图1 钎焊水冷板电池托盘

原标题：超大型一体化电池托盘的搅拌摩擦焊技术研发及应用

新能源电池托盘所承装的电池模芯方式多样，各家电芯制造厂及整车厂的电池热管理方式不同，电池托盘可以集成冷却管道，也可采用单独的冷却方式。

搅拌摩擦焊技术自20世纪90年代发明以来，在国内外均得到了广泛的研究与应用，已经成功应用于航空、航天、船舶、汽车、电子、电力等领域。随着技术的不断完善和创新，其应用领域将进一步向新能源、医疗器械、环保设备等领域拓展。近年来，随着国内新能源汽车的飞速发展，新能源汽车电池托盘焊接、电机部件焊接、底部部件焊接、电控箱及其他部件焊接都在广泛应用搅拌摩擦焊。

搅拌摩擦焊是一种固态焊接技术，在焊接过程中，搅拌头高速旋转并插入被焊接材料的接头处，通过搅拌头与材料之间的摩擦热和机械作用，使材料发生塑性变形并实现连接。相比于传统的熔化焊接方法（如弧焊、气焊等），搅拌摩擦焊具有焊接接头质量好（接头为细晶锻造组织结构，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷）、残余应力低、变形小、可实现多种接头形式的焊接、焊接效率高、能在较厚的材料范围内实现单焊道焊接成形、接头强度高、疲劳性能好、冲击韧性优异、焊接成本低（无焊接材料消耗，不需要填丝和保护气体）以及焊接操作简单便于实现自动化焊接等特点。

超大型一体化电池托盘的焊道长度是传统型材拼接的电池托盘焊道长度的3倍以上（传统型材拼接的电池托盘都是在产品四周搅拌摩擦焊焊一圈，一体化电池托盘焊道存在于产品四周和中间），搅拌摩擦焊过程中搅拌头的运动轨迹和焊接参数的均匀性控制难度增加。保证在整个托盘焊接区域内都能实现良好的焊接质量，避免出现局部焊接缺陷，如未焊透、弱连接等问题，是需要解决的重要挑战。本研究针对超大型一体化压铸电池托盘的搅拌摩擦焊工艺进行研究，旨在为相关生产提供参考。

图文结果

目前市场上常见的大型型材拼接电池托盘电池冷却方式为在电池托盘本体安装多层钎焊的水冷板（见图1），但该方式成本高，整体质量大。目前我司在制造大型一体化压铸电池托盘时，创新设计为在电池托盘本体集成水冷通道（见图2），再利用搅拌摩擦焊工艺把一块单层的铝板焊接到电池托盘本体上形成水冷通道，大幅降低了成本，减轻整体的质量，通过铸件本体就可以实现复杂的水路。

我司为某整车厂开发的大型电池托盘见图3，该产品尺寸为2 000 mm×1 600 mm×123 mm，最薄壁厚为3 mm，需要搅拌摩擦焊安装两块A5052合金材质，尺寸为1 750 mm×551 mm×2 mm的水冷板。搅拌摩擦焊的焊道共12条，焊接轨迹总长度为21 m，焊道轨迹复杂，焊接后产品变形大，电池模组平面度要求0.8 mm以内，装配完水冷板后总质量为60 kg。

该电池托盘的搅拌摩擦焊难点主要体现为：①搅拌摩擦焊（FSW）水冷板厚度薄（2 mm），FSW焊接过程需要铝板与铸件贴平，才能保证焊接质量，一旦翘起变形就会导致焊接不良。因此焊接时需对水冷板压紧，焊接后及时释放压紧，焊接设备要求边压紧、边焊接、边释放，做到有效配合；②焊道长21 m，路径复杂，对焊接设备的轨迹精度控制要求高；③产品平面尺寸大、易变形，且变形量波动幅度大，导致FSW焊接夹具的设计与制造难度大；④焊接强度≥本体性能的70%。

图2 单层水冷电池托盘

图3 一体化电池托盘产品图

目前搅拌摩擦焊焊具根据轴肩分类，可以分为动轴肩焊具和静轴肩焊具。动轴肩在焊接过程中会随着搅拌头一起旋转，这使得轴肩与被焊接材料之间产生相对运动，通过摩擦生热来促进材料的软化和流动，有助于形成良好的接头。动轴肩能够提供较大的摩擦热输入，有利于提高焊接效率和接头质量。其可以使接头金属材料充分塑化，并且在搅拌作用下，材料的混合和均匀性较好，能够减少接头中的缺陷。图4为动轴肩焊具和焊缝实物图。

静轴肩搅拌摩擦焊采用轴肩与搅拌针分体式设计，在焊接过程中内部搅拌针转动，而外部轴肩不转动，仅沿焊接方向行进。图5为静轴肩焊具和焊接实物图。由于轴肩不转动，表面热输入减小，工件厚度方向热量分布相对较均匀；接头摩擦热量分布较为均匀，组织均匀性好，接头表面光洁，飞边量小。此外，静轴肩能够有效抑制接头材料挤出，减少接头减薄，可实现角接头结构，降低孔洞、隧道等缺陷的形成几率，接头性能优良。

图4 动轴肩焊具和焊缝实物图

图5 静轴肩焊具和焊接实物图

针对超大型一体化电池托盘的结构特点和焊接要求，前期用了同样的板材在两种不同的焊具进行测试。图6为两种轴肩焊具的表面粗糙度和板减量对比。各图中间位置为搅拌摩擦焊焊道，静轴肩焊具焊接后母材的板减料只有83.71 μm，表面也更光滑。静轴肩焊具能够有效抑制接头材料挤出，减少接头减薄，工件厚度方向热量均匀，表面接头光滑、无飞边，表面减薄量小，更能满足力学性能要求和金相要求，因此选用静轴肩焊具。电池托盘的焊道宽度为12 mm，因此轴肩宽度设计为10 mm，水冷板的厚度为2 mm，根据搅拌摩擦焊的工艺需求，焊深推荐深度为1 mm，焊具宽度为3.2 mm，以确保在焊接过程中能够有效地搅拌材料，实现良好的接头成形和接头性能。

为了达成高质高效的焊接成效，需全面考量各类因素，借助试验与模拟相互融合的途径，来明确最为适宜的参数组合。选用焊接速度为800～1 500 mm/min，旋转速度为1 600～2 800 r/min，焊接压力为5 300～6 000 N的多组参数组合来开展DOE（试验设计）试验（见表1）。选用材质相同的板材进行测试，焊接完成后，对样件实施金相和拉伸检验。最终确认焊接参数工艺窗口：旋转速度为2 000～2 400 r/min，焊接速度为1 000～1 300 mm/min，焊接压力为5 300～6 000 N，见表1方框处。

图6 两种轴肩焊具的表面粗糙度和板减量对比

表1 焊接参数验证组合和选用的焊接参数

注：×表示金相或拉伸NG；—表示未做此组；○表示质量合格； 虚线框内为工艺窗口。

经过评估，选择搅拌摩擦焊技术和铸件本体复合水冷通道的设计，并采用双机器人搅拌摩擦焊工作站和静轴肩焊具的生产方案来制造超大型一体化电池托盘。

通过双机器人搅拌摩擦焊技术成功制造出高质量的超大型一体化电池托盘。焊接接头的外观光滑、无明显缺陷，内部无气孔、裂纹等缺陷。图7为搅拌摩擦焊断面金相组织。搅拌摩擦焊后板减量要求≤0.4 mm，实测为0.22 mm，满足要求（见图7）；力学性能要求为≥8 225 N，拉伸样件平均测量值为9 130 N，图8为搅拌摩擦焊拉伸力-时间图。可以看出，达到设计要求。

图7 搅拌摩擦焊断面金相组织

图8 搅拌摩擦焊拉伸力-时间图

双机器人搅拌摩擦焊和静轴肩焊具的组合大幅提高了生产效率。相比传统的焊接方法，生产周期缩短了50%，满足了企业大规模生产的需求。虽然搅拌摩擦焊设备的投资相对较高，但是由于其生产效率高、焊接质量好，降低了后续的加工成本和废品率，整体成本效益显著提高。

结论

针对超大型一体化电池托盘搅拌摩擦焊进行研究。选用静轴肩焊具，通过DOE试验确定焊接参数工艺窗口。采用双机器人搅拌摩擦焊工作站及相关流程，成功制造出高质量一体化电池托盘，焊接接头外观好、内部无缺陷，力学性能达标，生产效率提高、成本效益显著。搅拌摩擦焊技术在新能源汽车电池托盘制造中具有重要应用价值，为行业提供了有效解决方案。

《超大型一体化电池托盘的搅拌摩擦焊技术研发及应用》

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本文转载自：《特种铸造及有色合金》