新能源商用車電池包殼體的焊接

河南森源重工有限公司 陳西山 許可可 柴書杰 趙河林

通過分析新能源商用車電池包殼體采用的某型鋁合金的特性和焊接難點，選用TIG焊焊接方法，使用IGBT交、直流TIG弧焊電源，并設計合理的焊接工藝路線和防變形措施，使得焊接缺陷和焊接變形量顯著減小，焊接完成的電池包達到設計技術要求。

圖1 電池包的典型結構

前言

新能源又稱為非常規能源，是指傳統能源之外的各種能源，也指剛開始開發利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、風能、海洋能、生物質能和核聚變等[1]。新能源汽車(New Energy Vehicles)是指采用非常規的車用燃料（非汽油、柴油）作為動力來源，綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進，具有新技術、新結構的汽車。我國的新能源汽車主要包括純電動汽車（BE V）、混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FCEV）等。電池包是新能源汽車的核心能量源，為整車提供驅動電能，它主要通過殼體包絡構成電池包主體，其形狀類似于圖1所示結構。作為電池模塊的承載體，電池包的焊接質量對保證電池模塊的安全工作和防護起著關鍵作用。

電池包殼體焊接

鋁合金材料具有較高的比強度、比模量、斷裂韌度、疲勞強度和耐腐蝕穩定性。與碳鋼能傳統材料相比，其密度低、無磁性，低溫下合金相穩定，在磁場中比電阻小、氣密性好，易加工成型，采用鋁合金代替鋼鐵材料，結構自重可以減輕50%以上。采用鋁合金材料作為電池包加工的原材料已經成為了發展趨勢，因而鋁合金殼體的焊接也成為了研究熱點。

由于鎢極氬弧焊的焊接過程穩定，電弧能量參數可精確控制，氬氣在高溫下不分解、不吸熱、熱導率小，因此，電弧的熱量損失小，電弧穩定。焊接時，氬氣形成良好的氣體隔離層，有效阻止氧、氮等氣體侵入焊縫金屬，焊接質量好。焊縫區無熔渣，焊接時，焊工可以清楚地看到熔池和焊縫成形過程，能夠實現高品質的焊接，得到優良的焊縫。結合鎢極氬弧焊的特點和現有的技術和設備條件，筆者考慮選用TIG焊焊接鋁合金電池包殼體。

1.鋁合金材料焊接難點

a. 鋁合金熱導率很大，大約為鋼的2～4倍，同時耐熱性很差，線膨脹系數大，容易產生焊接變形，焊接裂紋傾向也很明顯；

b. 鋁合金焊接中極易產生氣孔，由于在熔池中的氫不能在焊縫成型之前排出，就導致了焊縫中存在氣孔；

c. 鋁合金表面容易形成一層難熔的氧化膜（Al2O3），熔點高達2000℃以上，阻礙母材的熔化和熔合；

d. 鋁合金的焊接接頭軟化情況嚴重，焊縫強度系數低于母材；

e. 鋁合金材料在熔化狀態下表面張力小，很容易凹陷。

2.焊接電源

鋁合金TIG焊一般采用工頻交流電源，用純Ar或含10%He的混合氣做保護氣體，在交流正極性的半波里（鋁工件為陰極），陰極有去除氧化膜的作用，可以清除熔池表面的氧化膜；在交流負極性的半波里（鎢極為陰極），鎢極可以得到冷卻，同時可發射足夠的電子，有利于電弧穩定。

2.1 焊接設備主要功能

焊接電源選用某品牌焊接設備控制交、直流TIG弧焊電源，如圖2所示，此電源有以下幾個功能：

a.具有交流TIG、直流TIG、MIX TIG等多種焊接模式，交流焊接電弧有柔性、硬性及混合三種電弧功能供選擇；

b.獨有的MIX TIG方式焊鋁，與普通AC TIG方式相比，提高了焊接性能，大幅度降低了電極消耗；

c.中頻脈沖和低頻脈沖兩種控制方式，可實現對薄板、異種金屬、不同板厚和雙面成形的高品質焊接；

d.先進的擺動電抗器控制，可實現穩定交流方波輸出，有效降低了工作時的電流噪聲；

e.交流焊采用可自由調節的矩形波，輸出頻率可在70~100 HZ間切換，實現對6000和7000系列鋁合金及鋁青銅的高質量焊接；

f.2臺WX焊機通過協調控制可實施雙面共熔池焊接工藝，實現鋁的高效焊接。

2.2 焊接電源額定規格

圖2 YC-300WX焊接電源

通過調節交流輸出頻率、轉換不同的焊接模式，焊接電源可實現各種鋁材的焊接，滿足不同的焊接需求，其主要額定參數見表1。

3. 電池包殼體材料

3.1 EN AW-5052鋁合金成分

電池包殼體材料選用EN AW-5052鋁合金，其屬于Al-Mg系合金，主要合金元素為Mg，具有良好的成形加工性能、抗蝕性、焊接性。其化學成分見表2。

3.2 EN AW-5052鋁合金工藝性能[2]

a.熱塑性好，溫度為420℃~475℃時，變形率＞80%；

b.該合金的氣焊、電弧焊、電阻焊、氬弧焊等的焊接性能良好；

c.焊縫的強度和塑性高，焊縫強度達到母材強度的90%~95%。

4. 殼體焊接

電池包殼體作為電池模塊的承載體，裝配時，其對殼體尺寸精度要求較高。但是，由于鋁合金材料本身的特性，焊接變形量較大，所以焊接時應設計合理的工藝路線和工裝來減小焊接變形，使電池包殼體焊后尺寸精度達到電池包模組的裝配要求。

4.1 焊前清理

4.1.1 化學清理

使用油污清洗劑或超聲波除油，用40℃~70℃的5%~10%NaOH溶液清洗3~7min之后，用流動清水沖洗，然后用20℃~60℃的30%HNO3溶液洗1~3min，再用流動清水沖洗，風干。

表1 某品牌額定參數表

表2 EN AW-5052化學成分

4.1.2 機械清理

表3 電池包焊接參數

表4 防變形措施前后變形量對比

圖3 預變形和剛性固定示意圖

如果化學清理后又被沾污時，常采用機械清理。先用油污清洗劑或超聲波除油，隨后用直徑0.15~0.2mm的不銹鋼絲刷或者使用刮刀進行清理，直至露出金屬光澤為止。

4.2 焊接參數[3]

鋁合金本身的導熱系數大（約為鋼材的4倍），散熱快，在相同焊接速度下，焊接鋁合金時的熱輸入量要比焊接鋼材時的熱輸入量大2~4倍。氬氣是TIG焊時最常用的保護氣體，一般要求氬氣的純度≥99.99%。焊接速度的選擇主要根據工件厚度決定，并和焊接電流、預熱溫度等配合以保證獲得所需的熔深和熔寬。表3為電池包殼體焊接參數。

4.3 工裝準備

為保證電池包裝配精度，電池包殼體焊接時，采用預變形法和剛性固定法兩種防變形措施減小焊接變形。電池包殼體箱沿上鉚接著壓鉚螺母，用來與頂蓋進行裝配，根據壓鉚螺母間尺寸設計固定工裝，殼體焊接時，對殼體進行預變性和剛形固定。圖3為預變形和剛性固定示意圖。

焊后檢驗

電池包殼體焊接完成后，根據焊接過程檢驗卡進行檢驗，經過上述合理焊接工藝路線的選擇以及防變形措施的應用，鋁合金電池包殼體的焊接缺陷和焊接變形都得到明顯的改善，達到了電池包的設計要求。表4為采用防變形措施前后電池包殼體變形量的對比。