新能源汽車電池包關(guān)鍵連接技術(shù)

1、新能源汽車電池包關(guān)鍵連接技術(shù)1 序言近年來，受益于國(guó)家優(yōu)惠政策，新能源汽車行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，其銷量 也在逐年遞增。為了適應(yīng)并擴(kuò)大市場(chǎng)需求，解決里程焦慮”的問題，新能源汽車正不斷地追求著輕量化。電池包作為新能源汽車開發(fā)中十分重要的部件，其趨同的技術(shù)與生產(chǎn)水平備受人們的關(guān)注1。目前，行業(yè)內(nèi)普遍使用的電池包箱體有： 鋁型材電池包箱體、 鑄鋁電池包箱體和鈑金電池包 箱體等。鈑金電池包箱體安全性、可靠性高，多數(shù)使用在公共交通工具上， 如公交車。對(duì)于小型轎車而言，多數(shù)使用的是鋁制電池包箱體。鋁制電池包箱體承載結(jié)構(gòu)主要分為兩種：底板承載式結(jié)構(gòu)和框架承載式結(jié)構(gòu)。大眾公司在研究中發(fā)現(xiàn)框架承載式結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)輕

2、量化以及滿足不 同結(jié)構(gòu)下的強(qiáng)度要求，并將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于奧迪A6EV車型上2。依據(jù)承載結(jié)構(gòu)的不同，其對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝流程、方法也存在一定的差別。本文針對(duì)電池包箱體制造的關(guān)鍵連接技術(shù)：鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、攪拌摩擦焊、激光焊以及新興的螺栓自擰緊技術(shù)（FDS ）和膠接技術(shù)等分別進(jìn)行介紹。2傳統(tǒng)熔化焊2.1交流鎢極氬弧焊鎢極氬弧焊（TIG焊）屬于非熔化極惰性氣體保護(hù)焊的一種，是在惰性氣體的保護(hù)下，利用鎢極與焊件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可以不加焊絲），從而形成優(yōu)質(zhì)焊縫的焊接方法3。交流TIG焊在焊接時(shí)具有電弧與熔池的可見性好、操作簡(jiǎn)單、焊縫外觀無焊灰及不需清潔等優(yōu)點(diǎn)， 并且具有清理氧化膜

3、的作用，因此非常適合鋁制電池包箱體的焊接。此外,對(duì)于空間狹小的短焊縫焊接以及密封性要求高的焊縫也尤為合適。例如， 比亞迪和吉利旗下多款混動(dòng)車型的電池包箱體，在生產(chǎn)制造過程中均大量采用交流TIG焊，實(shí)現(xiàn)殼體的連接，保證工件氣密性，其TIG焊縫約占箱體總焊縫量的80%。某車型電池包下箱體焊縫如圖1所示，箱體結(jié)構(gòu)緊湊，型材剛度大，可以選擇交流TIG焊。然而，隨著箱體結(jié)構(gòu)的演變，箱體尺寸在變大、型材結(jié)構(gòu)在變薄、 焊接結(jié)構(gòu)在優(yōu)化以及焊后尺寸精度要求在提高，因此交流 TIG焊的優(yōu)勢(shì)并不凸顯。相反，其缺點(diǎn)：焊接速度慢、焊接熱輸入大、焊后變形大、不易控制等，限制了箱體的高效生產(chǎn)。 因此，熱輸入小、變形小、工作

4、效率高的熔化極氣體保護(hù)焊開始漸漸取代TIG 焊。圖1某車型電池包下箱體焊縫2.2CMT 焊CMT( Cold Metal Transfer )是一種全新的 MIG/MAG 焊接工藝，它是利用一個(gè)較大的脈沖電流使得焊絲順利起弧，并在焊絲端部熔化長(zhǎng)大，在熔滴即將發(fā)生脫落的時(shí)刻，電流急劇衰減至幾乎為零，利用熔滴與熔池的表面張力、熔滴自身重力和焊絲的機(jī)械回抽作用，實(shí)現(xiàn)熔滴的完美過渡， 從而形成連續(xù)的焊縫4。相比傳統(tǒng)MIG焊，CMT技術(shù)具有熱輸入小、 無飛濺、電弧穩(wěn)定以及焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，可用于多種材料的焊接，在鋁 制電池托盤的生產(chǎn)制造中占據(jù)著舉足輕重的地位。例如，比亞迪、北汽旗 下多款車型所使用的電池

5、包下箱體結(jié)構(gòu)，多采用CMT焊接技術(shù)，其焊縫 約占箱體焊縫的70%。箱體簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖2所示，邊框與底板(采用間斷CMT焊接工藝，只有焊或整圈滿焊）以及橫梁與底板之間的焊接均采用底板背部為攪拌摩擦焊。多數(shù)電池包箱體供應(yīng)商在生產(chǎn)制造過程中，為了保證焊接質(zhì)量（見圖 3），引用機(jī)器手自動(dòng)化焊接取代人工焊接，提高了 生產(chǎn)效率，保證了焊縫的一致性及工件精度。圖2電池包下箱體熔化焊簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖3鋁制電池包箱體 CMT焊縫雖然隨著自動(dòng)化程度的提高，MIG焊在電池包箱體焊接中占據(jù)的比重越來越高，但是其仍難擺脫鋁合金傳統(tǒng)熔化焊的焊接問題，如熱輸入大引起的變形、氣孔、焊接接頭系數(shù)低等。因此，高效綠色、焊接質(zhì)量更高的攪

6、拌摩擦焊技術(shù)走進(jìn)了人們的視野。3 攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊（FSW ）是英國(guó)劍橋焊接研究所發(fā)明的一種固相連接技術(shù)。與傳統(tǒng)熔化焊焊接原理不同，F(xiàn)SW是以旋轉(zhuǎn)的攪拌針以及軸肩與母材摩擦產(chǎn)生的熱為熱源，通過攪拌針的旋轉(zhuǎn)攪拌和軸肩的軸向力實(shí)現(xiàn)對(duì)母材的塑化流動(dòng)，最終得到區(qū)別于熔化焊鑄造組織的精細(xì)鍛造組織的焊接接頭。FSW具有焊接變形小、無裂紋及氣孔等缺陷，且焊接接頭強(qiáng)度高、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電池包箱體焊接領(lǐng)域。例如，吉利、小鵬 旗下多款車型的電池包箱體均采用雙面攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)。其簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖4所示，此結(jié)構(gòu)主體部分使用 FSW，只有邊梁以及小件等少量焊縫采用熔化焊，提高了生產(chǎn)效率以及箱體的整體安全性

7、能。常規(guī)的單軸肩FSW后會(huì)產(chǎn)生飛邊，增加了焊縫打磨的工作量（見圖5）。為了減少甚至解決飛邊問題，催生了恒壓力 FSW、靜止軸肩FSW等技術(shù)。圖4電池包箱體FSW簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖5鋁制電池包箱體 FSW焊縫常規(guī)電池包箱體生產(chǎn)工藝流程為邊框與底板的獨(dú)立焊接，之后進(jìn)行組裝焊接。單獨(dú)的底板模塊進(jìn)行單軸肩FSW，其焊接作業(yè)效率低，底板變形調(diào)控較難。目前，國(guó)內(nèi)外均開始研究該結(jié)構(gòu)的雙機(jī)頭焊接（見圖6），通過雙面同時(shí)焊接，降低底板變形量，同時(shí)縮短單工序作業(yè)時(shí)間。圖7所示為雙機(jī)頭FSW焊接打樣產(chǎn)品，其整體平面度控制在2mm以內(nèi)。圖6雙機(jī)頭FSW模擬圖7 雙機(jī)頭FSW焊接產(chǎn)品4 激光焊激光焊是屬于高能束焊的一種，是利用

8、能量密度極高的激光束照射在待焊 材料表面，使材料熔化并形成可靠的連接接頭6。隨著激光技術(shù)的成熟,激光焊接在車身制造中被廣泛應(yīng)用（見圖8），主要用于汽車車門、前后蓋、頂蓋、流水槽和側(cè)圍外板等零部件的焊接7，8。在新能源汽車電池包領(lǐng)域，激光焊也有應(yīng)用實(shí)例，如2018年上海凌云科技股份有限公司為大眾汽車制造的一款電池包，已經(jīng)順利交付生產(chǎn)。但是，由于激光焊設(shè)備前期投資成本高、回報(bào)周期長(zhǎng)，以及鋁合金激光焊接困難等原因，激光焊并沒有得到廣泛應(yīng)用。圖8激光焊接鋁合金焊縫其他焊接工藝隨著新能源汽車電池包箱體結(jié)構(gòu)的演變，其相應(yīng)的生產(chǎn)制造技術(shù)也在不斷地更新。為了緩解焊接變形對(duì)箱體尺寸精度的影響，出現(xiàn)了螺栓自擰緊技

9、術(shù)（FDS）和膠接技術(shù)等，其中比較出名的企業(yè)有德國(guó)WEBER公司和美國(guó)3M公司。5.1螺栓自擰緊技術(shù)（FDS）FDS連接技術(shù)是一種通過設(shè)備中心擰緊軸將電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)傳導(dǎo)至待連接板料摩擦生熱產(chǎn)生塑性形變后，自攻螺絲并螺栓連接的冷成形工藝9，如圖9所示。通常配合機(jī)器人使用，自動(dòng)化程度高。在新能源電池包制造領(lǐng)域，該工藝主要應(yīng)用于框架式結(jié)構(gòu)箱體，配合膠接工藝，在保證足 夠連接強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)箱體的密封性能。例如，蔚來某款車型的電池包箱體就采用了 FDS技術(shù)，并已經(jīng)量化生產(chǎn)。雖然FDS技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但是也有其缺點(diǎn)：設(shè)備成本高、焊后凸起以及螺釘造價(jià)昂貴等，另外使用工況 也限制了自身的應(yīng)用。圖9FDS技術(shù)連接效果5.2膠接技術(shù)膠接技術(shù)是一種利用膠粘劑在連接面上產(chǎn)生