攪拌摩擦焊在新能源汽車電池下殼體焊接工藝中的應用

巫飛彪 周博俊

摘要：介紹了攪拌摩擦焊的原理及優(yōu)點、電池下殼體的結構、攪拌摩擦焊系統(tǒng)及生產工藝流程，針對攪拌摩擦焊技術在新能源汽車電池下殼體焊接工藝中的應用，利用機器人攪拌摩擦焊對焊接工藝參數(shù)及母材連接方式進行了試驗研究，得到優(yōu)化后的主軸轉速 S、焊接速度 F、下壓力 P 及工件連接方式，提高了焊縫融合度和接頭穩(wěn)定性，且焊接接頭的抗拉強度均能達到母材標準抗拉強度的70%以上，表明該工藝方法在焊接速度、節(jié)能環(huán)保和產品質量等方面具有一定的優(yōu)勢。

關鍵詞：新能源汽車;電池下殼體;攪拌摩擦焊

中圖分類號：TG453文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0231-05

Application of Friction Stir Welding in the Welding Process of Battery Undershell of New Energy Automobile

Wu Feibiao1，Zhou Bojun2

（1. Guangzhou Dong Welding Intelligent Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 511447， China;2. Faculty of Information Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

Abstract： The principle and advantages of friction stir welding， the structure of the lower battery shell， the friction stir welding system and theproduction process were introduced. For the application of the friction stir welding technology in the welding process of the lower shell of thenew energy vehicle battery， the robot was used for friction stir welding. The welding process parameters and the connection method of the basemetal were experimentally studied， and the optimized spindle speed S， welding speed F， down force P and workpiece connection method wereobtained， which improved the welding seam fusion and joint stability， and the workpiece was tested after welding. The tensile strength of thesheets can reach more than 70% of the standard tensile strength of the base material， indicating that the process method has certain advantagesin welding speed， energy saving， environmental protection and product quality.

Key words： new energy vehicle; lower case of battery; friction stir welding

0 引言

目前，全球石油儲蓄量越來越少，環(huán)境污染問題也愈發(fā)嚴重，在我國經濟發(fā)展的現(xiàn)階段，改善能源結構，實現(xiàn)低碳經濟成為我國未來發(fā)展的主要方向，在此背景下，新能源汽車的誕生成為解決目前困境的重要突破口，并且逐漸成為各大汽車廠商現(xiàn)階段的主要研究方向。我國政府也很快將新能源汽車的研發(fā)列入戰(zhàn)略性產業(yè)，并對新能源車投入市場提供大力宣傳和優(yōu)惠政策，鼓勵市民購買，加速新能源汽車對傳統(tǒng)汽車的替代，促進汽車產業(yè)升級和可持續(xù)發(fā)展。

輕量化是目前新能源汽車的重點研究方向之一，為解決此問題已研發(fā)了不少輕量化材料和連接工藝的應用。將汽車車身結構的鋼板材料焊接采用鋁合金替代，總體質量可減輕50%以上，在承受同樣沖擊力情況下，鋁合金板相對鋼板可多吸收50%的沖擊能，并且鋁合金材料具有無磁性、良好的成形性、耐腐蝕性及低溫性等特點，從而被廣泛地應用于新能源汽車車身結構件的生產制造中[1]。與此同時，攪拌摩擦焊技術憑借焊接質量穩(wěn)定、無污染等優(yōu)點廣泛應用于軌道交通工業(yè)及汽車工業(yè)，因此，鋁合金材料加上攪拌摩擦焊應用于新能源汽車的電池盒下殼體的焊接工藝中也成為重要制造工藝之一[2]。固體攪拌摩擦焊（FSW）技術是由英國焊接研究所（ TWI ）的 Wayne Thomas 和 E Nicola[3]于1991年提出。隨著大量學者針對攪拌摩擦焊的力學性能、工藝參數(shù)影響、夾持裝置、工藝優(yōu)化、溫度分布等方面不斷深入研究，攪拌摩擦焊技術當前已在航空航天領域、汽車制造領域、軌道交通和海洋工程等領域都得到了廣泛的應用[4]。1998年8月，美國波音公司率先將攪拌摩擦焊技術應用在 DeltaⅡ型運載火箭的中間艙段的連接制造中并成功將該火箭發(fā)射升空。1998年，澳大利亞Adalaide大學與英國 TWI 研究人員共同研發(fā)了一種針對高速海洋游船的曲面壁板焊接的輕便型攪拌摩擦焊設備，其中船體采用厚度約為5 mm的5083-H321鋁合金板材，此外，在船體前甲板等結構中也同樣采用了攪拌摩擦焊技術[5]。2000年，TOWER等公司成功在輕合金車輪、汽車懸掛支架、發(fā)動機安裝支架、防撞緩沖器以及鋁合金車身實現(xiàn)了利用攪拌摩擦焊技術的焊接[6]。2003年，靜龍門式攪拌摩擦焊設備由哈爾濱工業(yè)大學交付完成，標志著國內攪拌摩擦焊技術正式開始步入市場化[7]。2008年，中航工業(yè)賽福斯特公司為國內某汽車制造企業(yè)研發(fā)出應用于鋁合金汽車工藝簡體焊接的攪拌摩擦焊設備，同時將該技術運用到汽車輪轂制造中，成為攪拌摩擦焊技術在中國汽車工業(yè)領域應用的先行者。2015年，中航工業(yè)賽福斯特公司繼續(xù)專于攪拌摩擦焊技術的研發(fā)，成功研制了汽車電池框體攪拌摩擦焊產品[8]。2019年，凌云工業(yè)股份有限公司的韓振宇針對鋁合金電池盒下殼體攪拌摩擦焊工藝進行試驗，探究焊接速度和攪拌頭的旋轉速度對焊接接頭力學性能及其金相組織的影響[9]。2020年，航天工程裝備（蘇州）有限公司的胡大武等[10]對新能源汽車電池包箱體的不同結構采用不同的關鍵連接技術進行了研究。

汽車輕量化的發(fā)展道路決定了攪拌摩擦焊技術在汽車制造應用中的重要性，在當前汽車制造業(yè)中，攪拌摩擦焊技術具體應用主要包括：鋁合金輪轂、液壓成形管道的配件、發(fā)動機與底盤的托架、空間構件、燃料箱、電池盒、傳動裝置、汽車底盤、車體結構件等。就目前來看，雖然攪拌摩擦焊技術已經大量應用于新能源汽車生產中，但是攪拌摩擦焊焊接工藝的基礎性研究仍然存在很多問題需要解決，從而保證工藝的一致性、汽車制造經濟性與效率。本文針對攪拌摩擦焊在新能源汽車電池下殼體焊接工藝的應用中出現(xiàn)溝槽、飛邊等缺陷問題進行研究，探究焊接參數(shù)對缺陷的影響，提高工件的焊接質量。

1 攪拌摩擦焊的原理及優(yōu)點

攪拌摩擦焊（FSW）焊接過程實質是一個柱狀帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭高速旋轉下扎，使材料發(fā)生熱塑性變形，隨著攪拌頭的旋轉，其周圍的塑化金屬向其后方旋轉沉積，再通過軸肩的下壓填充由攪拌頭前進而形成的空穴，從而形成攪拌摩擦焊焊縫[11]。對于同種或異種材料均可利用攪拌摩擦焊技術實現(xiàn)方便連接，主要包括金屬、部分金屬基復合材料、陶瓷及塑料，其焊接過程原理如圖1所示。

攪拌摩擦焊技術具有自動化、非熔化、便捷化、宜人化、環(huán)?；忍攸c。和常用的弧焊相比，焊接質量僅受攪拌頭磨耗量、壓入深度、轉速、焊接速度4種因素影響，不存在熱裂紋、夾雜物、氣孔等缺陷，質量相對穩(wěn)定;焊接效率可高達150 cm/min左右;焊接生成熱量低，工件熱變形小，焊道外觀能夠基本與板件齊平，焊縫屬性與母材接近;無焊接飛濺，無煙塵和有害氣體、無有害光;常規(guī)耗材僅有攪拌頭，生產成本更低;對待焊產品無需進行特殊處理，利用自動化機械設備焊接，一鍵啟動。

2 攪拌摩擦焊在新能源汽車電池下殼體焊接工藝中的應用

2.1 電池下殼體結構

電池模塊是新能源汽車的核心部位及動力來源，為整車提供電能驅動。電池模塊由鋁合金殼體包絡電池包主體構成，其中電池下殼體作為整個模塊的主要載體，保障電池及內部元器件安全工作并起到關鍵防護作用[12]。本文研究的電池下殼體主要由底板和邊框組成，底板主要采用攪拌摩擦焊技術將5塊鋁合金型材拼接構成，邊框按照安裝位置分為左側橫梁、右側橫梁、前端橫梁和后端橫梁等部分，這些橫梁均為鋁合金型材，各橫梁之間主要連接方式為 CMT 焊接，并采用鋼質標準件、鋁型材、沖壓件等加固連接，電池下殼體詳細組成如圖2所示。

2.2 電池下殼體生產工藝流程

首先通過機器人焊接系統(tǒng)將5塊底板通過攪拌摩擦焊進行拼接構成電池下殼體的主體，接著利用 CNC對拼接好的底板進行銑邊、鉆孔、攻絲加工。加工完成后，機器人將工件裝入輸送鏈吊具上，吊具再運送工件按程序步進依次進入清洗間、瀝水區(qū)、烘干間，完成后再由機器人取出工件，放入工件臺車。下一步，人工將各部分工件裝入工裝，操作工裝將各部分裝配到位并夾緊后，人工鋁弧焊點定為一個整體，再啟動機器人將工件取走，放入機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)中，將邊框與底板焊接，完成后弧焊機器人按照設置好的路徑對邊框進行弧焊。接著對總成進行銑邊加工，并將小件焊接在總成上，完成后進行激光清洗。清洗完畢，機器人帶動拉鉚槍自動對工件進行拉鉚加工。接著，工人將工件放入氣密檢測設備，通入壓縮空氣、配合檢漏液檢查漏氣孔，將漏氣孔弧焊補焊，修補完成后再通過氣密儀檢查單位時間泄漏量，合格檢查完成后將工件取出進行下一步。工人將工件放入檢查臺，目視確認緊固件是否漏裝，各個焊接零件是否漏焊，是否缺失焊縫，合格檢查完成后將工件取出送入下工序。人工將工件放入清洗工裝，啟動機器人開始對工件底部噴涂面進行等離子清洗，完成后，將工件取出，放入放件臺，再輸送進噴涂房，輸送到位后機器人自動啟動，帶動噴槍進行 PVC噴涂，噴涂完成后，工件自動輸送出噴涂房，進入烘烤箱滑道，步進式通過烘烤區(qū)、冷卻區(qū)，完成后由人工取出工件，生產流程結束。生產工藝流程如圖3所示。

2.3 攪拌摩擦焊系統(tǒng)

電池下殼體的底板和邊框焊接用到了攪拌摩擦焊技術，使用 KUKA 特別為汽車工業(yè)提供固定軸肩攪拌摩擦焊（Stationary Shoulder Friction Stir Welding ，SSFSW）系統(tǒng)，這由 ESAB 授權使用，此與傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊略有不同，其攪拌針在固定的軸肩中旋轉，如圖4所示。

2.4 電池下殼體焊接工裝

在攪拌摩擦焊的焊接過程中因為軸向壓力、前進抗力、側分力都大，所以與熔焊對工件夾緊的要求是不同的。焊接工裝由夾具底座、定位塊、正壓、側頂、控制系統(tǒng)等組成，如圖5所示。其中，正壓原則上盡量靠近焊縫;底座托平工件承受正壓和軸壓;側頂對大厚度板件尤其重要;前頂承受前進抗力頂工件;控制系統(tǒng)通過 PLC 控制實現(xiàn)工裝各模塊的自動控制，整個工裝系統(tǒng)主要保證焊接過程中的支撐以及變形的控制。

2.5 攪拌摩擦焊工藝參數(shù)及母材連接優(yōu)化

在攪拌摩擦焊的生產過程中由于主軸轉速 S 、焊接速度 F、下壓力 P 這3個參數(shù)的設定，會對焊接過程中的熱量、融合程度造成影響，從而產生焊接缺陷。當 S 過低，F(xiàn) 過快，P 過小時，熱量不足，融合不良，引起焊縫表面存在溝槽缺陷、毛刺，紋路不均勻，嚴重時完全不能形成焊縫，焊縫強度極低;當 S 過高、F 過慢、P 過大時，熱量過高，金相組織變化，力學性能下降，引起焊縫表面紋路間距較小，出現(xiàn)明顯光澤和較大飛邊，材料減薄嚴重，焊接完成后熱量極大，工件發(fā)燙嚴重且變形大。當這3個參數(shù)選取合適值時，焊縫表面能夠平整，紋路均勻，無溝槽缺陷，無過大飛邊，內部無隧道缺陷，焊縫強度相對較高，能穩(wěn)定達到母材70%以上，且焊接完成后熱量低，工件變形小。

針對上述問題，為了提高攪拌摩擦焊的焊接質量，需要找到合適的焊接參數(shù)，通過改變 S 、F、P 進行了一系列試驗，不同的焊接參數(shù)對焊縫融合度及強度的影響如圖6所示。

通過實驗可知 S=2600 r/min ，F(xiàn)=1300 mm/min ，P=5500 N時，焊縫融合度及強度都能達到最優(yōu)效果。當確定下壓力后，需要對母材截面進行優(yōu)化，本文將工件之間的連接方式由對接轉變?yōu)榇罱?，如圖7所示，從而改變焊接后母材截面長度，探究其對焊接接頭抗拉強度的影響。本實驗通過機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)將厚度為2 mm 的鋁合金試片焊接完成后，形成不同的截面長度，如圖8所示，且進行對接方式和搭接方式的抗拉強度對照試驗，得到結果如表1和表2所示，表1中6組試片通過對接方式焊接而成，只有兩組滿足母材標準抗拉強度的70%以上，說明在實際生產中焊接效率低，產品質量不穩(wěn)定，而表2中6組試片通過搭接方式焊接而成，均能滿足母材標準抗拉強度的75%以上，性能趨于穩(wěn)定，滿足實際生產需求。

3 結束語

本文對攪拌摩擦焊在新能源汽車電池下殼體焊接工藝中的應用進行了研究。通過機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)進行對照實驗找到了優(yōu)化后的主軸轉速 S 、焊接速度 F、下

壓力 P 及工件連接方式，提高焊縫融合度的同時，使得焊接接頭性能穩(wěn)定且抗拉強度均能達到母材抗拉標準抗拉強度的75%以上，因此，將攪拌摩擦焊應用于新能源汽車電池下殼體的焊接工藝中，在通過焊接工藝參數(shù)和連接方式優(yōu)化后，產品質量、焊接速度、節(jié)能環(huán)保方面具有一定優(yōu)勢，能夠為企業(yè)帶來良好的效益，工程化應用可行，具有較高的推廣應用價值。

參考文獻：

[1]王正科.鋁合金汽車輕量化及其焊接新技術[J].內燃機與配件， 2021（1）：102-103.

[2]吳志明，李金龍，彭章祝.軌道交通車體用鋁合金材料及其焊接技術[J].金屬加工（熱加工），2021（2）：5-10.

[3] Dipen Kumar Rajak， Durgesh D Pagar， Pradeep L. Menezes Fric- tion-based welding processes： friction welding and friction stir welding[J]. Journal of Adhesion Science and Technology，2020， 34（24）：2613-2637.

[4] B Vijaya Ramnath， Ramnath B Vijaya， Elanchezhain C， et al. AReview On Friction Stir Welding And It's Processes[J]. IOP Con- ference Series Materials Science and Engineering， 2020， 923（1）：012030.

[5]欒國紅.攪拌摩擦焊技術應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].航空制造技術，2007（z1）：147-153.

[6]張欣盟，楊景宏，王春生，等.攪拌摩擦焊技術及其應用發(fā)展[J].焊接，2015（1）：29-32.

[7]付瑞東，李藝君.我國攪拌摩擦焊技術的發(fā)展及展望[J].金屬加工：熱加工，2020（6）：14-18.

[8]北京賽福斯特技術有限公司.汽車工業(yè)攪拌摩擦焊技術應用[J].現(xiàn)代焊接，2016（1）：8-9.

[9]韓振宇， 朱俊，趙北明，等.6063鋁合金電池盒下殼體攪拌摩擦焊工藝試驗研究[J].輕合金加工技術，2019，47（1）：56-61.

[10]胡大武， 張桂源， 曹鵬程，等.新能源汽車電池包關鍵連接技術[J].金屬加工（熱加工），2020（8）：10-13.

[11]武凱， 賈賀鵬，孫宇，等.攪拌摩擦焊技術的研究進展[J].機械制造與自動化，2020，49（6）：1-9.

[12]譚錦紅.新能源汽車電池托盤應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[C]//2019年中國鋁加工產業(yè)年度大會暨中國（鄒平）鋁加工產業(yè)發(fā)展高峰論壇，2019.

第一作者簡介：巫飛彪（1979-），男，廣東河源人，大學本科，工程師，研究領域為金屬加工和工業(yè)機器人。

（編輯：王智圣）