淺談新能源汽車電池框架總成焊接工藝的優化

趙雪霏，時景光，王 毅，宋愛民

（1.湖南元創機械有限公司，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、扭轉等復雜應力的作用下，汽車核心動力部件——電池不受損。該產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。在產品設計方面，為滿足產品承載和沖擊性能，提升新能源純電動車輕量化、節能、提高續航里程的性能指標，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。電池框架產品特性、結構特點和安全要求，決定其焊接生產工藝需要保證、質量一致性、穩定性。

1 焊接工藝選擇

1.1 產品結構特點

如圖1 所示，該電池框架屬于框架類焊接結構件，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，導致產品在焊接后極易變形。

圖1 電池框架示意圖

1.2 產品尺寸精度要求高

本產品焊點638 個，二氧化碳保護焊道共計89處，總長2078mm。總成產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，產品輪廓度要求±0.7mm。全尺寸精度95%以上，關鍵管控尺寸精度達到100%。

1.3 焊接產線的規劃及節拍

為保證產品焊接質量一致性，總成工位采用機械手焊接生產線。焊接自動焊接生產線，通常有兩種產線布置方式，一種是焊接機器人加搬運機器人組成的系統，需要投入焊接、搬運兩種功能的機器人，設備投入成本高，產線占地面積大；一種是采用焊接機器人加伺服吊裝搬運系統，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，因產品重量達35.85kg，為達到產線生產節拍，各工站吊運機構需要投入大扭矩高精度伺服電機驅動才能達到要求，無形中也增加了產線成本。

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合作業或者增加作業工位來滿足的方式，如圖2 所示。

圖2 常規自動線產線布置示意圖

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

圖3 總成產線示意圖

2 焊接工藝難點

產品的結構特點和尺寸精度要求，使得如何降低焊接變形、保證產品焊后的尺寸精度及焊接強度成為難點。對此，我們從焊接參數選擇、焊點次序、夾具結構設計等幾方面進行優化，保證產品符合設計要求。

2.1 采用正交試驗，合理選擇焊接參數

據上所述，本產品共638 個焊點，焊點強度受焊接熱影響區影響較常規產品大，為了保證焊接強度，在焊接參數的選擇上，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，設計了四因子四水平的正交試驗，對焊接條件選擇予以科學化定量驗證。

表1 各總成產線比較

2.2 焊點順序標準化

因產品的細長梁框架結構，組焊關系復雜，實際工藝驗證過程中，我們發現，梁底面、側壁、法蘭面焊接順序變更，也會造成產品焊后品質不一，為克服這一影響，我們摒棄常規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，并在作業指導書中進行標準化，保證焊接產品尺寸精度。如圖4 所示。

圖4 焊點順序示意圖

2.3 夾具結構

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

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

依據物料熱脹冷縮的原理，結合焊接結構件同一部位加熱產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 結語

綜上所述，電池框架對焊接工藝技術的要求非常嚴苛，整個工藝流程任何缺失，都會造成產品精度下降，進而無法完成整車電池裝配或產生裝配應力造成后續電池發生安全事故的嚴重影響。通過采用自動化生產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，不但保證了產品焊接強度，也保證了質量一致性，提升了過程能力。為復雜結構的高精度產品焊接制造工藝，提供了解決思路。