圖1 釬焊水冷板電池托盤(pán)

原標(biāo)題：超大型一體化電池托盤(pán)的攪拌摩擦焊技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用

新能源電池托盤(pán)所承裝的電池模芯方式多樣，各家電芯制造廠及整車廠的電池?zé)峁芾矸绞讲煌姵赝斜P(pán)可以集成冷卻管道，也可采用單獨(dú)的冷卻方式。

攪拌摩擦焊技術(shù)自20世紀(jì)90年代發(fā)明以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外均得到了廣泛的研究與應(yīng)用，已經(jīng)成功應(yīng)用于航空、航天、船舶、汽車、電子、電力等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷完善和創(chuàng)新，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步向新能源、醫(yī)療器械、環(huán)保設(shè)備等領(lǐng)域拓展。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車的飛速發(fā)展，新能源汽車電池托盤(pán)焊接、電機(jī)部件焊接、底部部件焊接、電控箱及其他部件焊接都在廣泛應(yīng)用攪拌摩擦焊。

攪拌摩擦焊是一種固態(tài)焊接技術(shù)，在焊接過(guò)程中，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并插入被焊接材料的接頭處，通過(guò)攪拌頭與材料之間的摩擦熱和機(jī)械作用，使材料發(fā)生塑性變形并實(shí)現(xiàn)連接。相比于傳統(tǒng)的熔化焊接方法（如弧焊、氣焊等），攪拌摩擦焊具有焊接接頭質(zhì)量好（接頭為細(xì)晶鍛造組織結(jié)構(gòu)，無(wú)氣孔、裂紋、夾渣等缺陷）、殘余應(yīng)力低、變形小、可實(shí)現(xiàn)多種接頭形式的焊接、焊接效率高、能在較厚的材料范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單焊道焊接成形、接頭強(qiáng)度高、疲勞性能好、沖擊韌性優(yōu)異、焊接成本低（無(wú)焊接材料消耗，不需要填絲和保護(hù)氣體）以及焊接操作簡(jiǎn)單便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接等特點(diǎn)。

超大型一體化電池托盤(pán)的焊道長(zhǎng)度是傳統(tǒng)型材拼接的電池托盤(pán)焊道長(zhǎng)度的3倍以上（傳統(tǒng)型材拼接的電池托盤(pán)都是在產(chǎn)品四周攪拌摩擦焊焊一圈，一體化電池托盤(pán)焊道存在于產(chǎn)品四周和中間），攪拌摩擦焊過(guò)程中攪拌頭的運(yùn)動(dòng)軌跡和焊接參數(shù)的均勻性控制難度增加。保證在整個(gè)托盤(pán)焊接區(qū)域內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)良好的焊接質(zhì)量，避免出現(xiàn)局部焊接缺陷，如未焊透、弱連接等問(wèn)題，是需要解決的重要挑戰(zhàn)。本研究針對(duì)超大型一體化壓鑄電池托盤(pán)的攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行研究，旨在為相關(guān)生產(chǎn)提供參考。

圖文結(jié)果

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的大型型材拼接電池托盤(pán)電池冷卻方式為在電池托盤(pán)本體安裝多層釬焊的水冷板（見(jiàn)圖1），但該方式成本高，整體質(zhì)量大。目前我司在制造大型一體化壓鑄電池托盤(pán)時(shí)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)為在電池托盤(pán)本體集成水冷通道（見(jiàn)圖2），再利用攪拌摩擦焊工藝把一塊單層的鋁板焊接到電池托盤(pán)本體上形成水冷通道，大幅降低了成本，減輕整體的質(zhì)量，通過(guò)鑄件本體就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的水路。

我司為某整車廠開(kāi)發(fā)的大型電池托盤(pán)見(jiàn)圖3，該產(chǎn)品尺寸為2 000 mm×1 600 mm×123 mm，最薄壁厚為3 mm，需要攪拌摩擦焊安裝兩塊A5052合金材質(zhì)，尺寸為1 750 mm×551 mm×2 mm的水冷板。攪拌摩擦焊的焊道共12條，焊接軌跡總長(zhǎng)度為21 m，焊道軌跡復(fù)雜，焊接后產(chǎn)品變形大，電池模組平面度要求0.8 mm以內(nèi)，裝配完水冷板后總質(zhì)量為60 kg。

該電池托盤(pán)的攪拌摩擦焊難點(diǎn)主要體現(xiàn)為：①攪拌摩擦焊（FSW）水冷板厚度薄（2 mm），F(xiàn)SW焊接過(guò)程需要鋁板與鑄件貼平，才能保證焊接質(zhì)量，一旦翹起變形就會(huì)導(dǎo)致焊接不良。因此焊接時(shí)需對(duì)水冷板壓緊，焊接后及時(shí)釋放壓緊，焊接設(shè)備要求邊壓緊、邊焊接、邊釋放，做到有效配合；②焊道長(zhǎng)21 m，路徑復(fù)雜，對(duì)焊接設(shè)備的軌跡精度控制要求高；③產(chǎn)品平面尺寸大、易變形，且變形量波動(dòng)幅度大，導(dǎo)致FSW焊接夾具的設(shè)計(jì)與制造難度大；④焊接強(qiáng)度≥本體性能的70%。

圖2 單層水冷電池托盤(pán)

圖3 一體化電池托盤(pán)產(chǎn)品圖

目前攪拌摩擦焊焊具根據(jù)軸肩分類，可以分為動(dòng)軸肩焊具和靜軸肩焊具。動(dòng)軸肩在焊接過(guò)程中會(huì)隨著攪拌頭一起旋轉(zhuǎn)，這使得軸肩與被焊接材料之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)摩擦生熱來(lái)促進(jìn)材料的軟化和流動(dòng)，有助于形成良好的接頭。動(dòng)軸肩能夠提供較大的摩擦熱輸入，有利于提高焊接效率和接頭質(zhì)量。其可以使接頭金屬材料充分塑化，并且在攪拌作用下，材料的混合和均勻性較好，能夠減少接頭中的缺陷。圖4為動(dòng)軸肩焊具和焊縫實(shí)物圖。

靜軸肩攪拌摩擦焊采用軸肩與攪拌針?lè)煮w式設(shè)計(jì)，在焊接過(guò)程中內(nèi)部攪拌針轉(zhuǎn)動(dòng)，而外部軸肩不轉(zhuǎn)動(dòng)，僅沿焊接方向行進(jìn)。圖5為靜軸肩焊具和焊接實(shí)物圖。由于軸肩不轉(zhuǎn)動(dòng)，表面熱輸入減小，工件厚度方向熱量分布相對(duì)較均勻；接頭摩擦熱量分布較為均勻，組織均勻性好，接頭表面光潔，飛邊量小。此外，靜軸肩能夠有效抑制接頭材料擠出，減少接頭減薄，可實(shí)現(xiàn)角接頭結(jié)構(gòu)，降低孔洞、隧道等缺陷的形成幾率，接頭性能優(yōu)良。

圖4 動(dòng)軸肩焊具和焊縫實(shí)物圖

圖5 靜軸肩焊具和焊接實(shí)物圖

針對(duì)超大型一體化電池托盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接要求，前期用了同樣的板材在兩種不同的焊具進(jìn)行測(cè)試。圖6為兩種軸肩焊具的表面粗糙度和板減量對(duì)比。各圖中間位置為攪拌摩擦焊焊道，靜軸肩焊具焊接后母材的板減料只有83.71 μm，表面也更光滑。靜軸肩焊具能夠有效抑制接頭材料擠出，減少接頭減薄，工件厚度方向熱量均勻，表面接頭光滑、無(wú)飛邊，表面減薄量小，更能滿足力學(xué)性能要求和金相要求，因此選用靜軸肩焊具。電池托盤(pán)的焊道寬度為12 mm，因此軸肩寬度設(shè)計(jì)為10 mm，水冷板的厚度為2 mm，根據(jù)攪拌摩擦焊的工藝需求，焊深推薦深度為1 mm，焊具寬度為3.2 mm，以確保在焊接過(guò)程中能夠有效地?cái)嚢璨牧希瑢?shí)現(xiàn)良好的接頭成形和接頭性能。

為了達(dá)成高質(zhì)高效的焊接成效，需全面考量各類因素，借助試驗(yàn)與模擬相互融合的途徑，來(lái)明確最為適宜的參數(shù)組合。選用焊接速度為800～1 500 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度為1 600～2 800 r/min，焊接壓力為5 300～6 000 N的多組參數(shù)組合來(lái)開(kāi)展DOE（試驗(yàn)設(shè)計(jì)）試驗(yàn)（見(jiàn)表1）。選用材質(zhì)相同的板材進(jìn)行測(cè)試，焊接完成后，對(duì)樣件實(shí)施金相和拉伸檢驗(yàn)。最終確認(rèn)焊接參數(shù)工藝窗口：旋轉(zhuǎn)速度為2 000～2 400 r/min，焊接速度為1 000～1 300 mm/min，焊接壓力為5 300～6 000 N，見(jiàn)表1方框處。

圖6 兩種軸肩焊具的表面粗糙度和板減量對(duì)比

表1 焊接參數(shù)驗(yàn)證組合和選用的焊接參數(shù)

注：×表示金相或拉伸NG；—表示未做此組；○表示質(zhì)量合格； 虛線框內(nèi)為工藝窗口。

經(jīng)過(guò)評(píng)估，選擇攪拌摩擦焊技術(shù)和鑄件本體復(fù)合水冷通道的設(shè)計(jì)，并采用雙機(jī)器人攪拌摩擦焊工作站和靜軸肩焊具的生產(chǎn)方案來(lái)制造超大型一體化電池托盤(pán)。

通過(guò)雙機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)成功制造出高質(zhì)量的超大型一體化電池托盤(pán)。焊接接頭的外觀光滑、無(wú)明顯缺陷，內(nèi)部無(wú)氣孔、裂紋等缺陷。圖7為攪拌摩擦焊斷面金相組織。攪拌摩擦焊后板減量要求≤0.4 mm，實(shí)測(cè)為0.22 mm，滿足要求（見(jiàn)圖7）；力學(xué)性能要求為≥8 225 N，拉伸樣件平均測(cè)量值為9 130 N，圖8為攪拌摩擦焊拉伸力-時(shí)間圖。可以看出，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖7 攪拌摩擦焊斷面金相組織

圖8 攪拌摩擦焊拉伸力-時(shí)間圖

雙機(jī)器人攪拌摩擦焊和靜軸肩焊具的組合大幅提高了生產(chǎn)效率。相比傳統(tǒng)的焊接方法，生產(chǎn)周期縮短了50%，滿足了企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。雖然攪拌摩擦焊設(shè)備的投資相對(duì)較高，但是由于其生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好，降低了后續(xù)的加工成本和廢品率，整體成本效益顯著提高。

結(jié)論

針對(duì)超大型一體化電池托盤(pán)攪拌摩擦焊進(jìn)行研究。選用靜軸肩焊具，通過(guò)DOE試驗(yàn)確定焊接參數(shù)工藝窗口。采用雙機(jī)器人攪拌摩擦焊工作站及相關(guān)流程，成功制造出高質(zhì)量一體化電池托盤(pán)，焊接接頭外觀好、內(nèi)部無(wú)缺陷，力學(xué)性能達(dá)標(biāo)，生產(chǎn)效率提高、成本效益顯著。攪拌摩擦焊技術(shù)在新能源汽車電池托盤(pán)制造中具有重要應(yīng)用價(jià)值，為行業(yè)提供了有效解決方案。

《超大型一體化電池托盤(pán)的攪拌摩擦焊技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用》

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本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》