電池托盤用鋁合金攪拌摩擦焊焊縫缺陷分析

唐愛國 黃崢 王俊 黎顯俊 曹宇

摘 要：采用攪拌摩擦焊方法對新能源汽車電池托盤用6XXX鋁合金型材進行焊接。焊接過程中經常會產生焊縫孔洞、焊縫內凹、隧道等缺陷。本文對攪拌頭、轉速、進給、下壓量等工藝參數選擇不當所產生的接頭缺陷進行了分析。

關鍵詞：新能源汽車;電池托盤;6XXX鋁合金;攪拌摩擦焊;缺陷

中圖分類號： U466;TG379? 文獻標識碼：A

Abstract：The 6XXX aluminum alloy profile used in new energy vehicle battery tray was welded by friction stir welding method.In the welding process， there are often weld holes， weld concave， tunnel and other defects.In this paper， the joint defects caused by the improper selection of process parameters such as stirring head， rotating speed， feed and lower pressure are analyzed.

Keywords：New Energy Vehicles;Battery Tray;6XXX Aluminum Alloy;Friction Stir Welding ;Defects

隨著新能源汽車的快速發展，6XXX鋁合金作為新能源汽車電池托盤材料呈現出主流趨勢，其主要原因在于6XXX鋁合金具有良好的力學性能、優異的焊接性能、較高的比強度等特點[1-4]。近幾年來，攪拌摩擦焊作為一種新型的焊接方式，被廣泛應用于汽車用鋁合金的焊接領域[5-7]。目前電池托盤用6XXX鋁合金攪拌摩擦焊接過程中會出現很多缺陷，如隧道、溝槽、孔洞、變形、變形、錯邊、飛邊等缺陷。本文以電池托盤用6XXX鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷為研究對象，在大量的生產試驗的基礎上，總結了常見缺陷的種類和特點。并通過攪拌頭、轉速、進給、下壓量等工藝參數的優化提高攪拌摩擦焊的焊接質量，這為電池托盤用6XXX鋁合金攪拌摩擦焊的實際生產應用具有一定指導作用。

1實驗材料及方法

1.1實驗材料

實驗材料為6063和6061 鋁合金，其合金成分[8]見表1所示。

1.2 實驗方法

新能源汽車電池托盤坯料生產流程：熔煉→鑄造→均勻化熱處理→機加工→預熱→擠壓→熱處理→機加工→焊接→機加工等。常見的攪拌摩擦焊要求有：焊接寬度均勻一致，焊縫表面呈均勻的鱗狀紋，除底板-邊框焊接時焊縫端部的焊頭孔外，不允許有焊頭孔，不允許有補焊。攪拌摩擦焊單邊熔深≥3.5mm;焊縫寬度≤12mm（攪拌頭軸肩直徑），摩擦焊強度>70%，焊縫缺陷滿足ISO 25239-5：20II《攪拌摩擦焊-鋁合金：質量檢驗要求》。不得有明顯的抬刀和下壓痕跡，凹痕最大不得超過0.5mm。

攪拌摩擦焊焊接前控制探針與預焊點的相對位置，使攪拌頭進給方向與焊縫對齊，焊接過程中攪拌頭旋轉方向為逆時針方向，選取實驗的焊接工藝參數：攪拌針規格、轉速、進給、下壓量，具體數值見下表2所示。

2實驗結果及分析

2.1 宏觀缺陷分析

將攪拌摩擦焊焊接完成的電池托盤進行取樣，進行宏觀缺陷分析[9-10]。檢測結果見下表2所示。焊縫檢測出缺陷：焊縫內孔、焊縫內凹和隧道如圖1所示。

2.1.1內部孔洞

內部孔洞的形成涉及到攪拌摩擦焊接頭內部熱塑性材料的復雜流動情況。當焊接過程的熱輸入不足時，達到塑性化狀態的材料不足，材料流動不充分而導致在焊縫內部形成材料未完全閉合。

內部孔洞與接頭內部熱塑性材料的流動情況有直接關系，如圖2，前進側母材的流動方向和攪拌針周圍的熱塑性材料流動方向相反，而返回側母材的流動方向和攪拌針周圍的熱塑性材料流動方向相同，攪拌針周圍的熱塑性材料在攪拌針的旋轉作用下從前進側被帶到返回側，并在返回側發生沉積，如果焊接參數不恰當，導致焊接過程溫度較低，熱塑性材料的流動狀態變差，這樣前進側被攪拌針帶走的材料得不到及時的補充，因此就會在接頭內部形成孔洞，如表2數據4和12出現的孔洞，就是由于轉速低焊速高導致熱量輸入不足。

前進側上部的熱塑性材料在軸肩的壓力和攪拌針的作用下主要向下流動，而前進側下部由于受軸肩的作用小，只是在攪拌針的旋轉與擠壓作用下帶動一部分材料向上運動，兩股交匯的熱塑性材料向焊核內部運動，并在孔洞周圍沉積下來;而返回側的熱塑性材料在軸肩和攪拌針的作用下由上部向下部運動，由此可知，攪拌頭軸肩的壓力對改善孔洞缺陷有不可或缺的影響。如表2數據3和4，數據11和12，同樣的轉速和焊速，由于數據4和12的壓力較大，孔洞沒有變成連續形的孔洞缺陷——隧道缺陷。

2.1.2隧道型缺陷

內部孔洞如果在焊縫長度方向上延伸較長時就形成隧道型缺陷，這是比較典型而且危害最大的一種缺陷。圖1（a）為其X射線透射照。表2中的數據3和4，由于轉速低焊速高，輸入熱量較低，形成了隧道缺陷。

關于這種缺陷的產生，主要有以下幾種原因：

攪拌頭旋轉速度過小或者焊接速度過大時會在焊縫中產生這類缺陷。因為攪拌頭旋轉速度減小和焊接速度增大都會直接導致焊接過程熱輸入不足，從而達到熱塑性狀態的金屬體積減少，塑性金屬的流動性變差，以致前進側金屬未能被來自返回側的塑性金屬及時填充，而導致此區內金屬量減少，最終在此處留下巨大隧道，如表2數據3和11，試驗還發現，當試樣之間留有間隙時，常會在焊縫中發現隧道型缺陷。其產生原因是由于間隙的存在使得焊縫連接所需的塑性金屬減少，在沒有塑性金屬補充的情況下只能是在焊縫中形成隧道型缺陷。

實驗發現，攪拌針長度對焊接缺陷影響較小，如表2數據所示，不同攪拌針長度產生的缺陷規律和類型基本一致。

2.2無損檢測分析

將攪拌摩擦焊宏觀缺陷分析無缺陷樣品，進行無損檢測分析[11-12]。檢測結果見下表3所示。

3結論

綜上所述，如果想要避免焊接過程中出現孔洞或隧道型缺陷，除了要選擇適當的焊接工藝參數外（攪拌頭轉速、焊速、壓力），還要避免待焊件之間存在間隙。試驗還發現，采用帶螺紋的錐形攪拌針比不帶螺紋的攪拌針更容易避免隧道型缺陷的產生，因為帶螺紋的錐形攪拌針增大了塑性金屬的流動性。

參考文獻：

[1]李飛慶. 新能源汽車電池托盤用高性能6061鋁合金型材生產工藝探討[J]. 鋁加工，2020，（1）：38-41.

[2]陳吉龍，程仁寨，張小剛，等. 熱處理對電池托盤用6061鋁合金組織與性能的影響[J]. 中國金屬通報，2020，（10）：1-2.

[3]湯林志，王祝堂. 電動汽車用擠壓鋁合金新進展[J]. 輕合金加工技術，2020，48（7）：1-6.

[4]余冬梅. 電動汽車擠壓鋁合金新進展[J]. 鋁加工，2020，（1）：4-7.

[5]張璐霞，林乃明，鄒嬌娟，等. 鋁合金攪拌摩擦焊的研究現狀[J]. 熱加工工藝，2020，49（3）：1-6.

[6]陳宇豪，薛松柏，王博，等. 汽車輕量化焊接技術發展現狀與未來[J]. 材料導報，2019，33（z2）：431-440.

[7]楊海峰，許欣欣，郭孜頌，等. 鋁合金T形接頭攪拌摩擦焊研究進展[J].焊接，2019，（3）：12-17.

[8]GB/T 3190-2008， 變形鋁及鋁合金化學成分[S].

[9]GB/T 3246.2-2000， 變形鋁及鋁合金制品低倍組織檢驗方法[S].

[10]GB/T 3246.1-2000， 變形鋁及鋁合金制品顯微組織檢驗方法[S].

[11]NB/T 47013.2-2015，承壓設備無損檢測第2部分：射線檢測[S].

[12]GB/T 22087-2008， 鋁及鋁合金的弧焊接頭：缺欠質量分級指南[S].

作者簡介：

唐愛國（1972—），男，廣西全州人，工程師，本科，主要研究方向：機械工程。

（1南南鋁業股份有限公司，廣西 南寧 530299;2梧州學院機械與材料工程學院，廣西 梧州 543002）