鋁合金動力電池包箱體的加工工藝

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在電動汽車上，動力電池包的重量占整車質量的30%左右。汽車輕量化，對動力電池系統能量密度的無盡追求，都對電池包結構設計輕量化提出要求。在電池包系統內部，箱體作為最大的結構件，它的重量減下來，能量密度可以得到不可忽視的提高。在結構優化再優化的前提下，使用新型材質，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，那是需要後續解決的問題，不是阻止大家考慮它的應用可能性的理由。

根據整車上得來的經驗，被考慮應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，碳纖維複合材料，今天主角鋁合金材料，是三種材料中相對最為成熟的技術。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，約佔8. 13%。鋁原子序數 為13，原子量27，，熔點660℃，密度2.7g/cm^3 。鋁合金結構件的實際密度，根據加工工藝手段不同，在小範圍內變化， 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。

網上搜來的典型鋁合金板材力學參數，典型6系鋁板材，拉伸強度310 MPa，屈服強度276 MPa；5系的力學性能參數低於6系，7系的高於6系。常見的鋼材Q235特性參數，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，鑄造鋁合金的應用。鑄造鋁合金在汽車生產製造中應用比較廣泛，且可以根據不同的汽車生產需求提供不同鑄造方法。在原來的市場中，鑄造鋁合金主要用於發動機、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。但原來主流產品都採用傳統鑄造方法，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勢，其合金含量相對較低，一般被用於汽車裝飾件、結構件、散熱系統和車身面板等部位。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，已經被用於製造電池包箱體和模組。

第三，鋁基複合材料的應用。該種鋁合金材料具有良好的尺寸穩定性，且具有較低密度，較高的強度，在汽車生產應用中能夠產生抗疲勞、抗斷裂等優勢。

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。其中可以實現精密鑄造（或者稱為凈尺寸鑄造，即鑄件的內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

鑄造一直是批量製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後，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，自下而上充型並凝固的一種鑄造方法。反重力鑄造工藝具有充型平穩、充型速率可控、溫度場分布合理、在壓力下凝固並有利於鑄件凝固補縮的主要特點。反重力鑄造鑄件的力學性能較好、組織緻密且鑄造缺陷少。

按不同工藝過程，反重力鑄造又分為低壓鑄造、差壓鑄造和調壓鑄造等。二戰期間，低壓鑄造技術被發明，並用於製造出了飛機風冷發動機缸體鑄件；低壓鑄造基礎上，開發出兼有低壓鑄造和壓力釜鑄造特點的差壓鑄造工藝，用於製造大型、複雜、薄壁零件。在差壓鑄造基礎上開發出了調壓鑄造工藝。調壓鑄造與差壓鑄造最大的區別在於，其不僅能夠實現正壓的控制，還能夠實現負壓的控制，同時對控制系統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）；設計靈活，可以鑄造出高度複雜的鑄件；清潔生產，型砂中無化學粘結劑，低溫下模料對環境無害，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，後面跟的數字越大精度越低，也就是鑄件尺寸允許變化的範圍越大。

石膏型鑄造

石膏型可用以製成尺寸精度高表面粗糙度及殘留應力低的鑄件，具有許多其他鑄型不具有的特點：能精確複製模樣，可使鋁合金鑄件的表面粗糙度達到0.8~3.2μm；熱導率低，薄壁部位易完整成形，最薄可鑄出 0.5mm 的薄壁；可製造形狀複雜的鑄件。

鑄造用石膏型主要有三種：不發泡石膏型、發泡石膏型和熔模精密鑄造用石膏型。不發泡石膏型透氣性很差，主要採用低壓鑄造生產性能要求較低的鑄件。發泡石膏型具有一定的透氣性，可以用於生產薄壁(最薄 0.5 mm)並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）。

鎢極氬弧焊是鋁製品應用最普遍的焊接方法，尤其適於焊接厚度5mm以下的鋁及鋁合金，主要由於焊接時熱量集中，電弧燃燒穩定，焊縫金屬緻密，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，且適於全位置焊接。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，且適用於各種板厚的鋁及其合金焊接等優點。但由於送絲系統限制，焊絲直徑不宜過大，且焊縫氣孔敏感性較大。

3.3 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、尺寸並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；擠壓製品的精度高，製品表面質量好，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，特別適合於擠壓加工，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，它只適用於等截面產品，形狀也不能過於複雜，

4 幾種加工工藝的缺陷

4.1 鑄造容易出現的缺陷

熔模鑄造存在以下缺點：原材料價格昂貴，鑄件成本較高；工藝過程複雜，流程長、生產周期長；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，當鑄件壁厚差異大時，厚大處容易出現縮松、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，目前趨於一致的觀點認為，在凝固末期，枝晶間被隔離的液相所產生的凝固收縮不能得到液相區的有效補償，導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，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，由於枝晶間的毛細作用，導致高固相分數區的局部壓力下降。當液相中過飽和氣體的分壓大於孔洞形成壓力時，孔洞將依附於枝晶臂、夾雜物或鑄模中的裂紋、凹槽處形核。隨後長大，最終形成孔洞。

熱裂的形成，熱裂是鑄件生產中最常見的鑄造缺陷之一。外裂常產生在鑄件的拐角、截面厚度突變或局部冷凝緩慢且在凝固時承受拉應力的地方；內裂產生在鑄件內部最後凝固的部位，也常出現在縮孔附近。

4.2 焊接難點

鋁容易氧化

鋁及其合金在焊接過程中，極易發生氧化，在材料表面生成一層緻密的Al2O3薄膜。Al2O3的熔點高達2050℃，遠高於鋁及鋁合金的熔點（純鋁660℃，鋁合金595℃）。Al2O3非常穩定，不易去除，在焊接過程中阻礙母材的熔化和熔合。由於Al2O3薄膜的熔點將近鋁及鋁合金的熔點3倍，且密度又遠高於鋁及鋁合金，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量，需在焊接前對其表面的氧化膜嚴格清理，並在焊接過程中防止其再行氧化或清除其新產生的氧化膜。

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，因此需採用能量集中、熱輸入的熱源，對於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。

線膨脹係數大、熱裂傾向大

鋁及鋁合金的膨脹係數約為鋼的兩倍，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

鋁材焊接時易產生氣孔，由於液態鋁可溶解大量的氫，而固態鋁幾乎不溶解氫，因此當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；鋁的導熱係數很大，在相同的工藝條件下，鋁熔合區的冷卻速度是鋼的4-7倍，不利於氣泡的逸出，這也是形成氣孔的一個重要因素。鋁與鋼比較， 鋁產生的氫氣泡為鋼材產生的40倍。因此，對氫的來源要嚴格控制，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。

暫時沒有公開發表出來的鋁合金箱體設計案例，暫且欣賞一隻寶馬鑄鋁動力電池包箱體吧。

本文整理自下列文獻：

1 劉永勤，鋁合金凝固過程及其結構件的鑄造工藝研究；

2 趙河林，電動乘用車鋁合金電池包的焊接工藝分析；

3 廖天發，鋁合金雙脈衝MIG焊波形調製方法及工藝機理研究；

（圖片來自互聯網公開資料）