淺談新能源汽車電池框架總成焊接工藝的優(yōu)化

趙雪霏，時景光，王 毅，宋愛民

（1.湖南元創(chuàng)機械有限公司，湖南 醴陵412200；2.雪花啤酒（嘉善）有限公司，浙江 嘉善314100；3. 江蘇傲世鍛壓科技有限公司，江蘇 揚州211400）

電池框架總成是連接車架和動力電池的核心零件，需要搭載360kg 左右動力電池荷載，保證汽車在行駛過程中受到各種沖擊、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力的作用下，汽車核心動力部件——電池不受損。該產(chǎn)品起到重要的承載作用和連接功能,直接決定著整個車身的剛性和承受沖擊性,及電池的安全性。在產(chǎn)品設(shè)計方面，為滿足產(chǎn)品承載和沖擊性能，提升新能源純電動車輕量化、節(jié)能、提高續(xù)航里程的性能指標，電池框架主體零件選用SAPH440 高強鋼，加強零件選用B410LA、B210P1 高強鋼代替普通鋼板，來提升整車強度的同時降低車身重量的目的。電池框架產(chǎn)品特性、結(jié)構(gòu)特點和安全要求，決定其焊接生產(chǎn)工藝需要保證、質(zhì)量一致性、穩(wěn)定性。

1 焊接工藝選擇

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

如圖1 所示，該電池框架屬于框架類焊接結(jié)構(gòu)件，八支主梁是U 型沖壓件，其中車身X 軸方向的4支主梁，長度1760.6mm，而開口寬度僅有33.8mm，最窄處只有20.6mm，腹面段差達到67.2mm，導(dǎo)致產(chǎn)品在焊接后極易變形。

圖1 電池框架示意圖

1.2 產(chǎn)品尺寸精度要求高

本產(chǎn)品焊點638 個，二氧化碳保護焊道共計89處，總長2078mm。總成產(chǎn)品與電池包及車身采用2個定位銷與34 個螺紋裝配方式，且需要一次性同時裝配，產(chǎn)品輪廓度要求±0.7mm。全尺寸精度95%以上，關(guān)鍵管控尺寸精度達到100%。

1.3 焊接產(chǎn)線的規(guī)劃及節(jié)拍

為保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量一致性，總成工位采用機械手焊接生產(chǎn)線。焊接自動焊接生產(chǎn)線，通常有兩種產(chǎn)線布置方式，一種是焊接機器人加搬運機器人組成的系統(tǒng)，需要投入焊接、搬運兩種功能的機器人，設(shè)備投入成本高，產(chǎn)線占地面積大；一種是采用焊接機器人加伺服吊裝搬運系統(tǒng)，該方案可投入較少的場地面積，但需要增加桁架及伺服機構(gòu)，因產(chǎn)品重量達35.85kg，為達到產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍，各工站吊運機構(gòu)需要投入大扭矩高精度伺服電機驅(qū)動才能達到要求，無形中也增加了產(chǎn)線成本。

因機械手工作半徑及工作角度極限限制，對于處于工作機械手工作能力外的焊點，多采用單工位多臺機械手聯(lián)合作業(yè)或者增加作業(yè)工位來滿足的方式，如圖2 所示。

圖2 常規(guī)自動線產(chǎn)線布置示意圖

依據(jù)車型生產(chǎn)綱領(lǐng)要求（3500 臺/月），綜合考慮產(chǎn)線設(shè)備投入成本和生產(chǎn)效率，我們設(shè)計了伺服旋轉(zhuǎn)專用工裝，解決了機械手工作能力外的極限焊點的焊接問題，同時設(shè)計了搬運焊接一體化機構(gòu)，使一臺機械手可以完成焊接與搬運任務(wù)，不但減少了場地占用面積，也降低了產(chǎn)線投入成本，如圖3 所示，產(chǎn)線成本比較如表1 所示。

圖3 總成產(chǎn)線示意圖

2 焊接工藝難點

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和尺寸精度要求，使得如何降低焊接變形、保證產(chǎn)品焊后的尺寸精度及焊接強度成為難點。對此，我們從焊接參數(shù)選擇、焊點次序、夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計等幾方面進行優(yōu)化，保證產(chǎn)品符合設(shè)計要求。

2.1 采用正交試驗，合理選擇焊接參數(shù)

據(jù)上所述，本產(chǎn)品共638 個焊點，焊點強度受焊接熱影響區(qū)影響較常規(guī)產(chǎn)品大，為了保證焊接強度，在焊接參數(shù)的選擇上，我們分析了焊接電流、通電時間、加壓力、保持時間四個影響因子，設(shè)計了四因子四水平的正交試驗，對焊接條件選擇予以科學(xué)化定量驗證。

表1 各總成產(chǎn)線比較

2.2 焊點順序標準化

因產(chǎn)品的細長梁框架結(jié)構(gòu)，組焊關(guān)系復(fù)雜，實際工藝驗證過程中，我們發(fā)現(xiàn)，梁底面、側(cè)壁、法蘭面焊接順序變更，也會造成產(chǎn)品焊后品質(zhì)不一，為克服這一影響，我們摒棄常規(guī)的相鄰點順序焊接的方式，對焊點先后順序進行多輪驗證，選定最終焊接順序，在PLC 中編程，并在作業(yè)指導(dǎo)書中進行標準化，保證焊接產(chǎn)品尺寸精度。如圖4 所示。

圖4 焊點順序示意圖

2.3 夾具結(jié)構(gòu)

因沖壓單品精度一致性及公差累積影響，各批次間存在一定的尺寸差異，為降低過程變異，保證焊接一致性，在焊接夾具的設(shè)計上，采用增加夾持點提升夾具剛性固定，來控制焊接變形。如圖5 所示。

圖5 夾具增加剛性固定

2.4 控制焊接變形的措施

焊接過程中發(fā)出的巨大熱量及熱量不對稱，導(dǎo)致的膨脹不一致，是焊接變形產(chǎn)生的重要原因。另外，各沖壓單品零件的精度及產(chǎn)品一致性，也是產(chǎn)生焊接變形的次要因素。

依據(jù)物料熱脹冷縮的原理，結(jié)合焊接結(jié)構(gòu)件同一部位加熱產(chǎn)生的伸長量小于該部位收縮量的實際情況，為防止焊接后Y 向彎曲變形，在夾具上，我們采用4mm 的工藝墊片，再設(shè)置氣缸，反向強行下壓，消除焊接熱影響造成的變形（如圖6 所示）。同時在焊接工藝設(shè)置上，焊后將夾持松開時間延遲5s，進一步抵抗焊接變形。

圖6 反變形示意

3 結(jié)語

綜上所述，電池框架對焊接工藝技術(shù)的要求非常嚴苛，整個工藝流程任何缺失，都會造成產(chǎn)品精度下降，進而無法完成整車電池裝配或產(chǎn)生裝配應(yīng)力造成后續(xù)電池發(fā)生安全事故的嚴重影響。通過采用自動化生產(chǎn)及在焊接工藝上采取如上措施，來降低操作人員、過程變異等，減少了過程變差，不但保證了產(chǎn)品焊接強度，也保證了質(zhì)量一致性，提升了過程能力。為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度產(chǎn)品焊接制造工藝，提供了解決思路。