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2023

高端铝合金动力电池包箱体的加工工艺

电池pack

在电动汽车中，动力电池组的重量约占整车的30%。汽车的轻量化和对动力电池系统能量密度的无止境追求，都要求电池组结构的轻量化设计。在电池组系统中，盒子是最大的结构件，重量减轻，因此可以提高能量密度。在结构优化和再优化的前提下，使用新材料是电池盒轻量化的根本途径。暂且不说成本，新生事物小批量的成本比较高，这是后面需要解决的问题，而不是阻止大家考虑其应用可能性的理由。

从整车获得的经验来看，汽车中被认为是钢材替代品的新材料有:铝合金、镁合金、碳纤维复合材料。今天，铝合金是三种材料中技术最成熟的。目前车身很大一部分可以用铝制成，比如热交换器、车轮、车身，铝合金可以达到很好的减重效果。

本文整理铝合金主要类型，以及铝合金箱体主要加工手段。

铝合金的类型和性能

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，约占8。13%. 铝的原子序数为13，原子量为27，熔点为660℃，密度为2.7g/cm^3. 铝合金结构件的实际密度根据加工方式的不同，变化范围很小，压铸约为2.6-2.63g/cm3，挤压约为2.68-2.7g/cm3，锻造约为2.69-2.72g/cm3。

网上查到的典型铝合金板材的力学参数，典型的6系铝板，抗拉强度310MPa，屈服强度276MPa；系列5的力学性能参数低于系列6，系列7的力学性能参数高于系列6。普通钢Q235特征参数，抗拉强度375-500MPa，屈服强度235MPa。与钢和铝相比，铝的抗拉强度和屈服强度略低。

铝合金的种类

1.铸造铝合金的应用

铸造铝合金在汽车制造中应用广泛，可根据不同的汽车生产需要提供不同的铸造方法。在最初的市场上，铸造铝合金主要用于发动机、车轮和防撞梁。铸造铝合金电池组盒有着悠久的使用历史。而原来的主流产品都是采用传统的铸造方式，箱体表面粗糙，精度低，形状简单，箱体壁厚不能太薄。

2.变形铝合金的应用

与铸造铝合金相比，变形铝合金具有更大的随机性和强度优势，合金含量相对较低，因此一般用于汽车装饰件、结构件、散热系统和车身板件。变形铝合金包含一系列铝合金板材，其中强度高、可焊性好的板材已被用于制造电池组盒和模块。

3.铝基复合材料的应用

这种铝合金材料具有良好的尺寸稳定性、低密度和高强度，并能在汽车生产和应用中产生抗疲劳和抗断裂的优点。

典型铝合金箱体加工工艺

大型铝合金箱体的成形工艺主要包括铸造和焊接。其中可以实现精密铸造(或称净尺寸铸造，即铸件的内腔和形状往往需要一次成型，使其形状接近零件或部件的最终形状，很少或不需要机械加工)，主要有反重力铸造、熔模铸造和石膏铸造三种。

1.铸造

铸造一直是批量制造铝合金箱体的主要工艺方法，当净尺寸铸造得到广泛应用以后，铸造更是大尺寸零件加工的福音。

反重力铸造

利用外压使合金液沿与重力相反的方向自下而上充填凝固的一种铸造方法。反重力铸造工艺的主要特点是充填稳定、充填速度可控、温度场分布合理、带压凝固、有利于铸件凝固和补缩。反重力铸造铸件机械性能好，组织致密，铸造缺陷少。

根据工艺流程的不同，反重力铸造可分为低压铸造、差压铸造和调压铸造。第二次世界大战期间，发明了低压铸造技术，用于制造飞机风冷发动机的缸体铸件。在低压铸造的基础上，开发了具有低压铸造和压力釜铸造特点的差压铸造工艺，用于制造大型复杂薄壁零件。在差压铸造的基础上，开发了调压铸造工艺。调压铸造和差压铸造最大的区别是既能控制正压，又能控制负压，同时对控制系统的控制精度要求更高。

熔模精密铸造

熔模铸造具有以下优点:熔模铸造具有较高的尺寸精度和表面光洁度，尺寸精度一般可达到CT4-6(砂型铸造为CT10-13，压铸为CT5-7)；灵活的设计，可以铸造高度复杂的铸件；清洁生产，型砂中不含化学粘结剂，低温下对环境无害，旧砂回收率达95%以上。

解释“CT4-6”，CT是铸件的尺寸公差等级，跟随的数字越大，精度越低，即铸件尺寸的允许范围越大。

石膏型铸造

石膏型可用于制造尺寸精度高、残余应力低的铸件，具有许多其他模具所不具备的特点：可精确复制模样，使铝合金铸件表面粗糙度达到0.8 ~ 3.2微米；导热系数低，薄壁部分容易完全成型，最薄处可铸造成0.5毫米的薄壁；可以制造具有复杂形状的铸件。

铸造用石膏主要有三种：非泡沫石膏、泡沫石膏和熔模铸造用石膏。非发泡石膏型透气性差，低压铸造主要用于生产性能要求不高的铸件。泡沫石膏型具有一定的透气性，可用于生产薄壁(最薄为0.5 mm)和曲面造型的铝合金铸件。

2.焊接

目前，铝及其合金的焊接方法很多，其焊接方法通常有钨极氩弧焊（TIG焊）、熔化极氩弧焊（MIG焊）、激光焊、缝焊、电阻电焊、电子束焊、搅拌摩擦焊、感应焊。应用较广的是前面两种，钨极氩弧焊（TIG焊）、熔化极氩弧焊（MIG焊）。

钨极氩弧焊是铝制品应用最普遍的焊接方法，尤其适于焊接厚度5mm以下的铝及铝合金，主要由于焊接时热量集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，成形良好、表面光亮，焊接接头的强度和塑性较高，质量较好；氩气流对焊接区的冲刷使焊接接头冷却加快，改善了其组织性能；接头形式不受限制，且适于全位置焊接。但此方法不宜在露天环境操作。

与钨极氩弧焊相比，熔化极氩弧焊（MIG焊）除了上述特点外，还具有焊接效率高，易实现自动焊和半自动焊，且适用于各种板厚的铝及其合金焊接等优点。但由于送丝系统限制，焊丝直径不宜过大，且焊缝气孔敏感性较大。

3.挤压成型

挤压成型，是对放在模具型腔（或挤压筒）内的金属坯料施加强大的压力，迫使金属坯料产生定向塑性变形，从挤压模的模孔中挤出，从而获得所需断面形状、尺寸并具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法。挤压成型在电池包箱体加工过程中，一般需要配合其他工艺手段使用。

在挤压过程中，被挤压金属在变形区能获得比轧制锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，这就可以充分发挥被加工金属本身的塑性；挤压制品的精度高，制品表面质量好，还提高了金属材料的利用率和成品率；挤压的工艺流程短，生产方便，一次挤压即可获得比热模锻或成型轧制等方法面积更大的整体结构件。

轻金属及轻合金具有良好的挤压特性，特别适合于挤压加工，如铝及铝合金，可以通过多种挤压工艺和多种模具结构进行加工。挤压成型也有明显的局限性，它只适用于等截面产品，形状也不能过于复杂。

几种加工工艺的缺陷

1.铸造容易出现的缺陷

熔模铸造有以下缺点:原材料昂贵，铸造成本高；工艺流程复杂，流程长，生产周期长；铸造性能一般不高。

石膏型铸造也有其缺点:石膏型激冷效果差，铸件壁厚变化较大时，厚部容易出现缩松、缩孔等缺陷；石膏型透气性差，铸件容易形成气孔、呛火等缺陷。

根据具体的铸造缺陷类型，普遍认为在凝固末期，枝晶间孤立液相引起的凝固收缩不能被液相区有效补偿，从而导致主要的铸造缺陷，孔洞和热裂纹。随着孔洞的形成，在合金凝固的糊状区，随着更多固相的形成，凝固前沿液相中的气体浓度逐渐达到过饱和状态。同时，由于枝晶间的毛细作用，高固相分数区域的局部压力降低。当液相中过饱和气体的分压大于孔隙形成压力时，孔隙将附着在模具中的枝晶臂、夹杂物或裂纹和沟槽上成核。然后长大，最后形成孔洞。

热裂纹的形成是铸造生产中最常见的铸造缺陷之一。外部裂纹常发生在铸件的角部，此处截面厚度突变或局部凝结缓慢，凝固时承受拉应力；内部裂纹发生在铸件最后凝固的部分，并且经常出现在缩孔附近。

2.焊接难点

铝容易氧化

在焊接过程中，铝及其合金容易氧化，在材料表面形成致密的Al2O3膜。 Al2O3的熔点高达2050℃，远高于铝和铝合金(纯铝660℃，铝合金595℃)。Al2O3非常稳定并且难以去除，这阻碍了焊接过程中基底金属的熔化和熔合。由于Al2O3薄膜的熔点是铝及铝合金的近3倍，密度远高于铝及铝合金，焊接时容易形成未熔合、夹杂等缺陷。此外，氧化膜具有良好的亲水性，焊接时会促进焊缝中气孔的形成。因此，为了保证铝合金的焊接质量，必须在焊接前严格清理其表面的氧化膜，防止其在焊接过程中再次氧化或去除新生成的氧化膜。

热导率高、比热容大

铝合金的比热容和导热率比钢大，焊接时，电弧的热量容易向四周扩散，因此需采用能量集中、热输入的热源，对于较厚铝合金材料有时还需对工件进行预热。而更高的热输入往往形成过热，稍有不慎，则容易产生焊道下垂，导致工件烧穿。

线膨胀系数大、热裂倾向大

铝及铝合金的膨胀系数约为钢的两倍，凝固时的体积收缩率较大（达6.5%，而钢的为3.5%），焊件的变形和应力较大，焊接时容易产生缩孔、缩松、热裂纹和较高的内应力。生产中可通过调整焊丝成分、选择合理的工艺参数和焊接顺序、适宜的焊接工装等措施防止热裂纹的产生。

对氢气敏感

铝材焊接时，容易产生气孔。因为液态铝能溶解大量的氢，而固态铝几乎不溶解氢，当熔池温度快速冷却凝固时，氢无法溢出，容易在焊缝中凝集形成气孔。焊缝中的氢主要来源于弧柱气氛中的水分、焊接材料吸收的水分和母材表面的氧化膜；铝的导热率很高。在相同的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度是钢的4-7倍，不利于气泡的逸出，这也是气孔形成的重要因素。与钢相比，铝产生的氢气泡是钢的40倍。因此，应严格控制氢的来源，防止气孔的形成；同时，在焊接前，必须将母材的坡口和焊丝清理干净。

文章来源：全球铝合作伙伴

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