CN113588799B - 用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂电池环形电极激光焊缝的柔性超声聚焦检测探头与检测方法，检测探头包括聚焦压电换能器、储水器、柔性接触端；所述储水器由主体部分、单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ和塑料塞组成；所述主体部分包括上端螺口、中部储水区、下端螺口；单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ分别装设在中部储水区外缘并与中部储水区连通；压电换能器通过螺口与所述储水器的上端螺口相连，柔性接触端通过螺口与所述储水器下端螺口相连；柔性接触端的底面粘接有柔性膜。本发明的检测探头避免了焊缝粗糙表面对声束入射的不利影响，可在焊缝中形成能量集中、耦合稳定、频率高的超声聚焦检测声束，提出的检测方法可应用于锂电池环形电极激光焊缝熔合状态的无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测装置技术领域，具体涉及一种用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头。
背景技术
随着社会经济实力的不断发展，工业领域成为了支撑我国的中坚力量。而在电池技术中，锂离子动力电池因“能量高”、“寿命长”的特点被广泛应用在日常生活中。在新能源电动汽车领域，锂离子电池更是被广泛运用。激光焊接作为新型焊接方法的一种，具有热影响区小、能量密度高、焊接速度快、加工精度高等优势，已应用于锂离子电池电极的焊接。激光焊接工作原理：激光焊接工作是应用高能脉冲激光来实现，通过激光电源对氙灯放电形成光波照射到激光晶体上，使晶体受激光辐射，再经过谐振腔之后发出脉冲激光，反射聚焦于待焊接的物体上。然而，由于铝合金对激光有较高的反射率，焊接参数波动易导致焊缝变形、内部裂纹、气孔、熔深不足、熔深过深等焊接缺陷，此因素将会严重影响锂电池的使用寿命及安全性能。
超声波无损检测技术是在不损害或影响被检测物使用性能的前提下，利用超声波在检测对象中的传播特性，评估被检测物是否存在质量缺陷或性能退化，该检测能实时反映出缺陷的大小、位置、性质和数量，从而判断被检测物的性能状态。具有检测范围广、灵敏度高、穿透能力强、检测精度高、实用性强等优势。锂电池电极激光焊缝具有焊缝表面粗糙、焊缝表面存在余高、焊缝宽度窄的特点，常规接触式超声波探头无法满足检测要求。因此，需设计专用柔性超声聚焦检测探头以提高对此类焊缝无损检测能力。具体要求为：探头频率高、探头可控主声束宽度、探头与焊缝应保持良好的声学耦合。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头。该探头可应用于实现焊缝与探头的良好声学耦合，其高频、宽度可控的发射声束可有效保障对焊缝熔合状态的无损检测。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头，其特征在于：包括聚焦压电换能器、储水器、柔性接触端；所述储水器由主体部分、单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ和塑料塞组成；所述主体部分为储水器的储水区，包括上端螺口、中部储水区、下端螺口；所述单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ分别装设在中部储水区外缘并与中部储水区连通，单向阀Ⅰ作为储水器的进水口，单向阀Ⅱ作为储水器的出水口和排气口；单向阀Ⅱ的出水口上设有塑料塞；所述压电换能器通过螺口与所述储水器的上端螺口相连，所述柔性接触端通过螺口与所述储水器下端螺口相连；所述柔性接触端的底面粘接有柔性膜。
优选的，所述聚焦压电换能器的中心频率为10 MHz，频带宽度为10 MHz，晶片尺寸为13mm，水中焦距为76 mm，下部螺口为外螺纹，螺纹外径18 mm。
优选的，所述主体部分的上端螺口为内螺纹，螺纹内径为18mm，壁厚4 mm，高度15mm；下端螺口为外螺纹，螺纹外径为18mm，壁厚2 mm，高度11.5 mm；中部储水区包括上部的圆柱形管部分和下部的圆台形空心管部分，总高度25 mm、壁厚2mm，下部圆台形空心管上下端内径分别为：22mm、14 mm，高度10 mm。
优选的，所述单向阀Ⅰ的中心轴线距离储水器上端面22.5 mm；进水口外径3 mm。
优选的，所述单向阀Ⅱ的中心轴线距离储水器上端17.5 mm；排水口外径3 mm。
优选的，所述柔性接触部件的内径为18 mm、壁厚2mm、高度为10 mm。
优选的，所述柔性接触端的柔性膜为丁腈薄膜，通过粘结剂粘接在圆环底部封闭储水器的接触端。
基于上述用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头的超声检测方法，其特征在于，其步骤包括：
（1）调整灵敏度：将此探头置于电极中的上板，调节增益使上板底面一次反射回波幅值达到满量程的80%；在此基础上再提高8dB增益作为检测灵敏度。
（2）穿过焊缝中心作两条相互垂直的检测辅助线，分别与环形焊缝中心圆周相交的4个交点作为检测点；将探头接触端中心对准4个交点进行检测，并分别提取4个检测信号。
（3）水距调整为23 mm，特征波形包括：水/电极上板界面波、电极上板底面一次反射波、电极上板底面二次反射波、电极下板底面一次反射波，且各相邻特征波形的时间间隔为0.47μs。
（4）检测特征值的提取，第i位置的检测特征值A i 表示为：
式中：A i3为第i个检测位置电极下板底面一次反射回波幅值，A i1为电极上板底面一次反射回波幅值，A i2为电极上板底面二次反射回波幅值。
（5）焊缝评定标准：每个焊缝的4个检测特征值A 1 ~A 4不小于0.7时，焊缝达标。
本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明的优点是：本发明可应用于锂电池环形电极激光焊缝超声波的无损检测，实现焊缝与探头的良好声学耦合，其高频、宽度可控的发射声束可有效保障对焊缝熔合状态的评估。
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，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施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是本发明实施例的整体结构图；
图2是本发明实施例的拆解结构图；
图3是本发明实施例储水器的背面剖视图；
图4是本发明实施例的检测方法示意图；
图5是本发明实施例的检测信号图。
附图标注：100、聚焦压电换能器，101、圆形螺口，200、储水器，201、主体部分，202、单向阀Ⅰ，203、单向阀Ⅱ，204、塑料塞，205、圆台形空心管，300、柔性接触部件，301、柔性膜，400、环形电极激光焊缝，500、电极上板，600电极下板。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明的具体实施例如图1、图2所示，一种用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头，该专用探头由3部分组成，包括：聚焦压电换能器（100）、储水器（200）、柔性接触端（300）。所述储水器（200）由主体部分（201）、单向阀Ⅰ（202）、单向阀Ⅱ（203）和塑料塞（204）组成；所述主体部分（201）为储水器的储水区，包括上端螺口、中部储水区、下端螺口；所述单向阀Ⅰ（202）、单向阀Ⅱ（203）分别装设在中部储水区外缘并与中部储水区连通，单向阀Ⅰ（202）作为储水器（200）的进水口，单向阀Ⅱ（203）作为储水器（200）的出水口和排气口；单向阀Ⅱ（203）的出水口上设有塑料塞（204）；所述压电换能器（100）通过螺口与所述储水器（200）的上端螺口相连，所述柔性接触端（300）通过螺口与所述储水器（200）的下端螺口相连；所述柔性接触端300的底面粘接有柔性膜（301），柔性膜（301）为丁腈薄膜，通过粘结剂粘接在圆环底部封闭储水器（200）的接触端。储水器（200）从单向阀Ⅰ（202）将水注入储水器（200），打开单向阀Ⅱ（203）处的塑料塞（204），排出水（气）体。直至水注满储水器（200）并且无气泡再用活塞封住单向阀Ⅱ（203）的排水（气）口。目的是排空水中的气泡，防止超声波在气泡中发生反射对检测产生干扰。继续通过单向阀Ⅰ（202）注入少量的水，此时水压使薄膜轻微的凸起，以达到更好的声耦合。至此，聚焦压电换能器发射的超声波可通过储水器（200）中的封闭水层聚焦后穿透柔性膜进入激光焊缝中，并且不会在储水器（200）中发生多次反射干扰。
图3是本发明一种用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头中储水器（200）结构的背面剖视图。储水器（200）的主体部分（201）为储水器（200）的储水区。单向阀Ⅰ（202）为单向流入主体部分（201）的进水口（图中上部被聚焦压电换能器（100）的圆形螺口（101）遮挡，用虚线示出）；单向阀Ⅰ（202）中心轴线距主体部分（201）上端距离h2=22.5 mm；单向阀Ⅰ（202）进水口外径3 mm。单向阀Ⅱ（203）中心轴线距主体部分（201）上端h3=17.5 mm；单向阀Ⅱ（203）排水（气）口外径3 mm。单向阀Ⅰ（202）设计的目的是将水单向流入并注满封闭的储水器中，水压使薄膜凸起，以达到良好的声学耦合。单向阀Ⅱ（203）设计的目的使储水器（200）中多余的水和空气能够单向排出，防止储水器中气泡的超声波反射对检测信号造成干扰。所述主体部（201）分为储水器的储水区，包括上端螺口、中部储水区、下端螺口。上端螺口内径d1=18mm，加上管壁厚度的一半后d2=22mm，高度h1=15mm。中部储水区包括上部的圆柱形管部分和下部的圆台形空心管（205）部分，总高度25mm、壁厚2mm，下部圆台形空心管（205）上下端内径分别为：22mm、14 mm，高度h4=10 mm。下端螺口为外螺纹，螺纹外径为18mm，内径d3=14mm，壁厚2 mm，高度h5=11.5 mm。聚焦压电换能器（100）的圆形螺口（101）通过主体部分（201）的上端螺口旋转连接后，延伸入中部储水区，聚焦压电换能器（100）下端面（图3中阴影部分最下边）与主体部分（201）的下端螺口之间的高度为h6=23mm。所述柔性接触部件的内径为18 mm、壁厚2mm、高度为10 mm。
图4是本发明一种用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头的检测方法示意图。本发明的专用柔性超声聚焦检测探头垂直置于锂电池环形电极激光焊缝（400）表面：穿过焊缝中心作两条相互垂直的检测辅助线，分别与环形焊缝圆周相交为4个交点作为检测位置，将探头分别置于4个检测位置上，提取4个检测信号取特征值，综合评价焊缝质量是否合格。聚焦压电换能器（100）在水中聚焦深度为76 mm，锂电池环形电极激光焊缝（400）宽4 mm。经计算，水层高度在23 mm（聚焦压电换能器底面距焊缝上表面的高度）时，聚焦压电换能器（100）发射的超声波主声束宽度为4 mm。此时与焊缝宽度同宽。因此，实现对焊缝全覆盖检测。
焊缝检测特征值的提取规定如下，第i位置的检测特征值A i 表示为：
式中：A i3为第i个检测位置电极下板（600）底面一次反射回波幅值，A i1为电极上板（500）底面一次反射回波幅值，A i2为电极上板（500）底面二次反射回波幅值。
焊缝评定标准：每个焊缝的4个检测特征值A 1 ~A 4不小于0.7时，焊缝达标。
图5是本发明用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头的检测信号。电极下板（600）的厚度为3 mm、电极上板（500）厚度1.5 mm。检测声束聚焦于焊缝，所接收到的电极下板（600）底面一次反射回波与电极上板（500）底面三次反射回波叠加，使电极下板（600）底面一次反射回波幅度高于电极上板（500）底面一、二次反射回波幅值。图5a中电极下板（600）底面一次反射回波幅值明显高于电极上板（500）底面一、二次反射回波幅值且A i =1.07；图5b中电极上板（500）底面一次、二次反射回波幅值与电极下板（600）底面一次反射回波幅值无明显差异且A i =0.47。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。
Claims (1)
1.用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头的超声检测方法，其特征在于，其步骤包括：
(1)调整灵敏度：将此探头置于电极中的上板，调节增益使上板底面一次反射回波幅值达到满量程的80％；在此基础上再提高8dB增益作为检测灵敏度；
(2)穿过焊缝中心作两条相互垂直的检测辅助线，分别与环形焊缝中心圆周相交的4个交点作为检测点；将探头接触端中心对准4个交点进行检测，并分别提取4个检测信号；
(3)水距调整为23mm，特征波形包括：水与电极上板间的界面波、电极上板底面一次反射波、电极上板底面二次反射波、电极下板底面一次反射波，且各相邻特征波形的时间间隔为0.47μs；
(4)检测特征值的提取，第i位置的检测特征值Ai表示为：
式中：Ai3为第i个检测位置电极下板底面一次反射回波幅值，Ai1为电极上板底面一次反射回波幅值，Ai2为电极上板底面二次反射回波幅值；
(5)焊缝评定标准：每个焊缝的4个检测特征值A1～A4不小于0.7时，焊缝达标；
其中，用于锂电池环形电极激光焊缝超声波无损检测的柔性超声聚焦检测探头，包括聚焦压电换能器、储水器、柔性接触端；所述储水器由主体部分、单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ和塑料塞组成；所述主体部分为储水器的储水区，包括上端螺口、中部储水区、下端螺口；所述单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ分别装设在中部储水区外缘并与中部储水区连通，单向阀Ⅰ作为储水器的进水口，单向阀Ⅱ作为储水器的出水口和排气口；单向阀Ⅱ的出水口上设有塑料塞；所述压电换能器通过螺口与所述储水器的上端螺口相连，所述柔性接触端通过螺口与所述储水器下端螺口相连；所述柔性接触端的底面粘接有柔性膜；
所述聚焦压电换能器的中心频率为10MHz，频带宽度为10MHz，晶片尺寸为13mm，水中焦距为76mm，下部螺口为外螺纹，螺纹外径18mm；
所述主体部分的上端螺口为内螺纹，螺纹内径为18mm，壁厚4mm，高度15mm；下端螺口为外螺纹，螺纹外径为18mm，壁厚2mm，高度11.5mm；中部储水区包括上部的圆柱形管部分和下部的圆台形空心管部分，总高度25mm、壁厚2mm，下部圆台形空心管上下端内径分别为：22mm、14mm，高度10mm；
所述单向阀Ⅰ的中心轴线距离储水器上端面22.5mm；进水口外径3mm；
所述单向阀Ⅱ的中心轴线距离储水器上端17.5mm；排水口外径3mm；
所述柔性接触端的内径为18mm、壁厚2mm、高度为10mm；
所述柔性接触端的柔性膜为丁腈薄膜，通过粘结剂粘接在圆环底部封闭储水器的接触端。
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