电池托盘用铝合金搅拌摩擦焊焊缝缺陷分析

唐爱国 黄峥 王俊 黎显俊 曹宇

摘 要：采用搅拌摩擦焊方法对新能源汽车电池托盘用6XXX铝合金型材进行焊接。焊接过程中经常会产生焊缝孔洞、焊缝内凹、隧道等缺陷。本文对搅拌头、转速、进给、下压量等工艺参数选择不当所产生的接头缺陷进行了分析。

关键词：新能源汽车;电池托盘;6XXX铝合金;搅拌摩擦焊;缺陷

中图分类号： U466;TG379  文献标识码：A

Abstract：The 6XXX aluminum alloy profile used in new energy vehicle battery tray was welded by friction stir welding method.In the welding process， there are often weld holes， weld concave， tunnel and other defects.In this paper， the joint defects caused by the improper selection of process parameters such as stirring head， rotating speed， feed and lower pressure are analyzed.

Keywords：New Energy Vehicles;Battery Tray;6XXX Aluminum Alloy;Friction Stir Welding ;Defects

随着新能源汽车的快速发展，6XXX铝合金作为新能源汽车电池托盘材料呈现出主流趋势，其主要原因在于6XXX铝合金具有良好的力学性能、优异的焊接性能、较高的比强度等特点[1-4]。近几年来，搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接方式，被广泛应用于汽车用铝合金的焊接领域[5-7]。目前电池托盘用6XXX铝合金搅拌摩擦焊接过程中会出现很多缺陷，如隧道、沟槽、孔洞、变形、变形、错边、飞边等缺陷。本文以电池托盘用6XXX铝合金搅拌摩擦焊接缺陷为研究对象，在大量的生产试验的基础上，总结了常见缺陷的种类和特点。并通过搅拌头、转速、进给、下压量等工艺参数的优化提高搅拌摩擦焊的焊接质量，这为电池托盘用6XXX铝合金搅拌摩擦焊的实际生产应用具有一定指导作用。

1实验材料及方法

1.1实验材料

实验材料为6063和6061 铝合金，其合金成分[8]见表1所示。

1.2 实验方法

新能源汽车电池托盘坯料生产流程：熔炼→铸造→均匀化热处理→机加工→预热→挤压→热处理→机加工→焊接→机加工等。常见的搅拌摩擦焊要求有：焊接宽度均匀一致，焊缝表面呈均匀的鳞状纹，除底板-边框焊接时焊縫端部的焊头孔外，不允许有焊头孔，不允许有补焊。搅拌摩擦焊单边熔深≥3.5mm;焊缝宽度≤12mm（搅拌头轴肩直径），摩擦焊强度>70%，焊缝缺陷满足ISO 25239-5：20II《搅拌摩擦焊-铝合金：质量检验要求》。不得有明显的抬刀和下压痕迹，凹痕最大不得超过0.5mm。

搅拌摩擦焊焊接前控制探针与预焊点的相对位置，使搅拌头进给方向与焊缝对齐，焊接过程中搅拌头旋转方向为逆时针方向，选取实验的焊接工艺参数：搅拌针规格、转速、进给、下压量，具体数值见下表2所示。

2实验结果及分析

2.1 宏观缺陷分析

将搅拌摩擦焊焊接完成的电池托盘进行取样，进行宏观缺陷分析[9-10]。检测结果见下表2所示。焊缝检测出缺陷：焊缝内孔、焊缝内凹和隧道如图1所示。

2.1.1内部孔洞

内部孔洞的形成涉及到搅拌摩擦焊接头内部热塑性材料的复杂流动情况。当焊接过程的热输入不足时，达到塑性化状态的材料不足，材料流动不充分而导致在焊缝内部形成材料未完全闭合。

内部孔洞与接头内部热塑性材料的流动情况有直接关系，如图2，前进侧母材的流动方向和搅拌针周围的热塑性材料流动方向相反，而返回侧母材的流动方向和搅拌针周围的热塑性材料流动方向相同，搅拌针周围的热塑性材料在搅拌针的旋转作用下从前进侧被带到返回侧，并在返回侧发生沉积，如果焊接参数不恰当，导致焊接过程温度较低，热塑性材料的流动状态变差，这样前进侧被搅拌针带走的材料得不到及时的补充，因此就会在接头内部形成孔洞，如表2数据4和12出现的孔洞，就是由于转速低焊速高导致热量输入不足。

前进侧上部的热塑性材料在轴肩的压力和搅拌针的作用下主要向下流动，而前进侧下部由于受轴肩的作用小，只是在搅拌针的旋转与挤压作用下带动一部分材料向上运动，两股交汇的热塑性材料向焊核内部运动，并在孔洞周围沉积下来;而返回侧的热塑性材料在轴肩和搅拌针的作用下由上部向下部运动，由此可知，搅拌头轴肩的压力对改善孔洞缺陷有不可或缺的影响。如表2数据3和4，数据11和12，同样的转速和焊速，由于数据4和12的压力较大，孔洞没有变成连续形的孔洞缺陷——隧道缺陷。

2.1.2隧道型缺陷

内部孔洞如果在焊缝长度方向上延伸较长时就形成隧道型缺陷，这是比较典型而且危害最大的一种缺陷。图1（a）为其X射线透射照。表2中的数据3和4，由于转速低焊速高，输入热量较低，形成了隧道缺陷。

关于这种缺陷的产生，主要有以下几种原因：

搅拌头旋转速度过小或者焊接速度过大时会在焊缝中产生这类缺陷。因为搅拌头旋转速度减小和焊接速度增大都会直接导致焊接过程热输入不足，从而达到热塑性状态的金属体积减少，塑性金属的流动性变差，以致前进侧金属未能被来自返回侧的塑性金属及时填充，而导致此区内金属量减少，最终在此处留下巨大隧道，如表2数据3和11，试验还发现，当试样之间留有间隙时，常会在焊缝中发现隧道型缺陷。其产生原因是由于间隙的存在使得焊缝连接所需的塑性金属减少，在没有塑性金属补充的情况下只能是在焊缝中形成隧道型缺陷。

实验发现，搅拌针长度对焊接缺陷影响较小，如表2数据所示，不同搅拌针长度产生的缺陷规律和类型基本一致。

2.2无损检测分析

将搅拌摩擦焊宏观缺陷分析无缺陷样品，进行无损检测分析[11-12]。检测结果见下表3所示。

3结论

综上所述，如果想要避免焊接过程中出现孔洞或隧道型缺陷，除了要选择适当的焊接工艺参数外（搅拌头转速、焊速、压力），还要避免待焊件之间存在间隙。试验还发现，采用带螺纹的锥形搅拌针比不带螺纹的搅拌针更容易避免隧道型缺陷的产生，因为带螺纹的锥形搅拌针增大了塑性金属的流动性。

参考文献：

[1]李飞庆. 新能源汽车电池托盘用高性能6061铝合金型材生产工艺探讨[J]. 铝加工，2020，（1）：38-41.

[2]陈吉龙，程仁寨，张小刚，等. 热处理对电池托盘用6061铝合金组织与性能的影响[J]. 中国金属通报，2020，（10）：1-2.

[3]汤林志，王祝堂. 电动汽车用挤压铝合金新进展[J]. 轻合金加工技术，2020，48（7）：1-6.

[4]余冬梅. 电动汽车挤压铝合金新进展[J]. 铝加工，2020，（1）：4-7.

[5]张璐霞，林乃明，邹娇娟，等. 铝合金搅拌摩擦焊的研究现状[J]. 热加工工艺，2020，49（3）：1-6.

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[7]杨海峰，许欣欣，郭孜颂，等. 铝合金T形接头搅拌摩擦焊研究进展[J].焊接，2019，（3）：12-17.

[8]GB/T 3190-2008， 變形铝及铝合金化学成分[S].

[9]GB/T 3246.2-2000， 变形铝及铝合金制品低倍组织检验方法[S].

[10]GB/T 3246.1-2000， 变形铝及铝合金制品显微组织检验方法[S].

[11]NB/T 47013.2-2015，承压设备无损检测第2部分：射线检测[S].

[12]GB/T 22087-2008， 铝及铝合金的弧焊接头：缺欠质量分级指南[S].

作者简介：

唐爱国（1972—），男，广西全州人，工程师，本科，主要研究方向：机械工程。

（1南南铝业股份有限公司，广西 南宁 530299;2梧州学院机械与材料工程学院，广西 梧州 543002）