浅谈新能源汽车电池框架总成焊接工艺的优化

赵雪霏，时景光，王 毅，宋爱民

（1.湖南元创机械有限公司，湖南 醴陵412200；2.雪花啤酒（嘉善）有限公司，浙江 嘉善314100；3. 江苏傲世锻压科技有限公司，江苏 扬州211400）

电池框架总成是连接车架和动力电池的核心零件，需要搭载360kg 左右动力电池荷载，保证汽车在行驶过程中受到各种冲击、扭转等复杂应力的作用下，汽车核心动力部件——电池不受损。该产品起到重要的承载作用和连接功能,直接决定着整个车身的刚性和承受冲击性,及电池的安全性。在产品设计方面，为满足产品承载和冲击性能，提升新能源纯电动车轻量化、节能、提高续航里程的性能指标，电池框架主体零件选用SAPH440 高强钢，加强零件选用B410LA、B210P1 高强钢代替普通钢板，来提升整车强度的同时降低车身重量的目的。电池框架产品特性、结构特点和安全要求，决定其焊接生产工艺需要保证、质量一致性、稳定性。

1 焊接工艺选择

1.1 产品结构特点

如图1 所示，该电池框架属于框架类焊接结构件，八支主梁是U 型冲压件，其中车身X 轴方向的4支主梁，长度1760.6mm，而开口宽度仅有33.8mm，最窄处只有20.6mm，腹面段差达到67.2mm，导致产品在焊接后极易变形。

图1 电池框架示意图

1.2 产品尺寸精度要求高

本产品焊点638 个，二氧化碳保护焊道共计89处，总长2078mm。总成产品与电池包及车身采用2个定位销与34 个螺纹装配方式，且需要一次性同时装配，产品轮廓度要求±0.7mm。全尺寸精度95%以上，关键管控尺寸精度达到100%。

1.3 焊接产线的规划及节拍

为保证产品焊接质量一致性，总成工位采用机械手焊接生产线。焊接自动焊接生产线，通常有两种产线布置方式，一种是焊接机器人加搬运机器人组成的系统，需要投入焊接、搬运两种功能的机器人，设备投入成本高，产线占地面积大；一种是采用焊接机器人加伺服吊装搬运系统，该方案可投入较少的场地面积，但需要增加桁架及伺服机构，因产品重量达35.85kg，为达到产线生产节拍，各工站吊运机构需要投入大扭矩高精度伺服电机驱动才能达到要求，无形中也增加了产线成本。

因机械手工作半径及工作角度极限限制，对于处于工作机械手工作能力外的焊点，多采用单工位多台机械手联合作业或者增加作业工位来满足的方式，如图2 所示。

图2 常规自动线产线布置示意图

依据车型生产纲领要求（3500 台/月），综合考虑产线设备投入成本和生产效率，我们设计了伺服旋转专用工装，解决了机械手工作能力外的极限焊点的焊接问题，同时设计了搬运焊接一体化机构，使一台机械手可以完成焊接与搬运任务，不但减少了场地占用面积，也降低了产线投入成本，如图3 所示，产线成本比较如表1 所示。

图3 总成产线示意图

2 焊接工艺难点

产品的结构特点和尺寸精度要求，使得如何降低焊接变形、保证产品焊后的尺寸精度及焊接强度成为难点。对此，我们从焊接参数选择、焊点次序、夹具结构设计等几方面进行优化，保证产品符合设计要求。

2.1 采用正交试验，合理选择焊接参数

据上所述，本产品共638 个焊点，焊点强度受焊接热影响区影响较常规产品大，为了保证焊接强度，在焊接参数的选择上，我们分析了焊接电流、通电时间、加压力、保持时间四个影响因子，设计了四因子四水平的正交试验，对焊接条件选择予以科学化定量验证。

表1 各总成产线比较

2.2 焊点顺序标准化

因产品的细长梁框架结构，组焊关系复杂，实际工艺验证过程中，我们发现，梁底面、侧壁、法兰面焊接顺序变更，也会造成产品焊后品质不一，为克服这一影响，我们摒弃常规的相邻点顺序焊接的方式，对焊点先后顺序进行多轮验证，选定最终焊接顺序，在PLC 中编程，并在作业指导书中进行标准化，保证焊接产品尺寸精度。如图4 所示。

图4 焊点顺序示意图

2.3 夹具结构

因冲压单品精度一致性及公差累积影响，各批次间存在一定的尺寸差异，为降低过程变异，保证焊接一致性，在焊接夹具的设计上，采用增加夹持点提升夹具刚性固定，来控制焊接变形。如图5 所示。

图5 夹具增加刚性固定

2.4 控制焊接变形的措施

焊接过程中发出的巨大热量及热量不对称，导致的膨胀不一致，是焊接变形产生的重要原因。另外，各冲压单品零件的精度及产品一致性，也是产生焊接变形的次要因素。

依据物料热胀冷缩的原理，结合焊接结构件同一部位加热产生的伸长量小于该部位收缩量的实际情况，为防止焊接后Y 向弯曲变形，在夹具上，我们采用4mm 的工艺垫片，再设置气缸，反向强行下压，消除焊接热影响造成的变形（如图6 所示）。同时在焊接工艺设置上，焊后将夹持松开时间延迟5s，进一步抵抗焊接变形。

图6 反变形示意

3 结语

综上所述，电池框架对焊接工艺技术的要求非常严苛，整个工艺流程任何缺失，都会造成产品精度下降，进而无法完成整车电池装配或产生装配应力造成后续电池发生安全事故的严重影响。通过采用自动化生产及在焊接工艺上采取如上措施，来降低操作人员、过程变异等，减少了过程变差，不但保证了产品焊接强度，也保证了质量一致性，提升了过程能力。为复杂结构的高精度产品焊接制造工艺，提供了解决思路。