電動汽車電池液冷板MIG焊接工藝設計

柳生

摘 要：鋰離子電池熱管理已成為制約電動汽車商業化的瓶頸，為解決此問題，在鋰離子電池散熱和加熱系統中加裝液冷板。有效提高電池低溫放電性能和高溫耗能，從而提高電池持續充放電過程的穩定性和安全性。液冷板采用鋁硅合金型材，兩端加裝封堵和連接管。加裝的端部封堵需要通過焊接完成與型材的連接，通過鋁合金自動焊接和半自動焊接與手工焊接的多次試驗，由于自動焊接的局限性及氣孔缺陷，手動焊接的效率太低，最后通過摸索完善焊接工藝設計，采用手工MIG熔化極氬弧焊取得了非常好的生產效率及焊接質量。

關鍵詞：電動汽車；鋰離子電池；液冷板；焊接工藝設計

中圖分類號：TG156 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0001-05

Abstract： Thermal management of lithium-ion batteries has become the bottleneck of the commercialization of electric vehicles. In order to solve this problem， liquid cooling plates are installed in the heat dissipation and heating system of lithium-ion batteries. The low temperature discharge performance and high temperature energy consumption of the battery are improved effectively. Therefore， the stability and safety of the battery during the continuous charging and discharging process can be improved. The liquid cooling plate is made of aluminum-silicon alloy profile， and both ends of the plate are plugged and connected with pipes. The end plugging needs to be connected with the profile through welding. The manual welding efficiency is too low because of the limitation of automatic welding and the porosity defect due to many tests of aluminum alloy automatic welding and semi-automatic welding and manual welding. At last， the welding process design is improved， and the production efficiency and welding quality are achieved by manual MIG argon arc welding.

Keywords： electric vehicle； lithium-ion battery； liquid cooling plate； welding process design

前言

鋰離子電池熱管理已成為制約電動汽車商業化的瓶頸，為解決此問題，在鋰離子電池散熱和加熱系統中加裝液冷板. 有效提高電池低溫放電性能和高溫耗能以及電池持續充放電過程的穩定性和安全性。液冷板采用鋁硅合金型材，兩端加裝封堵和連接管，需要通過焊接完成與型材的連接。通過鋁合金自動焊接和半自動焊接與手工焊接的多次試驗，自動焊接的局限性及氣孔缺陷，手動焊接的效率太低，最后采用手工MIG熔化極氬弧焊取得了非常好的生產效率及焊接質量。

1 鋁合金焊接基礎理論

1.1 鋁及鋁合金的物理特性和焊接工藝特點

（1）鋁及鋁合金具有優異的物理特性和力學性能，其密度低，比強度高、熱導率高、電導率高、耐腐蝕能力強，已廣泛應用于機械、電力、化工、輕工、航空、航天、鐵路、艦船、車輛等工業內的焊接結構產品上。

（2）鋁在空氣中及焊接中極易氧化，生成的氧化鋁熔點高、非常穩定、能吸潮、不易去除，會在焊接過程中產生夾渣、未焊透和未熔合等缺陷。

（3）鋁的比熱容、電導率、熱導率比鋼大，焊接時的熱輸入將向母材迅速流失。熔焊時需采用高度集中的熱源。

（4）鋁對光、熱的反射能力強，熔化前沒有明顯色澤變化，人工焊接時判斷困難，容易產生焊穿和焊瘤。

（5）硅鋁合金密度小，熱膨脹系數低，具有很高的抗擊沖擊能力和很好的高壓致密性，可大大提高使用壽命，常用其生產航天飛行器和汽車零部件。電池液冷板就是鋁硅合金。鋁硅合金強度不高，但液態流動性好，焊接性好。

1.2 鋁及鋁合金的主要焊接方法

鋁及鋁合金幾乎適應各種焊接方法，在選擇焊接方法時，還應考慮產品結構性特點、制造工藝需求、焊件厚度、鋁合金類別、牌號及其焊接性、對焊接接頭的質量及性能的要求以及生產制造單位的物質、技術、經濟等多方面條件。根據液冷板的結構特點及生產條件，主要選用熔化極氣體自動保護焊、手工鎢極氬弧焊及半自動MIG熔化極氬弧焊進行焊接試驗和比對。

（1）熔化極氣體自動保護焊，焊接成型美觀，水平焊接液冷板長縫效率比較高。但在液冷板的組對及處理中，無法保證完全去除焊縫周邊的氧化物、油污等。特別容易產生氣孔的缺陷，液冷板焊縫的兩端，仍需要人工焊接的方式解決。

（2）手工鎢極氬弧焊，焊接操作方便、容易控制、成型美觀，適應液冷板焊縫結構的設計。但生產效率低。

（3）半自動MIG熔化極氬弧焊，采用雙脈沖MIG焊是在常規脈沖MIG焊技術的基礎上針對鋁合金焊接而設計的一種新工藝。如果參數設置得當， 可以降低氣孔發生率， 細化焊縫晶粒， 擴寬焊接接頭間隙范圍， 在確保焊接質量的前提下， 實現比手工氬弧焊3倍以上的焊接效率。到目前為止， 雙脈沖MIG 焊是鋁硅合金焊接的最佳解決方案之一，也是焊接界研究的熱點。

2 液冷板MIG焊前處理要求

鋁合金焊接對焊縫周邊處理的要求比較苛刻。裝配前必須清凈表面水漬、油脂、污物及氧化膜，以免焊接時產生氣孔等缺陷。表面處理的方法有機械清理法和化學處理法。

（1）機械清理法，一般采用月牙形鋁合金專用銼刀、銅刷或者百葉砂紙輪等。

（2）化學清理法效率高，質量穩定，適用于清理中小型尺寸并成批生產的零件。主要清洗的流程：

a.除油：可以采用汽油、丙酮、四氯化碳、磷酸三鈉等化學清洗劑浸泡處理。

b.堿洗：純鋁采用6%～12%的NaOH，水溫控制在40～60℃，浸泡時間≤20min；鋁合金采用6%～10%的NaOH，水溫控制在40～60℃，浸泡時間≤7min。

c.沖洗：采用流動清水沖刷。

d.中和光化：采用HNO3溶液，水溫控制在40～60℃，浸泡時間1～3min。

e.干燥：風干或者低溫干燥。

（3）本裝置需要焊接清洗的部位只在兩側端頭，端頭配件采用丙酮或汽油溶液浸泡除油，液冷板端頭用丙酮或汽油溶液擦洗后即可組對，焊接之前用鋼絲刷（？椎0.15mm不銹鋼絲或頭絲刷）刷到漏出金屬光澤為止，一般在清理后4～8h之內施焊。

如圖1：

3 液冷板的焊接工藝設計

液冷板的手工MIG熔化極氬弧焊焊接工藝設計：

通過實踐中的對比試驗，手工MIG熔化極氬弧焊來焊接液冷板，焊縫的成型美觀，質量穩定且生產效率高。

（1）焊機的選擇，本機選用國產知名品牌NBC-300-GM 型，逆變式脈沖熔化極氬氣保護焊機，簡稱MIG。主要特點：數字化CPU控制系統，采用IGBT高頻軟開關控制技術，采用強脈沖引弧等。電源電壓：380V；頻率：50Hz；額定輸出功率：8KVA；輸出電流調節范圍：20-300A；輸出電壓調節范圍：10-32V；焊絲直徑？椎1.2-1.6mm；氣體流量：15-20L/min。如圖2：

（2）焊接前準備。確保電源、地線接觸牢固，無松動現象。正確安裝好焊槍、焊絲及保護氣體。設計好焊接專用平臺，高度適中，在放置焊槍的一側為導電板，相對的一側設計絕緣板（尼龍板）。如圖3：

（3）基本焊接的方法

a.液冷板為鋁硅合金扁型材方管，壁厚2mm。選用鋁4043，直徑？椎1.2mm焊絲，氬氣純度必須保證99.99%。為了提高效率，每次以成對（2片）同時焊接，在焊接過程中，防止飛濺污染焊道周邊的母材，設置遮擋板。如圖4。

b.所有的脈沖焊接為左向焊法，即焊接時焊槍的行走方向是從右向左行走。焊槍與工件的相對前進傾角為80°，左右角90°，焊絲及電弧對正焊縫中心。

c.先逐一焊接液冷板端頭的短焊縫，保證根部熔接及足夠的焊肉高度，同時起到了連接件有效固定的作用。在成對連續焊接長焊縫之前，要用角磨機對長焊縫兩端的焊點進行修磨處理，保證焊接時接頭的熔接質量。

d.焊接長焊縫時，從右側端點起弧，保證接頭的熔合質量后，迅速控制連續焊，結尾處在保證充分熔合的基礎上，避免收尾的縮孔出現，通過拉長電弧或者電弧填充的方式防止。焊接完一面后進行翻面焊接，焊接完一端后，調換焊接液冷板的另一端。

焊接成型如圖5：

e.焊接過程中，注意液冷板本體的保護，避免硬性的磕碰，遮擋板要有效遮擋，端頭接管的保護套防止脫落。導電盡量用焊縫部位接觸下部導電板，防止母材出現閃擊點。

（4）焊接工藝參數設計

調節方法及設定的焊接參數是經過多組參數對比試驗而得，本節不詳細論述對比試驗的過程。直接提供試驗取得參數調節方法及參考數值。

a.調節面板的功能設置，為了操作簡單，保證焊機在最理想的狀態下焊接，先開啟面板左邊的“一元/個別”按鈕設置為“一元”燈亮；面板右邊的“焊絲材質”按鈕設置為“鋁硅”燈亮；“焊絲直徑”按鈕設置為“1.2”燈亮；“脈沖選擇”按鈕設置為“雙脈沖”燈亮；“操作模式”按鈕設置為“2T”燈亮。如圖6。

b.焊接參數設置

焊接電壓和電流：基礎焊接電壓19.2V，電流82A。依據操作者焊接習慣不同，電壓的調節范圍控制在19.2～20之間，電流控制在75～85A之間。

程序設置：“一元”狀態下，重新選擇焊絲材質“鋁硅”，焊絲直徑“1.2”，并按“調整”鍵，調整“Pr1～Pr7”的值，如下圖所示。

弧長控制：在焊接過程中，電弧長度調整在1-2mm最為合適。如果為了提高焊接速度，電壓和電流設置的數值較大，電弧長度可以控制在2-4mm。

干伸長：干伸長即焊絲伸出槍口的長度，最理想的干伸長為10～15mm。焊接過程中，焊槍口與工件之間要始終保持這個高度。

（5）焊接工藝難點及缺陷修補

a.焊接工藝難點

液冷板MIG的焊接完成后，必須將焊道加工打磨后與母材齊平，形成完整無缺陷的整體效果。因此，焊接過程中必須保證沒有任何咬邊、塌陷、根部未熔合及根部氣孔、夾渣的缺陷。液冷板壁厚僅2mm，內部為介質通道，尤其是水嘴端頭部分，必須控制熔深，防止燒穿和塌陷封閉通道的嚴重缺陷。打磨后的成品要做封閉性檢驗，做0.7Mpa氣密性檢測。這是液冷板最重要的工藝難點。焊道的成型如何，焊接過程是一遍成型，必須保證根部的焊接質量。焊接人員在焊接過程中從焊道的清理、點焊加固、接頭處理、焊接過程中，根部完美的融合性控制、保護氣體氬氣的純度等，每一個環節都不能馬虎，成品的合格率要保證95%以上。

b.常見的焊接工藝缺陷產生的原因分析

氣孔：保護氣體不純或供氣不足、防風措施不利卷入空氣、噴嘴被飛濺物堵塞不暢通、噴嘴與工件的距離過大導致電弧過長、電弧電壓太高、焊絲及母材質量缺陷、焊接區表面被污染，油污水分等未清除。

咬邊：電弧過長、弧壓過高、焊接速度過快、焊接電流太大、焊絲位置不當沒有對中、焊絲擺動不平穩等。

未熔合：焊接電流太小、送絲不均勻、電弧電壓參數不對、焊接速度過快、焊絲對中差未能熔焊到等。

焊縫成型不良：主要是工藝參數不適合、焊絲位置不對中、送死滾輪的中心偏移、焊絲矯直機構調整不當、導電嘴松動等。

梨形裂縫：是焊接過程中（非收尾處縮孔）產生的類似梨形的裂紋，主要是焊接電流過大、焊接速度不穩、坡口過窄、電弧電壓太低等。

電弧不穩定：是導電嘴松動或已經磨損或是與焊絲比直徑過大、焊絲盤轉動不均勻，送絲輪溝槽磨損或不配套、加壓滾輪壓力不適合、導絲管藏污納垢或破損產生阻力過大、焊接電流過低或電弧電壓波動、焊絲干伸長過大、焊件上有臟污、地線放的位置不當等。

飛濺：主要因短弧過渡時電感量不適當、焊接電流和電弧電壓配合不當、焊絲和焊件清理不良等。

焊接缺陷處理：用直磨機修整后重新熔焊即可

4 焊接時勞動保護措施

液冷板MIG焊接時主要有煙氣、弧光輻射、噪音等危害身體健康。必須采取嚴格的防護措施，加強勞動保護。

（1）在焊接工作場地設置良好的通風措施。無完整通風設備時，焊工操作區采用小型自凈式電焊煙塵吸收器除塵、濾毒。

（2）焊工操作時要帶靜電防塵口罩，防護口罩，建議采用3M-9501V（防焊接煙塵等）。穿好工作服，戴好手套。

（3）對焊工進行定期的體檢。上崗之前必須進行專項安全作業培訓。HGJ222--92《鋁及鋁合金焊接技術規程》之要求。

5 結束語

（1）電動汽車電池液冷板屬于專項焊接工程，通過實踐中的試驗和對比，采用手工MIG熔化極氬弧焊取得了非常好的生產效率及焊接質量。

（2）從實踐工作中總結的焊接工藝設計，其參數明確，操作方便，可行性強。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會焊接分會編.焊接手冊.第2版.第2卷.材料的焊接[M].北京：機械工業出版社，2001，8.