一體化壓鑄不是最優(yōu)解！沈陽(yáng)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(chē)是我國(guó)實(shí)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(guó)制造2025》詳細(xì)規(guī)劃了智能網(wǎng)聯(lián)、動(dòng)力電池、汽車(chē)制造與整車(chē)輕量化技術(shù)等七個(gè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

在制造與輕量化領(lǐng)域具體技術(shù)路線(xiàn)規(guī)劃中，對(duì)車(chē)輛各型合金材料用量及其帶來(lái)的減重效果、制造工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)改進(jìn)提出了具體的量化指標(biāo)要求。

大眾新能源生產(chǎn)線(xiàn) 圖源：網(wǎng)絡(luò)

動(dòng)力電池Pack作為整車(chē)最重同時(shí)也是最貴的部件，關(guān)乎整車(chē)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(chē)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(duì)壓鑄機(jī)性能依賴(lài)嚴(yán)重，產(chǎn)品整體質(zhì)量并沒(méi)有較傳統(tǒng)工藝有較大提升。而壓鑄機(jī)生產(chǎn)制造商產(chǎn)能有限，高昂的設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用勸退很多企業(yè)，多重因素讓一體壓鑄技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)訂單需求。

后者無(wú)需對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行過(guò)多改動(dòng)，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(pán)制造方法

以生產(chǎn)大尺寸鋁制電池包托盤(pán)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(pán)，電池托盤(pán)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(rùn)率低（單件利潤(rùn)率估計(jì)在13%左右）。

大型壓鑄機(jī) 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(jī)合模力達(dá)到8000T以上，并配套的各型輔助設(shè)備，累計(jì)設(shè)備成本及占地成本保守估計(jì)在7000萬(wàn)以上。

針對(duì)上述情況，富信（沈陽(yáng)）精密制造技術(shù)有限公司（后文簡(jiǎn)稱(chēng)富信）提出“壓鑄+焊接”技術(shù)方案。

新能源汽車(chē)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(pán)根據(jù)結(jié)構(gòu)及尺寸并結(jié)合已有壓鑄設(shè)備設(shè)計(jì)為2—4片壓鑄單元，并通過(guò)壓鑄工藝進(jìn)行制造。

焊接部分主要流程為將已完成的壓鑄單元通過(guò)焊接進(jìn)行拼焊以完成電池托盤(pán)制造。

此方法僅需廠(chǎng)家購(gòu)置3000/4000T級(jí)壓鑄機(jī)及其配套設(shè)備，累計(jì)成本在4000萬(wàn)元左右，且對(duì)場(chǎng)地空間要求較小，可以快速開(kāi)展生產(chǎn)，方法簡(jiǎn)單，且對(duì)設(shè)備要求較低，可滿(mǎn)足大部分廠(chǎng)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(qiáng)化合金元素，形成低熔共晶組織，同時(shí)結(jié)晶溫度區(qū)間較寬，收縮率高，焊接時(shí)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(qiáng)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(huì)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(shí)，熔焊的高溫會(huì)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(huì)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(huì)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(wèn)題都阻礙了鑄造鋁合金焊接的工業(yè)化應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)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(tuán)隊(duì)在2020年開(kāi)始研發(fā)壓鑄機(jī)鋁合金與其配套焊接工藝，并開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，2021年底申請(qǐng)了關(guān)于產(chǎn)品制作工藝與配套焊絲2項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。

在手工焊接試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)焊縫強(qiáng)度占比達(dá)到母材強(qiáng)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(shí)際生產(chǎn)中自動(dòng)焊接狀態(tài)下產(chǎn)品性能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在2022年開(kāi)始自動(dòng)焊接試驗(yàn)，在Castasil-37材料上通過(guò)CMT/變極性等離子焊方法搭配自主研發(fā)焊絲，可實(shí)現(xiàn)焊縫強(qiáng)度占比達(dá)到母材強(qiáng)度的80%以上，平整度＜3mm/m，整體表現(xiàn)優(yōu)異。

手工焊與自動(dòng)焊一系列實(shí)驗(yàn)表明，富信自研的焊絲與“壓鑄+焊接”理念可以滿(mǎn)足未來(lái)新能源汽車(chē)持續(xù)增長(zhǎng)訂單需求。