CN114318076A - 一种Al-Sc合金车载电池包及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种Al‑Sc合金车载电池包及其生产方法，属于铝合金领域。该Al‑Sc合金车载电池包包括的成分及其质量百分比为：Si：0.50‑0.9％，Fe≤0.35％，Cu≤0.30％，Mn≤0.50％，Mg：0.40‑0.7％，Cr≤0.30％，Zn≤0.20％，Ti≤0.10％，Mn+Cr：0.12‑0.50％，Sc：0.2‑0.4％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al。其生产方法为：备料、熔铸、多级均质、挤压、在线淬火、校直、时效和冷弯折、激光填丝焊接。其提高了材料热加工性能和材料强度，材料生产效率、降低了型材壁厚和框架重量、改善了机体晶粒大小、强度均匀性，促进冷弯折尺寸偏差统一性和成品率提升、以及降低输入和热影响区大小，提高焊后强度和接头系数。

Description

一种Al-Sc合金车载电池包及其生产方法

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种Al-Sc合金车载电池包及其生产方法。

背景技术

为提高环保生态环境，目前，汽车产业向轻量化、绿色化、新能源和清洁能源发展。当前新能源汽车主要以电池供电替代汽油为驱动，使用减少碳排放。为保证车载用电池在车辆行驶中安全、稳定的使用，以及安装与维护方便，通常多节电池以组的形式放置在金属框架内，形成电池包总成。因此，在相同电池技术条件下，电池包用金属框架重量直接影响新能源汽车能耗和最大行驶里程。

目前，电池包金属框架材料采用传统6XXX系铝合金型材，型材及框架制造过程为：熔铸-均质-挤压-固溶-时效-冷弯折-MIG焊接。在传统合金和生产工艺下框架具有如下问题：1)型材米重大、机械性能低且生产效率低。受传统铝合金热加工性和室温机械性能影响，只可生产壁厚为2.5mm或以上型材，才能保证框架安全性所需受力需求，且型材生产速率最高只能达到5m/min；2)冷弯折问题多。一是因型材基体晶粒粗大，导致冷弯折时易出现橘皮和裂纹缺陷，进而使得冷弯折加工废品率高；二是型材经冷弯折后变形不一致。一方面，采用单级均质制度，使得合金元素扩散不充分，未对铸造过程产生的成分偏析良好减轻及消除，致使材料性能不均匀。另一方面，在预拉伸阶段，弯折设备采用力值自动判定变形量，因材料性能波动性，易产生误判，致使拉弯工艺不稳定。3)焊缝强度低，即接头系数小。采用MIG焊接技术，因其热出入量较大，使得焊缝较宽，热影响区较大，强度较低，易对电池包整体强度和安全性产生影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种Al-Sc合金车载电池包及其生产方法，其通过对6XXX系合金加入Sc元素的成分设计及优化角度出发，通过对熔铸、多级均质、挤压、热处理、弯折和焊接工艺适当调整，提高材料热加工性能和材料强度，提高材料生产效率、降低型材壁厚和框架重量、改善机体晶粒大小、强度均匀性，促进冷弯折尺寸偏差统一性和成品率提升、以及降低输入和热影响区大小，提高焊后强度和接头系数。本发明所公开的一种Al-Sc合金车载电池包的生产方法，通过Al-Sc合金主添加元素包括Si、Mg、Sc元素，其他合金元素包括Mn、Cr、Cu等元素，根据不同性能需求，对成分范围进行适当调整，当合金含量处于某一定范围时，有助于提高材料综合性能。

本发明采用以下技术方案:

本发明的一种Al-Sc合金车载电池包，包括的成分及各个成分的质量百分比为：Si：0.50-0.9％，Fe≤0.35％，Cu≤0.30％，Mn≤0.50％，Mg：0.40-0.7％，Cr≤0.30％，Zn≤0.20％，Ti≤0.10％，Mn+Cr：0.12-0.50％，Sc：0.2-0.4％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al。

所述的一种Al-Sc合金车载电池包，其抗拉强度为326MPa～349MPa，抗拉强度标准差为3.03MPa～3.59MPa，抗拉强度变异系数为0.9～1.1％，屈服强度为313～333MPa，屈服强度标准差为5.87～6.53MPa，屈服强度变异系数为1.83～2.02％，延伸率均值为11.2～13.5％，延伸率标准差为：0.34～0.36％，延伸率变异系数：2.67～3.04％，型材微观晶粒度为6～7.5级，焊接后抗拉强度为238MPa～295MPa，接头系数为0.73～0.88。

本发明的一种Al-Sc合金车载电池包的生产方法，包括以下步骤：

S1：备料

根据制备的一种Al-Sc合金车载电池包的成分，称量原料；

S2：熔铸

将原料进行熔炼，其中，Sc的原料Al-Sc中间合金采用铝箔包裹投入熔炼炉，熔化后，搅拌均匀，除气精炼，静止扒渣，进行半连续铸造，得到铝合金铸锭；

S3：多级均质

将铝合金铸锭进行多级均质，得到均质后的铝合金铸锭；其中，均质工艺参数为：将铝合金铸锭加热至460～480℃，保温240～260min，然后继续升温至550～570℃，保温360～380min，再继续升温至575～585℃，保温120～140min，冷却至室温；

S4：挤压

将均质后的铝合金铸锭加工处理后，加热至500～520℃，进行挤压，得到尺寸符合车载电池包用框架型材；其中，挤压速率为5～7m/min；

S5：热处理弯折

将尺寸符合车载电池包用框架型材进行淬火、校直、时效和冷弯折，得到弯折后的车载电池包用框架型材；

S6：焊接

根据车载电池包的规格，将弯折后的车载电池包用框架型材进行焊接，得到Al-Sc合金车载电池包。

所述的S2中，熔炼具体工艺为：向熔炼炉中投入铝锭，再升温至800～850℃后，待铝锭熔化后，加入Al-Sc合金车载电池包的成分原料中，除了Sc的原料和Mg的原料之外的其他原料，再将熔炼炉升温至710～730℃，充分熔化后，将Al-Sc中间合金和Mg锭一起投入熔炼炉中进行熔炼。

所述的S2中，在半连续铸造中，在出口处加入Al-Ti-B丝，加入的Al-Ti-B丝占Al-Sc合金车载电池包原料的质量百分比为0.015～0.02％，加入速率为0.1～0.15kg/min，铸造速度为50～80mm/min，水流量9～11m³/h。

所述的S2中，半连续铸造中，铸锭引出后，开启电磁搅拌。

所述的S2中，Al-Sc中间合金采用铝箔包裹投入熔炼炉。

所述的S3中，均质采用周期式均质炉，温度波动范围为±3℃，功率为30kW。

所述的S4中，加工处理为将均质后的铝合金铸锭车去表面凝壳层，并切去头尾，得到挤压生产所需锭坯。

所述的S4中，挤压参数为：将均质后的铝合金铸锭置于预热温度为430～450℃挤压筒中，采用450～500℃的挤压模具进行挤压。

所述的S4中，挤压采用单动正向卧式挤压机。

所述的S5中，淬火采用在线淬火，淬火方式为穿水冷却，冷却介质为水，进入淬火区前车载电池包用框架型材的温度≥490℃，淬火速率≥12℃/s，车载电池包用框架型材出淬火区温度≤120℃。

所述的S5中，淬火采用淬火槽，其包括淬火水槽主体，在淬火水槽主体的淬火入口设置工业毛毡，工业毛毡通过淬火入口框架和淬火槽主体连接，在淬火水槽主体的淬火出口设置有丁腈橡胶，丁腈橡胶和淬火槽主体通过螺栓连接。

所述的淬火槽，还包括设置在淬火槽上端设置有注水口，并设置有调节流量的注水阀门，以及设置在淬火水槽主体上的排水口，并设置有排水阀门，用于调节排水流量。

所述的S5中，校直为拉伸张力校直，校直量为挤出后尺寸符合车载电池包用框架型材原始长度的0.5～1.5％。

所述的S5中，时效为人工时效，时效温度为170～180℃，保温7～9h，淬火和时效间隔时间≤8h。

所述的S5中，冷弯折采用拉弯方法，将型材空腔内放入树脂条并固定，进行预拉伸，弯折速率为1～2°/s，冷弯折后，采用3～8mm位移控制补拉伸，并做弧度定型。

所述的S5中，校直采用液压卧式张力矫直机。

所述的S5中，时效采用周期式加热炉。

所述的S5中，冷弯折采用二维或三维智能拉弯设备，预拉伸采用变形量控制方法，变形量为车载电池包用框架型材原始长度的1～3％。

所述的S6中，焊接采用激光填丝焊接，焊接功率为4～5KW，离焦量+6mm，送丝速度4～4.5m/min，焊接速率为2.2～2.6m/min，在焊接过程中采用Ar气保护。

所述的S6中，焊接采用碟片式激光器及6轴工业机器人自动化激光焊接机械臂。

本发明的一种Al-Sc合金车载电池包及其生产方法，其有益效果在于：

1、本发明提供了一种Al-Sc合金车载电池包生产及其框架制造工艺，Al-Sc合金主添加元素包括Si、Mg、Sc元素，其他合金元素包括Mn、Cr、Cu等元素，根据不同性能需求，对成分范围进行适当调整，当合金含量处于某一定范围时，有助于提高材料综合性能，面对其中重要的几种合金元素含量的控制范围的实际意义进行说明：

Mg和Si元素形成Mg₂Si相具有提高铝合金强度，其中Si元素控制在0.50-0.9％，Mg元素控制在0.40-0.7％，有助于将Mg全部转化为Mg₂Si相提高材料强度，并且通过剩余游离Si元素再次提高材料强度。

Sc元素具有如下效果：1)细化晶粒。在熔铸阶段Sc元素可与铝熔体中与铝形成Al₃Sc相，并在熔体中弥散分布，为熔体凝固过程中提供形核质点，降低形核能，提高形核率，进而细化铸态组织。将其控制在0.2-0.4％是为防止当Sc加入量过少，无法起到晶粒细化效果，而加入过多则可能形成团聚或其他三元相，影响Sc元素细化效果。2)抑制动态再结晶。在均匀化阶段Sc与Al、Ti元素可析出Al₃(Sc，Ti)粒子，其具有较高的热稳定性，在挤压热加工时对晶界起到良好钉扎作用，细化热加工变形后组织。3)提高力学性能。在热挤压和淬火阶段，经铸锭加热和挤压过程中组织收到切应力影响，Al₃Sc相回溶至铝合金机体。经时效后，Al₃Sc相在机体中重新以弥散质点相析出，形成沉淀强化。

Mn和Cr元素通过协同作用细化铝基体晶粒，并与Fe元素形成(FeMn)Al₆或(FeMnSi)Al₆，消除有害Fe元素对基体的影响。

Cu元素可以与Al形成θ(CuAl₂)相，通过合金成分调整再次提高合金力学性能。

2、本发明提供的一种Al-Sc合金车载电池包生产及其框架制造工艺，在铝合金圆铸锭铸造过程中采用电磁搅拌技术，使液态铝在凝固形成枝晶过程中，提供能量，使枝晶不断破碎，进而达到细化铸态组织。

3、本发明提供的一种Al-Sc合金车载电池包生产及其框架制造工艺，采用多级均质化制度进行处理，多级均匀化制度可以解决单级均匀化低熔点共晶化合物过烧和成分偏析改善效果不好的问题，可提高了合金的可挤压性能。其中第一级均匀化主要作用于低熔点共晶物，使其充分回溶后进行第二级均匀化，使合金的主强化相(Mg₂Si)回溶至基体内部，最后采用第三级均匀化制度强化均匀化处理效果，使铸锭均匀化程度达到最高水平。

4、本发明提供一种Al-Sc合金车载电池包生产及其框架制造工艺，在挤压是与传统6XXX系铝合金相比，因其内部含有Al₃(Sc，Ti)粒子，提高高温铝合金制品表面抗张力，使其及时在高速变形下，型材不产生表面开裂。

5、本发明所提供的一种Al-Sc合金车载电池包生产及其框架制造工艺，在时效工艺与传统6XXX系铝合金时效工艺相同，对于小批量或以上规模，可与其他6XXX铝合金型材产品共同时效，方便排产、降低能耗。同时，提高了铝制品的室温性能，使车载电池包框架在相同工况条件下，可采用更轻薄型材即可满足工况需求。

6、本发明所提供的一种Al-Sc合金车载电池包生产及其框架制造工艺，采用变形量方法对预拉伸进行控制，消除原设备力值控制法，因材料在制造过程中产生性能波动，导致工艺非一致性，减少冷弯折回弹波动区间，提高产品尺寸一致性。

7、本发明所提供的一种Al-Sc合金车载电池包生产及其框架制造工艺，采用激光焊接工艺技术，可以解决传统MIG焊接技术焊接接头系数低，热影响区大，焊接精度低和可达性范围小等问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚，下面结合附图对本发明做优选的详细描述，其中：

图1为本发明实施例1Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图；

图2为本发明实施例2Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图；

图3为本发明实施例3Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图；

图4为对比例1Al合金车载电池包铸态组织晶粒度图；

图5为对比例2Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图；

图6为对比例3Al合金车载电池包铸态组织晶粒度图；

图7为对比例4Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图；

图8为本发明采用的淬火槽的立体结构示意图；

图9为本发明采用的淬火槽的平面结构示意图；

图10为本发明采用的淬火槽的淬火入口的结构示意图；

图11为本发明采用的淬火槽的淬火出口的结构示意图；

上图中，1为注水口，2为淬火水槽主体，3为排水口，4为淬火入口，5为淬火出口，6为工业毛毡，7为淬火入口框架，8为丁腈橡胶；

图12为本发明实施例1所制备Al-Sc合金圆铸锭均质制度工艺图。

图13为本发明Al-Sc合金车载电池包的挤压断面图，其中a)为实施例1挤压断面图，b)为对比例3挤压断面图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

以下实施例中，关于晶粒度的判断标准为GB/T 3246.1。

实施例1

一种Al-Sc合金车载电池包的生产方法，包括以下步骤：

A备料：

按照重量份数比配制铝合金原料：Si：0.76％，Fe：0.23％，Cu：0.16％，Mn：0.26％，Mg：0.57％，Cr：0.12％，Zn：0.10％，Ti：0.05％，Mn+Cr：0.38％，Sc：0.21％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al，各组分的重量百分比总和为100％。

B熔铸：

将熔炼炉升温至835℃后投入铝锭，待铝锭化塌后，加入中间合金，将熔炼炉温度升至725℃，充分熔化后，将Al-Sc用铝箔包住与Mg锭一起投入铝液底部，待熔化后搅拌均匀，除气精炼，静止扒渣，进行半连续铸造，在出口处加入Al-Ti-B丝，铸造速度为60mm/min，水流量10.5m³/h，并在铸锭引出头后开启电磁搅拌。

C多级均质：

将熔铸后的铝合金圆铸锭在推进式均质炉中进行均质热处理，制备Al-Sc合金圆铸锭均质制度工艺图如图12所示，其中不同阶段制度为：①473℃×250min，②563℃×365min，③579℃×135min，冷却至室温。

D加工处理：

将均质后铝合金圆铸锭车去铸锭表面凝壳层，切去头尾和挤压生产所需长度锭坯。

E挤压：

将均质后铸锭挤压成型材，其中铸锭加热温度为515℃，挤压模具加热温度为470℃，挤压筒加热温度为443℃，挤压速率为6.2m/min。挤压截面图13(a)所示；

F淬火：

采用在线穿水方式淬火，入淬温度为515℃，出淬温度为47℃，平均淬火速率为16.1℃/s。淬火采用的设备为淬火槽，其立体结构示意图见图8，其平面结构示意图见图9，淬火槽包括淬火水槽主体2，在淬火水槽主体2的淬火入口4设置工业毛毡6，工业毛毡6通过淬火入口框架7和淬火槽主体2通过螺钉连接(图10)，在淬火水槽主体2的淬火出口5设置有丁腈橡胶8，丁腈橡胶8和淬火槽主体2通过螺栓连接(图11)。

所述的淬火槽，还包括设置在淬火槽上端设置有注水口1，并设置有调节流量的注水阀门，以及设置在淬火水槽主体上的排水口3，并设置有排水阀门，用于调节排水流量。

G校直：

将淬火后的型材在线进行张力校直，校直量1％。

H时效：

将张力校直后型材进行T6时效，时效制度为175℃×8h，其中，淬火和时效间隔时间为6h。

I冷弯折：

弯折前将型材腔体内放入树脂条，长度略超过弯折即可，仿制腔体在弯折过程中产生塌陷变形，并用弯折设备夹头固定。预拉伸的变形量控制为2％，弯折速率为1.5°/s，完成弯折后采用5mm位移控制补拉伸，并做弧度定型。

J焊接：

焊接采用激光填丝焊接技术。焊接功率为4.7KW，离焦量+6mm，送丝速度4.37m/min，焊接速率为2.36m/min，在焊接过程中采用Ar气保护。

本发明实施例1Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图见图1，通过图1可以看出其晶粒度为3级；得到的Al-Sc合金车载电池包性能测试见表1。

实施例2

实施例2与实施例1区别在于，步骤A按照：Si：0.78％，Fe：0.25％，Cu：0.15％，Mn：0.20％，Mg：0.62％，Cr：0.17％，Zn：0.05％，Ti：0.08％，Mn+Cr：0.37％，Sc：0.28％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al，各组分的重量百分比总和为100％配置而成。

本发明实施例2Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图见图2，通过图2可以看出其晶粒度为4.5级；得到的Al-Sc合金车载电池包性能测试见表1。

实施例3

实施例3与实施例1区别在于，步骤A按照：Si：0.78％，Fe：0.25％，Cu：0.15％，Mn：0.20％，Mg：0.62％，Cr：0.17％，Zn：0.05％，Ti：0.08％，Mn+Cr：0.37％，Sc：0.37％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al，各组分的重量百分比总和为100％配置而成。

本发明实施例3Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图见图3，通过图3可以看出其晶粒度为3.5级，得到的Al-Sc合金车载电池包性能测试见表1。

实施例4

一种Al-Sc合金车载电池包的生产方法，包括以下步骤：

A备料：

按照质量百分比准备配料：Si：0.56％，Fe：0.30％，Cu：0.20％，Mn：0.10％，Mg：0.45％，Cr：0.30％，Zn：0.20％，Ti：0.10％，Mn+Cr：0.4％，Sc：0.3％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al；

B熔铸：

将熔炼炉升温至800℃～850℃后投入铝锭，待铝锭化塌后，加入中间合金，将熔炼炉温度升至710℃～730℃，充分熔化后，将Al-Sc用铝箔包住与Mg锭一起投入铝液底部，待熔化后搅拌均匀，除气精炼，静止扒渣，进行半连续铸造，得到铝合金圆铸锭，在出口处加入Al-Ti-B丝，并伴随电磁搅拌，加入的Al-Ti-B丝占Al-Sc合金车载电池包原料的质量百分比为0.012％，加入速率为0.15kg/min，铸造速度为60mm/min，水流量9m³/h，并获得铝合金圆铸锭。

C多级均质：

将圆铸锭加热至460℃，保温260min，保温到时后直接升温至550℃，保温380min，保温到时后直接升温至575℃，保温140min，保温到时后，冷却至室温。其中，本实施例的均质采用周期式均质炉，温度波动范围为±3℃，功率为30kW。

D加工处理：

将均质后铝合金圆铸锭车去铸锭表面凝壳层，并切去头尾，获得挤压生产所需长度锭坯。

E挤压：

将均质铝合金圆铸锭置于单动正向卧式挤压机中挤压，得到尺寸符合标准要求的电池包用框架型材。其中，铸锭加热温度为500℃，挤压模具加热温度为450℃，挤压筒加热温度为430℃，挤压速率为6m/min。

F淬火：

电池包用框架型材采用在线淬火技术，淬火方式为穿水冷却，冷却介质为水。其中，进入淬火区前制品温度≥490℃，淬火速率≥12℃/s，制品出淬火区温度≤120℃，采用的淬火槽同实施例1。

G校直：

型材淬火后采用液压卧式张力矫直机进行拉伸张力校直，校直量为挤出制品原始长度的1.0％。

H时效：

时效采用人工时效技术，采用周期式加热炉，其时效制度为170℃，保温9h。其中，完成淬火后和时效间隔的时间≤8h。

I冷弯折：

冷弯成采用拉弯技术。首先将型材腔体内放入树脂条，并用三维智能拉弯设备夹头固定。进行预拉伸，弯折速率为1.5°/s，完成弯折后采用5mm位移控制补拉伸，并做弧度定型。

J焊接：

焊接采用激光填丝焊接技术。采用碟片式激光器及6轴工业机器人自动化激光焊接机械臂，以焊接功率为，4.6KW，离焦量+6mm，送丝速度4.25m/min，焊接速率为2.4m/min进行焊接，在焊接过程中采用Ar气保护。

实施例5

一种Al-Sc合金车载电池包的生产方法，包括如下步骤：

A备料：

按照质量百分比准备配料：Si：0.8％，Fe：0.21％，Cu：0.2％，Mn：0.30％，Mg：0.6％，Cr：0.20％，Zn：0.10％，Ti：0.05％，Mn+Cr：0.50％，Sc：0.26％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al；

B熔铸：

将熔炼炉升温至850℃后投入铝锭，待铝锭化塌后，加入中间合金，将熔炼炉温度升至730℃，充分熔化后，将Al-Sc用铝箔包住和Mg锭一起投入铝液底部，待熔化后搅拌均匀，除气精炼，静止扒渣，进行半连续铸造，在出口处加入Al-Ti-B丝，并伴随电磁搅拌，加入的Al-Ti-B丝占Al-Sc合金车载电池包原料的质量百分比为0.018％，加入速率为0.1kg/min，铸造速度为80mm/min，水流量11m³/h，并获得铝合金圆铸锭。

C多级均质：

将圆铸锭加热至480℃，保温240min，保温到时后直接升温至570℃，保温360min，保温到时后直接升温至585℃，保温120min，保温到时后，冷却至室温。其中，本实施例的均质采用周期式均质炉，温度波动范围为±3℃，功率为30kW。

D加工处理：

将均质后铝合金圆铸锭车去铸锭表面凝壳层，并切去头尾，获得挤压生产所需长度锭坯。

E挤压：

将均质铝合金圆铸锭置于单动正向卧式挤压机中挤压，得到尺寸符合标准要求的电池包用框架型材。其中，铸锭加热温度为520℃，挤压模具加热温度为500℃，挤压筒加热温度为450℃，挤压速率为5m/min。

F淬火：

电池包用框架型材采用在线淬火技术，淬火方式为穿水冷却，冷却介质为水。其中，进入淬火区前制品温度≥490℃，淬火速率≥12℃/s，制品出淬火区温度≤120℃，采用的淬火槽同实施例1。

G校直：

型材淬火后采用液压卧式张力矫直机进行拉伸张力校直，校直量为挤出制品原始长度的0.5％。

H时效：

时效采用人工时效技术，采用周期式加热炉，其时效制度为180℃，保温7h。其中，完成在线固溶后，制品停放时间≤8h。

I冷弯折：

冷弯成采用拉弯技术。首先将型材腔体内放入树脂条，并用三维智能拉弯设备夹头固定。进行预拉伸，弯折速率为2.0°/s，完成弯折后采用3mm位移控制补拉伸，并做弧度定型。

J焊接：

焊接采用激光填丝焊接技术。焊接功率为，4.0KW，离焦量+6mm，送丝速度4.5m/min，焊接速率为2.2m/min，在焊接过程中采用Ar气保护。

对比例1

一种Al-Mg-Si-Cu铝合金型材制备方法，包括以下步骤：

A备料：

将铝合金原料按照Si：0.81％，Fe：0.12％，Cu：0.16％，Mn：0.24％，Mg：0.63％，Cr：0.04％，Zn：0.1％，Ti：0.015％，Mn+Cr：0.28％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al的重量百分比进行配料。

B熔铸：

将熔炼炉升温至840℃后投入铝锭，待铝锭化塌后，加入中间合金，将熔炼炉温度升至723℃，充分熔化后，将Mg锭一起投入铝液底部，待熔化后搅拌均匀，除气精炼，静止扒渣，进行半连续铸造，在出口处加入Al-Ti-B丝，铸造速度为55mm/min，水流量9.5m³/h。

C多级均质：

将熔铸后的铝合金圆铸锭在推进式均质炉中进行均质热处理，均匀化热处理工艺为：570-576℃，保温720min-740min，冷却到室温。

D加工处理：

将均质后铝合金圆铸锭切去头尾和挤压生产所需长度锭坯。

E挤压：

将均质后铸锭挤压成型材，铸锭加热温度为513℃，挤压模具加热温度为476℃，挤压筒加热温度为444℃，挤压速率为4.7m/min；

F淬火：

采用在线穿水方式淬火，入淬温度为511℃，出淬温度为36℃，淬火速率为12.4℃/s。

G校直：

将淬火后的型材在线进行张力校直，拉伸量1％。

H时效：

将张力校直后型材进行T6时效，时效制度为175℃×8h。

I冷弯折：

弯折前将型材腔体内放入树脂条，长度略超过弯折即可，仿制腔体在弯折过程中产生塌陷变形，并用弯折设备夹头固定。预拉伸是系统通过力值自动判定，设备系统具有识别模块，在预拉伸过程中会自动判定材料屈服强度，过屈服力之后变开始进行弯折。弯折速率为1.5°/s，完成弯折后采用5mm位移控制补拉伸，并做弧度定型。

J焊接：

焊接采用MIG技术，焊接焊接电流120A-130A，焊接速率为0.9-1m/min，在焊接过程中采用Ar气保护。

对实施例1–实施3以及对比例1最终型材和框架进行测试，测试结果如表1所示。

经过上述多组对比试验发现，Sc含量在0.2％-0.4％对铸锭组织、型材组织和力学性能有较大改善和提高，进而影响弯折成品率和框架重量，尤其在0.28时为优选。通过力学性能和弯折回弹量可以看出，多级均质制度对型材稳定性具有较大改善，结合拉弯采用应变量的方法进行控制，使电池包框架在冷弯折制造过程中回弹量变小，更加稳定。通过焊缝宽度和接头系数可以看出，采用激光焊接技术焊后抗拉强度损失较少，即焊后接头系数具有较大提高。

并且，加入Sc的实施例和不加入Sc的对比例1相比，加入Sc后与未加入Sc相比可挤压更薄壁厚型材。

本发明对比例1的Al-Mg-Si-Cu铝合金型材铸态组织晶粒度图见图4，通过图4可以看出其晶粒度为1级，本对比制备的Al-Mg-Si-Cu铝合金型材其性能见表2。

对比例2

一种Al-Sc合金车载电池包的生产方法，与实施例2区别在于，均质制度为温度573℃，保温730min。

本发明对比例2的Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图见图5，通过图5可以看出其晶粒度为4.5级，得到的Al-Sc合金车载电池包性能测试见表2。

对比例3

一种Al合金车载电池包的生产方法，其同实施例1，不同之处在于：合金中未加入Sc，则通过铸锭检测结果可以看出，加入Sc元素铸锭组织细化。同时，通过生产挤压可以看出，无Sc元素合金铸锭可挤压极限为2.5mm，小于此壁厚无法基础，而加入Sc元素后，可挤压2mm壁厚型材。说明加入Sc元素，有效改善原合金热加工性，根据图13显示，热加工成型性，壁厚由未加入Sc的2.5mm降低至加入Sc的2mm。

本发明对比例3的Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图见图6，通过图6可以看出其晶粒度为1级，得到的Al-Sc合金车载电池包性能测试见表2。

对比例4

一种Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其同实施例1，不同之处在于：

在均质过程，采用一级均质，均质工艺参数为：均质制度为温度570-576℃，保温720min-740min。

则通过铸锭组织可以看出，单级与多级均质制度铸造组织大小相近或相同；通过挤压型材方面可以看出，多级均质铸锭经挤压后具有更细小的晶粒组织，较高性能和较小的性能变化波动，；通过焊接试验可以看出，通过多级均匀化铸锭所生产的型材，具有更高的焊后性能和接头系数。说明通过多级均质工艺：1)可以析出更多的硬质点相，使型材经挤压后具有更细小晶粒；2)结晶相回溶效果较好，使型材在经固溶及时效后性能具有较高的提升和稳定；3)原母材中的硬质点进入焊接熔体，对焊道处起到强化作用。

本发明对比例4的Al-Sc合金车载电池包铸态组织晶粒度图见图7，通过图7可以看出其晶粒度为3级，得到的Al-Sc合金车载电池包性能测试见表2。

对比例5

一种Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其同实施例1，不同之处在于：

在焊接过程中，采用MIG焊接，焊接焊接电流120A-130A，焊接速率为0.9-1m/min，在焊接过程中采用Ar气保护。

则得到的Al-Sc合金车载电池包通过MIG焊接焊缝宽于激光焊接，且焊后强度和接头系数低于激光焊接。说明采用MIG焊接技术热输出大于激光焊接工艺，导致母材受热影响增强；同时，焊缝宽度增加使得焊丝填充量增加，进而使得焊接相同长度零件重量大于激光焊接工艺，得到的Al-Sc合金车载电池包性能测试见表2。

对比例6

一种Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其同实施例1，不同之处在于：

采用的淬火槽为传统淬火槽，其包括淬火水槽主体，在淬火水槽主体的淬火入口设置有木板及布条通过塞挤方式进行穿水淬火围堵，易使水从围堵处溢出，导致型材淬火不均匀。

采用的传统淬火槽在淬火水槽主体的淬火出口设置有风机，吹干型材，增加能耗。

所述的传统淬火槽，还包括设置在淬火槽上端设置有注水口，并设置有调节流量的注水阀门，以及设置在淬火水槽主体上的排水口，并设置有排水阀门，用于调节排水流量。

该对比例和本实施例1采用的淬火槽相比，本实施例采用的淬火槽在淬火入口采用工业毛毡替代传统木板布条塞挤方式，在淬火出口采用丁腈橡胶替代传统风机吹干，有效避免淬火槽内水外溢，提高淬火均匀性。同时设置注水口和排水口，实现淬火槽内水温度保持较低温度，为型材淬火提供稳定环境，得到的Al-Sc合金车载电池包性能测试见表2。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

表1实施例1-3的性能测试结果

表2对比例1～6性能测试结果

Claims (10)

1.一种Al-Sc合金车载电池包，其特征在于，该Al-Sc合金车载电池包包括的成分及各个成分的质量百分比为：Si：0.50-0.9％，Fe≤0.35％，Cu≤0.30％，Mn≤0.50％，Mg：0.40-0.7％，Cr≤0.30％，Zn≤0.20％，Ti≤0.10％，Mn+Cr：0.12-0.50％，Sc：0.2-0.4％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的Al-Sc合金车载电池包，其特征在于，Al-Sc合金车载电池包，其抗拉强度为326MPa～349MPa，抗拉强度标准差为3.03MPa～3.59MPa，抗拉强度变异系数为0.9～1.1％，屈服强度为313～333MPa，屈服强度标准差为5.87～6.53MPa，屈服强度变异系数为1.83～2.02％，延伸率均值为11.2～13.5％，延伸率标准差为：0.34～0.36％，延伸率变异系数：2.67～3.04％，型材微观晶粒度为6～7.5级，焊接后抗拉强度为238MPa～295MPa，接头系数为0.73～0.88。

3.权利要求1或2所述的Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：备料

根据制备的Al-Sc合金车载电池包的成分，称量原料；

S2：熔铸

将原料进行熔炼，其中，Sc的原料Al-Sc中间合金采用铝箔包裹投入熔炼炉，熔化后，搅拌均匀，除气精炼，静止扒渣，进行半连续铸造，得到铝合金铸锭；

S3：多级均质

将铝合金铸锭进行多级均质，得到均质后的铝合金铸锭；其中，均质工艺参数为：将铝合金铸锭加热至460～480℃，保温240～260min，然后继续升温至550～570℃，保温360～380min，再继续升温至575～585℃，保温120～140min，冷却至室温；

S4：挤压

将均质后的铝合金铸锭加工处理后，加热至500～520℃，进行挤压，得到尺寸符合车载电池包用框架型材；其中，挤压速率为5～7m/min；

S5：热处理弯折

将尺寸符合车载电池包用框架型材进行淬火、校直、时效和冷弯折，得到弯折后的车载电池包用框架型材；

S6：焊接

根据车载电池包的规格，将弯折后的车载电池包用框架型材进行焊接，得到Al-Sc合金车载电池包。

4.根据权利要求3所述的Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其特征在于，所述的S2中，熔炼具体工艺为：向熔炼炉中投入铝锭，再升温至800～850℃后，待铝锭熔化后，加入Al-Sc合金车载电池包的成分原料中，除了Sc的原料和Mg的原料之外的其他原料，再将熔炼炉升温至710～730℃，充分熔化后，将Al-Sc中间合金和Mg锭一起投入熔炼炉中进行熔炼。

5.根据权利要求3所述的Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其特征在于，所述的S2中，在半连续铸造中，在出口处加入Al-Ti-B丝，加入的Al-Ti-B丝占Al-Sc合金车载电池包原料的质量百分比为0.015～0.02％，加入速率为0.1～0.15kg/min，铸造速度为50～80mm/min，水流量9～11m³/h。

6.根据权利要求3所述的Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其特征在于，所述的S4中，挤压参数为：将均质后的铝合金铸锭置于预热温度为430～450℃挤压筒中，采用450～500℃的挤压模具进行挤压。

7.根据权利要求3所述的Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其特征在于，所述的S5中，淬火采用在线淬火，淬火方式为穿水冷却，冷却介质为水，进入淬火区前车载电池包用框架型材的温度≥490℃，淬火速率≥12℃/s，车载电池包用框架型材出淬火区温度≤120℃；

和/或，淬火采用淬火槽包括淬火水槽主体，在淬火水槽主体的淬火入口设置工业毛毡，工业毛毡通过淬火入口框架和淬火槽主体连接，在淬火水槽主体的淬火出口设置有丁腈橡胶，丁腈橡胶和淬火槽主体通过螺栓连接。

8.根据权利要求3所述的Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其特征在于，所述的S5中，校直为拉伸张力校直，校直量为挤出后尺寸符合车载电池包用框架型材原始长度的0.5～1.5％；

和/或，冷弯折采用拉弯方法，将型材空腔内放入树脂条并固定，进行预拉伸，弯折速率为1～2°/s，冷弯折后，采用3～8mm位移控制补拉伸，并做弧度定型；变形量为车载电池包用框架型材原始长度的1～3％。

9.根据权利要求3所述的Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其特征在于，所述的S5中，时效为人工时效，时效温度为170～180℃，保温7～9h，淬火和时效间隔时间≤8h。

10.根据权利要求3所述的Al-Sc合金车载电池包的生产方法，其特征在于，所述的S6中，焊接采用激光填丝焊接，焊接功率为4～5KW，离焦量+6mm，送丝速度4～4.5m/min，焊接速率为2.2～2.6m/min，在焊接过程中采用Ar气保护。

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