• 分享

    更多

       

    新能源汽车电池包箱体连接技术

    2019-02-21  唯一无尘


    作者:  司福建  时红海  吴中旺  刘畅  赖兴华

    清华大学苏州汽车研究院



    新能源汽车电池包箱体的轻量化发展

    (接上期,点击标题可以阅读)



    电池包箱体连接技术


    轻量化的发展对连接技术提出了新的挑战,如何通过轻量化材料的连接技术来保证箱体的安全性能,是电池箱体轻量化过程中的一项重要课题。目前电池包箱体生产中应用到的连接技术主要包括焊接技术和机械连接技术。


    焊接是电池箱体加工过程中的主要连接工艺,电池箱生产中应用到的焊接技术包括传统熔焊、搅拌摩擦焊、冷金属过渡技术、激光焊、螺柱焊、凸焊等。电池箱体中目前涉及到的机械连接方?#25509;?#23433;装拉铆螺母和钢丝螺套两种紧固标?#25216;?#26041;式。


    传统熔焊

    箱体加工中应用到的熔焊方法有TIG和MIG焊,TIG和MIG焊作为成熟的焊接技术,在箱体上应用具有使用灵活、适用性强、生产成本低等优势,目前在箱体连接上已进行了较多的应用。TIG焊接速度低,焊缝质量好,适用于点固焊和复杂轨迹焊接,在箱体中一般应用于边框拼焊和边梁小件焊接;MIG焊接速度高,熔透能力强,在箱体中一般应用于边框底板总成内?#31354;?#22280;焊接。


    目前?#26753;?#37329;TIG/MIG焊接尚存在一些问题需要解决。

    1. 焊接缺陷的控制 ?#26753;?#37329;由于其化学成分和物理性能的特点,在进行TIG/MIG焊接时产生热裂纹倾向?#29616;兀?#19988;容易产生气孔。在实际生产和试验过程中,熔焊焊缝是箱体密封及机械失效主要发生的位置,是箱体性能薄弱?#35838;弧?#22914;何控制TIG/MIG焊接过程中裂纹、气孔等焊接缺陷的产生及检验识别,提高焊接质量,在实际生产中具有重要意义。

    2. 焊接变形的控制TIG/MIG焊接热输入较高且?#26753;?#37329;线胀系数大,导致箱体焊后变形?#29616;兀?#19981;利于箱体尺寸的控制,影响生产效率和产品合格率。针对焊接变形问题,可采取结合CAE分析优化焊接工艺、采用反变形法等方法进行控制。

    3. 焊接效率的提高 目前实际生产中TIG/MIG多采用人工焊接,生产效?#23454;停?#21171;动强度大,焊接一致?#38405;?#20197;保证。采用自动化焊接方式是发展趋势,通过机械手臂配合变位机实现电池箱体的全位置焊接,可大幅提高焊接效率和焊接质量,并降低生产成本。

    搅拌摩擦焊

    搅拌摩擦焊(F r i c t i o n s t i r welding,FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一种新?#20984;?#30456;焊接方法。搅拌摩擦焊接过程中,以搅拌针及轴肩与母材摩擦产热为热源,通过搅拌针的旋转搅拌和轴肩的轴向压力实现对软化母材的挤压和锻造,最终得到具有精细锻造组织特征的焊接接头,不同于熔焊接头的铸造组织。

    相对于传统焊接,搅拌摩擦焊具有适用范围广、接头质量高、焊接成本低、便于自动化等诸多优点。搅拌摩擦焊在铝挤型材电池箱体中已得到大规模广泛应用。由于焊接装配要求,目前焊接?#35838;?#20027;要集中在底板型材对拼焊接和边框与底板总成焊接工序。底板型材对拼焊接为对接接头形式,一般进行正反双面焊接;边框与底板总成焊接一般为锁底接头?#38382;交?#23545;接接头形式,锁底接头形式进?#26800;?#38754;焊接,对接接头形式进行正反双面焊接。

    目前搅拌摩擦焊在电池箱体上应用需要解决的问题有:

    1. 焊接应用范围有待扩大 搅拌摩擦焊可靠性优于熔焊,而由于焊接机理的限制,其不适用于边框拼焊和边梁小件焊接,而该?#35838;?#20026;气密及机械失效薄弱位置。针?#28304;?#38382;题,通过设计避免上述焊缝和通过工艺创新实现搅拌摩擦焊在上述位置的焊接应用,以提高产品的质量和可靠性。

    2. 焊接生产效率有待提高 目前电池箱体生产过程中搅拌摩擦焊焊接速度相对偏低,且对工装?#35272;敵源螅?#24037;装较复杂,造成生产效?#23454;停?#25104;本较高;底板拼焊实?#20852;?#38754;焊接,焊接过程中需进行翻面,影响焊接效率。针对生产效率问题,改进的途径有?#21644;?#36807;焊接工艺优化并结合搅拌头设计提高焊接速度,实行高速焊接;采用双机头双面对称焊接或双轴肩/多轴肩焊接方法,实现一次焊接双面成形,避免翻面;优化焊接工装设计提高自动化程度来提高生产效率。

    3. 焊接接头性能评价有待完善 目前对于接头性能评价方式偏重于静态强度评价,对于动态性能和疲劳性能评价比较欠?#20445;?#32780;这是电池箱体接头设计和焊接工艺制定的重要理论支撑。随着轻量化的发展,底板对拼焊缝支撑宽度减小,无法实现全焊?#31119;?#38656;要对接头的性能做出更完善的评价。


    激光焊

    激光焊接( L a s e r b e a m  welding,LBW)是以高能量密度的激光束作为能源的一种高效精密焊接方法,具有焊接质量高、精度高、速度快的特点,被誉为21世纪最有希望的焊接方法,也是当前发展最快、研究最多的方法之一。

    与传统焊接方法相比,激光焊具有如下特点:

    1. 高能焊接 聚焦后的功率密度可达 每平方厘米105W~108W,加热集中,完成焊接所需热输入小,因而工件焊接变形小,焊缝深宽比大。

    2. 焊接速度快 目前?#26753;?#37329;的激光焊接最大速度可达48m/min,钢的激光焊接最大速度可达60m/min,远高于传统熔焊,生产效率大幅度提高。

    3. 焊接质量好 对钢焊接焊缝强度等于或大于母材。

    4. 应用范围广 可实现不同型号、异种金属之间的焊接,尤其适用于(超)高强度钢板及?#26753;?#37329;的焊接。


    激光焊在?#26753;?#37329;焊接中存在的问题是激光反射,反射?#29616;?#24433;响了能量利用率和焊接质量。为解决激光反射问题,人们提出激光电弧复合焊接方法。激光复合焊是激光焊和MIG焊两种方法同时作用于焊接区,激光束在焊缝垂直方向输入热量,同时MIG焊在后方熔化焊丝,也向焊缝输入热量。开始焊接?#20445;?#20808;MIG焊电源形成电弧对工件加热,使工件表面挥发出大量的金属蒸气,从而使激光束的能量传输更加容易,形成挥发孔,顺利将激光的所有能量传到工件上。激光复合焊焊接过程稳定,焊接速度快,形成的熔池大,搭桥能力好,具有很好的柔性和工件的适应性(如焊?#26753;?#37329;)及经济性,有望在箱体连接方面取得大规模应用。


    冷金属过渡技术

    冷金属过渡技术(Cold metal transfer,CMT)是在MIG焊短路过渡的基础之上开发出的一种焊接技术。CMT焊接过程中,当熔滴与母材发生接触短路?#20445;?#28938;机的控制器监测到短路信号,将短路电流降到几乎为零,同时通过?#36864;?#26426;回抽焊丝实现熔滴与焊丝的分离,且熔滴在无电流状态下冷过渡,消除了传统MIG/MAG焊中通过焊丝爆断实现过渡而产生的飞溅。


    CMT技术在电池箱体加工过程中可取代传统MIG/TIG焊接进行边框拼焊和边框底板焊接部分。相较于传统MIG/TIG焊接,CMT技术热输入明显降低,可有效减小焊接变形,有利于控制产品尺寸;可实现薄板焊接,避免薄板传统MIG/TIG焊接发生焊穿而造成的密封和机械失效,热输入降低有利于控制焊接裂纹的产生,利于箱体的轻量化设计和产品质量保证;减少焊接过程中的飞溅和烟尘,改善工作环境。

    机械连接

    拉铆螺母解决了金属薄板、薄管焊接螺母易焊穿、螺纹易滑?#36182;?#38382;题,实现了薄板与其他部件的螺纹联接,紧固效率高且使用成本低。在电池箱体的生产过程中拉铆螺母主要安装于箱体边框密封面以实现箱体与上盖的机械连接,安装于箱体内腔底板上以实现模组或其他部件与箱体的连接。


    钢丝螺套用来加强铝或其他低强度机体的螺孔或修复损坏的螺孔,可加强低强度材料机体螺孔强度,改善螺纹沿旋?#32479;?#24230;方向的受力分布和提高螺钉的?#24615;?#33021;力。在电池包箱体中,钢丝螺套可用于电池模组安装孔和密封面安装孔。相对于拉铆螺?#31119;?#38050;丝螺套强度较高且易于修复,但一般安装于厚壁处,不适用于薄壁安装。


    结语

    1. 轻量化是汽车发展的重要方向,采用轻量化材料和轻量化结构设计为实现电池包箱体的轻量化的主要途径。

    2. 连接技术是电池箱制造过程中的主要工?#23637;?#31243;,异种材料连接技术是将来实现多材料轻量化箱体设计开发的关键。

    3. 新型连接工艺的开发和应用为电池箱轻量化材料和结构的应用提供了技术支撑,满足轻量化条件下实现材料连接,并为新能源汽车安全提供保障。


    作者简介