一體化壓鑄不是最優(yōu)解！沈陽這家公司提出壓鑄+焊接制造理念

產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù) 2023-08-10 17:10

新能源汽車是我國實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略的重要一環(huán)，為了整體行業(yè)能夠科學(xué)健康發(fā)展，《中國制造2025》詳細(xì)規(guī)劃了智能網(wǎng)聯(lián)、動力電池、汽車制造與整車輕量化技術(shù)等七個重點發(fā)展領(lǐng)域。

在制造與輕量化領(lǐng)域具體技術(shù)路線規(guī)劃中，對車輛各型合金材料用量及其帶來的減重效果、制造工藝技術(shù)開發(fā)改進提出了具體的量化指標(biāo)要求。

大眾新能源生產(chǎn)線圖源：網(wǎng)絡(luò)

動力電池Pack作為整車最重同時也是最貴的部件，關(guān)乎整車輕量化與安全兩大核心指標(biāo)。為了控制成本兼顧提高產(chǎn)能，車企與供應(yīng)商選擇一體化壓鑄或者傳統(tǒng)焊接兩種技術(shù)路徑。

寧波華翔的一體化熱成型鋼電池包圖源：網(wǎng)絡(luò)

前者制造速度快，易于大批量生產(chǎn)，但產(chǎn)品尺寸與用料選擇上對壓鑄機性能依賴嚴(yán)重，產(chǎn)品整體質(zhì)量并沒有較傳統(tǒng)工藝有較大提升。而壓鑄機生產(chǎn)制造商產(chǎn)能有限，高昂的設(shè)備采購費用勸退很多企業(yè)，多重因素讓一體壓鑄技術(shù)無法滿足快速增長的市場訂單需求。

后者無需對生產(chǎn)線進行過多改動，企業(yè)可以快速投產(chǎn)，但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組件多、焊縫多、工藝復(fù)雜等情況。

新電池托盤制造方法

以生產(chǎn)大尺寸鋁制電池包托盤為例，如果采用傳統(tǒng)焊接工藝制造擠壓型鋁制電池包托盤，電池托盤焊縫數(shù)量多達(dá)200條以上（根據(jù)尺寸和工藝不同，則焊縫數(shù)不同），且整體工藝復(fù)雜，焊接形變量大，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，利潤率低（單件利潤率估計在13%左右）。

大型壓鑄機圖源：網(wǎng)絡(luò)

若采用一體化壓鑄技術(shù)，為保證穩(wěn)定生產(chǎn)則需要壓鑄機合模力達(dá)到8000T以上，并配套的各型輔助設(shè)備，累計設(shè)備成本及占地成本保守估計在7000萬以上。

針對上述情況，富信（沈陽）精密制造技術(shù)有限公司（后文簡稱富信）提出“壓鑄+焊接”技術(shù)方案。

新能源汽車電池包焊接圖源：網(wǎng)絡(luò)

方案分為壓鑄和焊接兩部分，其中壓鑄部分主要流程為將電池托盤根據(jù)結(jié)構(gòu)及尺寸并結(jié)合已有壓鑄設(shè)備設(shè)計為2—4片壓鑄單元，并通過壓鑄工藝進行制造。

焊接部分主要流程為將已完成的壓鑄單元通過焊接進行拼焊以完成電池托盤制造。

此方法僅需廠家購置3000/4000T級壓鑄機及其配套設(shè)備，累計成本在4000萬元左右，且對場地空間要求較小，可以快速開展生產(chǎn)，方法簡單，且對設(shè)備要求較低，可滿足大部分廠家能力需求。

自主研發(fā)焊絲

由于鑄造鋁合金含有有較多的強化合金元素，形成低熔共晶組織，同時結(jié)晶溫度區(qū)間較寬，收縮率高，焊接時容易在焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋和液化裂紋，使焊接接頭的強度降低。

另外，壓鑄工藝由于其固有的高速充型特征，鋁液充型中會產(chǎn)生卷氣現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鑄造鋁合金導(dǎo)致含氣量較多，尤其是氫的含量很高。焊接時，熔焊的高溫會導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生表面鼓泡現(xiàn)象，焊縫和熔合區(qū)還會由于氣體釋放和膨脹而導(dǎo)致嚴(yán)重的氣孔缺陷，除此之外，氫元素還會在熱影響區(qū)引起氫的集聚，產(chǎn)生晶間氣孔，破壞焊接接頭組織。這些問題都阻礙了鑄造鋁合金焊接的工業(yè)化應(yīng)用，同時也對焊絲與焊接工藝提出了極高的要求。

焊接圖源：網(wǎng)絡(luò)

富信技術(shù)團隊在2020年開始研發(fā)壓鑄機鋁合金與其配套焊接工藝，并開展相關(guān)試驗，2021年底申請了關(guān)于產(chǎn)品制作工藝與配套焊絲2項發(fā)明專利。

在手工焊接試驗中，采用MIG/TIG焊接方法搭配自主研發(fā)焊絲，在Castasil-37材料上實現(xiàn)焊縫強度占比達(dá)到母材強度的91%以上，平整度＜3mm/m，具有良好密封性與耐腐蝕性。

為了模擬實際生產(chǎn)中自動焊接狀態(tài)下產(chǎn)品性能，研發(fā)團隊在2022年開始自動焊接試驗，在Castasil-37材料上通過CMT/變極性等離子焊方法搭配自主研發(fā)焊絲，可實現(xiàn)焊縫強度占比達(dá)到母材強度的80%以上，平整度＜3mm/m，整體表現(xiàn)優(yōu)異。

手工焊與自動焊一系列實驗表明，富信自研的焊絲與“壓鑄+焊接”理念可以滿足未來新能源汽車持續(xù)增長訂單需求。