作者：  司福建  時紅海  吳中旺  劉暢  賴興華

清華大學(xué)蘇州汽車研究院

新能源汽車電池包箱體的輕量化發(fā)展

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電池包箱體連接技術(shù)

輕量化的發(fā)展對連接技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，如何通過輕量化材料的連接技術(shù)來保證箱體的安全性能，是電池箱體輕量化過程中的一項重要課題。目前電池包箱體生產(chǎn)中應(yīng)用到的連接技術(shù)主要包括焊接技術(shù)和機械連接技術(shù)。

焊接是電池箱體加工過程中的主要連接工藝，電池箱生產(chǎn)中應(yīng)用到的焊接技術(shù)包括傳統(tǒng)熔焊、攪拌摩擦焊、冷金屬過渡技術(shù)、激光焊、螺柱焊、凸焊等。電池箱體中目前涉及到的機械連接方式有安裝拉鉚螺母和鋼絲螺套兩種緊固標(biāo)準(zhǔn)件方式。

傳統(tǒng)熔焊

箱體加工中應(yīng)用到的熔焊方法有TIG和MIG焊，TIG和MIG焊作為成熟的焊接技術(shù)，在箱體上應(yīng)用具有使用靈活、適用性強、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，目前在箱體連接上已進(jìn)行了較多的應(yīng)用。TIG焊接速度低，焊縫質(zhì)量好，適用于點固焊和復(fù)雜軌跡焊接，在箱體中一般應(yīng)用于邊框拼焊和邊梁小件焊接；MIG焊接速度高，熔透能力強，在箱體中一般應(yīng)用于邊框底板總成內(nèi)部整圈焊接。

目前鋁合金TIG/MIG焊接尚存在一些問題需要解決。

1. 焊接缺陷的控制 鋁合金由于其化學(xué)成分和物理性能的特點，在進(jìn)行TIG/MIG焊接時產(chǎn)生熱裂紋傾向嚴(yán)重，且容易產(chǎn)生氣孔。在實際生產(chǎn)和試驗過程中，熔焊焊縫是箱體密封及機械失效主要發(fā)生的位置，是箱體性能薄弱部位。如何控制TIG/MIG焊接過程中裂紋、氣孔等焊接缺陷的產(chǎn)生及檢驗識別，提高焊接質(zhì)量，在實際生產(chǎn)中具有重要意義。

2. 焊接變形的控制TIG/MIG焊接熱輸入較高且鋁合金線脹系數(shù)大，導(dǎo)致箱體焊后變形嚴(yán)重，不利于箱體尺寸的控制，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。針對焊接變形問題，可采取結(jié)合CAE分析優(yōu)化焊接工藝、采用反變形法等方法進(jìn)行控制。

3. 焊接效率的提高 目前實際生產(chǎn)中TIG/MIG多采用人工焊接，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，焊接一致性難以保證。采用自動化焊接方式是發(fā)展趨勢，通過機械手臂配合變位機實現(xiàn)電池箱體的全位置焊接，可大幅提高焊接效率和焊接質(zhì)量，并降低生產(chǎn)成本。

攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（F r i c t i o n s t i r welding，F(xiàn)SW）是英國焊接研究所（TWI）于1991年發(fā)明的一種新型固相焊接方法。攪拌摩擦焊接過程中，以攪拌針及軸肩與母材摩擦產(chǎn)熱為熱源，通過攪拌針的旋轉(zhuǎn)攪拌和軸肩的軸向壓力實現(xiàn)對軟化母材的擠壓和鍛造，最終得到具有精細(xì)鍛造組織特征的焊接接頭，不同于熔焊接頭的鑄造組織。

相對于傳統(tǒng)焊接，攪拌摩擦焊具有適用范圍廣、接頭質(zhì)量高、焊接成本低、便于自動化等諸多優(yōu)點。攪拌摩擦焊在鋁擠型材電池箱體中已得到大規(guī)模廣泛應(yīng)用。由于焊接裝配要求，目前焊接部位主要集中在底板型材對拼焊接和邊框與底板總成焊接工序。底板型材對拼焊接為對接接頭形式，一般進(jìn)行正反雙面焊接；邊框與底板總成焊接一般為鎖底接頭形式或?qū)咏宇^形式，鎖底接頭形式進(jìn)行單面焊接，對接接頭形式進(jìn)行正反雙面焊接。

目前攪拌摩擦焊在電池箱體上應(yīng)用需要解決的問題有：

1. 焊接應(yīng)用范圍有待擴大 攪拌摩擦焊可靠性優(yōu)于熔焊，而由于焊接機理的限制，其不適用于邊框拼焊和邊梁小件焊接，而該部位為氣密及機械失效薄弱位置。針對此問題，通過設(shè)計避免上述焊縫和通過工藝創(chuàng)新實現(xiàn)攪拌摩擦焊在上述位置的焊接應(yīng)用，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

2. 焊接生產(chǎn)效率有待提高 目前電池箱體生產(chǎn)過程中攪拌摩擦焊焊接速度相對偏低，且對工裝依賴性大，工裝較復(fù)雜，造成生產(chǎn)效率低，成本較高；底板拼焊實行雙面焊接，焊接過程中需進(jìn)行翻面，影響焊接效率。針對生產(chǎn)效率問題，改進(jìn)的途徑有：通過焊接工藝優(yōu)化并結(jié)合攪拌頭設(shè)計提高焊接速度，實行高速焊接；采用雙機頭雙面對稱焊接或雙軸肩/多軸肩焊接方法，實現(xiàn)一次焊接雙面成形，避免翻面；優(yōu)化焊接工裝設(shè)計提高自動化程度來提高生產(chǎn)效率。

3. 焊接接頭性能評價有待完善 目前對于接頭性能評價方式偏重于靜態(tài)強度評價，對于動態(tài)性能和疲勞性能評價比較欠缺，而這是電池箱體接頭設(shè)計和焊接工藝制定的重要理論支撐。隨著輕量化的發(fā)展，底板對拼焊縫支撐寬度減小，無法實現(xiàn)全焊透，需要對接頭的性能做出更完善的評價。

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為能源的一種高效精密焊接方法，具有焊接質(zhì)量高、精度高、速度快的特點，被譽為21世紀(jì)最有希望的焊接方法，也是當(dāng)前發(fā)展最快、研究最多的方法之一。

與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊具有如下特點：

1. 高能焊接 聚焦后的功率密度可達(dá) 每平方厘米105W～108W，加熱集中，完成焊接所需熱輸入小，因而工件焊接變形小，焊縫深寬比大。

2. 焊接速度快 目前鋁合金的激光焊接最大速度可達(dá)48m/min，鋼的激光焊接最大速度可達(dá)60m/min，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熔焊，生產(chǎn)效率大幅度提高。

3. 焊接質(zhì)量好 對鋼焊接焊縫強度等于或大于母材。

4. 應(yīng)用范圍廣 可實現(xiàn)不同型號、異種金屬之間的焊接，尤其適用于（超）高強度鋼板及鋁合金的焊接。

激光焊在鋁合金焊接中存在的問題是激光反射，反射嚴(yán)重影響了能量利用率和焊接質(zhì)量。為解決激光反射問題，人們提出激光電弧復(fù)合焊接方法。激光復(fù)合焊是激光焊和MIG焊兩種方法同時作用于焊接區(qū)，激光束在焊縫垂直方向輸入熱量，同時MIG焊在后方熔化焊絲，也向焊縫輸入熱量。開始焊接時，先MIG焊電源形成電弧對工件加熱，使工件表面揮發(fā)出大量的金屬蒸氣，從而使激光束的能量傳輸更加容易，形成揮發(fā)孔，順利將激光的所有能量傳到工件上。激光復(fù)合焊焊接過程穩(wěn)定，焊接速度快，形成的熔池大，搭橋能力好，具有很好的柔性和工件的適應(yīng)性（如焊鋁合金）及經(jīng)濟(jì)性，有望在箱體連接方面取得大規(guī)模應(yīng)用。

冷金屬過渡技術(shù)

冷金屬過渡技術(shù)（Cold metal transfer，CMT）是在MIG焊短路過渡的基礎(chǔ)之上開發(fā)出的一種焊接技術(shù)。CMT焊接過程中，當(dāng)熔滴與母材發(fā)生接觸短路時，焊機的控制器監(jiān)測到短路信號，將短路電流降到幾乎為零，同時通過送絲機回抽焊絲實現(xiàn)熔滴與焊絲的分離，且熔滴在無電流狀態(tài)下冷過渡，消除了傳統(tǒng)MIG/MAG焊中通過焊絲爆斷實現(xiàn)過渡而產(chǎn)生的飛濺。

CMT技術(shù)在電池箱體加工過程中可取代傳統(tǒng)MIG/TIG焊接進(jìn)行邊框拼焊和邊框底板焊接部分。相較于傳統(tǒng)MIG/TIG焊接，CMT技術(shù)熱輸入明顯降低，可有效減小焊接變形，有利于控制產(chǎn)品尺寸；可實現(xiàn)薄板焊接，避免薄板傳統(tǒng)MIG/TIG焊接發(fā)生焊穿而造成的密封和機械失效，熱輸入降低有利于控制焊接裂紋的產(chǎn)生，利于箱體的輕量化設(shè)計和產(chǎn)品質(zhì)量保證；減少焊接過程中的飛濺和煙塵，改善工作環(huán)境。

機械連接

拉鉚螺母解決了金屬薄板、薄管焊接螺母易焊穿、螺紋易滑牙等問題，實現(xiàn)了薄板與其他部件的螺紋聯(lián)接，緊固效率高且使用成本低。在電池箱體的生產(chǎn)過程中拉鉚螺母主要安裝于箱體邊框密封面以實現(xiàn)箱體與上蓋的機械連接，安裝于箱體內(nèi)腔底板上以實現(xiàn)模組或其他部件與箱體的連接。

鋼絲螺套用來加強鋁或其他低強度機體的螺孔或修復(fù)損壞的螺孔，可加強低強度材料機體螺孔強度，改善螺紋沿旋和長度方向的受力分布和提高螺釘?shù)某休d能力。在電池包箱體中，鋼絲螺套可用于電池模組安裝孔和密封面安裝孔。相對于拉鉚螺母，鋼絲螺套強度較高且易于修復(fù)，但一般安裝于厚壁處，不適用于薄壁安裝。

結(jié)語

1. 輕量化是汽車發(fā)展的重要方向，采用輕量化材料和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計為實現(xiàn)電池包箱體的輕量化的主要途徑。

2. 連接技術(shù)是電池箱制造過程中的主要工藝過程，異種材料連接技術(shù)是將來實現(xiàn)多材料輕量化箱體設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵。

3. 新型連接工藝的開發(fā)和應(yīng)用為電池箱輕量化材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，滿足輕量化條件下實現(xiàn)材料連接，并為新能源汽車安全提供保障。