鋁合金動力電池包箱體的加工工藝

電池pack
在電動汽車中，動力電池組的重量約占整車的30%。汽車的輕量化和對動力電池系統能量密度的無止境追求，都要求電池組結構的輕量化設計。在電池組系統中，盒子是結構件，重量減輕，因此可以提高能量密度。在結構優化和再優化的前提下，使用新材料是電池盒輕量化的根本途徑。暫且不說成本，新生事物小批量的成本比較高，這是后面需要解決的問題，而不是阻止大家考慮其應用可能性的理由。 
從整車獲得的經驗來看，汽車中被認為是鋼材替代品的新材料有:鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料。今天，鋁合金是三種材料中技術最成熟的。目前車身很大一部分可以用鋁制成，比如熱交換器、車輪、車身，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。
鋁合金的類型和性能
鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，約占8。13%.  鋁的原子序數為13，原子量為27，熔點為660℃，密度為2.7g/cm^3.  鋁合金結構件的實際密度根據加工方式的不同，變化范圍很小，壓鑄約為2.6-2.63g/cm3，擠壓約為2.68-2.7g/cm3，鍛造約為2.69-2.72g/cm3。 
網上查到的典型鋁合金板材的力學參數，典型的6系鋁板，抗拉強度310MPa，屈服強度276MPa；系列5的力學性能參數低于系列6，系列7的力學性能參數高于系列6。普通鋼Q235特征參數，抗拉強度375-500MPa，屈服強度235MPa。與鋼和鋁相比，鋁的抗拉強度和屈服強度略低。  
鋁合金的種類
1.鑄造鋁合金的應用
鑄造鋁合金在汽車制造中應用廣泛，可根據不同的汽車生產需要提供不同的鑄造方法。在最初的市場上，鑄造鋁合金主要用于發動機、車輪和防撞梁。鑄造鋁合金電池組盒有著悠久的使用歷史。而原來的主流產品都是采用傳統的鑄造方式，箱體表面粗糙，精度低，形狀簡單，箱體壁厚不能太薄。 
2.變形鋁合金的應用
與鑄造鋁合金相比，變形鋁合金具有更大的隨機性和強度優勢，合金含量相對較低，因此一般用于汽車裝飾件、結構件、散熱系統和車身板件。變形鋁合金包含一系列鋁合金板材，其中強度高、可焊性好的板材已被用于制造電池組盒和模塊。 
3.鋁基復合材料的應用
這種鋁合金材料具有良好的尺寸穩定性、低密度和高強度，并能在汽車生產和應用中產生抗疲勞和抗斷裂的優點。  
典型鋁合金箱體加工工藝
大型鋁合金箱體的成形工藝主要包括鑄造和焊接。其中可以實現精密鑄造(或稱凈尺寸鑄造，即鑄件的內腔和形狀往往需要一次成型，使其形狀接近零件或部件的形狀，很少或不需要機械加工)，主要有反重力鑄造、熔模鑄造和石膏鑄造三種。
1.鑄造
鑄造一直是批量制造鋁合金箱體的主要工藝方法，當凈尺寸鑄造得到廣泛應用以后，鑄造更是大尺寸零件加工的福音。

· 反重力鑄造

利用外壓使合金液沿與重力相反的方向自下而上充填凝固的一種鑄造方法。反重力鑄造工藝的主要特點是充填穩定、充填速度可控、溫度場分布合理、帶壓凝固、有利于鑄件凝固和補縮。反重力鑄造鑄件機械性能好，組織致密，鑄造缺陷少。 
根據工藝流程的不同，反重力鑄造可分為低壓鑄造、差壓鑄造和調壓鑄造。第二次世界大戰期間，發明了低壓鑄造技術，用于制造飛機風冷發動機的缸體鑄件。在低壓鑄造的基礎上，開發了具有低壓鑄造和壓力釜鑄造特點的差壓鑄造工藝，用于制造大型復雜薄壁零件。在差壓鑄造的基礎上，開發了調壓鑄造工藝。調壓鑄造和差壓鑄造區別是既能控制正壓，又能控制負壓，同時對控制系統的控制精度要求更高。  

· 熔模精密鑄造

熔模鑄造具有以下優點:熔模鑄造具有較高的尺寸精度和表面光潔度，尺寸精度一般可達到CT4-6(砂型鑄造為CT10-13，壓鑄為CT5-7)；靈活的設計，可以鑄造高度復雜的鑄件；清潔生產，型砂中不含化學粘結劑，低溫下對環境無害，舊砂回收率達95%以上。 
解釋“CT4-6”，CT是鑄件的尺寸公差等級，跟隨的數字越大，精度越低，即鑄件尺寸的允許范圍越大。

· 石膏型鑄造

石膏型可用于制造尺寸精度高、殘余應力低的鑄件，具有許多其他模具所不具備的特點：可復制模樣，使鋁合金鑄件表面粗糙度達到0.8 ~ 3.2微米；導熱系數低，薄壁部分容易完全成型，最薄處可鑄造成0.5毫米的薄壁；可以制造具有復雜形狀的鑄件。 
鑄造用石膏主要有三種：非泡沫石膏、泡沫石膏和熔模鑄造用石膏。非發泡石膏型透氣性差，低壓鑄造主要用于生產性能要求不高的鑄件。泡沫石膏型具有一定的透氣性，可用于生產薄壁(最薄為0.5 mm)和曲面造型的鋁合金鑄件。  
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、感應焊。應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，質量較好；氬氣流對焊接區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點。但由于送絲系統限制，焊絲直徑不宜過大，且焊縫氣孔敏感性較大。
3.擠壓成型
擠壓成型，是對放在模具型腔（或擠壓筒）內的金屬坯料施加強大的壓力，迫使金屬坯料產生定向塑性變形，從擠壓模的模孔中擠出，從而獲得所需斷面形狀、尺寸并具有一定力學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能獲得比軋制鍛造更為強烈和均勻的三向壓縮應力狀態，這就可以充分發揮被加工金屬本身的塑性；擠壓制品的精度高，制品表面質量好，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構件。
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構進行加工。擠壓成型也有明顯的局限性，它只適用于等截面產品，形狀也不能過于復雜。
幾種加工工藝的缺陷
1.鑄造容易出現的缺陷
熔模鑄造有以下缺點:原材料昂貴，鑄造成本高；工藝流程復雜，流程長，生產周期長；鑄造性能一般不高。  
石膏型鑄造也有其缺點:石膏型激冷效果差，鑄件壁厚變化較大時，厚部容易出現縮松、縮孔等缺陷；石膏型透氣性差，鑄件容易形成氣孔、嗆火等缺陷。
根據具體的鑄造缺陷類型，普遍認為在凝固末期，枝晶間孤立液相引起的凝固收縮不能被液相區有效補償，從而導致主要的鑄造缺陷，孔洞和熱裂紋。隨著孔洞的形成，在合金凝固的糊狀區，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。同時，由于枝晶間的毛細作用，高固相分數區域的局部壓力降低。當液相中過飽和氣體的分壓大于孔隙形成壓力時，孔隙將附著在模具中的枝晶臂、夾雜物或裂紋和溝槽上成核。然后長大，最后形成孔洞。 
熱裂紋的形成是鑄造生產中最常見的鑄造缺陷之一。外部裂紋常發生在鑄件的角部，此處截面厚度突變或局部凝結緩慢，凝固時承受拉應力；內部裂紋發生在鑄件最后凝固的部分，并且經常出現在縮孔附近。  
2.焊接難點

· 鋁容易氧化

在焊接過程中，鋁及其合金容易氧化，在材料表面形成致密的Al2O3膜。  Al2O3的熔點高達2050℃，遠高于鋁和鋁合金(純鋁660℃，鋁合金595℃)。Al2O3非常穩定并且難以去除，這阻礙了焊接過程中基底金屬的熔化和熔合。由于Al2O3薄膜的熔點是鋁及鋁合金的近3倍，密度遠高于鋁及鋁合金，焊接時容易形成未熔合、夾雜等缺陷。此外，氧化膜具有良好的親水性，焊接時會促進焊縫中氣孔的形成。因此，為了保證鋁合金的焊接質量，必須在焊接前嚴格清理其表面的氧化膜，防止其在焊接過程中再次氧化或去除新生成的氧化膜。  

· 熱導率高、比熱容大

鋁合金的比熱容和導熱率比鋼大，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熱。而更高的熱輸入往往形成過熱，稍有不慎，則容易產生焊道下垂，導致工件燒穿。

· 線膨脹系數大、熱裂傾向大

鋁及鋁合金的膨脹系數約為鋼的兩倍，凝固時的體積收縮率較大（達6.5%，而鋼的為3.5%），焊件的變形和應力較大，焊接時容易產生縮孔、縮松、熱裂紋和較高的內應力。生產中可通過調整焊絲成分、選擇合理的工藝參數和焊接順序、適宜的焊接工裝等措施防止熱裂紋的產生。

· 對氫氣敏感

鋁材焊接時，容易產生氣孔。因為液態鋁能溶解大量的氫，而固態鋁幾乎不溶解氫，當熔池溫度快速冷卻凝固時，氫無法溢出，容易在焊縫中凝集形成氣孔。焊縫中的氫主要來源于弧柱氣氛中的水分、焊接材料吸收的水分和母材表面的氧化膜；鋁的導熱率很高。在相同的工藝條件下，鋁熔合區的冷卻速度是鋼的4-7倍，不利于氣泡的逸出，這也是氣孔形成的重要因素。與鋼相比，鋁產生的氫氣泡是鋼的40倍。因此，應嚴格控制氫的來源，防止氣孔的形成；同時，在焊接前，必須將母材的坡口和焊絲清理干凈。