什么是鋁合金動力電池包，鋁合金動力電池包箱體的加工及工藝
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-10 10:10
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在電動汽車上，動力電池包的重量占整車質(zhì)量的30%左右。汽車輕量化，對動力電池系統(tǒng)能量密度的無盡追求，都對電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化提出要求。在電池包系統(tǒng)內(nèi)部，箱體作為最大的結(jié)構(gòu)件，它的重量減下來，能量密度可以得到不可忽視的提高。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化再優(yōu)化的前提下，使用新型材質(zhì)，是電池箱體輕量化的根本途徑。暫且不提成本，新東西小批量，成本都比較高，那是需要后續(xù)解決的問題，不是阻止大家考慮它的應(yīng)用可能性的理由。
根據(jù)整車上得來的經(jīng)驗，被考慮應(yīng)用在汽車上作為鋼材替代品的新材料，常見的有：鋁合金，鎂合金，碳纖維復(fù)合材料，今天主角鋁合金材料，是三種材料中相對最為成熟的技術(shù)。目前，車身有很大一部分部件都可以使用鋁材，如熱交換器、車輪以及車身等，鋁合金可以達到很好的減重效果。
本文整理鋁合金主要類型，以及鋁合金箱體主要加工手段。
1 鋁合金的類型和性能
鋁元素是地殼中含量最豐富的金屬元素，約占8. 13%。鋁原子序數(shù) 為13，原子量27，，熔點660℃，密度2.7g/cm^3 。鋁合金結(jié)構(gòu)件的實際密度，根據(jù)加工工藝手段不同，在小范圍內(nèi)變化， 壓鑄 的2.6-2.63 g/cm^3 左右，擠壓的2.68-2.7 g/cm^3，鍛造的2.69-2.72 g/cm^3。
網(wǎng)上搜來的典型鋁合金板材力學(xué)參數(shù)，典型6系鋁板材，拉伸強度310 MPa，屈服強度276 MPa；5系的力學(xué)性能參數(shù)低于6系，7系的高于6系。常見的鋼材Q235特性參數(shù)，抗拉強度375-500 MPa，屈服強度235 MPa。對比鋼材和鋁材，拉伸強度和屈服強度，鋁材略低。
2 鋁合金的種類
第一，鑄造鋁合金的應(yīng)用。鑄造鋁合金在汽車生產(chǎn)制造中應(yīng)用比較廣泛，且可以根據(jù)不同的汽車生產(chǎn)需求提供不同鑄造方法。在原來的市場中，鑄造鋁合金主要用于發(fā)動機、輪轂、以及防撞梁等。鑄造鋁合金電池包箱體，使用的歷史也比較長。但原來主流產(chǎn)品都采用傳統(tǒng)鑄造方法，箱體表面粗糙，精度低，且形狀簡單，箱體壁厚不能太薄。
第二，變形鋁合金的應(yīng)用。變形鋁合金與鑄造鋁合金相比具有更大的任意性與強度優(yōu)勢，其合金含量相對較低，一般被用于汽車裝飾件、結(jié)構(gòu)件、散熱系統(tǒng)和車身面板等部位。變形鋁合金包含一系列鋁合金板材，其中強度高，可焊性好的種類，已經(jīng)被用于制造電池包箱體和模組。
第三，鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用。該種鋁合金材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性，且具有較低密度，較高的強度，在汽車生產(chǎn)應(yīng)用中能夠產(chǎn)生抗疲勞、抗斷裂等優(yōu)勢。
3 典型鋁合金箱體加工工藝
大型鋁合金箱體成型工藝，主要包括鑄造、焊接兩類。其中可以實現(xiàn)精密鑄造（或者稱為凈尺寸鑄造，即鑄件的內(nèi)腔和外形往往要求一次成形，使其外形接近零件或部件的最終形狀，少加工或者不加工），主要有三種：反重力鑄造、熔模精密鑄造和石膏型鑄造。
3.1 鑄造
鑄造一直是批量制造鋁合金箱體的主要工藝方法，當(dāng)凈尺寸鑄造得到廣泛應(yīng)用以后，鑄造更是大尺寸零件加工的福音。
反重力鑄造
利用外加壓力使合金液沿著與重力相反的方向，自下而上充型并凝固的一種鑄造方法。反重力鑄造工藝具有充型平穩(wěn)、充型速率可控、溫度場分布合理、在壓力下凝固并有利于鑄件凝固補縮的主要特點。反重力鑄造鑄件的力學(xué)性能較好、組織致密且鑄造缺陷少。
按不同工藝過程，反重力鑄造又分為低壓鑄造、差壓鑄造和調(diào)壓鑄造等。二戰(zhàn)期間，低壓鑄造技術(shù)被發(fā)明，并用于制造出了飛機風(fēng)冷發(fā)動機缸體鑄件；低壓鑄造基礎(chǔ)上，開發(fā)出兼有低壓鑄造和壓力釜鑄造特點的差壓鑄造工藝，用于制造大型、復(fù)雜、薄壁零件。在差壓鑄造基礎(chǔ)上開發(fā)出了調(diào)壓鑄造工藝。調(diào)壓鑄造與差壓鑄造最大的區(qū)別在于，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)正壓的控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)壓的控制，同時對控制系統(tǒng)控制精度的要求也更高。
熔模精密鑄造
熔模鑄造具有以下優(yōu)點：熔模鑄件有著很高的尺寸精度和表面光潔度，尺寸精度一般可達 CT4-6（砂型鑄造為 CT10-13，壓鑄為 CT5-7）；設(shè)計靈活，可以鑄造出高度復(fù)雜的鑄件；清潔生產(chǎn)，型砂中無化學(xué)粘結(jié)劑，低溫下模料對環(huán)境無害，舊砂回收率95%以上。
解釋一下“CT4-6”，CT是鑄造件的尺寸公差等級，后面跟的數(shù)字越大精度越低，也就是鑄件尺寸允許變化的范圍越大。
石膏型鑄造
石膏型可用以制成尺寸精度高表面粗糙度及殘留應(yīng)力低的鑄件，具有許多其他鑄型不具有的特點：能精確復(fù)制模樣，可使鋁合金鑄件的表面粗糙度達到0.8~3.2μm；熱導(dǎo)率低，薄壁部位易完整成形，最薄可鑄出 0.5mm 的薄壁；可制造形狀復(fù)雜的鑄件。
鑄造用石膏型主要有三種：不發(fā)泡石膏型、發(fā)泡石膏型和熔模精密鑄造用石膏型。不發(fā)泡石膏型透氣性很差，主要采用低壓鑄造生產(chǎn)性能要求較低的鑄件。發(fā)泡石膏型具有一定的透氣性，可以用于生產(chǎn)薄壁(最薄 0.5 mm)并帶有曲面造型的鋁合金鑄件。
3.2 焊接
目前，鋁及其合金的焊接方法很多，其焊接方法通常有鎢極氬弧焊（TIG焊）、熔化極氬弧焊（MIG焊）、激光焊、縫焊、電阻電焊、電子束焊、攪拌摩擦焊、感應(yīng)焊。應(yīng)用較廣的是前面兩種，鎢極氬弧焊（TIG焊）、熔化極氬弧焊（MIG焊）。
鎢極氬弧焊是鋁制品應(yīng)用最普遍的焊接方法，尤其適于焊接厚度5mm以下的鋁及鋁合金，主要由于焊接時熱量集中，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫金屬致密，成形良好、表面光亮，焊接接頭的強度和塑性較高，質(zhì)量較好；氬氣流對焊接區(qū)的沖刷使焊接接頭冷卻加快，改善了其組織性能；接頭形式不受限制，且適于全位置焊接。但此方法不宜在露天環(huán)境操作。
與鎢極氬弧焊相比， 熔化極氬弧焊（MIG焊）除了上述特點外，還具有焊接效率高，易實現(xiàn)自動焊和半自動焊，且適用于各種板厚的鋁及其合金焊接等優(yōu)點。但由于送絲系統(tǒng)限制，焊絲直徑不宜過大，且焊縫氣孔敏感性較大。
3.3 擠壓成型
擠壓成型，是對放在模具型腔（或擠壓筒）內(nèi)的金屬坯料施加強大的壓力，迫使金屬坯料產(chǎn)生定向塑性變形，從擠壓模的?？字袛D出，從而獲得所需斷面形狀、尺寸并具有一定力學(xué)性能的零件或半成品的塑性加工方法。 擠壓成型在電池包箱體加工過程中，一般需要配合其他工藝手段使用。
在擠壓過程中，被擠壓金屬在變形區(qū)能獲得比軋制鍛造更為強烈和均勻的三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，這就可以充分發(fā)揮被加工金屬本身的塑性；擠壓制品的精度高，制品表面質(zhì)量好，還提高了金屬材料的利用率和成品率；擠壓的工藝流程短，生產(chǎn)方便，一次擠壓即可獲得比熱模鍛或成型軋制等方法面積更大的整體結(jié)構(gòu)件。
輕金屬及輕合金具有良好的擠壓特性，特別適合于擠壓加工，如鋁及鋁合金，可以通過多種擠壓工藝和多種模具結(jié)構(gòu)進行加工。擠壓成型也有明顯的局限性，它只適用于等截面產(chǎn)品，形狀也不能過于復(fù)雜，
4 幾種加工工藝的缺陷
4.1 鑄造容易出現(xiàn)的缺陷
熔模鑄造存在以下缺點：原材料價格昂貴，鑄件成本較高；工藝過程復(fù)雜，流程長、生產(chǎn)周期長；鑄件性能一般不高。
石膏型鑄造也有其缺點：石膏型激冷作用差，當(dāng)鑄件壁厚差異大時，厚大處容易出現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷；石膏型透氣性極差，鑄件易形成氣孔嗆火等缺陷。
落實到具體鑄件缺陷類型，目前趨于一致的觀點認(rèn)為，在凝固末期，枝晶間被隔離的液相所產(chǎn)生的凝固收縮不能得到液相區(qū)的有效補償，導(dǎo)致了主要的鑄造缺陷，孔洞與熱裂。
孔洞的形成，在合金凝固的糊狀區(qū)，隨著更多固相的形成，凝固前沿液相中的氣體濃度逐漸達到過飽和狀態(tài)。同時，由于枝晶間的毛細(xì)作用，導(dǎo)致高固相分?jǐn)?shù)區(qū)的局部壓力下降。當(dāng)液相中過飽和氣體的分壓大于孔洞形成壓力時，孔洞將依附于枝晶臂、夾雜物或鑄模中的裂紋、凹槽處形核。隨后長大，最終形成孔洞。
熱裂的形成，熱裂是鑄件生產(chǎn)中最常見的鑄造缺陷之一。外裂常產(chǎn)生在鑄件的拐角、截面厚度突變或局部冷凝緩慢且在凝固時承受拉應(yīng)力的地方；內(nèi)裂產(chǎn)生在鑄件內(nèi)部最后凝固的部位，也常出現(xiàn)在縮孔附近。
4.2 焊接難點
鋁容易氧化
鋁及其合金在焊接過程中，極易發(fā)生氧化，在材料表面生成一層致密的Al2O3薄膜。Al2O3的熔點高達2050℃，遠(yuǎn)高于鋁及鋁合金的熔點（純鋁660℃，鋁合金595℃）。Al2O3非常穩(wěn)定，不易去除，在焊接過程中阻礙母材的熔化和熔合。由于Al2O3薄膜的熔點將近鋁及鋁合金的熔點3倍，且密度又遠(yuǎn)高于鋁及鋁合金，在焊接過程中易形成未熔合和夾雜等缺陷。此外氧化膜親水性較好，焊接時會促使焊縫生成氣孔。因此，為保證鋁合金焊接質(zhì)量，需在焊接前對其表面的氧化膜嚴(yán)格清理，并在焊接過程中防止其再行氧化或清除其新產(chǎn)生的氧化膜。
熱導(dǎo)率高、比熱容大
鋁合金的比熱容和導(dǎo)熱率比鋼大，焊接時，電弧的熱量容易向四周擴散，因此需采用能量集中、熱輸入的熱源，對于較厚鋁合金材料有時還需對工件進行預(yù)熱。而更高的熱輸入往往形成過熱，稍有不慎，則容易產(chǎn)生焊道下垂，導(dǎo)致工件燒穿。
線膨脹系數(shù)大、熱裂傾向大
鋁及鋁合金的膨脹系數(shù)約為鋼的兩倍，凝固時的體積收縮率較大（達6.5%，而鋼的為3.5%），焊件的變形和應(yīng)力較大，焊接時容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋和較高的內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中可通過調(diào)整焊絲成分、選擇合理的工藝參數(shù)和焊接順序、適宜的焊接工裝等措施防止熱裂紋的產(chǎn)生。
對氫氣敏感
鋁材焊接時易產(chǎn)生氣孔，由于液態(tài)鋁可溶解大量的氫，而固態(tài)鋁幾乎不溶解氫，因此當(dāng)熔池溫度快速冷卻與凝固時，氫來不及溢出，容易在焊縫中凝集形成氣孔。焊縫中氫元素主要來自弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分；鋁的導(dǎo)熱系數(shù)很大，在相同的工藝條件下，鋁熔合區(qū)的冷卻速度是鋼的4-7倍，不利于氣泡的逸出，這也是形成氣孔的一個重要因素。鋁與鋼比較， 鋁產(chǎn)生的氫氣泡為鋼材產(chǎn)生的40倍。因此，對氫的來源要嚴(yán)格控制，以防止氣孔的形成；同時，焊接前對母材坡口與焊絲進行清理也是很必要的。
