鑄造鋁合金電池箱體攪拌摩擦焊工藝研究

戴俊良，張琦，趙慶軍，胡玲海，楊永泉，石利軍

一汽鑄造有限公司鑄鍛研究院 吉林長春 213810

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是利用摩擦產生的熱量實現板材連接的一種固態連接技術，由英國焊接研究所（TWI）于1991年發明。攪拌摩擦焊技術發明至今，已經發展成為在鋁合金結構制造中可以代替熔焊技術的工業化實用的固相連接技術。

攪拌摩擦焊目前廣泛用于航空航天、高速軌道列車、汽車輕量化結構以及各種鋁合金型材拼焊結構的制造中。隨著新能源汽車的迅速發展，電池箱體的焊接工藝也呈現多樣化，目前電池箱體水冷板主要的焊接工藝有攪拌摩擦焊、釬焊、MIG焊。本文以一種鑄造鋁合金電池箱體水冷板的攪拌摩擦焊焊接工藝研究為例，為使用攪拌摩擦焊焊接水冷板過程控制提供相應的制造經驗。

電池箱體的攪拌摩擦焊焊接

1.焊接區域

以一款某公司生產的電池箱體的焊接為切入點（見圖1），進行攪拌摩擦焊工藝的分析與研究。該電池箱體采用鑄造鋁合金成型+水冷板焊接+整體加工形式，對比型材焊接工藝，可以減少零件組裝的連接工藝，還可以提高裝配尺寸的精度。

圖1 電池箱體

該電池組應用于某款高級車型，對電池的熱管理有著極高的要求，為了達到設計要求，液冷板的水道布置更加復雜，給熱管理系統的焊接帶來很大的難度。

2.焊接分析

（1）焊接區域面積大、壁厚薄 該電池箱體焊接區域尺寸為800mm×280mm，鑄造鋁合金本體焊接位置壁厚6mm，冷卻水道壁厚3mm，焊接冷板厚度2mm，如圖2所示，屬于典型的薄壁易變形零件。電池箱體鑄造后免熱處理工藝，采用校正模具校正，其殘余應力大，在機床加工焊接區形狀和平面時，零件內應力釋放會產生變形，影響本體與冷板的貼合度，造成焊后零件的面輪廓度超差，達不到熱管理系統的要求，還容易產生焊接外部、內部質量缺欠。

圖2 焊接區域與焊接冷板

（2）焊接應力 因鑄造鋁合金內部組織較鋁型材疏松，焊接時需施加大于鋁合金型材焊接時的恒壓力，確保焊接區域填充飽滿緊實。

（3）焊后尾孔 焊道結束時，會留下一個尾孔，尾孔處焊接強度低于其他焊道，將對氣密性、抗震性、耐靜壓及爆破壓力檢測等產生關鍵性影響。因此，焊后尾孔必須采用有效的工藝進行填堵。

（4）焊接形式 電池箱體的焊接接頭形式為單層搭接接頭和搭接+對接接頭復合兩種形式（見圖3，圖中灰色為焊接冷板，紅色為電池箱體本體），焊接軌跡分為平滑段、上升段、下降段和轉角段四種。不同的接頭形式和焊接軌跡需采用不同的工藝參數避免焊接表面缺欠和內部缺欠。

圖3 焊接形式

焊接工藝

1.設備選擇

設備型號：LM2520-2D-3T，設備采用靜龍門式。

設備行程：長X=2500m m，寬Y=1600m m，高Z=500mm，工作臺承載3t。

焊接軌跡：二維直線、曲線焊接。

試驗過程中加裝恒壓力調節功能，焊接區域安裝了極速強冷裝置，B軸可以0至±5°手動調節。適當的B軸角度調節功能與恒壓力控制系統和合理的攪拌頭壓入量，使金屬流體容存量適中，不會產生毛刺；量產時可增加攪拌針磨損檢測功能。

2.零件裝夾與定位：隨動式壓緊焊接夾具

電池箱體夾具采用一面兩銷的定位方式，來保證零件加工位置正確；夾緊方式采用液壓油缸4點主壓緊來緊固電池箱體，確保零件不受焊接力而產生移動，壓緊力是焊接合力的1.2～1.5倍。

焊接合力

式中F——焊接合力；

F1——進給推力；

F2——攪拌頭旋轉扭力；

F3——作用在攪拌頭軸肩的傾角壓力。

因焊接冷板四周有電池箱體限制移動，只需要控制焊接冷板上翹，采用了14個強力焊接夾緊氣缸對焊接冷板進行上下方向固定（見圖4）。

施焊方法如下：

（1）定位 如圖5所示，Z向采用電池箱體冷卻平面（定位面A）定位、支撐，伸縮式彈簧圓柱錐銷定位（定位基準B）與伸縮式圓錐菱形銷（定位基準C）定向。伸縮式彈簧圓柱錐銷（見圖6）與毛坯中預制的圓孔端面配合，通過定位銷前端的錐面與孔口節圓接觸，形成零件圓孔圓心與定位銷中心重合達到X/Y方向定位效果，再通過零件另一端的圓孔端面與圓錐菱形銷（見圖7）的中心重合，控制零件繞定位銷B軸線轉動，可消除毛坯制造過程產生的定位面高度（厚度）偏差和圓孔直徑偏差。

圖5 夾具功能圖

圖6 定位基準B

圖7 定位基準C

（2）夾緊 夾具設計時，為避開夾緊部位與焊接部位重疊，將壓緊單元分為零件主壓緊與焊接冷板壓緊兩套壓緊單元。零件主壓緊單元采用零件四角的四點等高固定支撐，旋轉液壓缸壓緊，CNC程序控制，保證零件在焊接過程中位置穩定，使焊接軌跡在工作中始終沿焊接接頭中心行進。焊接冷板壓緊單元采用氣動多點隨動式壓緊方式，當零件主壓緊單元工作，將零件固定后，焊接冷板壓緊單元起動，將焊接冷板壓緊在電池箱體上。

因焊接冷板壓緊模塊與部分焊縫軌跡重合，為了達到連續焊接效果，采用了多點隨動式夾具設計。當攪拌頭焊接在過程中，即將行進至焊接軌跡最近一處壓緊模塊時，此壓緊模塊通過CNC程序控制打開，對攪拌頭行進軌跡進行避讓，不影響焊接連續性。當攪拌頭無碰撞地安全通過此處焊接區域并到達一定距離后，此壓緊模塊通過CNC程序控制再次壓緊焊接冷板，然后焊接軌跡前方壓緊模塊打開，避讓攪拌頭。夾具中焊接冷板壓緊模塊按上述順序依次打開、壓緊，既對焊接軌跡進行了避讓，又能起到焊接冷板的固定作用，減少零件與焊接冷板因壓緊力不足形成的縫隙，同時又有效地壓緊焊接冷板，減少焊接的變形量。

（3）反變形矩陣模塊 如圖8所示，夾具設計時將Z向定位平面制成陣列式、Z向可調式模塊，在焊接變形量數據庫中選取變形系數，對夾具進行反變形預調，再依據樣件焊接后變形量數據進行反變形量的分析和調整，對變形區域反變形模塊的高度逐點進行調整，利用反變形模塊高度趨勢變化的調整，抵消焊接后平面變形偏差，達到減少焊后變形的效果。采用該方法的焊后變形量達到面輪廓度小于0.6mm。

圖8 反變形支撐矩陣模塊組

（4）螺旋攪拌頭SD4-12-3.5 如圖9所示，攪拌頭采用徑向等速螺旋設計，增加焊縫周圍塑性金屬的流動性，同時將塑性流動金屬向內收集，在軸肩的壓力作用下，使焊接區域的流動金屬更充實緊密，降低表面溝槽與隧道式缺陷的發生。

圖9 焊接攪拌頭

攪拌針長度3.5mm，直徑4mm。根據焊接材料厚度、焊接深度要求，攪拌針的直徑選擇充分考慮了焊接扭矩、攪拌針強度、工藝要求與設備匹配的影響，采用1.2倍的攪拌針長度。

攪拌頭的軸肩直徑12mm，在壓入量與焊接行進的推力作用下，其直徑越小越能減少焊后的變形量，但也會出現金屬流體流動性差，出現內部隧道缺陷和周邊毛刺過大缺欠。反之直徑增大時，攪拌頭軸肩螺旋槽內容納金屬流體越多，不易產生毛刺，但軸肩與零件接觸面積增大后，焊接表面承受的壓力越大，增加焊后變形量，同時恒壓力調整不合理時，又易產生表面溝槽缺陷，所以軸肩直徑的選擇要考慮零件材料與強度、攪拌頭工作扭矩、轉速與進給等因素，盡量選用攪拌針直徑的3～4倍，直徑不易過大。

3.尾孔回填

每段焊縫焊接結束時，電池箱體上都將留下一個與攪拌針形狀一致的尾孔，該尾孔位置焊接強度不到正常焊接強度的50%，影響電池箱體的氣密性及其他性能，需采用熔焊、釬焊及MIG焊等方式進行后處理。這幾種后處理方式在焊核區產生大量的熱，使液冷板焊后變形，必須采用校正工序達到產品要求，增加校正工序提高制造成本。

焊接工藝及優化

1.焊接制備與焊接工藝過程

將夾具安裝到機床工作臺上，找正定位伸縮式彈簧圓柱錐銷定位（B）與伸縮式圓錐菱形銷（C），設定焊接程序坐標系。零件放置在夾具中，調整夾具的零件粗定位擋塊距離，能方便零件取放為宜（零件與擋塊縫隙≤3mm）。調整彈簧伸縮銷高度與伸縮力；檢查各支撐點、壓緊點是否在正確位置，壓緊力是否合理。調整CNC程序中壓緊模塊的順序時間，保證焊接過程無過早打開與延遲壓緊。微調焊縫中心與攪拌頭中心保證重合，全部壓緊模塊壓緊零件與焊接件，焊接制備工作完成。

平滑段為起點開始焊接程序，按標準工藝焊接參數焊接。先將四周搭接+對接復合接頭的焊縫焊接，當焊接軌跡行進至上升段焊接時，這個區間工藝參數需增大轉速加快金屬流動性同時適當降低進給速度。焊接軌跡行進至下降段焊接時，這個區間工藝參數應降低轉速和增大進給速度。當行進至急速轉角焊接時，應將轉速調整至正常轉速的50%，進給速度降低40%，全部工藝參數轉換都在CNC程序中提前設定。起步點接近零件時距離不易過高，大約高于零件0.3～0.5mm，避免缺欠產生。

焊接完成后采用平面螺旋攪拌頭（PD16）將填料焊入尾孔中，此種尾孔回填技術可替代熔焊、釬焊、MIG焊，減小熱變形產生，施焊完成后進行清理飛邊毛刺，產品檢測，成品。

2.焊接參數的優化

此零件焊接接頭形式有搭接、對接+搭接復合，焊接軌跡分為上升段、下降段、平滑段及轉角段（見圖10）。項目中對焊接接頭形式、軌跡行進恒壓力變化等工藝參數進行分析、優化。通過對不同焊接區域調整主軸轉速和進給，減少焊接缺欠的產生。

圖10 焊接軌跡分區

1）平滑段：焊接軌跡為直線或曲線，無明顯高度差，且無急速轉角焊接軌跡區間，這個區間工藝參數選用正常工藝參數即可。

2）上升段：焊接軌跡呈直線或曲線，恒壓力控制Z向深度逐漸向上遞減的焊接軌跡區間。這個區間工藝參數應提高主軸轉速30%和降低進給速度20%。

3）下降段：焊接軌跡呈直線或曲線，恒壓力控制Z向深度逐漸向下遞增的焊接軌跡區間。這個區間工藝參數應降低主軸轉速30%，進給速度提高20%。

4）轉角段：焊接軌跡呈直角曲線或急速圓弧曲線，且恒壓力控制Z向深度不變的焊接軌跡區間。這個區間工藝參數應降低主軸轉速50%，進給速度降低40%。

3.尾孔軌跡優化

如圖11所示，優化前焊接軌跡為起步→攪拌頭插入母材→焊接行進→行進停止→攪拌頭退出。

圖11 焊接前焊接軌跡

如圖12所示，優化后焊接軌跡為起步→攪拌頭插入母材→焊接行進→行進停止→直徑D6圓弧→攪拌頭中心行進至D6圓中心→攪拌頭退出。

圖12 優化后焊接軌跡

在攪拌頭退出前，增加了一個直徑D6的焊核區，并且攪拌頭退出位置在D6焊核區的中心，尾孔周邊焊核區尺寸均勻，有效加強尾孔處的強度和密封性。

4.尾孔回填優化

不論如何對焊接軌跡優化，尾孔的形成不可避免，產品也不準許有尾孔的存在，該項目優化了尾孔回填工藝，采用了填料式螺旋攪拌頭尾孔回填技術。

產品所有焊縫焊接完成后，在每個尾孔處預填一個直徑D3.7mm鋁銖填料（鋁銖體積與攪拌針體積相等），利用尾孔回填攪拌頭（見圖13）的軸肩端面螺旋槽帶動填料摩擦攪拌流動，使填料在尾孔中流動攪拌，與焊接母材融為一體，達到尾孔封堵焊接效果。

圖13 尾孔回填攪拌頭

5.工裝優化

將原工裝的整體支撐面優化成32塊矩陣式支撐模塊（見圖8），每個支撐模塊能獨立調整整體高度，同時也可以對前后左右四個邊分別調整高度，以適應零件不同區域變形量的調整。根據試驗數據分析，高度調整反變形撓度系數在0.5%～0.6%為佳，具體應用時應根據母材材質、攪拌頭參數、焊接工藝參數及焊接形狀等進行微量調整。

結語

通過對焊接夾具、工藝參數、尾孔處理等技術研究，使鑄造鋁合金箱體+水冷板攪拌摩擦焊焊接工藝成熟穩定，焊后零件面輪廓度可以控制在0.8mm以內，滿足水冷板的熱管理系統技術要求。同時氣密性、抗振性、耐靜壓及爆破壓力檢測等技術指標也符合要求，該攪拌摩擦焊焊接工藝技術滿足技術要求、減少制造工序，降低制造成本。