口；
步骤(3)、点击检测系统开始按钮，检测系统开始工作，对相同板厚、不同熔核直径的微电阻点焊接头实施热激励，检测系统采集各微电阻点焊接头随时间t变化的红外热图像，检测过程热图像实时显示在工业显示器(14)的系统主界面；微电阻点焊熔核直径为dp的每帧红外热图像数据以矩阵形式存储，熔核直径为dp的红外检测热图像检测结果以式储存在数据库中；
步骤(4)、将不同熔核直径的微电阻点焊接头沿直径位置剖开，通过金相试验获得熔核直径d1,d2,d3……dp；
步骤(5)、提取每帧图像矩阵的行向量中心位置的四个转折点(熔核热传递的边界)，计算转折点间距离以及转折点区间的数值总和为再计算每个点焊接头图像熔核区域总温度值
步骤(6)、当检测未知微电阻点焊接头dx时，其检测的红外热图像矩阵根据步骤(5)计算Totaldx,与数据库中不同熔核直径的Totaldp进行对比分析，以确定本次检测的微电阻点焊熔核直径dx所属质量等级。
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