侯少杰

動力電池箱體CMT焊接和結(jié)構(gòu)膠工藝應(yīng)用

侯少杰

（北京新能源汽車股份有限公司藍谷動力系統(tǒng)分公司，北京 102600）

根據(jù)動力電池箱體在項目開發(fā)過程中遇到的結(jié)構(gòu)膠粘接機械性能失效問題，文章通過結(jié)合質(zhì)量分析工具因果圖（也稱Ishikawa圖或魚骨圖）以及工藝試驗方法，對結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用的關(guān)鍵工藝參數(shù)以及影響因素進行了分析，實現(xiàn)了國內(nèi)鋁合金動力電池箱體采用“冷金屬過渡（CMT）焊接+結(jié)構(gòu)膠”在動力電池箱體的技術(shù)應(yīng)用。

動力電池箱體；結(jié)構(gòu)膠；CMT焊接；魚骨圖

近年來，新能源汽車變得越來越流行，鋰電池作為新能源汽車的主要動力已受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用[1]。新能源汽車對動力電池密封和防水的性能要求極為重要，電池箱體作為動力電池包的重要零部件與上蓋匹配形成密閉空間，與外部環(huán)境隔離用于保護電池包內(nèi)部其他部件。動力電池箱體主要功能是提供包括上蓋、模組、電池包斷路單元（Battery Disconnect Unit, BDU）、高壓連接、低壓連接、熱管理系統(tǒng)等主要內(nèi)部部件的安裝固定，承載著整個電池包載荷以及密封安全防護，實現(xiàn)電池包與整車的安裝連接，并為整車提供底部防護的功能。

極狐ARCFOX電池包箱體主體采用目前國內(nèi)汽車輕量化常用材料6系鋁合金型材，另有壓鑄鋁件、冷卻管路等零部件。電池箱體連接工藝包括冷金屬過渡（Cold Metal Transfer, CMT）焊接、激光焊接以及結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)等，上蓋和底護板主體為鋁板沖壓，與箱體的組裝工藝采用了熱熔攻絲（Flow Drill Screws, FDS）[2]工藝連接。

本文結(jié)合由公司提供的N60動力電池箱體，按照鋁合金多種不同連接工藝技術(shù)要求（CMT焊接+激光焊接+結(jié)構(gòu)膠連接），針對樣件生產(chǎn)的關(guān)鍵工序（焊接、涂膠、氣密性等）進行了過程關(guān)鍵參數(shù)的識別和管控分析，解決了鋁合金電池箱體的氣密問題。在動力電池箱體“CMT焊接+激光焊接+結(jié)構(gòu)膠”鋁型材的技術(shù)應(yīng)用中，焊接溫度、鋁型材的焊接應(yīng)力釋放、結(jié)構(gòu)膠的選型、表面清潔度、烘烤溫度、環(huán)境因素（溫度、濕度）等對結(jié)構(gòu)膠粘劑機械性能和氣密均存在一定影響。本文通過對動力電池箱體結(jié)構(gòu)膠和CMT焊接技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用分析，對行業(yè)內(nèi)該方面的技術(shù)應(yīng)用起到拋磚引玉的作用。

1 產(chǎn)品技術(shù)要求

電池箱體供應(yīng)商根據(jù)技術(shù)部門要求開發(fā)動力電池箱體的加工工藝，并完成制造裝配和出廠測試。

1.1 箱體簡圖及結(jié)構(gòu)設(shè)計

動力電池箱體組件外觀尺寸長2 088 mm，寬1 530 mm，高135.5 mm，箱體底板總成和水冷管路同時進行裝配。供應(yīng)商必須開發(fā)合適的工裝夾具以保證裝配的精度，底板之間或底板與邊框之間采用結(jié)構(gòu)膠連接，均用于保證箱體的氣密性。

1.2 材料要求

1）箱體的鋁合金材料采用極狐指定和認可的材料牌號Al 6005 AT6，成型工藝為型材拼焊；上蓋材料采用Al 5754 H22，成型工藝為鈑金沖壓。

2）結(jié)構(gòu)膠推薦3M和ITW兩個牌號；要求最小抗拉強度：18.5 MPa；最小延伸率：0.7%。在加熱固化工序時，必須采用合理的工裝夾具和工藝參數(shù)（烘烤溫度必須小于85 ℃，以避免冷卻管路橡膠受損），從而保證產(chǎn)品的性能。組件材料性能要求如表1所示。

表1 材料性能要求

零件名稱屈服強度/MPa抗拉強度/MPa斷裂伸長率 動力電池箱體動力電池箱蓋≥250≥165≥290≥243≥8%≥8%

1.3 箱體焊接質(zhì)量要求

1）箱體的焊接部位及采用的焊接工藝應(yīng)符合圖樣要求。

2）弧焊件的坡口尺寸應(yīng)根據(jù)圖紙要求嚴格執(zhí)行。對于未規(guī)定的坡口尺寸，應(yīng)執(zhí)行《鋁及鋁合金氣體保護焊推薦坡口》（GB/T 985.3－2008）[3]的相關(guān)規(guī)定。

3）除非附圖中另有規(guī)定，否則不指定電弧焊接工藝。對于未做規(guī)定的按《鋁及鋁合金弧焊推薦工藝》（GB/T 22086－2008）[4]相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

4）CMT焊接接頭區(qū)域材料強度（包括焊道填料、熱影響區(qū)域材料）大于母材強度的70%；激光焊接接頭區(qū)域材料強度（包括焊道填料、熱影響區(qū)域材料）大于母材強度的80%。

1.4 箱體膠粘要求

1）箱體采用結(jié)構(gòu)膠膠接，其最小抗拉強度為17 MPa，在加熱固化工序中必須采用合理的工裝夾具和加熱參數(shù)，以保證產(chǎn)品性能。

2）涂膠工藝必須按照圖紙要求操作，包括涂膠位置、涂膠量以及膠水型號等。不得用膠水填補因焊接、裝配等造成的缺陷，不得在箱體外部以及圖紙要求區(qū)域外涂膠。

1.5 箱體氣密性要求

滿足電池氣密性檢測相關(guān)要求，箱體下線需做100%氣密性檢測，應(yīng)滿足電池包系統(tǒng)等級（IP68）測試要求，如表2所示。

表2 箱體氣密要求

結(jié)構(gòu)劃分檢測氣壓/kPa泄露量/Pa 箱體A腔（充氣）箱體A腔（吸氣）箱體B腔（充氣）5-15≤40≤70≤70 液冷系統(tǒng)（充氣）300≤70

1.6 箱體實驗驗證要求

通用測試要求，電池包需根據(jù)標準《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法》（GB/T 2423.10－2008）[5]：振動（正弦）振動后滿足電池包系統(tǒng)IP等級（IP68）的氣密性要求。本文對于煙霧、防腐及禁用物質(zhì)等試驗要求不作討論。

2 產(chǎn)品開發(fā)過程中遇到的問題

極狐動力電池箱體是國內(nèi)首次使用了內(nèi)、外雙腔的設(shè)計結(jié)構(gòu)來保證電池的密閉性要求，重要的是內(nèi)腔和外腔同時密閉，在電池的使用過程中，如果發(fā)生外腔泄露或者內(nèi)腔泄露，另外一腔仍然可以保證電池內(nèi)部的各部件的防水保護措施。工藝方案也是在國內(nèi)首次采用了動力電池箱體“結(jié)構(gòu)膠+焊接”的連接方式，其中結(jié)構(gòu)膠的優(yōu)點包括重量輕、價格低、使用方便、機械性能優(yōu)良，當它用作連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力承載部件的結(jié)構(gòu)粘合劑時，還具有應(yīng)力分布均勻和疲勞壽命長的優(yōu)點。同時結(jié)構(gòu)膠還具有阻尼作用，可以達到減少振動和噪音的效果，但是，大多數(shù)結(jié)構(gòu)粘合劑屬于聚合物有機復(fù)合材料，對被粘結(jié)物的周圍環(huán)境溫度敏感，尤其是在焊接過程產(chǎn)生的高溫對其影響較大，這就對于滿足箱體的粘結(jié)性以及氣密性產(chǎn)生了很大的挑戰(zhàn)，具體如下。

2.1 箱體結(jié)構(gòu)膠粘接強度，氣密振動試驗不通過

產(chǎn)品樣件階段進行摸底振動試驗過程，發(fā)現(xiàn)箱體邊框與液冷板的粘結(jié)機械性能不滿足技術(shù)要求，邊框和液冷板之間的結(jié)構(gòu)膠發(fā)生脫落，嚴重影響箱體的結(jié)構(gòu)強度。

2.2 結(jié)構(gòu)膠焊接開裂，氣密泄漏

CMT焊接技術(shù)是一種無焊渣飛濺的新型焊接工藝技術(shù), 在產(chǎn)品設(shè)計過程考慮到傳統(tǒng)的焊接會對箱體的結(jié)構(gòu)膠性能產(chǎn)生影響，所以采用了新型的CMT焊接工藝。但是由于該箱體采用了CMT+結(jié)構(gòu)膠兩種復(fù)合的工藝，行業(yè)內(nèi)CMT焊接溫度結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)生的影響分析還需要通過試驗驗證進一步確定。圖1為箱體邊框縱梁與液冷板焊接過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠爆裂的現(xiàn)象，產(chǎn)生該現(xiàn)象的具體原因需要從工藝分析的角度進行根因分析和驗證。

圖1 套筒膠水開裂

2.3 結(jié)構(gòu)膠結(jié)晶粘接失效，氣密泄漏

結(jié)構(gòu)膠在使用過程中，主要通過粘結(jié)性以保證箱體的氣密性并增強結(jié)構(gòu)強度。樣件通過烘烤爐烘烤的目的是為了幫助膠快速固化，但不影響膠的性能。結(jié)構(gòu)膠在烘烤過程中產(chǎn)生的結(jié)晶，相當于對結(jié)構(gòu)膠加速了老化，嚴重影響了結(jié)構(gòu)膠的性能，致使構(gòu)膠粘劑物理機械性能降低和失效，如圖2所示。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因很多，包括結(jié)構(gòu)膠材料牌號、烘烤過程的溫度和時間，以及焊接過程等，需要深入進行原因分析及試驗驗證。

圖2 烘干后的膠狀態(tài)

3 原因分析與試驗驗證

3.1 分析的工具和方法

為解決動力箱體在開發(fā)過程中出現(xiàn)的上述挑戰(zhàn)，項目組與箱體供應(yīng)商共同成立了問題解決小組，采用魚骨圖[6]工具方法進行問題分析和相應(yīng)對策的建立。魚骨圖用于問題分析，人員、設(shè)備、材料、方法、環(huán)境和測量六個因素中的任何一個都會影響產(chǎn)品狀態(tài)。因此，確定了魚骨圖的六個因素后，使用頭腦風暴方法分析了導(dǎo)致這些原因的每個可能因素，如圖3所示。

圖3 魚骨圖分析

1.人員因素

項目開發(fā)過程箱體樣件生產(chǎn)為同一試制團隊，人員數(shù)量固定且無新的成員加入，技能熟練，因此可排除人員因素。

2.設(shè)備（機器）因素

箱體的樣件生產(chǎn)所使用的工裝和設(shè)備唯一，無新的設(shè)備和工裝投入，因此可排除設(shè)備因素。

3.材料因素

箱體的材料主要分為鋁合金和結(jié)構(gòu)膠兩大類，首先是箱體的鋁合金材料都是采用客戶指定的材料牌號，而且樣件箱體的生產(chǎn)都使用了統(tǒng)一牌號的鋁合金牌號，可以排除；其次是結(jié)構(gòu)膠材料，客戶推薦3M和ITW 兩個牌號，當前試制的樣件都是采用了ITW的牌號結(jié)構(gòu)膠，3M結(jié)構(gòu)膠沒有試制，所以結(jié)構(gòu)膠牌號作為關(guān)鍵項需要試驗驗證。

4.工藝方法因素

對于樣件的加工工藝，通過改善小組對失效樣件的分析和現(xiàn)場確認，結(jié)合頭腦風暴的討論聚焦，主要鎖定了烘干爐對結(jié)構(gòu)膠的烘干溫度和時間、生產(chǎn)工藝順序、CMT焊接對結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)和強度的影響的關(guān)鍵因素，需要驗證和確認。

小結(jié)：通過魚骨圖對人、機、料、法的分析，對影響產(chǎn)品質(zhì)量因素的料（結(jié)構(gòu)膠牌號）、工藝方法（烘干溫度和時間）、生產(chǎn)工藝順序以及鋁合金焊接距離等關(guān)鍵因素結(jié)合試驗驗證確認。

3.2 試驗驗證

1.結(jié)構(gòu)膠的牌號對箱體的粘結(jié)性能影響

針對樣件階段摸底振動試驗中，邊框與液冷板的粘結(jié)機械性能不滿足技術(shù)要求，首先從“料”結(jié)構(gòu)膠牌號入手進行分析，在技術(shù)文件中對結(jié)構(gòu)膠使用分別推薦了3M或ITW 兩種不同類型的雙組分結(jié)構(gòu)膠，當前發(fā)生的箱體振動結(jié)構(gòu)膠脫落采用的是ITW 品牌結(jié)構(gòu)膠。為了對比兩種不同結(jié)構(gòu)膠對氣密性能影響，在相同工藝參數(shù)下分別做了不同類型結(jié)構(gòu)膠氣密驗證，試驗結(jié)論如表3所示。

表3 箱體氣密性要求

箱體編號結(jié)構(gòu)膠類型氣密性測試結(jié)果 第1次第2次第3次 1#2#3#4#5#6#ITWITWITW3M3M3MNGOKNGOKOKOKOKNGNGOKOKOKNGNGNGOKOKOK

通過分析6臺箱體使用不同類型結(jié)構(gòu)膠（ITW和3M）的數(shù)據(jù)，可得出ITW結(jié)構(gòu)膠比3M結(jié)構(gòu)膠氣密性保證方面明顯較弱，因此，結(jié)構(gòu)膠的選型是箱體氣密性的關(guān)鍵因素之一。

2.結(jié)構(gòu)膠烘干溫度和時間對粘接性能影響

為研究結(jié)構(gòu)膠烘干的溫度和時間對膠的粘接性能影響，在其他工藝過程參數(shù)固定的情況下，分別對結(jié)構(gòu)膠的固化溫度、固化時間、清洗時間、邊框與液冷板壓合時間采取了以下試驗：

結(jié)構(gòu)膠：3M，混合比例：1:4，機器人涂膠速度：0.04～0.06 m/s；切片試樣：30 mm×60 mm× 5 mm，即長60 mm，寬30 mm板厚為5 mm的板材用作焊接母材，焊絲為ER5356，直徑為1.2 mm；表面清潔度：達因值40 dyn/cm，試片壓緊時間：2 min；試驗結(jié)果如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)膠固化溫度測試

序號固化溫度/℃固化時間/min清洗時間/min壓合時間/min剝離力/N結(jié)論 1#2#3#4#5#6#7#8#7080908070809080404040404040404010101012101010126669999930 07434 25331 05137 74837 04434 47533 28333 187最優(yōu)

由表4試驗數(shù)據(jù)可得出結(jié)構(gòu)膠的固化時間為40 min、固化溫度為70～80 ℃時對膠的固化狀態(tài)產(chǎn)生的剝離力最優(yōu)。

3.生產(chǎn)工藝順序?qū)Y(jié)構(gòu)膠的膠粘接性能影響

為驗證加工工藝（膠粘－焊接－烘干）順序?qū)Y(jié)構(gòu)膠的膠粘接性能影響，采取了以下試驗：結(jié)構(gòu)膠：3M，混合比例：1:4，機器人涂膠速度：0.04～0.06 m/s；切片試樣：30 mm×60 mm×5 mm，即長60 mm，寬30 mm板厚為5 mm的板材用作焊接母材，焊絲為ER5356，直徑為1.2 mm；工藝參數(shù)：電壓22 V，電流90 A，焊接速度25 cm/min，氬氣流量10～20 L/min。結(jié)構(gòu)膠A、B組分混合比例：1:4，表面清潔度：達因值40 dyn/cm，試片壓緊時間：2 min；烘烤溫度70～80 ℃，烘烤時間40 min；分別對三種不同的工藝順序進行試驗對比，試驗結(jié)果如表5所示。

通過對比三種工藝（膠粘－焊接－烘干）順序，可得出3M結(jié)構(gòu)膠對于烘烤和焊接的順序?qū)δz粘接的性能影響力很小。

4.箱體焊接溫度對結(jié)構(gòu)膠的膠粘接性能影響

為了驗證CMT焊縫與結(jié)構(gòu)膠的距離（焊接溫度）對結(jié)構(gòu)膠性能影響，采取了以下試驗：

結(jié)構(gòu)膠：3M，混合比例：1:4，機器人涂膠速度：0.04～0.06 m/s；

切片試樣：30 mm×60 mm×5 mm，即長60 mm，寬30 mm的板作為焊接基材，板厚5 mm，熱處理狀態(tài)為T6，焊絲為ER5356，直徑為1.2 mm；工藝參數(shù)：電壓22 V，電流90 A，焊接速度25 cm/min，氬氣流量10～20 L/min，表面清潔度：達因值40 dyn/cm，試片壓緊時間：2 min；烘烤溫度70～80 ℃，烘烤時間40 min；加工順序：結(jié)構(gòu)膠粘接－CMT焊接－結(jié)構(gòu)膠烘干；試驗結(jié)果如表6所示。

表5 工藝順序?qū)Y(jié)構(gòu)膠粘結(jié)的影響

序號試驗條件結(jié)論 1#粘接－焊接－烘烤 2#粘接－烘烤－焊接－烘烤 3#粘接－烘烤－焊接

表6 焊縫距離結(jié)構(gòu)膠的數(shù)據(jù)記錄

焊縫與結(jié)構(gòu)膠距離/mm剪切強度/MPa標準/MPa結(jié)論 ≤1815.52、15.80、17.32 14.01、15.17、16.43、14.05≥17結(jié)構(gòu)膠表面發(fā)現(xiàn)膠開裂，表面被燒焦 ≥2020.89、26.16、23.66、21.15、22.30、20.95、22.07≥17結(jié)構(gòu)膠表面未發(fā)現(xiàn)膠開裂和表面燒焦

由表6試驗數(shù)據(jù)分析可得出焊縫距離結(jié)構(gòu)膠粘接的安全距離為20 mm，如果焊縫的起始點距離結(jié)構(gòu)膠距離小于20 mm，CMT焊接的溫度影響將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠開裂機械粘接結(jié)構(gòu)不滿足于剪切強度要求。

本節(jié)通過小組成員的頭腦風暴，利用質(zhì)量分析工具（魚骨圖），初步從“料”：結(jié)構(gòu)膠牌號，“法”：固化溫度時間、工藝順序，“環(huán)”：焊接溫度，初步鎖定因素著手開始調(diào)查和分析，再通過現(xiàn)場試驗的方法分別對以上影響因素予以確認和判斷，最終通過試驗數(shù)據(jù)可知結(jié)構(gòu)膠牌號、固化溫度、時間及焊接距離均為影響膠粘接的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論

通過以上對動力電池箱體對結(jié)構(gòu)膠和CMT焊接技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用分析，建議如下：

1）結(jié)構(gòu)膠牌號的選擇對于鋁合金的粘接很關(guān)鍵，建議在產(chǎn)品和工藝設(shè)計過程進行驗證；

2）結(jié)構(gòu)膠大都屬于高分子有機復(fù)合材料，對被粘結(jié)物的周圍環(huán)境溫度敏感，開發(fā)過程需要分析和驗證結(jié)構(gòu)膠的固化的溫度；

3）結(jié)構(gòu)膠和焊接工藝的聯(lián)合應(yīng)用，需重點考慮焊接溫度對于膠粘接性能的影響，避免焊接溫度影響結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)；

4）工藝設(shè)計初期，應(yīng)分析驗證工藝順序（涂膠－焊接－固化等），避免工藝順序的不合理導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)失效。

[1] 李英,胡劍.基于專利分析的我國電動汽車電池技術(shù)發(fā)展趨勢研究[J].科技管理研究,2015,35(19):155-158.

[2] 徐文歡,張秋花.白車身流鉆螺釘參數(shù)設(shè)計研究[J].汽車工藝與材料,2017(12):38-41.

[3] 全國焊接標準化委員會.鋁及鋁合金氣體保護焊推薦坡口:GB/T 985.3－2008[S].北京:中國標準出版社, 2008.

[4] 全國焊接標準化委員會.鋁及鋁合金弧焊推薦工藝:GB/T 22086－2008[S].北京:中國標準出版社,2008.

[5] 中國電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標準化技術(shù)委員會.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分:試驗方法: GB/T 2423.10－2008[S].北京:中國標準出版社,2008.

[6] 妖研,龍明彩.淺談魚骨圖分析法在制造過程中的應(yīng)用[J].機電元件,2019,39(4):48-50.

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 )

Due to the mechanical failure of structural adhesive 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 fishbone 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.

Power battery case; Structural adhesive; CMT technology welding; Fishbone diagram

U469.7

A

1671-7988(2023)19-156-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.030

侯少杰（1980－），男，碩士，工程師，研究方向為汽車質(zhì)量，E-mail:benjamin.hou@live.com。