鋁合金電池箱氣密性的控制

楊志源，宋 尉，陶薈宇

（南南鋁業(yè)股份有限公司，廣西 南寧 530299）

0 引言

近幾年，新能源汽車迅猛發(fā)展。為了提高新能源汽車性能和行車里程，汽車的輕量化越來越受車企的重視。電池托盤作為電池包上重量比重較大的部件，是輕量化的重要方向，鋁合金被大量應用在電池托盤上。相比鑄鋁箱體，鋁板材箱體由于尺寸設計范圍大、模具開發(fā)成本低、材料性能優(yōu)越等優(yōu)點獲得了大量的應用。箱體分上蓋和下箱體兩部分，兩部分翻邊處有密封圈墊著，并用螺栓鎖緊確保裝配氣密性，但下箱體由較多鋁部件裝配焊接而成，制造過程容易出現(xiàn)氣密不良，導致水汽、灰塵進入到電池包內(nèi)，進而導致電池包故障或斷電。整個電池的氣密性是組件的關(guān)鍵參數(shù)，電池托盤氣密是否達標，將影響整個電池的安全、性能和壽命，甚至影響行車安全。本文以典型的液冷電池箱為例，著重討論下箱體氣密性的控制。

1 液冷鋁合金電池箱的氣密要求及制造工藝

電池包主流散熱方式有風冷和液冷兩種。風冷的配置結(jié)構(gòu)簡單，但散熱比液冷差。液冷配置結(jié)構(gòu)復雜且技術(shù)要求高，液體要求有高導熱系數(shù)、高熱容及其與固體間的高對流換熱系數(shù)等。這對降低電池組溫度、改善溫區(qū)均一性效果顯著。因此，液冷正逐漸取代風冷成為主流的動力電池冷卻方式。但液冷技術(shù)對液冷箱的氣密性要求較高。

如圖1所示，液冷箱體由6種零件共計12個零件拼焊而成。

圖1 液冷下箱體結(jié)構(gòu)

液冷電池箱的氣密性分為兩部分，下箱體氣密性和液冷流道的氣密性，兩者都與其容積有關(guān)，因此各個箱體的氣密參數(shù)不同；同時，流道氣密性要顯著高于箱體氣密性。氣密性測試方法為：模擬電池包裝配狀態(tài)開發(fā)專用氣密測試工裝，使測試過程的箱體和流道接近正常工作狀態(tài)，在室溫（25±3）℃，無流動空氣環(huán)境下，通過精密的氣密測量儀向箱體或流道內(nèi)充入特定壓力的壓縮空氣，充氣時間60s，保壓時間60s，檢驗60s，查看最后的壓降值，小于技術(shù)要求說明氣密良好，為合格品。常見的箱體氣密參數(shù)見表1。

表1 尺寸比較（單位：mm ×100）

表1 常見箱體和液冷流道氣密參數(shù)

鋁板材電池箱的主要工藝有：鋁錠熔鑄、板材擠壓、下料鋸切、零件機加工、弧焊和攪拌焊、流道氣密測量、整體機加工（主要是鉆孔）、安裝配件。如圖2所示，箱體裝配和焊接主要有4道工序。

圖2 液冷電池箱裝配焊接工藝路線

圖4和圖5顯示，焊縫漏氣問題集中在收弧中心位置漏氣和燒穿漏氣。

圖4 收弧中心漏氣

圖5 燒穿漏氣

2 漏氣點和原因

對20個氣密不合格的電池托盤進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，漏氣點多達49處，其中，塞塊焊縫12處，水嘴焊縫9處，橫梁焊縫6處，底板腔體側(cè)壁開裂8處，邊框與底板焊縫6處，邊框與前后封板焊縫8處，83.7%是焊縫導致，16.3%是板材腔體開裂導致。單個電池托盤如圖3所示，分析檢查漏氣的位置主要有6處。

圖3 漏氣位置

切開箱體焊縫進一步檢查，如圖6所示，焊縫質(zhì)量較差。

圖6 焊縫切面

對焊縫切面進行剖析可知，焊縫熔合不良，根部未熔合滿焊存在間隙，箱體內(nèi)外、內(nèi)部焊縫收弧中心、焊縫根部及外側(cè)焊縫的收弧中心形成連通，只要有一處漏氣就會導致整體受液體腐蝕。

底板腔體漏氣問題。從圖7看到，由于板材流道腔側(cè)壁有裂紋和變形褶皺。從圖8看到，焊接橫梁時未壓緊底板，導致兩端的模組橫梁焊縫收縮后將底板往上拉扯起翹，變形嚴重。由此可知，底板腔體漏氣的根本原因是焊接變形大，且板材焊合質(zhì)量差，板材存在分層[1]，無法承受焊接變形的應力。

圖7 底板流道腔壁裂紋

圖8 底板端頭翹起

綜合以上分析可以判斷，制造過程氣密性缺陷的原因是板材質(zhì)量差、焊接質(zhì)量差、焊接變形大。

3 控制措施

板材焊合質(zhì)量問題常見的原因有：擠壓力低，模具結(jié)構(gòu)不合理，形成不了足夠的靜水壓力[1]，擠壓溫度過高，擠壓速度過快[2]等，根據(jù)以上經(jīng)驗和原因分析，結(jié)合本次板材結(jié)構(gòu)特點，從提高焊合力入手制定以下措施，確保板材質(zhì)量：①通過修理模具，提高焊合力，具體為上模增厚，分流孔適當減小，在保證模芯剛性、強度的前提下，增加焊合室的高度以加大焊合室的容積。②調(diào)整擠壓工藝參數(shù)，促進焊合，具體是調(diào)整溫度和擠壓速度。③選擇板材安排在較大的機型上擠壓，從2800T擠壓機轉(zhuǎn)移到4000T擠壓機進行擠壓。針對焊接質(zhì)量和變形問題制定了以下措施，確保焊接良好，變形小[3]：根據(jù)不同板厚和焊縫要求設定不同焊接參數(shù)，增加工裝夾緊點控制變形。

（1）改善板材模具和擠壓工藝。將板材模具轉(zhuǎn)移到較大的機型上擠壓，提高擠壓比。上模增厚，分流孔減小，增加焊合室的高度，擠壓溫度適當降低，擠壓溫度由475℃降至440℃，擠壓速度由3m/s降低為2.4m/s。新擠出板材外觀良好，無黑帶或嚴重色差，如圖9所示，對其進行壓裂檢驗，檢查結(jié)果焊合良好，如圖10所示。

圖9 新板材外觀

圖10 焊合檢查

（2）增加工裝，減少變形量。調(diào)整焊接工藝，增大焊接電流，適當降低速度，如圖11-圖13所示，焊接質(zhì)量明顯改善，外觀非常平整，熔合良好，同時可以看到，在工裝的控制下，底板末端未發(fā)生起翹，能夠緊貼平臺，變形有大幅改善。

圖11 焊接全程夾緊

圖12 調(diào)整焊接工藝前

圖13 調(diào)整焊接工藝后

以上措施方向正確，實施有效，完成的箱體和液冷底板氣密性達到設計要求，產(chǎn)品合格率由原來的55%提到90%。

4 結(jié)語

板材質(zhì)量、焊接水平、焊接變形都會影響鋁箱體的氣密性，對截面寬且薄的液冷板影響更大，對板材和焊接的參數(shù)和工藝應充分驗證，做好檢驗，確保過程質(zhì)量和一致性，方可確保鋁板材電池箱的氣密可靠性。