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[连接技术] 新能源车电池壳用铝合金搅拌摩擦焊研究

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发表于 2020-5-12 11:32:44 | 显示全部楼层 |阅读模式

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新能源车电池壳用铝合金搅拌摩擦焊研究
□ 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 李银波 刘美娜

电池包作为新能源车开发中十分重要的一个环节而日益受到重视,趋同的技术、生产水平与日益饱和的市场使人们更加关注电池包的寿命。目前,为符合国家对于新能源车各项政策的要求,电池包下壳体材料多选用密度较小的6系铝合金,并且选用搅拌摩擦焊对其进行连接。

试验材料与方法1.试验材料

试验材料为6060-T6铝合金,板厚为2.5 mm,铝合金试片尺寸为350 mm×150 mm,焊缝熔深要求全焊透。

2.试验设备

焊接设备为赛福斯特FSW-LM-BL20-2D型龙门式搅拌摩擦焊设备(图1),工作平台为3 500(L) mm × 2 100(W) mm。搅拌针长 2.5 mm。

图1 龙门式搅拌摩擦焊设备

3.试验方法

首先,将两个试片对接放置在搅拌摩擦焊设备平台上,要求对接间隙为零,然后用工装夹具进行固定和夹紧,最后进行施焊,如图2所示。本试验主要焊接参数为搅拌针转速和进给速度。不断调整搅拌针转速和进给速度,观察焊接过程中及焊后焊缝表面成形情况。在试验过程中,当焊缝表面出现大量飞边及沟槽缺陷时,立即终止焊接试验,重新调整焊接参数。焊后观察不同焊接参数下得到的焊缝表面成形情况,观察各焊缝断面,检验焊缝内部是否存在缺陷。再对焊后的对接铝板进行力学性能测试及硬度测试。

图 2 施焊

试验结果与分析1.焊缝表面形貌

图 3 中各图分别为搅拌针转速 1 500 r/min、进给速度 500 mm/min,搅拌针转速 1 500 r/min、进给速度 600 mm/min,搅拌针转速 1 600 r/min、进给速度500 mm/min,搅拌针转速1 600 r/min、进给速度 600 mm/min,得到的焊缝表面形貌。由图3a、图3b可知,焊缝表面成形良好,均无飞边、沟槽等缺陷;由图3c可知,当搅拌针转速为 1 600 r/min、进给速度为500 mm/min时,在焊缝后段出现了沟槽缺陷;由图3d可知,当搅拌针转速为1 600 r/min、进给速度为600 mm/min时,焊缝表面出现了大量飞边及沟槽缺陷。

图3 焊缝表面形貌

2.焊缝断面形貌

将不同焊接参数下得到的焊缝沿横截面切开,用砂纸打磨平整,然后用酒精清洗,再采用低倍显微镜观察断面形貌。由图4a和图4b可知,焊缝内部均未出现缺陷;由图4c可知,当搅拌针转速为1 600 r/min、进给速度为500 mm/min时,在焊缝内部出现孔洞缺陷;由图4d可知,当搅拌针转速为1 600 r/min、进给速度为600 mm/min时,在焊缝内部出现隧道型缺陷。

图4 焊缝断面形貌

由此分析,当进给速度增大时,导致焊接过程中焊接热输入不足,焊缝温度降低,从而使塑性状态的金属体积减少,并且塑性金属流动性差,后退侧的金属不能及时填充到前进侧,从而使前进侧金属量明显减少,在前进侧极易形成孔洞缺陷。当材料流动能力进一步下降时,孔洞范围扩展,最终形成了贯穿整条焊缝的隧道型缺陷。

3.力学性能

将不同焊接参数下得到的焊缝按照GB/T228.1-2010金属材料  拉伸试验  第一部分:室温试验方法加工成拉伸试样,用拉伸试验机进行拉伸试验,拉伸试验后断裂位置如图5所示,均在焊缝处断裂。

图5 焊缝拉伸后断裂位置

随着搅拌针转速不断增大,焊缝抗拉强度不断减小。当搅拌针转速为1 500 r/min、进给速度为500 mm/min时,焊缝抗拉强度为206 MPa,母材抗拉强度为259 MPa,可达母材强度的79%。搅拌针转速为1 500 r/min、进给速度为600 mm/min时,焊缝抗拉强度为199 MPa,可达母材强度的77%。为使用安全,焊缝抗拉强度建议达到母材60%以上,因此以上焊接参数可满足生产条件。

4.硬度测试

将搅拌针转速为1 500 r/min、进给速度为500 mm/min和搅拌针转速为1 500 r/min、进给速度为600 mm/min所得焊缝进行硬度测试,结果如下,其中搅拌针转速为1 500 r/min、进给速度为500 mm/min情况下,焊缝硬度高于母材;搅拌针转速为1 500 r/min、进给速度为600 mm/min情况下,焊缝硬度和母材相当。

结论

当搅拌针转速为1 500 r/min、进给速度为500 mm/min和搅拌针转速为1 500 r/min、进给速度为600 mm/min时,焊缝抗拉强度可达母材强度70%以上,并且焊缝表面成形良好,焊缝内部无缺陷。

当搅拌针转速为1 500 r/min、进给速度为500 mm/min时,焊缝硬度高于母材硬度。



为了研究新能源车电池壳用铝合金搅拌摩擦焊的焊接性能,进行6060铝合金搅拌摩擦焊接试验,并且焊后进行力学性能分析及显微观察,得出结论:搅拌针转速1 500 r/min、进给速度500 mm/min时,6060铝合金焊缝抗拉强度可达母材强度79%,焊缝硬度高于母材硬度,并且焊缝表面成形良好,焊缝内部无缺陷,为实际生产过程中电池壳用铝合金的选用提供参考。



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