Utilization of laser welding light back reflection for quality monitoring in serial production

Abstract

In battery manufacturing, laser welding is important part of the process to join components together. Insufficient seam quality can cause safety risks for end user and malfunctioning of the whole battery system. In serial production, reducing cost per product is key to achieving better profitability and improving operational efficiency.

In previous research, photodiode-based monitoring system has been studied to evaluate welding quality. These studies have been performed in laboratory circumstances and behaviour in actual production environment is yet to be studied. In this thesis, photodiode-based laser welding quality inspection system is integrated to high-volume battery module manufacturing line. System selected is Plasmo processobserver from company nLIGHT Plasmo GmbH. Research focuses on understanding how different defects change measured signal and how algorithms can be parametrized to achieve automated inspection system that can work reliably to ensure needed quality specifications.

Research methods used are literature review of previous studies and quantitative analysis of the test results in commissioning phase. Series of tests are performed to understand their relationships to measured signals and to see if they are aligned with findings from previous studies. Defects found from serial production are also presented and compared to results from the controlled tests.

In the end, comprehensive understanding of the relationships between process quality and measured signals was achieved. Different defect types were studied, parametrization was successfully performed, and reliable automated system was achieved. Process instability that cannot be noticed with normal inspection method was found and improvement idea was presented.

Laserhitsaus on tärkeä prosessi akkumoduulien valmistuksessa. Huono sauman laatu voi aiheuttaa turvallisuusriskejä loppukäyttäjälle ja vaarantaa koko akkujärjestelmän toimivuuden. Sarjatuotannossa tuotekohtaisten kustannusten alentaminen on avainasemassa paremman kannattavuuden ja toiminnan tehokkuuden parantamiseksi.

Aikaisemmissa tutkimuksissa fotodiodipohjaista mittausjärjestelmää on tutkittu hitsauksen laadun arvioimiseksi. Nämä tutkimukset on kuitenkin tehty laboratorio-olosuhteissa, ja järjestelmän käyttäytymistä oikeissa tuotanto-olosuhteissa ei ole tutkittu. Tässä diplomityössä, fotodiodipohjainen laadunvalvontajärjestelmä integroidaan korkean volyymin akkumoduulisarjatuotantolinjaan. Järjestelmäksi valittiin nLIGHT Plasmo GmbH:n Plasmo processobserver. Tutkimuksen tavoitteena on ymmärtää, miten eri hitsausvirheet vaikuttavat takaisinheijastumaan ja miten eri algoritmit voidaan parametroida niin, että järjestelmä kykenee luotettavasti arvioimaan ja valvomaan prosessia.

Tutkimusmenetelminä käytetään kirjallisuuskatsausta, jossa perehdytään edellisiin tutkimuksiin ja kvantitatiivista analyysia testien tuloksille käyttöönottovaiheessa. Erilaisia testejä suoritetaan ja pyritään ymmärtämään kuinka mittaustulokset reagoivat prosessimuutoksiin ja ovatko ne yhtenevät edellisten tutkimuksien kanssa. Lisäksi sarjatuotannosta löytyviä hitsausvirheitä verrataan testien tuloksiin.

Tutkimustulosten perusteella saavutettiin kattava ymmärrys hitsausvirheiden vaikutuksesta laserhitsausvalon takaisinheijastumaan. Erilaisia hitsausvirheitä tutkittiin ja saatiin onnistuneesti parametroitua ja saavutettiin luotettava automaattinen tarkastusjärjestelmä. Hitsausprosessista paljastui ennen huomaamaton epävakaus ja parannusidea esitettiin.