动力电池箱体CMT焊接和结构胶工艺应用.pdf
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1、 10.16638/ki.1671-7988.2023.019.030 10.16638/ki.1671-7988.2023.019.030 动力电池箱体 CMT 焊接和结构胶工艺应用 侯少杰(北京新能源汽车股份有限公司蓝谷动力系统分公司,北京 102600)摘要:根据动力电池箱体在项目开发过程中遇到的结构胶粘接机械性能失效问题,文章通过结合质量分析工具因果图(也称 Ishikawa 图或鱼骨图)以及工艺试验方法,对结构胶应用的关键工艺参数以及影响因素进行了分析,实现了国内铝合金动力电池箱体采用“冷金属过渡(CMT)焊接+结构胶”在动力电池箱体的技术应用。关键词:动力电池箱体;结构胶;CMT
2、焊接;鱼骨图 中图分类号:U469.7 文献标识码:A 文章编号:1671-7988(2023)19-156-05 CMT Welding and Structural Adhesive Application for Power-Battery Housing HOU Shaojie(Beijing New Energy Vehicle Company Limited Blue Valley Power System Branch,Beijing 102600,China)Abstract:Due to the mechanical failure of structural adhesiv
3、e bonding during the project develop-ment process of the extreme fox power battery case.The paper analyzes the key process parameters and factors affecting the application of structural adhesive by combining the quality analysis tool cause and effect diagram(also known as Ishikawa diagram or fishbon
4、e diagram)and the validation of process test methods.The key process parameters and influencing factors of structural adhesive application are analyzed.It realizes the technical application of cold metal transfer(CMT)welding+structural adhesive in power battery cases in China.Keywords:Power battery
5、case;Structural adhesive;CMT technology welding;Fishbone diagram 近年来,新能源汽车变得越来越流行,锂电池作为新能源汽车的主要动力已受到越来越多的关注和应用1。新能源汽车对动力电池密封和防水的性能要求极为重要,电池箱体作为动力电池包的重要零部件与上盖匹配形成密闭空间,与外部环境隔离用于保护电池包内部其他部件。动力电池箱体主要功能是提供包括上盖、模组、电池包断路单元(Battery Disconnect Unit,BDU)、高压连接、低压连接、热管理系统等主要内部部件的安装固定,承载着整个电池包载荷以及密封安全防护,实现电池包与整车
6、的安装连接,并为整车提供底部防护的功能。极狐 ARCFOX 电池包箱体主体采用目前国内汽车轻量化常用材料 6 系铝合金型材,另有压铸铝件、冷却管路等零部件。电池箱体连接工艺包括冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)焊接、激光焊接以及结构胶粘结等,上盖和底护板主体为铝板冲压,与箱体的组装工艺采用了热熔攻丝(Flow Drill Screws,FDS)2工艺连接。本文结合由公司提供的 N60 动力电池箱体,作者简介:侯少杰(1980),男,硕士,工程师,研究方向为汽车质量,E-mail:。第 19 期 侯少杰:动力电池箱体 CMT 焊接和结构胶工艺应用 157 按照铝合金多种
7、不同连接工艺技术要求(CMT 焊接+激光焊接+结构胶连接),针对样件生产的关键工序(焊接、涂胶、气密性等)进行了过程关键参数的识别和管控分析,解决了铝合金电池箱体的气密问题。在动力电池箱体“CMT 焊接+激光焊接+结构胶”铝型材的技术应用中,焊接温度、铝型材的焊接应力释放、结构胶的选型、表面清洁度、烘烤温度、环境因素(温度、湿度)等对结构胶粘剂机械性能和气密均存在一定影响。本文通过对动力电池箱体结构胶和 CMT 焊接技术的联合应用分析,对行业内该方面的技术应用起到抛砖引玉的作用。1 产品技术要求 电池箱体供应商根据技术部门要求开发动力电池箱体的加工工艺,并完成制造装配和出厂测试。1.1 箱体简
8、图及结构设计 动力电池箱体组件外观尺寸长 2 088 mm,宽1 530 mm,高 135.5 mm,箱体底板总成和水冷管路同时进行装配。供应商必须开发合适的工装夹具以保证装配的精度,底板之间或底板与边框之间采用结构胶连接,均用于保证箱体的气密性。1.2 材料要求 1)箱体的铝合金材料采用极狐指定和认可的材料牌号 Al 6005 AT6,成型工艺为型材拼焊;上盖材料采用 Al 5754 H22,成型工艺为钣金冲压。2)结构胶推荐 3M 和 ITW 两个牌号;要求最小抗拉强度:18.5 MPa;最小延伸率:0.7%。在加热固化工序时,必须采用合理的工装夹具和工艺参数(烘烤温度必须小于 85,以避
9、免冷却管路橡胶受损),从而保证产品的性能。组件材料性能要求如表 1 所示。表 1 材料性能要求 零件名称 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断裂伸长率 动力电池箱体 动力电池箱盖 250 165 290 243 8%8%1.3 箱体焊接质量要求 1)箱体的焊接部位及采用的焊接工艺应符合图样要求。2)弧焊件的坡口尺寸应根据图纸要求严格执行。对于未规定的坡口尺寸,应执行铝及铝合金气体保护焊推荐坡口(GB/T 985.32008)3的相关规定。3)除非附图中另有规定,否则不指定电弧焊接工艺。对于未做规定的按铝及铝合金弧焊推荐工艺(GB/T 220862008)4相关规定执行。4)CMT 焊接接头区
10、域材料强度(包括焊道填料、热影响区域材料)大于母材强度的 70%;激光焊接接头区域材料强度(包括焊道填料、热影响区域材料)大于母材强度的 80%。1.4 箱体胶粘要求 1)箱体采用结构胶胶接,其最小抗拉强度为17 MPa,在加热固化工序中必须采用合理的工装夹具和加热参数,以保证产品性能。2)涂胶工艺必须按照图纸要求操作,包括涂胶位置、涂胶量以及胶水型号等。不得用胶水填补因焊接、装配等造成的缺陷,不得在箱体外部以及图纸要求区域外涂胶。1.5 箱体气密性要求 满足电池气密性检测相关要求,箱体下线需做 100%气密性检测,应满足电池包系统等级(IP68)测试要求,如表 2 所示。表 2 箱体气密要求
11、 结构划分 检测气压/kPa 泄露量/Pa 箱体 A 腔(充气)箱体 A 腔(吸气)箱体 B 腔(充气)5-1 5 40 70 70 液冷系统(充气)300 70 1.6 箱体实验验证要求 通用测试要求,电池包需根据标准电工电子产品环境试验 第 2 部分:试 验方法(GB/T 2423.102008)5:振动(正弦)振动后满足电池包系统 IP 等级(IP68)的气密性要求。本文对于烟雾、防腐及禁用物质等试验要求不作讨论。2 产品开发过程中遇到的问题 极狐动力电池箱体是国内首次使用了内、外双腔的设计结构来保证电池的密闭性要求,重要的是内腔和外腔同时密闭,在电池的使用过程中,如果发生外腔泄露或者内
12、腔泄露,另外一腔仍然可以保证电池内部的各部件的防水保护措施。工艺方案也是在国内首次采用了动力电池箱体“结构胶+焊接”的连接方式,其中结构胶的优点包括重量轻、价格低、使用方便、机械性能优良,当它用作连接结构应力承载部件的结构粘合剂时,还具有应力分布均匀和疲劳寿命长的优点。同时结构胶还具有阻尼作用,可以达到减少振动和噪音的效果,但是,大多数结构粘合剂属于聚合物158 汽 车 实 用 技 术 2023 年 有机复合材料,对被粘结物的周围环境温度敏感,尤其是在焊接过程产生的高温对其影响较大,这就对于满足箱体的粘结性以及气密性产生了很大的挑战,具体如下。2.1 箱体结构胶粘接强度,气密振动试验不通过 产
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