胡大武，張桂源，曹鵬程，顧偉，徐紅勇，張陽(yáng)陽(yáng)，洪曉祥，吉華

航天工程裝備（蘇州）有限公司 江蘇蘇州 215100

1 序言

近年來(lái)，受益于國(guó)家優(yōu)惠政策，新能源汽車(chē)行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，其銷(xiāo)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(wèn)題，新能源汽車(chē)正不斷地追求著輕量化。電池包作為新能源汽車(chē)開(kāi)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(chē)。對(duì)于小型轎車(chē)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)輕量化以及滿(mǎn)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(chē)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(jiàn)性好、操作簡(jiǎn)單、焊縫外觀(guān)無(wú)焊灰及不需清潔等優(yōu)點(diǎn)，并且具有清理氧化膜的作用，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(chē)型的電池包箱體，在生產(chǎn)制造過(guò)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(chē)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、工作效率高的熔化極氣體保護(hù)焊開(kāi)始漸漸取代TIG焊。

圖1 某車(chē)型電池包下箱體焊縫

2.2 CMT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(guò)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(wú)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(pán)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(chē)型所使用的電池包下箱體結(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（采用間斷焊或整圈滿(mǎn)焊）以及橫梁與底板之間的焊接均采用CMT焊接工藝，只有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(guò)程中，為了保證焊接質(zhì)量（見(jiàn)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(lái)越高，但是其仍難擺脫鋁合金傳統(tǒng)熔化焊的焊接問(wèn)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(guò)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[5]。FSW具有焊接變形小、無(wú)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(chē)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(jiàn)圖5）。為了減少甚至解決飛邊問(wèn)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(kāi)始研究該結(jié)構(gòu)的雙機(jī)頭焊接（見(jiàn)圖6），通過(guò)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?xún)?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(chē)身制造中被廣泛應(yīng)用（見(jiàn)圖8），主要用于汽車(chē)車(chē)門(mén)、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(chē)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(chē)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(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

圖8 激光焊接鋁合金焊縫

5 其他焊接工藝

隨著新能源汽車(chē)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(guò)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(lái)某款車(chē)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9 FDS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)生機(jī)械結(jié)合力、物理吸附力和化學(xué)鍵合力而使材料連接起來(lái)的工藝方法[10]。膠接技術(shù)不需要高溫高壓環(huán)境，因此它具有不易變形、結(jié)合應(yīng)力分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)3M公司介紹，膠接技術(shù)在新能源汽車(chē)電池包上已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，如底板的拼接使用膠接技術(shù)，其結(jié)構(gòu)膠的最大抗剪力可以達(dá)到40MPa。綜合分析，膠接技術(shù)可以應(yīng)用在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不高或以密封性要求為主的電池包組件上，如支架固定塊之類(lèi)的小件。

6 展望

1）結(jié)合寧德時(shí)代的CTP技術(shù)、比亞迪的“刀片電池”技術(shù)以及江淮的“蜂窩電池”技術(shù)特點(diǎn)：CTP技術(shù)主張無(wú)模組化，其箱體結(jié)構(gòu)更依賴(lài)于熔化焊；“刀片電池”技術(shù)和“蜂窩電池”技術(shù)要求箱體為底板承載式結(jié)構(gòu)，為了更好地控制箱體尺寸，F(xiàn)SW是箱體制造最好的選擇。

2）特斯拉中國(guó)工廠(chǎng)引進(jìn)了4臺(tái)千萬(wàn)噸級(jí)的壓鑄機(jī)，致力于電池包箱體壓鑄技術(shù)研究，盡可能地去除焊接對(duì)箱體安全性能的影響。一旦底板整體壓鑄研究成功，箱體關(guān)鍵連接技術(shù)轉(zhuǎn)而成為了鑄鋁焊接的問(wèn)題，因此激光焊更有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3）綜合分析以上電池包箱體連接技術(shù)，筆者認(rèn)為熔化焊是箱體制造中必不可少的連接技術(shù)，而膠接技術(shù)更多是配合其他連接技術(shù)使用，實(shí)現(xiàn)不可焊位置獲得良好的密封性。