电动汽车电池液冷板MIG焊接工艺设计

柳生

摘 要：锂离子电池热管理已成为制约电动汽车商业化的瓶颈，为解决此问题，在锂离子电池散热和加热系统中加装液冷板。有效提高电池低温放电性能和高温耗能，从而提高电池持续充放电过程的稳定性和安全性。液冷板采用铝硅合金型材，两端加装封堵和连接管。加装的端部封堵需要通过焊接完成与型材的连接，通过铝合金自动焊接和半自动焊接与手工焊接的多次试验，由于自动焊接的局限性及气孔缺陷，手动焊接的效率太低，最后通过摸索完善焊接工艺设计，采用手工MIG熔化极氩弧焊取得了非常好的生产效率及焊接质量。

关键词：电动汽车；锂离子电池；液冷板；焊接工艺设计

中图分类号：TG156 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）27-0001-05

Abstract： Thermal management of lithium-ion batteries has become the bottleneck of the commercialization of electric vehicles. In order to solve this problem， liquid cooling plates are installed in the heat dissipation and heating system of lithium-ion batteries. The low temperature discharge performance and high temperature energy consumption of the battery are improved effectively. Therefore， the stability and safety of the battery during the continuous charging and discharging process can be improved. The liquid cooling plate is made of aluminum-silicon alloy profile， and both ends of the plate are plugged and connected with pipes. The end plugging needs to be connected with the profile through welding. The manual welding efficiency is too low because of the limitation of automatic welding and the porosity defect due to many tests of aluminum alloy automatic welding and semi-automatic welding and manual welding. At last， the welding process design is improved， and the production efficiency and welding quality are achieved by manual MIG argon arc welding.

Keywords： electric vehicle； lithium-ion battery； liquid cooling plate； welding process design

前言

鋰离子电池热管理已成为制约电动汽车商业化的瓶颈，为解决此问题，在锂离子电池散热和加热系统中加装液冷板. 有效提高电池低温放电性能和高温耗能以及电池持续充放电过程的稳定性和安全性。液冷板采用铝硅合金型材，两端加装封堵和连接管，需要通过焊接完成与型材的连接。通过铝合金自动焊接和半自动焊接与手工焊接的多次试验，自动焊接的局限性及气孔缺陷，手动焊接的效率太低，最后采用手工MIG熔化极氩弧焊取得了非常好的生产效率及焊接质量。

1 铝合金焊接基础理论

1.1 铝及铝合金的物理特性和焊接工艺特点

（1）铝及铝合金具有优异的物理特性和力学性能，其密度低，比强度高、热导率高、电导率高、耐腐蚀能力强，已广泛应用于机械、电力、化工、轻工、航空、航天、铁路、舰船、车辆等工业内的焊接结构产品上。

（2）铝在空气中及焊接中极易氧化，生成的氧化铝熔点高、非常稳定、能吸潮、不易去除，会在焊接过程中产生夹渣、未焊透和未熔合等缺陷。

（3）铝的比热容、电导率、热导率比钢大，焊接时的热输入将向母材迅速流失。熔焊时需采用高度集中的热源。

（4）铝对光、热的反射能力强，熔化前没有明显色泽变化，人工焊接时判断困难，容易产生焊穿和焊瘤。

（5）硅铝合金密度小，热膨胀系数低，具有很高的抗击冲击能力和很好的高压致密性，可大大提高使用寿命，常用其生产航天飞行器和汽车零部件。电池液冷板就是铝硅合金。铝硅合金强度不高，但液态流动性好，焊接性好。

1.2 铝及铝合金的主要焊接方法

铝及铝合金几乎适应各种焊接方法，在选择焊接方法时，还应考虑产品结构性特点、制造工艺需求、焊件厚度、铝合金类别、牌号及其焊接性、对焊接接头的质量及性能的要求以及生产制造单位的物质、技术、经济等多方面条件。根据液冷板的结构特点及生产条件，主要选用熔化极气体自动保护焊、手工钨极氩弧焊及半自动MIG熔化极氩弧焊进行焊接试验和比对。

（1）熔化极气体自动保护焊，焊接成型美观，水平焊接液冷板长缝效率比较高。但在液冷板的组对及处理中，无法保证完全去除焊缝周边的氧化物、油污等。特别容易产生气孔的缺陷，液冷板焊缝的两端，仍需要人工焊接的方式解决。

（2）手工钨极氩弧焊，焊接操作方便、容易控制、成型美观，适应液冷板焊缝结构的设计。但生产效率低。

（3）半自动MIG熔化极氩弧焊，采用双脉冲MIG焊是在常规脉冲MIG焊技术的基础上针对铝合金焊接而设计的一种新工艺。如果参数设置得当， 可以降低气孔发生率， 细化焊缝晶粒， 扩宽焊接接头间隙范围， 在确保焊接质量的前提下， 实现比手工氩弧焊3倍以上的焊接效率。到目前为止， 双脉冲MIG 焊是铝硅合金焊接的最佳解决方案之一，也是焊接界研究的热点。

2 液冷板MIG焊前处理要求

铝合金焊接对焊缝周边处理的要求比较苛刻。装配前必须清净表面水渍、油脂、污物及氧化膜，以免焊接时产生气孔等缺陷。表面处理的方法有机械清理法和化学处理法。

（1）机械清理法，一般采用月牙形铝合金专用锉刀、铜刷或者百叶砂纸轮等。

（2）化学清理法效率高，质量稳定，适用于清理中小型尺寸并成批生产的零件。主要清洗的流程：

a.除油：可以采用汽油、丙酮、四氯化碳、磷酸三钠等化学清洗剂浸泡处理。

b.碱洗：纯铝采用6%～12%的NaOH，水温控制在40～60℃，浸泡时间≤20min；铝合金采用6%～10%的NaOH，水温控制在40～60℃，浸泡时间≤7min。

c.冲洗：采用流动清水冲刷。

d.中和光化：采用HNO3溶液，水温控制在40～60℃，浸泡时间1～3min。

e.干燥：风干或者低温干燥。

（3）本装置需要焊接清洗的部位只在两侧端头，端头配件采用丙酮或汽油溶液浸泡除油，液冷板端头用丙酮或汽油溶液擦洗后即可组对，焊接之前用钢丝刷（？椎0.15mm不锈钢丝或头丝刷）刷到漏出金属光泽为止，一般在清理后4～8h之内施焊。

如图1：

3 液冷板的焊接工艺设计

液冷板的手工MIG熔化极氩弧焊焊接工艺设计：

通过实践中的对比试验，手工MIG熔化极氩弧焊来焊接液冷板，焊缝的成型美观，质量稳定且生产效率高。

（1）焊机的选择，本机选用国产知名品牌NBC-300-GM 型，逆变式脉冲熔化极氩气保护焊机，简称MIG。主要特点：数字化CPU控制系统，采用IGBT高频软开关控制技术，采用强脉冲引弧等。电源电压：380V；频率：50Hz；额定输出功率：8KVA；输出电流调节范围：20-300A；输出电压调节范围：10-32V；焊丝直径？椎1.2-1.6mm；气体流量：15-20L/min。如图2：

（2）焊接前准备。确保电源、地线接触牢固，无松动现象。正确安装好焊枪、焊丝及保护气体。设计好焊接专用平台，高度适中，在放置焊枪的一侧为导电板，相对的一侧设计绝缘板（尼龙板）。如图3：

（3）基本焊接的方法

a.液冷板为铝硅合金扁型材方管，壁厚2mm。选用铝4043，直径？椎1.2mm焊丝，氩气纯度必须保证99.99%。为了提高效率，每次以成对（2片）同时焊接，在焊接过程中，防止飞溅污染焊道周边的母材，设置遮挡板。如图4。

b.所有的脉冲焊接为左向焊法，即焊接时焊枪的行走方向是从右向左行走。焊枪与工件的相对前进倾角为80°，左右角90°，焊丝及电弧對正焊缝中心。

c.先逐一焊接液冷板端头的短焊缝，保证根部熔接及足够的焊肉高度，同时起到了连接件有效固定的作用。在成对连续焊接长焊缝之前，要用角磨机对长焊缝两端的焊点进行修磨处理，保证焊接时接头的熔接质量。

d.焊接长焊缝时，从右侧端点起弧，保证接头的熔合质量后，迅速控制连续焊，结尾处在保证充分熔合的基础上，避免收尾的缩孔出现，通过拉长电弧或者电弧填充的方式防止。焊接完一面后进行翻面焊接，焊接完一端后，调换焊接液冷板的另一端。

焊接成型如图5：

e.焊接过程中，注意液冷板本体的保护，避免硬性的磕碰，遮挡板要有效遮挡，端头接管的保护套防止脱落。导电尽量用焊缝部位接触下部导电板，防止母材出现闪击点。

（4）焊接工艺参数设计

调节方法及设定的焊接参数是经过多组参数对比试验而得，本节不详细论述对比试验的过程。直接提供试验取得参数调节方法及参考数值。

a.调节面板的功能设置，为了操作简单，保证焊机在最理想的状态下焊接，先开启面板左边的“一元/个别”按钮设置为“一元”灯亮；面板右边的“焊丝材质”按钮设置为“铝硅”灯亮；“焊丝直径”按钮设置为“1.2”灯亮；“脉冲选择”按钮设置为“双脉冲”灯亮；“操作模式”按钮设置为“2T”灯亮。如图6。

b.焊接参数设置

焊接电压和电流：基础焊接电压19.2V，电流82A。依据操作者焊接习惯不同，电压的调节范围控制在19.2～20之间，电流控制在75～85A之间。

程序设置：“一元”状态下，重新选择焊丝材质“铝硅”，焊丝直径“1.2”，并按“调整”键，调整“Pr1～Pr7”的值，如下图所示。

弧长控制：在焊接过程中，电弧长度调整在1-2mm最为合适。如果为了提高焊接速度，电压和电流设置的数值较大，电弧长度可以控制在2-4mm。

干伸长：干伸长即焊丝伸出枪口的长度，最理想的干伸长为10～15mm。焊接过程中，焊枪口与工件之间要始终保持这个高度。

（5）焊接工艺难点及缺陷修补

a.焊接工艺难点

液冷板MIG的焊接完成后，必须将焊道加工打磨后与母材齐平，形成完整无缺陷的整体效果。因此，焊接过程中必须保证没有任何咬边、塌陷、根部未熔合及根部气孔、夹渣的缺陷。液冷板壁厚仅2mm，内部为介质通道，尤其是水嘴端头部分，必须控制熔深，防止烧穿和塌陷封闭通道的严重缺陷。打磨后的成品要做封闭性检验，做0.7Mpa气密性检测。这是液冷板最重要的工艺难点。焊道的成型如何，焊接过程是一遍成型，必须保证根部的焊接质量。焊接人员在焊接过程中从焊道的清理、点焊加固、接头处理、焊接过程中，根部完美的融合性控制、保护气体氩气的纯度等，每一个环节都不能马虎，成品的合格率要保证95%以上。

b.常见的焊接工艺缺陷产生的原因分析

气孔：保护气体不纯或供气不足、防风措施不利卷入空气、喷嘴被飞溅物堵塞不畅通、喷嘴与工件的距离过大导致电弧过长、电弧电压太高、焊丝及母材质量缺陷、焊接区表面被污染，油污水分等未清除。

咬边：电弧过长、弧压过高、焊接速度过快、焊接电流太大、焊丝位置不当没有对中、焊丝摆动不平稳等。

未熔合：焊接电流太小、送丝不均匀、电弧电压参数不对、焊接速度过快、焊丝对中差未能熔焊到等。

焊缝成型不良：主要是工艺参数不适合、焊丝位置不对中、送死滚轮的中心偏移、焊丝矫直机构调整不当、导电嘴松动等。

梨形裂缝：是焊接过程中（非收尾处缩孔）产生的类似梨形的裂纹，主要是焊接电流过大、焊接速度不稳、坡口过窄、电弧电压太低等。

电弧不稳定：是导电嘴松动或已经磨损或是与焊丝比直径过大、焊丝盘转动不均匀，送丝轮沟槽磨损或不配套、加压滚轮压力不适合、导丝管藏污纳垢或破损产生阻力过大、焊接电流过低或电弧电压波动、焊丝干伸长过大、焊件上有脏污、地线放的位置不当等。

飞溅：主要因短弧过渡时电感量不适当、焊接电流和电弧电压配合不当、焊丝和焊件清理不良等。

焊接缺陷处理：用直磨机修整后重新熔焊即可

4 焊接時劳动保护措施

液冷板MIG焊接时主要有烟气、弧光辐射、噪音等危害身体健康。必须采取严格的防护措施，加强劳动保护。

（1）在焊接工作场地设置良好的通风措施。无完整通风设备时，焊工操作区采用小型自净式电焊烟尘吸收器除尘、滤毒。

（2）焊工操作时要带静电防尘口罩，防护口罩，建议采用3M-9501V（防焊接烟尘等）。穿好工作服，戴好手套。

（3）对焊工进行定期的体检。上岗之前必须进行专项安全作业培训。HGJ222--92《铝及铝合金焊接技术规程》之要求。

5 结束语

（1）电动汽车电池液冷板属于专项焊接工程，通过实践中的试验和对比，采用手工MIG熔化极氩弧焊取得了非常好的生产效率及焊接质量。

（2）从实践工作中总结的焊接工艺设计，其参数明确，操作方便，可行性强。

参考文献：

[1]中国机械工程学会焊接分会编.焊接手册.第2版.第2卷.材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，2001，8.