河南森源重工有限公司 陳西山 許可可 柴書杰 趙河林

通過(guò)分析新能源商用車電池包殼體采用的某型鋁合金的特性和焊接難點(diǎn)，選用TIG焊焊接方法，使用IGBT交、直流TIG弧焊電源，并設(shè)計(jì)合理的焊接工藝路線和防變形措施，使得焊接缺陷和焊接變形量顯著減小，焊接完成的電池包達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

圖1 電池包的典型結(jié)構(gòu)

前言

新能源又稱為非常規(guī)能源，是指?jìng)鹘y(tǒng)能源之外的各種能源，也指剛開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變等[1]。新能源汽車(New Energy Vehicles)是指采用非常規(guī)的車用燃料（非汽油、柴油）作為動(dòng)力來(lái)源，綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。我國(guó)的新能源汽車主要包括純電動(dòng)汽車（BE V）、混合動(dòng)力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FCEV）等。電池包是新能源汽車的核心能量源，為整車提供驅(qū)動(dòng)電能，它主要通過(guò)殼體包絡(luò)構(gòu)成電池包主體，其形狀類似于圖1所示結(jié)構(gòu)。作為電池模塊的承載體，電池包的焊接質(zhì)量對(duì)保證電池模塊的安全工作和防護(hù)起著關(guān)鍵作用。

電池包殼體焊接

鋁合金材料具有較高的比強(qiáng)度、比模量、斷裂韌度、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕穩(wěn)定性。與碳鋼能傳統(tǒng)材料相比，其密度低、無(wú)磁性，低溫下合金相穩(wěn)定，在磁場(chǎng)中比電阻小、氣密性好，易加工成型，采用鋁合金代替鋼鐵材料，結(jié)構(gòu)自重可以減輕50%以上。采用鋁合金材料作為電池包加工的原材料已經(jīng)成為了發(fā)展趨勢(shì)，因而鋁合金殼體的焊接也成為了研究熱點(diǎn)。

由于鎢極氬弧焊的焊接過(guò)程穩(wěn)定，電弧能量參數(shù)可精確控制，氬氣在高溫下不分解、不吸熱、熱導(dǎo)率小，因此，電弧的熱量損失小，電弧穩(wěn)定。焊接時(shí)，氬氣形成良好的氣體隔離層，有效阻止氧、氮等氣體侵入焊縫金屬，焊接質(zhì)量好。焊縫區(qū)無(wú)熔渣，焊接時(shí)，焊工可以清楚地看到熔池和焊縫成形過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)的焊接，得到優(yōu)良的焊縫。結(jié)合鎢極氬弧焊的特點(diǎn)和現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備條件，筆者考慮選用TIG焊焊接鋁合金電池包殼體。

1.鋁合金材料焊接難點(diǎn)

a. 鋁合金熱導(dǎo)率很大，大約為鋼的2～4倍，同時(shí)耐熱性很差，線膨脹系數(shù)大，容易產(chǎn)生焊接變形，焊接裂紋傾向也很明顯；

b. 鋁合金焊接中極易產(chǎn)生氣孔，由于在熔池中的氫不能在焊縫成型之前排出，就導(dǎo)致了焊縫中存在氣孔；

c. 鋁合金表面容易形成一層難熔的氧化膜（Al2O3），熔點(diǎn)高達(dá)2000℃以上，阻礙母材的熔化和熔合；

d. 鋁合金的焊接接頭軟化情況嚴(yán)重，焊縫強(qiáng)度系數(shù)低于母材；

e. 鋁合金材料在熔化狀態(tài)下表面張力小，很容易凹陷。

2.焊接電源

鋁合金TIG焊一般采用工頻交流電源，用純Ar或含10%He的混合氣做保護(hù)氣體，在交流正極性的半波里（鋁工件為陰極），陰極有去除氧化膜的作用，可以清除熔池表面的氧化膜；在交流負(fù)極性的半波里（鎢極為陰極），鎢極可以得到冷卻，同時(shí)可發(fā)射足夠的電子，有利于電弧穩(wěn)定。

2.1 焊接設(shè)備主要功能

焊接電源選用某品牌焊接設(shè)備控制交、直流TIG弧焊電源，如圖2所示，此電源有以下幾個(gè)功能：

a.具有交流TIG、直流TIG、MIX TIG等多種焊接模式，交流焊接電弧有柔性、硬性及混合三種電弧功能供選擇；

b.獨(dú)有的MIX TIG方式焊鋁，與普通AC TIG方式相比，提高了焊接性能，大幅度降低了電極消耗；

c.中頻脈沖和低頻脈沖兩種控制方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄板、異種金屬、不同板厚和雙面成形的高品質(zhì)焊接；

d.先進(jìn)的擺動(dòng)電抗器控制，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定交流方波輸出，有效降低了工作時(shí)的電流噪聲；

e.交流焊采用可自由調(diào)節(jié)的矩形波，輸出頻率可在70~100 HZ間切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)6000和7000系列鋁合金及鋁青銅的高質(zhì)量焊接；

f.2臺(tái)WX焊機(jī)通過(guò)協(xié)調(diào)控制可實(shí)施雙面共熔池焊接工藝，實(shí)現(xiàn)鋁的高效焊接。

2.2 焊接電源額定規(guī)格

圖2 YC-300WX焊接電源

通過(guò)調(diào)節(jié)交流輸出頻率、轉(zhuǎn)換不同的焊接模式，焊接電源可實(shí)現(xiàn)各種鋁材的焊接，滿足不同的焊接需求，其主要額定參數(shù)見(jiàn)表1。

3. 電池包殼體材料

3.1 EN AW-5052鋁合金成分

電池包殼體材料選用EN AW-5052鋁合金，其屬于Al-Mg系合金，主要合金元素為Mg，具有良好的成形加工性能、抗蝕性、焊接性。其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

3.2 EN AW-5052鋁合金工藝性能[2]

a.熱塑性好，溫度為420℃~475℃時(shí)，變形率＞80%；

b.該合金的氣焊、電弧焊、電阻焊、氬弧焊等的焊接性能良好；

c.焊縫的強(qiáng)度和塑性高，焊縫強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的90%~95%。

4. 殼體焊接

電池包殼體作為電池模塊的承載體，裝配時(shí)，其對(duì)殼體尺寸精度要求較高。但是，由于鋁合金材料本身的特性，焊接變形量較大，所以焊接時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)合理的工藝路線和工裝來(lái)減小焊接變形，使電池包殼體焊后尺寸精度達(dá)到電池包模組的裝配要求。

4.1 焊前清理

4.1.1 化學(xué)清理

使用油污清洗劑或超聲波除油，用40℃~70℃的5%~10%NaOH溶液清洗3~7min之后，用流動(dòng)清水沖洗，然后用20℃~60℃的30%HNO3溶液洗1~3min，再用流動(dòng)清水沖洗，風(fēng)干。

表1 某品牌額定參數(shù)表

表2 EN AW-5052化學(xué)成分

4.1.2 機(jī)械清理

表3 電池包焊接參數(shù)

表4 防變形措施前后變形量對(duì)比

圖3 預(yù)變形和剛性固定示意圖

如果化學(xué)清理后又被沾污時(shí)，常采用機(jī)械清理。先用油污清洗劑或超聲波除油，隨后用直徑0.15~0.2mm的不銹鋼絲刷或者使用刮刀進(jìn)行清理，直至露出金屬光澤為止。

4.2 焊接參數(shù)[3]

鋁合金本身的導(dǎo)熱系數(shù)大（約為鋼材的4倍），散熱快，在相同焊接速度下，焊接鋁合金時(shí)的熱輸入量要比焊接鋼材時(shí)的熱輸入量大2~4倍。氬氣是TIG焊時(shí)最常用的保護(hù)氣體，一般要求氬氣的純度≥99.99%。焊接速度的選擇主要根據(jù)工件厚度決定，并和焊接電流、預(yù)熱溫度等配合以保證獲得所需的熔深和熔寬。表3為電池包殼體焊接參數(shù)。

4.3 工裝準(zhǔn)備

為保證電池包裝配精度，電池包殼體焊接時(shí)，采用預(yù)變形法和剛性固定法兩種防變形措施減小焊接變形。電池包殼體箱沿上鉚接著壓鉚螺母，用來(lái)與頂蓋進(jìn)行裝配，根據(jù)壓鉚螺母間尺寸設(shè)計(jì)固定工裝，殼體焊接時(shí)，對(duì)殼體進(jìn)行預(yù)變性和剛形固定。圖3為預(yù)變形和剛性固定示意圖。

焊后檢驗(yàn)

電池包殼體焊接完成后，根據(jù)焊接過(guò)程檢驗(yàn)卡進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)上述合理焊接工藝路線的選擇以及防變形措施的應(yīng)用，鋁合金電池包殼體的焊接缺陷和焊接變形都得到明顯的改善，達(dá)到了電池包的設(shè)計(jì)要求。表4為采用防變形措施前后電池包殼體變形量的對(duì)比。