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在电动汽车领域，特别是在动力电池外壳中，确保组件的密封性至关重要。目前的电池外壳通常采用由挤压铝型材制成的托盘组件，通过搅拌摩擦焊等方法解决接头处的密封性挑战。
本研究的目的是开发一种新型挤压型材概念，通过纵向机械单行程连接工艺生产电池外壳的紧密托盘组件。研究铝型材的几何形状、工艺和性能，以获得满足密封性要求并实现高承载能力的接头，以符合高压系统车辆的高认证要求。通过单级压力机冲程形成接头，消除了连续连接（轧辊连接）所需的复杂工具设计的需要。
为了评估接头质量，分析了连接过程中的力曲线，并使用显微照片评估了由此产生的接头几何形状。
线性接头的泄漏密封性通过氦嗅探器检漏仪测量，承重能力通过剪切搭接和弯曲测试以及疲劳强度测试进行研究。
电池包壳体是现代电动汽车的核心元件。在纯电动汽车中，它们通常放置在车辆底部。尽管可用空间有限，但保护内部敏感电池的要求很高。电池外壳必须保护电池免受各个方向的机械损坏，并满足高密封要求，以保护电气系统免受湿气[ 1]。为了能够满足这些要求，同时提供高水平的封装密度和低重量，当前的电池外壳通常采用铝组装设计。在这种类型的结构中，电池外壳由各种铝部件组装而成的电池托盘和平坦或圆顶盖组成。电池托盘的框架结构主要由铝型材制成，底板采用平板型材或金属板材。扁平挤压型材提供了额外的保护，防止来自下方的损坏，并提供了直接集成电池温度控制所需的冷却的可能性[ 2 ]。然而，型材之间的长连接缝对传统的连接方法提出了挑战。
传统的焊接工艺会产生大量热量，从而导致较大的焊接变形[ 3 ]。因此，目前，搅拌摩擦焊（FSW）工艺主要用于生产这些密封线性接头[ 4 ]。FSW是一个缓慢且昂贵的过程[ 5 , 6 ]，还需要非常大的机器来生产电池托盘等大型部件。此外，尽管有其优点，但由于引入的热量，组件仍然可能会发生变形[ 7 ]。
已知的机械连接工艺，例如铆接或自冲铆接，通常限于局部的、通常是点状的接头形成。为了使整个型材复合材料上的接合区域保持紧密，需要线性接合。
虽然已经有一些纵向机械连接系统用于卡车的板壁，但目前没有一个能够满足电池外壳所需的高密封要求[ 8 ]。这些系统通常依赖于压配合和形状配合接头。为了确保紧密的连接，连接伙伴之间需要材料粘合。成型工艺提供了生产低热量和低变形的承载接头的可能性，并且在某些条件下，形成材料结合[ 9 ]。
通过成型技术生产的第一个连续线性接头称为辊压接头，它允许用扁平材料生产型材[ 10 ]。然而，通过辊的连续接合需要在靠近接合过程的区域中具有高支撑刚度。专利说明书DE102016117524A1提出了通过粘合剂生产材料粘合接头的工艺[ 11 ]。在电池托盘生产中，应避免底板组件中的粘合接头，因为它们可能会受到用于连接横向或纵向负载路径的后续焊接工艺的高热应力的影响。
根据现有技术水平和已确定的研究需求，该研究项目倾向于通过单次压力冲程实现线性接头的方法。该方法的目标是使用数值模拟和适当的设计方法来开发一种经济型材系统，该系统具有用于纵向机械连接的集成功能部分，同时考虑到增加的密封性要求。图 1所示为根据这一思路设计的电池托盘模型。
图1纵向机械连接的电池托盘模型
新型线性机械接头的开发包括连接几何形状的开发和铝挤压型材制造工艺的开发，以及连接工艺本身的开发。
2.1线性机械连接新几何形状的开发
在连接几何形状的开发中，首先确定有关材料的边界条件和挤压型材的基本几何形状。指定材料是EN AW-6060 铝，因为这种材料通常用于结构相关的汽车应用。
为了避免整个电池托盘随后的人工老化过程，目标是开发一种可以使用已经老化到T6状态（固溶退火+人工老化）的型材进行的接头。基本轮廓几何形状基于电池托盘中已使用的中空轮廓板。型材高度为12毫米，顶壁和底壁厚度各为3毫米。为了能够在成形技术和轻量化部件研究所提供的10 MN 直接棒材挤压机上生产型材，通常宽度高达400毫米的多室型材板宽度减少到100毫米一个单室，如图 2所示。缩放型材宽度预计不会影响接头。
图2铝挤压型材的基本几何形状和重要尺寸
2.2棒材挤压工艺的工艺开发
挤压工艺的工艺开发是通过挤压模拟进行的。已经开发了商业模拟程序，用于通过有限元法（FEM）对挤出过程进行数值研究，这些程序在学术和工业上都有应用[ 12 ]。由于软件的不断发展以及有限元在挤压模拟中的应用不断增加，已经开发出一种通用的研究方法，使得物理地表示具有复杂边界条件的挤压过程成为可能[ 13 ]。
Altair的软件Inspire Extrude Metal 2022 用于模拟模具几何形状的挤压过程。使用铝合金EN AW-6060 的刚性-粘塑性材料模型。铝采用四面体单元网格化，平均单元长度从坯料中的10毫米逐渐减小到焊接室中的1毫米，以及型材中的0.75毫米。假设使用刚性工具。模具温度保持恒定在450 °C，因为这是可用挤压机的最高温度。 假定坯料和容器之间的剪切系数为m = 1。在模具中， 考虑的摩擦系数为µ = 0.3。
由于三种挤压型材仅在连接几何形状上有所不同，因此它们具有相似的挤压比，其计算公式为(1)其中。基于温度分布的数值分析，确定了冲压速度为3 mm/s，钢坯温度为510 °C。挤出模拟预测了所有三种模具几何形状的型材出口处的均匀速度场，这表明挤出型材的出口是均匀且笔直的。因此，所有三种挤压型材均已使用工具和确定的参数成功生产出来。
Inspire Extrude Metal 2022还用于确定装料焊缝区域中废料的长度。装料焊接代表将前一个铝坯料焊接到下一个铝坯料。焊缝在型材横截面上并不是均匀形成的，但新坯料的材料在复杂型材的不同位置以不同的速率取代旧坯料的材料[ 14 ]。在该区域，机械性能会降低。为了避免这种影响影响这项工作的结果，规定型材的横截面必须由95%的新材料组成。对于所研究的几何形状，每次挤压过程开始后必须报废总共1500毫米的挤压型材。
2.3挤压型材的热处理
热处理可用于调整所生产型材的机械性能。挤压以及随后通过空气、水、喷雾等进行的淬火与固溶退火工艺相当。型材的强度和断裂伸长率可以通过随后的老化进行调整[ 15 ]。图 4说明了可热处理合金（例如EN AW-6060）的可能热处理路线。
考虑到这些边界条件，在基于模拟的开发过程中确定了三种连接几何形状，从而允许在单个冲压冲程内连接型材。基于模拟的几何开发分为两个步骤。在第一步中，通过分析发生成形的区域并通过调整接头几何形状来控制它们，迭代地改进了接头的成形。在第二步中，对接头模型进行了剪切搭接和三点弯曲试验的模拟。
图 3说明了连接几何形状V1、V2和V6，每个几何形状对应于不同的连接概念。
图3适用于不同连接概念的几何形状
概念V1的方法采用了受半空心铆钉启发的几何形状。该接头是通过足部几何形状的塑性膨胀而形成的。
概念V2遵循通过镦粗内部连接伙伴来创建底切的方法。非对称几何形状的优点是配合较少，并且连接过程对制造偏差不太敏感。
V6采用肘杆原理。反作用力阻止接头打开。由于连接前型材的支撑不均匀，可能需要额外的连接工具来进行批量生产。
图4铝合金热处理
为了评估连接过程，分析了出现的连接力和接头的显微照片。使用光学3D轮廓仪测量连接伙伴的接触表面，以识别它们之间可能的相互作用。
图5不同型材变体的连接模拟和实验的比较
图6已完成接头的显微照片
图7先前分离的关节V2的接触面的3D图像
在本节中，将型材接头的承载能力、剪切强度和弯曲强度与搅拌摩擦焊参考样本进行比较。随后进行疲劳强度调查，最后对不同型材进行泄漏测试。
4.1剪切搭接强度
图8接头剪切搭接试验的实验装置
图9剪切搭接载荷作用下接头的力-位移曲线
图10剪切搭接载荷作用下断裂接头的显微图像
图11a 使用不同摩擦模型进行剪切搭接测试和b s = 2 mm时的失效模式的数值和实验结果比较
4.2弯曲强度
图12接头三点弯曲试验的实验装置
图13弯曲载荷作用下接头的力-位移曲线
图14弯曲载荷作用下断裂接头的显微图像
4.3疲劳强度
图15经受循环载荷作用的型材变体V1和V6的维勒图
4.4密封性能
图16氦吸枪检漏测试程序
图17V1、V2和V6型号的泄漏率与连接力的函数关系
图18V6型不同轮廓特性的泄漏率
图19根据参考文献，通过局部淬火进行强度分级。[ 20 ]
图20a接头性能的定义和b增加强度等级的影响
在这项研究中，通过数值模拟开发了三种用于密封线性机械连接的铝挤压型材系统，并成功生产并在单个冲压冲程中有效连接。这项研究的主要发现包括：
EN AW-6060 合金挤压型材在人工时效至 T6 条件后证明可以成功连接。
连接过程需要 0.45 kN/mm 至 4 kN/mm 的连接力（取决于型号）。
剪切拉伸测试表明，与搅拌摩擦焊接头相比，接头的承载能力在 75% 到 105% 之间，具体取决于变体。
与搅拌摩擦焊接头相比，接头的三点弯曲承载能力为 60% 至 150%。
V1 的疲劳强度是在每接头长度的力幅为 27.0 N/mm 时实现的，而 V6 的疲劳强度为 50.4 N/mm，在倾斜指数方面表现出良好的可比性。Profile 系统 V1 和 V6 具有高密封性，泄漏率低于 5 × 10 –5 mbar·l/s。
这些发现表明，生产铝挤压型材的密封线性接头不仅可行，而且适合集成到电池托盘中。此外，通过强度分级来增强接头性能的尝试被发现是无效的，因为失效区域中较低的材料强度超过了改进接头形状的积极效果。
来源：Mechanically Joined Extrusion Profiles for Battery Trays
https://doi.org/10.1007/s42154-023-00267-8
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