搅拌摩擦焊在新能源汽车电池下壳体焊接工艺中的应用

巫飞彪 周博俊

摘要：介绍了搅拌摩擦焊的原理及优点、电池下壳体的结构、搅拌摩擦焊系统及生产工艺流程，针对搅拌摩擦焊技术在新能源汽车电池下壳体焊接工艺中的应用，利用机器人搅拌摩擦焊对焊接工艺参数及母材连接方式进行了试验研究，得到优化后的主轴转速 S、焊接速度 F、下压力 P 及工件连接方式，提高了焊缝融合度和接头稳定性，且焊接接头的抗拉强度均能达到母材标准抗拉强度的70%以上，表明该工艺方法在焊接速度、节能环保和产品质量等方面具有一定的优势。

关键词：新能源汽车;电池下壳体;搅拌摩擦焊

中图分类号：TG453文献标志码：A文章编号：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，全球石油儲蓄量越来越少，环境污染问题也愈发严重，在我国经济发展的现阶段，改善能源结构，实现低碳经济成为我国未来发展的主要方向，在此背景下，新能源汽车的诞生成为解决目前困境的重要突破口，并且逐渐成为各大汽车厂商现阶段的主要研究方向。我国政府也很快将新能源汽车的研发列入战略性产业，并对新能源车投入市场提供大力宣传和优惠政策，鼓励市民购买，加速新能源汽车对传统汽车的替代，促进汽车产业升级和可持续发展。

轻量化是目前新能源汽车的重点研究方向之一，为解决此问题已研发了不少轻量化材料和连接工艺的应用。将汽车车身结构的钢板材料焊接采用铝合金替代，总体质量可减轻50%以上，在承受同样冲击力情况下，铝合金板相对钢板可多吸收50%的冲击能，并且铝合金材料具有无磁性、良好的成形性、耐腐蚀性及低温性等特点，从而被广泛地应用于新能源汽车车身结构件的生产制造中[1]。与此同时，搅拌摩擦焊技术凭借焊接质量稳定、无污染等优点广泛应用于轨道交通工业及汽车工业，因此，铝合金材料加上搅拌摩擦焊应用于新能源汽车的电池盒下壳体的焊接工艺中也成为重要制造工艺之一[2]。固体搅拌摩擦焊（FSW）技术是由英国焊接研究所（ TWI ）的 Wayne Thomas 和 E Nicola[3]于1991年提出。随着大量学者针对搅拌摩擦焊的力学性能、工艺参数影响、夹持装置、工艺优化、温度分布等方面不断深入研究，搅拌摩擦焊技术当前已在航空航天领域、汽车制造领域、轨道交通和海洋工程等领域都得到了广泛的应用[4]。1998年8月，美国波音公司率先将搅拌摩擦焊技术应用在 DeltaⅡ型运载火箭的中间舱段的连接制造中并成功将该火箭发射升空。1998年，澳大利亚Adalaide大学与英国 TWI 研究人员共同研发了一种针对高速海洋游船的曲面壁板焊接的轻便型搅拌摩擦焊设备，其中船体采用厚度约为5 mm的5083-H321铝合金板材，此外，在船体前甲板等结构中也同样采用了搅拌摩擦焊技术[5]。2000年，TOWER等公司成功在轻合金车轮、汽车悬挂支架、发动机安装支架、防撞缓冲器以及铝合金车身实现了利用搅拌摩擦焊技术的焊接[6]。2003年，静龙门式搅拌摩擦焊设备由哈尔滨工业大学交付完成，标志着国内搅拌摩擦焊技术正式开始步入市场化[7]。2008年，中航工业赛福斯特公司为国内某汽车制造企业研发出应用于铝合金汽车工艺简体焊接的搅拌摩擦焊设备，同时将该技术运用到汽车轮毂制造中，成为搅拌摩擦焊技术在中国汽车工业领域应用的先行者。2015年，中航工业赛福斯特公司继续专于搅拌摩擦焊技术的研发，成功研制了汽车电池框体搅拌摩擦焊产品[8]。2019年，凌云工业股份有限公司的韩振宇针对铝合金电池盒下壳体搅拌摩擦焊工艺进行试验，探究焊接速度和搅拌头的旋转速度对焊接接头力学性能及其金相组织的影响[9]。2020年，航天工程装备（苏州）有限公司的胡大武等[10]对新能源汽车电池包箱体的不同结构采用不同的关键连接技术进行了研究。

汽车轻量化的发展道路决定了搅拌摩擦焊技术在汽车制造应用中的重要性，在当前汽车制造业中，搅拌摩擦焊技术具体应用主要包括：铝合金轮毂、液压成形管道的配件、发动机与底盘的托架、空间构件、燃料箱、电池盒、传动装置、汽车底盘、车体结构件等。就目前来看，虽然搅拌摩擦焊技术已经大量应用于新能源汽车生产中，但是搅拌摩擦焊焊接工艺的基础性研究仍然存在很多问题需要解决，从而保证工艺的一致性、汽车制造经济性与效率。本文针对搅拌摩擦焊在新能源汽车电池下壳体焊接工艺的应用中出现沟槽、飞边等缺陷问题进行研究，探究焊接参数对缺陷的影响，提高工件的焊接质量。

1 搅拌摩擦焊的原理及优点

搅拌摩擦焊（FSW）焊接过程实质是一个柱状带特殊轴肩和针凸的搅拌头高速旋转下扎，使材料发生热塑性变形，随着搅拌头的旋转，其周围的塑化金属向其后方旋转沉积，再通过轴肩的下压填充由搅拌头前进而形成的空穴，从而形成搅拌摩擦焊焊缝[11]。对于同种或异种材料均可利用搅拌摩擦焊技术实现方便连接，主要包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料，其焊接过程原理如图1所示。

搅拌摩擦焊技术具有自动化、非熔化、便捷化、宜人化、环保化等特点。和常用的弧焊相比，焊接质量仅受搅拌头磨耗量、压入深度、转速、焊接速度4种因素影响，不存在热裂纹、夹杂物、气孔等缺陷，质量相对稳定;焊接效率可高达150 cm/min左右;焊接生成热量低，工件热变形小，焊道外观能够基本与板件齐平，焊缝属性与母材接近;无焊接飞溅，无烟尘和有害气体、无有害光;常规耗材仅有搅拌头，生产成本更低;对待焊产品无需进行特殊处理，利用自动化机械设备焊接，一键启动。

2 搅拌摩擦焊在新能源汽车电池下壳体焊接工艺中的应用

2.1 电池下壳体结构

电池模块是新能源汽车的核心部位及动力来源，为整车提供电能驱动。电池模块由铝合金壳体包络电池包主体构成，其中电池下壳体作为整个模块的主要载体，保障电池及内部元器件安全工作并起到关键防护作用[12]。本文研究的电池下壳体主要由底板和边框组成，底板主要采用搅拌摩擦焊技术将5块铝合金型材拼接构成，边框按照安装位置分为左侧横梁、右侧横梁、前端横梁和后端横梁等部分，这些横梁均为铝合金型材，各横梁之间主要连接方式为 CMT 焊接，并采用钢质标准件、铝型材、冲压件等加固连接，电池下壳体详细组成如图2所示。

2.2 电池下壳体生产工艺流程

首先通过机器人焊接系统将5块底板通过搅拌摩擦焊进行拼接构成电池下壳体的主体，接着利用 CNC对拼接好的底板进行铣边、钻孔、攻丝加工。加工完成后，机器人将工件装入输送链吊具上，吊具再运送工件按程序步进依次进入清洗间、沥水区、烘干间，完成后再由机器人取出工件，放入工件台车。下一步，人工将各部分工件装入工装，操作工装将各部分装配到位并夹紧后，人工铝弧焊点定为一个整体，再启动机器人将工件取走，放入机器人搅拌摩擦焊系统中，将边框与底板焊接，完成后弧焊机器人按照设置好的路径对边框进行弧焊。接着对总成进行铣边加工，并将小件焊接在总成上，完成后进行激光清洗。清洗完毕，机器人带动拉铆枪自动对工件进行拉铆加工。接着，工人将工件放入气密检测设备，通入压缩空气、配合检漏液检查漏气孔，将漏气孔弧焊补焊，修补完成后再通过气密仪检查单位时间泄漏量，合格检查完成后将工件取出进行下一步。工人将工件放入检查台，目视确认紧固件是否漏装，各个焊接零件是否漏焊，是否缺失焊缝，合格检查完成后将工件取出送入下工序。人工将工件放入清洗工装，启动机器人开始对工件底部喷涂面进行等离子清洗，完成后，将工件取出，放入放件台，再输送进喷涂房，输送到位后机器人自动启动，带动喷枪进行 PVC喷涂，喷涂完成后，工件自动输送出喷涂房，进入烘烤箱滑道，步进式通过烘烤区、冷却区，完成后由人工取出工件，生产流程结束。生产工艺流程如图3所示。

2.3 搅拌摩擦焊系统

电池下壳体的底板和边框焊接用到了搅拌摩擦焊技术，使用 KUKA 特别为汽车工业提供固定轴肩搅拌摩擦焊（Stationary Shoulder Friction Stir Welding ，SSFSW）系统，这由 ESAB 授权使用，此与传统的搅拌摩擦焊略有不同，其搅拌针在固定的轴肩中旋转，如图4所示。

2.4 电池下壳体焊接工装

在搅拌摩擦焊的焊接过程中因為轴向压力、前进抗力、侧分力都大，所以与熔焊对工件夹紧的要求是不同的。焊接工装由夹具底座、定位块、正压、侧顶、控制系统等组成，如图5所示。其中，正压原则上尽量靠近焊缝;底座托平工件承受正压和轴压;侧顶对大厚度板件尤其重要;前顶承受前进抗力顶工件;控制系统通过 PLC 控制实现工装各模块的自动控制，整个工装系统主要保证焊接过程中的支撑以及变形的控制。

2.5 搅拌摩擦焊工艺参数及母材连接优化

在搅拌摩擦焊的生产过程中由于主轴转速 S 、焊接速度 F、下压力 P 这3个参数的设定，会对焊接过程中的热量、融合程度造成影响，从而产生焊接缺陷。当 S 过低，F 过快，P 过小时，热量不足，融合不良，引起焊缝表面存在沟槽缺陷、毛刺，纹路不均匀，严重时完全不能形成焊缝，焊缝强度极低;当 S 过高、F 过慢、P 过大时，热量过高，金相组织变化，力学性能下降，引起焊缝表面纹路间距较小，出现明显光泽和较大飞边，材料减薄严重，焊接完成后热量极大，工件发烫严重且变形大。当这3个参数选取合适值时，焊缝表面能够平整，纹路均匀，无沟槽缺陷，无过大飞边，内部无隧道缺陷，焊缝强度相对较高，能稳定达到母材70%以上，且焊接完成后热量低，工件变形小。

针对上述问题，为了提高搅拌摩擦焊的焊接质量，需要找到合适的焊接参数，通过改变 S 、F、P 进行了一系列试验，不同的焊接参数对焊缝融合度及强度的影响如图6所示。

通过实验可知 S=2600 r/min ，F=1300 mm/min ，P=5500 N时，焊缝融合度及强度都能达到最优效果。当确定下压力后，需要对母材截面进行优化，本文将工件之间的连接方式由对接转变为搭接，如图7所示，从而改变焊接后母材截面长度，探究其对焊接接头抗拉强度的影响。本实验通过机器人搅拌摩擦焊系统将厚度为2 mm 的铝合金试片焊接完成后，形成不同的截面长度，如图8所示，且进行对接方式和搭接方式的抗拉强度对照试验，得到结果如表1和表2所示，表1中6组试片通过对接方式焊接而成，只有两组满足母材标准抗拉强度的70%以上，说明在实际生产中焊接效率低，产品质量不稳定，而表2中6组试片通过搭接方式焊接而成，均能满足母材标准抗拉强度的75%以上，性能趋于稳定，满足实际生产需求。

3 结束语

本文对搅拌摩擦焊在新能源汽車电池下壳体焊接工艺中的应用进行了研究。通过机器人搅拌摩擦焊系统进行对照实验找到了优化后的主轴转速 S 、焊接速度 F、下

压力 P 及工件连接方式，提高焊缝融合度的同时，使得焊接接头性能稳定且抗拉强度均能达到母材抗拉标准抗拉强度的75%以上，因此，将搅拌摩擦焊应用于新能源汽车电池下壳体的焊接工艺中，在通过焊接工艺参数和连接方式优化后，产品质量、焊接速度、节能环保方面具有一定优势，能够为企业带来良好的效益，工程化应用可行，具有较高的推广应用价值。

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[12]谭锦红.新能源汽车电池托盘应用现状及发展趋势[C]//2019年中国铝加工产业年度大会暨中国（邹平）铝加工产业发展高峰论坛，2019.

第一作者简介：巫飞彪（1979-），男，广东河源人，大学本科，工程师，研究领域为金属加工和工业机器人。

（编辑：王智圣）