圖1 釬焊水冷板電池托盤

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

新能源電池托盤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熱管理方式不同，電池托盤可以集成冷卻管道，也可采用單獨的冷卻方式。

攪拌摩擦焊技術(shù)自20世紀90年代發(fā)明以來，在國內(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，隨著國內(nèi)新能源汽車的飛速發(fā)展，新能源汽車電池托盤焊接、電機部件焊接、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)，在焊接過程中，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并插入被焊接材料的接頭處，通過攪拌頭與材料之間的摩擦熱和機械作用，使材料發(fā)生塑性變形并實現(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（接頭為細晶鍛造組織結(jié)構(gòu)，無氣孔、裂紋、夾渣等缺陷）、殘余應(yīng)力低、變形小、可實現(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)實現(xiàn)單焊道焊接成形、接頭強度高、疲勞性能好、沖擊韌性優(yōu)異、焊接成本低（無焊接材料消耗，不需要填絲和保護氣體）以及焊接操作簡單便于實現(xiàn)自動化焊接等特點。

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

圖文結(jié)果

目前市場上常見的大型型材拼接電池托盤電池冷卻方式為在電池托盤本體安裝多層釬焊的水冷板（見圖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時，創(chuàng)新設(shè)計為在電池托盤本體集成水冷通道（見圖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，通過鑄件本體就可以實現(xiàn)復雜的水路。

我司為某整車廠開發(fā)的大型電池托盤見圖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，焊接軌跡總長度為21 m，焊道軌跡復雜，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。

該電池托盤的攪拌摩擦焊難點主要體現(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，一旦翹起變形就會導致焊接不良。因此焊接時需對水冷板壓緊，焊接后及時釋放壓緊，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21 m，路徑復雜，對焊接設(shè)備的軌跡精度控制要求高；③產(chǎn)品平面尺寸大、易變形，且變形量波動幅度大，導致FSW焊接夾具的設(shè)計與制造難度大；④焊接強度≥本體性能的70%。

圖2 單層水冷電池托盤

圖3 一體化電池托盤產(chǎn)品圖

目前攪拌摩擦焊焊具根據(jù)軸肩分類，可以分為動軸肩焊具和靜軸肩焊具。動軸肩在焊接過程中會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)生相對運動，通過摩擦生熱來促進材料的軟化和流動，有助于形成良好的接頭。動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為動軸肩焊具和焊縫實物圖。

靜軸肩攪拌摩擦焊采用軸肩與攪拌針分體式設(shè)計，在焊接過程中內(nèi)部攪拌針轉(zhuǎn)動，而外部軸肩不轉(zhuǎn)動，僅沿焊接方向行進。圖5為靜軸肩焊具和焊接實物圖。由于軸肩不轉(zhuǎn)動，表面熱輸入減小，工件厚度方向熱量分布相對較均勻；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 動軸肩焊具和焊縫實物圖

圖5 靜軸肩焊具和焊接實物圖

針對超大型一體化電池托盤的結(jié)構(gòu)特點和焊接要求，前期用了同樣的板材在兩種不同的焊具進行測試。圖6為兩種軸肩焊具的表面粗糙度和板減量對比。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、無飛邊，表面減薄量小，更能滿足力學性能要求和金相要求，因此選用靜軸肩焊具。電池托盤的焊道寬度為12 mm，因此軸肩寬度設(shè)計為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，以確保在焊接過程中能夠有效地攪拌材料，實現(xiàn)良好的接頭成形和接頭性能。

為了達成高質(zhì)高效的焊接成效，需全面考量各類因素，借助試驗與模擬相互融合的途徑，來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)組合來開展DOE（試驗設(shè)計）試驗（見表1）。選用材質(zhì)相同的板材進行測試，焊接完成后，對樣件實施金相和拉伸檢驗。最終確認焊接參數(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，見表1方框處。

圖6 兩種軸肩焊具的表面粗糙度和板減量對比

表1 焊接參數(shù)驗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)過評估，選擇攪拌摩擦焊技術(shù)和鑄件本體復合水冷通道的設(shè)計，并采用雙機器人攪拌摩擦焊工作站和靜軸肩焊具的生產(chǎn)方案來制造超大型一體化電池托盤。

通過雙機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。焊接接頭的外觀光滑、無明顯缺陷，內(nèi)部無氣孔、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，實測為0.22 mm，滿足要求（見圖7）；力學性能要求為≥8 225 N，拉伸樣件平均測量值為9 130 N，圖8為攪拌摩擦焊拉伸力-時間圖。可以看出，達到設(shè)計要求。

圖7 攪拌摩擦焊斷面金相組織

圖8 攪拌摩擦焊拉伸力-時間圖

雙機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

針對超大型一體化電池托盤攪拌摩擦焊進行研究。選用靜軸肩焊具，通過DOE試驗確定焊接參數(shù)工藝窗口。采用雙機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，焊接接頭外觀好、內(nèi)部無缺陷，力學性能達標，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制造中具有重要應(yīng)用價值，為行業(yè)提供了有效解決方案。

《超大型一體化電池托盤的攪拌摩擦焊技術(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》