CN115815779A - 铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，待焊接的铝型材液冷板为焊接子件，将焊接子件按照长度百分比进行分段后，对各段采用不连续焊接的顺序完成整个焊接子件的焊接。本发明将焊接子件分为多段进行不连续焊接，从而达到降低焊接板材塑性变形以及减少焊接过程中的热量输出等目的，同时还能简化常规的焊接平面度控制方法，得到符合要求的焊接产品。

Description

铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊焊接技术领域。更具体地说，本发明涉及铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法。

背景技术

铝合金具有良好的耐蚀性和较高的比强度，广泛应用于汽车轻量化制造中，用于替代比强度小的传统钢结构。随着搅拌摩擦焊接工艺方法的日趋成熟，在生产中采用搅拌摩擦焊技术对铝合金挤压型材进行焊接，能够有效提高焊接质量与制造效率。本申请针对某款电动汽车动力电池箱体液冷板的搅拌摩擦焊接工艺进行研究分析，电动汽车中最重要的安全项就是整个电池箱体的散热性及密封性，重中之重的液冷板上密布动力电池，起到为电池冷却降温的作用，所以液冷板绝不允许出现冷却液泄露、流动管道堵塞等重大风险项。

就目前已有的铝型材搅拌摩擦焊工艺来看，常用焊接控制平面度的方法：1、是通过预制反变形的方式将80％侧墙板焊后平面度维持在了2mm以内；2、采用优选的焊接顺序方案后，动力电池箱底板焊后最大残余变形挠度较原焊接顺序方案降低了约33％，由原来的4.92mm减小为3.31mm；从头起针焊接到尾部，现已存在的搅拌摩擦焊接变形控制方法在制造过程中需人工增减垫片进行反变形干预，易造成变形方向错乱，焊接顺序的对称变更增加了焊接设备空运行时间，徒增焊接工时，且最重要的是焊接成品仍无法满足平面度在0.75mm内的要求，本申请的焊接方法将从焊接工装、焊接工艺、焊接子件要求等多方面综合描述铝合金型材液冷板高精度平面度焊接技术。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，将焊接子件分为多段进行不连续焊接，从而达到降低焊接板材塑性变形以及减少焊接过程中的热量输出等目的，同时还能简化常规的焊接平面度控制方法，得到符合要求的焊接产品。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，待焊接的铝型材液冷板为焊接子件，将焊接子件按照长度百分比进行分段后，对各段采用不连续焊接的顺序完成整个焊接子件的焊接。

优选的是，将焊接子件的长度超过1000mm的摩擦焊缝分三段焊接，第一、二段焊接首尾两端各20％的长度，第三段再补焊中间剩余的60％的长度，焊接参数为：主轴转速2600-3300r/min，焊接速度1000-1200mm/min，焊接压力3000-3600kn。

优选的是，焊接子件宽度方向平面度≤0.4mm，长度方向平面度≤0.8mm。

优选的是，焊接子件的平面度要求是依据焊接后的液冷板总成平面度要求确定，具体过程为：首先，确定好焊接子件的焊接参数、焊接顺序；其次，将焊接子件按照平面度划分若干区间进行分类；再次，将各个平面度区间内的焊接子件按照确定好的焊接参数和焊接顺序完成焊接；最后，将焊接完成的液冷板总成通过设计带多个百分表的平面度检具分别测量点，由点编织成面，观察整体平面度变形趋势，焊接后的液冷板总成平面度合格度达到90％以上的焊接子件平面度区间即为焊接子件的平面度要求。

优选的是，焊接子件拼装后的间隙≤0.2mm。

优选的是，焊接子件通过清洗药剂清洗后，再用酒精擦拭或抛光机表面处理再进行焊接。

优选的是，摩擦焊的焊接设备的A轴保证2.5°倾角，C轴与XY面平行无歪斜，根据焊接子件的厚度选择搅拌针的长度小于焊接子件的厚度，搅拌针的长度在焊接磨损后也不短于搅拌针的设置下针量。

优选的是，对焊接子件进行焊接时采用焊接工装辅助，所述焊接工装包括：

底座，其为方形结构且内部中空，所述底座内部的中部沿长度方向设置有焊缝支撑，所述底座顶部的其中一对相邻的长侧边和宽侧边向下凹陷形成仅贯通所述底座内的台阶，其用于固定限位所述焊接子件的其中一对相邻的长边和宽边，所述底座顶部的另一对相邻的长侧边和宽侧边向下凹陷形成贯通所述底座内及底座外的贯通口，其使得所述焊接子件的另一对相邻的长边和宽边为活动边，所述底座内部在焊缝支撑的两侧对称设置有多个搁置台，其与所述焊缝支撑以及底座顶部凹槽的台阶面平齐；

压臂，其为开口朝向所述焊缝支撑的U型结构，所述压臂通过固定于所述底座外侧的90°翻转气缸连接并驱动所述压臂90°翻转及压臂上下移动，所述压臂设置多个，每一个压臂对应相邻的两个搁置台，且搁置台的正投影与所述压臂的正投影重合，所述压臂与所述90°翻转气缸通过插销活动连接；

侧推气缸，其包括多个X向侧推气缸和多个Y向侧推气缸，分别对应位于所述底座顶部形成为贯通口的另一对相邻的长侧边和宽侧边外，所述侧推气缸连接有侧推压紧板，其用于压紧所述焊接子件的侧边。

优选的是，位于所述底座宽度方向中部的所述Y向侧推气缸连接有仿形支撑块，其恰好配合于所述焊接子件侧边的中空结构内。

优选的是，靠近所述水嘴孔的所述压臂上连接有挡条，其恰好将所述水嘴孔封住，所述底座内部还设置有多个顶出气缸，其用于将焊接完成的焊接子件顶出。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明将焊接子件分为多段进行不连续焊接，从而达到降低焊接板材塑性变形以及减少焊接过程中的热量输出等目的，同时还能简化常规的焊接平面度控制方法，得到符合要求的焊接产品。

2、本发明控制焊接子件的平面度以及焊接参数，结合焊接工艺使得本申请的焊接总成达到符合设计的焊接要求。

3、本发明还设置了与本申请的焊接方法配套的焊接工装，对焊接子件进行定位夹紧，以更好地辅助焊接工艺的顺利完成，得到符合要求的焊接产品。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明在焊接子件上的焊接轨迹分布示意图；

图2为本发明焊接子件的结构示意图；

图3为本发明安装好焊接子件的焊接工装结构示意图；

图4为本发明安装好焊接子件的焊接工装俯视图；

图5为本发明未安装焊接子件的焊接工装结构示意图；

图6为本发明压臂的结构示意图。

附图标记说明：

1、焊接子件，2、底座，3、焊缝支撑，4、压臂，5、90°翻转气缸，6、搁置台，7、X向侧推气缸，8、Y向侧推气缸，9、侧推压紧板，10、顶出气缸，11、仿形支撑块，12、水嘴孔，13、挡条，14、插销。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，待焊接的铝型材液冷板为焊接子件1，预先对焊接子件1进行定位焊后再满焊，将焊接子件1按照长度百分比进行分段后，对各段采用不连续焊接的顺序完成整个焊接子件1的焊接。

在上述技术方案中，常规的焊接方法是从头焊接到尾部，已知焊接时间与焊接热量成正比，此种焊接方式会造成大量热量集中无法分散，焊后板材的平面度严重变形。常规的平面度控制方法可利用焊前正反面分别增减夹具垫片达到焊接反变形的效果，但此方法操作起来较复杂，如若操作过程中将垫片增减失误，则平面度变形结果不可预知。为解决焊后变形及简化操作步骤，可将整条焊缝分为多段，进行不连续焊接，分析依据是搅拌摩擦焊接利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，所以在搅拌摩擦焊焊接过程中会造成大量的热量，从而会对板材造成塑性变形，反向考虑，如果要降低塑性变形就要降低焊接过程中造成的热量输出，减少焊缝的连续性与焊缝长度可直观且有效达到减少热量输出的效果。

在另一种技术方案中，如图1所示，将焊接子件1的长度超过1000mm的摩擦焊缝分三段焊接，第一、二段焊接首尾两端各20％的长度，第三段再补焊中间剩余的60％的长度，焊接参数为：主轴转速2600-3300r/min，焊接速度1000-1200mm/min，焊接压力3000-3600kn。

在上述技术方案中，本申请的一种实施例中，将焊接子件1分为三段可以达到本申请的焊接要求。本申请一种实施例中，1300mm左右的焊缝最少需分三段即可达到间隙值≤0.4mm的平面度要求，如果产品需求的间隙值更小或焊缝更长、板材更大的话，可按上述减少热量输出的理念将焊缝多分成几个小段和调整先后焊接顺序，一定可以得到要求内的焊接产品。理论上要确保高精度的平面度要求，分段焊接长度只能达到200mm，至于是否可以将相邻的200mm连续焊接，要根据产品的平面度要求适应性调整。根据焊接子件1板厚、焊接熔深、焊接力学性能等实验结果确定焊接参数，根据产品焊接要求选择搅拌针，进而调整下扎深度。

焊接过程中观察搅拌针针头行走轨迹需与拼接焊缝吻合，具体为：手动将搅拌针行驶到焊缝上，轻微下压板料，肉眼观察搅拌针压出的坑是否在拼接缝上，也可为：搅拌摩擦焊接在各分段焊接完成后，拔针点都会有拔针孔，可观察拔针孔是否在拼缝上；否则焊缝偏移将会造成冷却液泄露。

焊接参数中的设备的主轴转速上限值4000r/min，焊接速度设备进给上限值2000mm/min。参数实验方法：初步选择参数区间后，使变量唯一，逐一进行参数验证，其余焊接参数设定类似此方法，若被选参数不在规定范围内，测量焊后焊接子件的平板最高点与最低点极差大于平面度要求。

在另一种技术方案中，液冷板搅拌摩擦焊焊接材料铝型材选择要求，焊接子件1宽度方向平面度≤0.4mm，长度方向平面度≤0.8mm。

在上述技术方案中，通过对焊前准备、焊接材料、焊接设备、焊接方法、焊接操作等多方面管控进行研究。通过多次重复验证，待焊接的左、右板要求变形方向一致，从液冷板总成宽度平面度0.75mm要求倒推焊接子件1材料宽度方向平面度必须≤0.4mm、长度方向≤0.8mm，否则焊接后的平面度极不稳定且严重超差。

在另一种技术方案中，焊接子件1的平面度要求是依据焊接后的液冷板总成平面度要求确定，具体过程为：首先，确定好焊接子件1的焊接参数、焊接顺序；其次，将焊接子件1按照平面度划分若干区间进行分类；再次，将各个平面度区间内的焊接子件1按照确定好的焊接参数和焊接顺序完成焊接；最后，将焊接完成的液冷板总成通过设计带多个百分表的平面度检具分别测量点，由点编织成面，观察整体平面度变形趋势，焊接后的液冷板总成平面度合格度达到90％以上的焊接子件1平面度区间即为焊接子件1的平面度要求。

在上述技术方案中，根据焊接后的液冷板总成平面度要求反推焊接子件1的平面度要求，一种实施例中，因本申请的产品为新能源汽车电池冷却系统中的液冷板，液冷板需与电池模组完全贴合，电池箱体内部才能有较好的散热、恒温效果，本申请产品的液冷板宽度平面度要求为0.75mm以内，通过若干件的调试、测量，具体过程为：焊接夹具、参数、顺序固化后，将焊接子件1按照平面度划分若干区间分类，分别焊接完成后通过针对测量面的要求专业设计带多个百分表的快速检具分别测量点，由点编织成面，观察整体平面度变形趋势，发现宽度方向平面度≤0.4mm，长度方向平面度≤0.8mm的焊接平面度合格率达到90％左右，综合考虑焊接子件1的宽度方向平面度≤0.4mm，长度方向平面度≤0.8mm。

在另一种技术方案中，焊接子件1拼装后的间隙≤0.2mm，根据搅拌摩擦焊接的搅拌针直径宽度设置。

在另一种技术方案中，焊接子件1通过清洗药剂清洗后，再用酒精擦拭或抛光机表面处理再进行焊接。因铝铸件制造工艺过程中会产生气孔与杂质，零件要求出厂前用专业清洗药剂清洗，清洗药剂为适量的清水、氢氧化钠、二甲基磺等化学药剂，回厂焊接前用酒精擦拭或抛光机表面处理再进行焊接。

在另一种技术方案中，摩擦焊的焊接设备的A轴保证2.5°倾角，C轴与XY面平行无歪斜，根据焊接子件1的厚度选择搅拌针的长度小于焊接子件1的厚度，搅拌针的长度在焊接磨损后也不短于搅拌针的设置下针量。

在上述技术方案中，液冷板搅拌摩擦焊接设备要求，开机前检查设备正常，搅拌针无严重缩针，轴肩无裂纹变形等情况，根据需焊接的焊接子件1板厚选择搅拌针类型，例如：2mm待焊接子件1板厚选择搅拌针1.7mm，搭配静轴肩的搅拌针跟轴肩的内凹长度需达到0.3-0.5mm，所以搅拌针实际伸出长度只有1.2-1.4mm，设置下扎量1.3mm，长时间磨损后，搅拌针的长度要求不短于1.3mm。为保证摩擦焊接质量与轨迹正确冷板无泄漏，摩擦焊设备要求A轴保证2.5°倾角，C轴与XY面平行无歪斜，此为焊接设备通过焊接验证后规定的数值，有变更的话会造成焊接不良、轨迹偏移等缺陷。

在另一种技术方案中，如图2至6所示，对焊接子件1进行焊接时采用焊接工装辅助，所述焊接工装包括：

底座2，其为方形结构且内部中空，所述底座2内部的中部沿长度方向设置有焊缝支撑3，所述底座2顶部的其中一对相邻的长侧边和宽侧边向下凹陷形成仅贯通所述底座2内的台阶，其用于固定限位所述焊接子件1的其中一对相邻的长边和宽边，所述底座2顶部的另一对相邻的长侧边和宽侧边向下凹陷形成贯通所述底座2内及底座2外的贯通口，其使得所述焊接子件1的另一对相邻的长边和宽边为活动边，所述底座2内部在焊缝支撑3的两侧对称设置有多个搁置台6，其与所述焊缝支撑3以及底座2顶部凹槽的台阶面平齐；

压臂4，其为开口朝向所述焊缝支撑3的U型结构，所述压臂4通过固定于所述底座2外侧的90°翻转气缸5连接并驱动所述压臂490°翻转及压臂4上下移动，所述压臂4设置多个，每一个压臂4对应相邻的两个搁置台6，且搁置台6的正投影与所述压臂4的正投影重合，所述压臂4与所述90°翻转气缸5通过插销14活动连接；

侧推气缸，其包括多个X向侧推气缸7和多个Y向侧推气缸8，分别对应位于所述底座2顶部形成为贯通口的另一对相邻的长侧边和宽侧边外，所述侧推气缸连接有侧推压紧板9，其用于压紧所述焊接子件1的侧边。

在上述技术方案中，定义焊接子件1长度侧为X向，宽度侧为Y向，垂直焊接子件1上方为Z向。因摩擦焊接本身无需填料且焊接过程中有较大下压力，工装夹具设计两条边为固定限位边，即底座2顶部设置为台阶的两个侧边，另两条边为气缸推紧边，即底座2顶部设置为贯通口的两个侧边，通过侧推气缸上的侧推压紧板9推进焊接子件1的侧板。为防止焊接过程中液冷板被挤压造成平面度变形，工装夹具上设有多处Z向压紧与支撑，即压臂4及搁置台6的配合夹紧焊接子件1。所有焊接轨迹下面都设有焊缝支撑3，因搅拌摩擦焊接压力较大，为防止焊接造成型材变形，所有焊接面对应的下部必须有实心块支撑，否则搅拌摩擦设备传感器接收不到具体压力值就会无限下压。因采用龙门式搅拌摩擦焊接，焊接过程中搅拌头在直径10cm范围内不允许有高于焊接面30mm以上的遮挡，焊接轨迹周边应尽量避免有夹具干涉，因此设置了压臂4等结构的支撑定位，以及侧向气缸的推压。所述压臂4与所述90°翻转气缸5通过插销14活动连接，90°翻转气缸5压紧前，回型压臂4是松动的，压紧的一瞬间会根据焊接子件1的板材变形，自适应调整左右压臂4的压紧面，从而达到整个压臂4与板材完全贴合。

在另一种技术方案中，位于所述底座2宽度方向中部的所述Y向侧推气缸8连接有仿形支撑块11，其恰好配合于所述焊接子件1侧边的中空结构内。

在上述技术方案中，为适应液冷板部分中空流道的摩擦焊焊接，设计做了专用仿形垫块支撑，焊接子件1型材非水嘴孔12的一端具有中空结构，因搅拌摩擦焊接有较大Z向压力，若缺少支撑则会造成焊穿、压塌变形等缺陷，因此设置有仿形支撑块11将中空结构进行填充塞满。

在另一种技术方案中，靠近所述水嘴孔12的所述压臂4上连接有挡条13，其恰好将所述水嘴孔12封住，所述底座2内部还设置有多个顶出气缸10，其用于将焊接完成的焊接子件1顶出。水嘴孔12通过挡条13遮盖，避免铝屑焊渣等异物进入型材内部。为方便取件，底部设有顶出气缸10将焊接完成后的零件撑起。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，待焊接的铝型材液冷板为焊接子件，将焊接子件按照长度百分比进行分段后，对各段采用不连续焊接的顺序完成整个焊接子件的焊接。

2.如权利要求1所述的铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，将焊接子件的长度超过1000mm的摩擦焊缝分三段焊接，第一、二段焊接首尾两端各20％的长度，第三段再补焊中间剩余的60％的长度，焊接参数为：主轴转速2600-3300r/min，焊接速度1000-1200mm/min，焊接压力3000-3600kn。

3.如权利要求2所述的铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，焊接子件宽度方向平面度≤0.4mm，长度方向平面度≤0.8mm。

4.如权利要求3所述的铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，焊接子件的平面度要求是依据焊接后的液冷板总成平面度要求确定，具体过程为：首先，确定好焊接子件的焊接参数、焊接顺序；其次，将焊接子件按照平面度划分若干区间进行分类；再次，将各个平面度区间内的焊接子件按照确定好的焊接参数和焊接顺序完成焊接；最后，将焊接完成的液冷板总成通过设计带多个百分表的平面度检具分别测量点，由点编织成面，观察整体平面度变形趋势，焊接后的液冷板总成平面度合格度达到90％以上的焊接子件平面度区间即为焊接子件的平面度要求。

5.如权利要求2所述的铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，焊接子件拼装后的间隙≤0.2mm。

6.如权利要求1所述的铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，焊接子件通过清洗药剂清洗后，再用酒精擦拭或抛光机表面处理再进行焊接。

7.如权利要求2所述的铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，摩擦焊的焊接设备的A轴保证2.5°倾角，C轴与XY面平行无歪斜，根据焊接子件的厚度选择搅拌针的长度小于焊接子件的厚度，搅拌针的长度在焊接磨损后也不短于搅拌针的设置下针量。

8.如权利要求1所述的铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，对焊接子件进行焊接时采用焊接工装辅助，所述焊接工装包括：

底座，其为方形结构且内部中空，所述底座内部的中部沿长度方向设置有焊缝支撑，所述底座顶部的其中一对相邻的长侧边和宽侧边向下凹陷形成仅贯通所述底座内的台阶，其用于固定限位所述焊接子件的其中一对相邻的长边和宽边，所述底座顶部的另一对相邻的长侧边和宽侧边向下凹陷形成贯通所述底座内及底座外的贯通口，其使得所述焊接子件的另一对相邻的长边和宽边为活动边，所述底座内部在焊缝支撑的两侧对称设置有多个搁置台，其与所述焊缝支撑以及底座顶部凹槽的台阶面平齐；

压臂，其为开口朝向所述焊缝支撑的U型结构，所述压臂通过固定于所述底座外侧的90°翻转气缸连接并驱动所述压臂90°翻转及压臂上下移动，所述压臂设置多个，每一个压臂对应相邻的两个搁置台，且搁置台的正投影与所述压臂的正投影重合，所述压臂与所述90°翻转气缸通过插销活动连接；

侧推气缸，其包括多个X向侧推气缸和多个Y向侧推气缸，分别对应位于所述底座顶部形成为贯通口的另一对相邻的长侧边和宽侧边外，所述侧推气缸连接有侧推压紧板，其用于压紧所述焊接子件的侧边。

9.如权利要求8所述的铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，位于所述底座宽度方向中部的所述Y向侧推气缸连接有仿形支撑块，其恰好配合于所述焊接子件侧边的中空结构内。

10.如权利要求8所述的铝型材液冷板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，靠近所述水嘴孔的所述压臂上连接有挡条，其恰好将所述水嘴孔封住，所述底座内部还设置有多个顶出气缸，其用于将焊接完成的焊接子件顶出。

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