CN113369812A - 一种电动汽车用电池包托盘及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种电动汽车用电池包托盘及其制造方法，属于新能源电动汽车制造领域。该电动汽车用电池包托盘的制造方法，将熔融铝合金压铸得到若干个铝合金压铸件单元，再将铝合金压铸件单元采用拼焊的方法组合，得到电动汽车用电池包托盘。铝合金压铸件单元包括底板、边梁和筋条。拼焊采用气体保护焊工艺，采用压铸铝合金用焊丝，实现拼焊成型。该制造方法采用压铸单元一次压铸成型无需焊接，使得托盘产品焊缝数量大大减少，产品尺寸精度和刚度得到提升，有利于提高电动汽车的运行安全和品质。同时，产品生产效率相应提高，产品制造成本显著降低。

Description

一种电动汽车用电池包托盘及其制造方法
技术领域
本发明提出一种电动汽车用电池包托盘及其制造方法，属于新能源电动汽车制造领域。
背景技术
随着新能源的开发利用和环保意识的提高，新能源电动汽车逐渐成为公共交通和家庭用车的首选产品，2020年产销量均已超过136万辆。动力电池作为电动汽车三大核心技术之一，一定程度上决定了电动汽车的使用性、可靠性和安全性。经过一段时期的发展，目前的电池包安装方式由早期的分体式转变为平铺在车辆底盘上的一体式(滑板式)，代表产品有Tesla Model S和比亚迪·唐等。电池包安装用托盘(简称电池包托盘)作为新能源电动汽车开发中的重要部件，其安全性和制造成本正在受到汽车(零部件)制造厂商的日益重视。
由于轻量化是电动汽车的重点发展方向，故电池包托盘多采用铝合金制造。根据铝合金材料的供货特征，目前的电池包托盘一般都是采用铝合金挤压件进行组合制造。此类电池包托盘由带筋条的底板和边框组成，底板由几块铝合金型材采用特定的焊接工艺(如搅拌摩擦焊或气体保护焊)拼焊连接而成，边框上的所有横梁也均为铝合金型材，各横梁之间、横梁与底板之间再采用气体保护焊方法连接而成。该类制造技术因挤压铝型材成分通用、供货渠道容易、工艺成熟，已成为目前主要的电池包托盘供货方式。但是，此类托盘由于组装焊缝数量多，焊接工艺麻烦，产品尺寸精度和刚度难以保证，且生产成本偏高，生产周期偏长。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种电动汽车用电池包托盘及其制造方法，该制造方法采用铝合金压铸件代替铝合金挤压件制造电池包托盘，由于压铸件和挤压件所用的铝合金成分及构件成型工艺显著不同，因而在电池包托盘的制造工艺上存在巨大差异。虽然理论上可以将整个电池包托盘一次压铸成型，但是由于电动汽车用电池包托盘尺寸较大，不同车型的使用面积达到4m2～10m2，目前压铸机的生产能力不能满足一次压铸成型的要求。为了制造大尺寸的铝合金压铸件电池包托盘产品，可以采用较小尺寸的压铸件托盘单元经拼焊的方式组合而成。
本发明的一种电动汽车用电池包托盘的制造方法，将熔融铝合金压铸得到若干个铝合金压铸件单元，再将铝合金压铸件单元采用拼焊的方法组合，得到电动汽车用电池包托盘。
进一步的，所述的铝合金压铸件单元包括底板、边梁和筋条。
所述的若干个铝合金压铸件单元，优选为2～4个。
所述的拼焊采用气体保护焊工艺，采用压铸铝合金用焊丝，实现拼焊成型。
所述的压铸铝合金用焊丝，其包括的成分及各个成分的质量百分比为：Si：10～13％，Mn：0.3～0.5％，Mo≤0.2％，Ti：0.05～0.15％，Sr：0.02～0.05％，Zr：0.2～0.3％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，其中，单个杂质的质量百分比≤0.05％，不可避免的杂质总的质量百分比之和≤0.15％。
所述的压铸铝合金用焊丝，其直径为1.2mm-4.0mm。
所述的拼焊成型采用单面单道焊缝或双面单道焊缝。
所述的单面单道焊缝，在焊接时，铝合金压铸件单元中焊缝对应的底部放置带有凹槽的衬垫。
本发明的一种电动汽车用电池包托盘的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：准备
根据电动汽车用电池包托盘的成分，准备铝合金原料，进行熔炼，得到熔融铝合金；
步骤2：浇铸
根据压铸机的型号和电动汽车用电池包托盘尺寸，确定电动汽车用电池包托盘制造单元的模具规格，将熔融铝合金压铸入模具内，得到若干个铝合金压铸件单元；每个铝合金压铸件单元均包括电池包托盘边框、筋条和底板；
步骤3：拼焊
将若干个铝合金压铸件单元进行拼焊，得到电动汽车用电池包托盘。
所述的步骤1中，所述的电动汽车用电池包托盘包括的主元素及该元素的质量百分含量为：Si为8-11％，Mn为0.3-0.6％，余量为Al；
所述的步骤1中，电动汽车用电池包托盘的成分要求能够符合电动汽车厂家要求的强度和塑性，同时满足铝合金的压铸工艺要求。
所述的步骤1中，电动汽车用电池包托盘还包括不可避免的杂质元素，单个杂质元素的质量百分含量≤0.05％，总杂质的质量百分含量≤0.25％。
所述的步骤1中，熔炼温度为740℃-760℃。
所述的步骤2中，根据压铸机的能力和电动汽车用电池包托盘尺寸，将电动汽车用电池包托盘拆分为2～4个铝合金压铸件单元。
在步骤3中，所述的拼焊采用气体保护焊，采用压铸铝合金用焊丝，完成单面单道焊或双面单道焊。
单面单道焊或双面单道焊，具体包括如下步骤：
(1)将铝合金压铸件单元的焊接边缘加工成V型或I型焊接坡口；
在步骤3的(1)中，V型焊接坡口的开口角度为40～60°，钝边高度0～1mm。
(2)清理铝合金压铸件单元焊接坡口周围表面和焊口，将铝合金压铸件单元对接；
在步骤3的(2)中，采用机械或化学方法清理铝合金压铸单元焊接坡口周围表面和焊口。
(3)采用压紧装置将铝合金压铸件单元固定；
在步骤3的(3)中，如果采用单面单道焊，需要在对接后的铝合金压铸件单元下方设置有垫板，在垫板中对应的焊缝位置设置凹槽；所述的垫板为铜合金材质或不锈钢材质，所述的凹槽尺寸为：宽10-15mm，深1-2mm。
(4)采用压铸铝合金用焊丝进行焊接，完成单元拼接，得到电动汽车用电池包托盘；
所述的压铸铝合金用焊丝的直径为1.2mm-4.0mm，其含有的主要成分及各个成分的质量百分比为：Si：10～13％，Mn：0.3～0.5％，Mo≤0.2％，Ti：0.05～0.15％，Sr：0.02～0.05％，Zr：0.2～0.3％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，其中，单个杂质的质量百分比≤0.05％，不可避免的杂质总的质量百分比之和≤0.15％。
在步骤3的(4)中，焊接工艺为熔化极气体保护焊(MIG)或钨极氩弧焊(TIG)。
本发明的一种电动汽车用电池包托盘，采用上述制造方法制得。
焊接接头的拉伸强度超过母材拉伸强度的80％。
本发明的一种快速低成本电动汽车用电池包托盘及其制造方法，与传统的采用挤压铝合金制造的电池包托盘不同，采用压铸铝合金制造的电池包托盘单元均含有边框、筋条和底板，即边框、筋条和底板之间不再需要焊接，减少了焊缝数量，改变了焊缝位置，间接提高了边框和底板之间的强度。根据不同的电动汽车车型尺寸和压铸机设备能力，可以采用先压铸得到若干个铝合金压铸件单元，再将若干个铝合金压铸件单元通过焊接的方法进行拼焊成型，得到电动汽车用电池包托盘。
本发明的一种电动汽车用电池包托盘及其制造方法，其有益效果在于：
1、相比于铝合金挤压件，采用铝合金压铸件，其好处是由于压铸件单元的边框、筋条和底板通过一次压铸成型连接无需焊接，使得托盘产品焊缝数量大大减少，产品尺寸精度和刚度得到提升，有利于提高电动汽车的运行安全和品质。同时，产品生产效率相应提高，产品制造成本显著降低。
2、本发明的所有操作过程可以手工完成，也可以采用全自动生产工艺，包括自动装配和机器人焊接。如此得到的电池包托盘具有制作成本低、制造时间短、制造精度高等优点。
附图说明
图1为2个铝合金压铸件单元装配图。
图2为3个铝合金压铸件单元装配图。
图3为4个铝合金压铸件单元装配图。
图4为电池包托盘铝合金压铸件单元单面单道焊效果图。
以上图中，1为边框，2为底板，3为焊缝，4为焊接坡口，5为钝边，6为垫板，7为铝合金压铸件单元，8为压紧装置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
与传统的采用挤压铝合金制造的电池包托盘不同，采用压铸铝合金制造的电池包托盘单元均含有边框、筋条和底板，即边框、底板和筋条之间不再需要焊接。根据不同的电动汽车车型，可以采用如图1或图2或图3所示的组合结构，即将2个或3个或4个压铸件单元通过焊接的方法，分别将边框1和底板2通过焊缝3组合成一体，得到托盘。
具体实施例一：
一种电动汽车用电池包托盘的制造方法，包括以下步骤：
采用的铝合金压铸件单元尺寸为900mm×600mm×3.5～5mm，4块等尺寸带边框的铝合金压铸件单元，铝合金压铸件单元采用的材料牌号为AlSi9MnMoZr。先根据AlSi9MnMoZr成分准备原料，熔炼后，压铸得到4块等尺寸带边框的铝合金压铸件单元；
将每块铝合金压铸件单元的焊接边缘加工成V型焊接坡口，V型焊接坡口角度为50°，在V型焊接坡口底部放置带有凹槽的不锈钢衬垫，凹槽的尺寸为宽10mm，深3mm；采用纯Ar保护的熔化极气体保护焊工艺，专用配套压铸铝合金用焊丝直径1.2mm，采用图3所示的组合方式焊接成一个整体电动汽车用电池包托盘，实现单面单道焊成型，电池包托盘铝合金压铸单元单面单道焊效果图见图4。产品最大变形小于3mm，接头拉伸强度达到母材的90％，质量明显优于采用传统挤压铝合金制造的产品。
本实施例采用的压铸铝合金用焊丝，其含有的主要成分及各个成分的质量百分比为：Si：10％，Mn：0.35％，Mo：0.1％，Ti：0.05％，Sr：0.02％，Zr：0.2％，Fe：0.12％，余量为Al和不可避免的杂质，其中，单个杂质的质量百分比≤0.05％，不可避免的杂质总的质量百分比之和≤0.15％。
具体实施例二：
一种电动汽车用电池包托盘的制造方法，包括以下步骤：
采用的铝合金压铸件单元尺寸为1400mm×800mm×3.5～5mm，2块等尺寸带边框的铝合金压铸件单元，铝合金压铸件单元采用的材料牌号为AlSi9MnMoZr。先根据AlSi9MnMoZr成分准备原料，熔炼后，压铸得到2块等尺寸带边框的铝合金压铸件单元；
将每块铝合金压铸件单元的焊接边缘加工成V型焊接坡口，V型焊接坡口角度为50°，在V型焊接坡口底部放置带有凹槽的不锈钢衬垫，凹槽的尺寸为宽15mm，深2mm；采用纯Ar保护的熔化极气体保护焊工艺，专用配套压铸铝合金用焊丝直径1.2mm，本实施例采用的压铸铝合金用焊丝成分同实施例1。
采用图1所示的组合方式焊接成一个整体电动汽车用电池包托盘，实现单面单道焊成型。产品最大变形小于3mm，拉伸强度达到母材的90％，质量明显优于采用传统挤压铝合金制造的产品。
具体实施例三：
一种电动汽车用电池包托盘的制造方法，包括以下步骤：
采用的铝合金压铸件单元尺寸为500mm×800mm×3.5～5mm，3块等尺寸、不同轮廓的带边框的铝合金压铸件单元，铝合金压铸件单元采用的材料牌号为AlSi9MnMoZr。先根据AlSi9MnMoZr成分准备原料，熔炼后，压铸得到3块带边框的铝合金压铸件单元；
将每块铝合金压铸件单元的焊接边缘加工成I型，采用纯Ar保护的钨极氩弧焊工艺，专用配套压铸铝合金用焊丝直径3.0mm，本实施例采用的压铸铝合金用焊丝成分同实施例1。
采用图2所示的组合方式焊接成一个整体电动汽车用电池包托盘，实现双面单道焊成型。产品最大变形小于3mm，拉伸强度达到母材的82％，质量明显优于采用传统挤压铝合金制造的产品。
具体实施例四：
一种电动汽车用电池包托盘的制造方法，包括以下步骤：
采用的铝合金压铸件单元尺寸为900mm×600mm×3.5～5mm，4块等尺寸带边框的铝合金压铸件单元；每个铝合金压铸件单元均带有边框1，底板2和筋条；采用机加工具在铝合金压铸件单元焊接边缘加工出V型焊接坡口4，其钝边5的高度为1mm；采用机械方法清理将要焊接的铝合金表面；采用带有凹槽的铜合金垫板6，放置在将要焊接的铝合金压铸件单元7的V型焊接坡口4的下方；铝合金压铸件单元7单元体对齐靠紧，采用压紧装置8靠近焊接处压紧，并使得焊接处位于垫板的凹槽的正上方；采用熔化极气体保护焊工艺进行单面单道焊，专用配套压铸铝合金用焊丝直径1.2mm。本实施例采用的压铸铝合金用焊丝成分同实施例1。完成焊接，形成2条焊缝3；焊接完成后，得到电动汽车用电池包托盘。
具体对比例一：
本对比例一中，采用的普通焊丝进行焊接，普通焊丝的型号为SAl 4043，焊接结束后焊缝气孔很多，焊缝成型较差，强度不到母材的70％。
说明本发明在利用压铸铝合金优点的同时，现有并没有针对其焊接用的焊丝，其焊接质量并不能够达到要求，在本发明设计了一种大型电动汽车用电池包托盘的设计思路基础上，提供了一种专门适用于压铸铝合金的焊丝，能够保证焊缝气孔很少，焊接接头强度可以达到母材的80-90％。
具体对比例二：
一种电动汽车用电池包托盘的制造方法，包括以下步骤：
按电动汽车用电池包托盘的成分熔化后，浇铸得到铸锭，对铸锭进行挤压，得到铝合金挤压件单元，因为挤压工艺的复杂性，托盘单元的底板、筋条和边框均为独立成型，需要后期组合拼焊，其拼焊时间均高于实施例1或实施例2或实施例3，拼焊成本为压铸铝合金的2-3倍，焊接变形也高于压铸铝合金。

Claims (10)

1.一种电动汽车用电池包托盘的制造方法，其特征在于，将熔融铝合金压铸得到若干个铝合金压铸件单元，再将铝合金压铸件单元采用拼焊的方法组合，得到电动汽车用电池包托盘。
2.根据权利要求1所述的电动汽车用电池包托盘的制造方法，其特征在于，所述的铝合金压铸件单元包括底板、边梁和筋条。
3.根据权利要求1所述的电动汽车用电池包托盘的制造方法，其特征在于，所述的若干个铝合金压铸件单元为2～4个铝合金压铸件单元。
4.根据权利要求1所述的电动汽车用电池包托盘的制造方法，其特征在于，所述的拼焊采用气体保护焊工艺，采用压铸铝合金用焊丝，实现拼焊成型；
所述的压铸铝合金用焊丝，其包括的成分及各个成分的质量百分比为：Si：10～13％，Mn：0.3～0.5％，Mo≤0.2％，Ti：0.05～0.15％，Sr：0.02～0.05％，Zr：0.2～0.3％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，其中，单个杂质的质量百分比≤0.05％，不可避免的杂质总的质量百分比之和≤0.15％。
5.根据权利要求4所述的电动汽车用电池包托盘的制造方法，其特征在于，所述的压铸铝合金用焊丝，其直径为1.2mm-4.0mm。
6.根据权利要求4所述的电动汽车用电池包托盘的制造方法，其特征在于，所述的拼焊成型采用单面单道焊缝或双面单道焊缝。
7.一种电动汽车用电池包托盘的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：准备
根据电动汽车用电池包托盘的成分，准备铝合金原料，进行熔炼，得到熔融铝合金；
步骤2：浇铸
根据压铸机的型号和电动汽车用电池包托盘尺寸，确定电动汽车用电池包托盘制造单元的模具规格，将熔融铝合金压铸入模具内，得到若干个铝合金压铸件单元；每个铝合金压铸件单元均包括电池包托盘边框、筋条和底板；
步骤3：拼焊
将若干个铝合金压铸件单元进行拼焊，得到电动汽车用电池包托盘。
8.根据权利要求7所述的电动汽车用电池包托盘的制造方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的电动汽车用电池包托盘包括的主元素及该元素的质量百分含量为：Si为8-11％，Mn为0.3-0.6％，余量为Al。
9.根据权利要求7所述的电动汽车用电池包托盘的制造方法，其特征在于，在步骤3中，所述的拼焊采用气体保护焊，采用压铸铝合金用焊丝，完成单面单道焊或双面单道焊；
单面单道焊或双面单道焊，具体包括如下步骤：
(1)将铝合金压铸件单元的焊接边缘加工成V型或I焊接坡口；
(2)清理铝合金压铸件单元焊接坡口周围表面和焊口，将铝合金压铸件单元对接；
(3)采用压紧装置将铝合金压铸件单元固定；
(4)采用压铸铝合金用焊丝进行焊接，完成单元拼接，得到电动汽车用电池包托盘。
10.一种电动汽车用电池包托盘，其特征在于，采用权利要求1～9任意一项所述的制造方法制得，电动汽车用电池包托盘中焊接接头的拉伸强度超过母材拉伸强度的80％。
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