铝合金水冷电机外壳的搅拌摩擦焊工艺流程.pdf

文章编号：2096 2983(2024)02 0076 05DOI:10.13258/ki.nmme.20210915003引文格式:沈其明，徐伍刚，谷晗，等铝合金水冷电机外壳的搅拌摩擦焊工艺流程J有色金属材料与工程，2024，45（2）：76-80DOI：10.13258/ki.nmme.20210915003 SHEN Qiming,XU Wugang,GU Han,et alFriction stir welding process flow ofaluminum alloy water-cooled motor casingJNonferrous Metal Materials and Engineering,2024,45（2）：76-80铝合金水冷电机外壳的搅拌摩擦焊工艺流程沈其明，徐伍刚，谷 晗，高 雨，吴彦霖（辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003）摘要：电机在提供动力的同时会产生大量的热量；一般采用铝合金水冷电机外壳为电机降温来保证其使用寿命。铝合金水冷电机外壳采用焊接的方式来保证其水道的密封性。与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊方法以及合理的焊接工艺能够有效地减少焊接缺陷、降低热输入、提高产品的一次合格率。搅拌摩擦焊工艺过程可在此类铝合金产品中推广应用，为此类产品在后续新能源领域的发展提供坚实的基础。关键词：铝合金；电机外壳；水冷；搅拌摩擦焊中图分类号：TG 375.41 文献标志码：AFriction stir welding process flow of aluminum alloywater-cooled motor casingSHEN Qiming，XU Wugang，GU Han，GAO Yu，WU Yanlin(Liaoning Zhongwang Group Co.,Ltd.,Liaoyang111003,China)Abstract:Motors generate a large amount of heat while providing power.Generally,aluminum alloywater-cooled motor casing is used to cool the motor and ensures its service life.The aluminum alloywater-cooled motor casing is welded to ensure the sealing of its water channels.Compared withtraditional fusion welding methods,friction stir welding and a reasonable welding process caneffectively reduce welding defects,reduce heat input,and improve the first pass rate of products.Thefriction stir welding process can be promoted and applied in such aluminum alloy products,providing asolid foundation for the development of such products in the subsequent new energy field.Keywords:aluminum alloy;motor casing;water-cooling;friction stir welding 雾霾天气频发的主要因素，一方面是工业污染，另一方面是汽车尾气。新能源汽车可以减少汽车尾气的排放。现在市场上的新能源汽车都是以电池或超级电容器作为动力源，由电机驱动1。由于电机转速快、发热高，所以一般在电机壳上采用水冷结构降温散热。铝合金型材的壳体质量轻、散热性好、结构紧凑、维修方便，是自动控制系统的理想部件，具有很大的推广和使用价值2。在实际生产过程中一般采用焊接的方式来保证电机壳的密封性。谷晗等3采用 IGM 悬臂焊焊接电机壳时，焊前需要对电有 色 金 属 材 料 与 工 程第 45 卷 第 2 期NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERINGVol.45 No.2 2024收稿日期：20210915第一作者：沈其明（1972），男，工程师。研究方向：铝合金焊接工艺研发。E-mial：机壳体预制坡口且焊接时采用多层多道焊。肖昌武等4采用手工焊焊接需克服焊接盲区大、易出现焊接缺陷等难点。采用熔化焊焊接电机壳体时极易产生缺陷，焊接缺陷的存在会使焊件有效载荷横截面面积变小、力学性能下降，同时，其边缘处很容易产生应力集中的现象，使焊接接头的塑性变差5-6。我司开发团队经过研究、试制及小批量生产后，制定了采用搅拌摩擦焊（friction stir welding,FSW）焊接铝合金水冷电机壳的成熟生产方案，避免型材焊前开剖口、焊缝未熔合等一系列问题。与传统的熔化焊相比，FSW 具有成本低，效率高，焊件缺陷少、残余应力小、变形小、尺寸稳定性好、焊接波纹细腻平滑、外观美观，节能环保，力学性能更接近于母材等优点，被广泛应用于镁合金和铝合金的焊接，尤其是铝合金的焊接7-10。1 实验材料及制备铝合金水冷电机壳主要由电机壳本体和端头封板组成。端头封板内嵌入电机壳本体，焊接接头方式为对搭接形式，满足 FSW 焊接要求。具体组配结构如图 1 所示。上封板上封板下封板下封板机壳本体 图 1 电机壳组配示意图Fig.1 Schematic diagram of the motor casing assembly 1.1 机壳本体电机壳本体材质为 6005A-T6 铝合金挤压型材，即通过挤压拉拔的生产方式，将铝合金铸棒通过挤压机直接挤压成型，保证壳体轮廓、内腔、水道等主要功能部分的尺寸。初次挤压长度为 6 m，外圆半径为 152 mm，内圆半径为 120 mm，水道宽度为 8 mm，长度为 320 mm。将 6 m 长的挤压型材采用高精度数控锯床进行切断，保证 330 mm 的长度尺寸。切断后采用 CNC 机床进行安装孔、进出水口、水道连通孔、水道封闭口、封板安装槽等特征的加工，壳体示意图如图 2 所示。1.2 端头封板电机壳两端水道封板材质为 5052-H32 铝合金轧制板材，即通过轧制的加工方式，将铝合金铸锭压扎成相应厚度的板材，保证封板厚度的一致性。整板尺寸规格为 3.0 m2.0 m3.5 mm。采用高精度数控激光切割机按轮廓尺寸对轧制板材进行编程下料。封板示意图如图 3 所示 单位：mm148R10R128R145 图 3 封板示意图Fig.3 Schematic diagram of the sealing plate 2 焊接工艺过程 2.1 焊前准备 2.1.1 焊前处理对焊缝两侧 510 mm 的范围进行打磨，并清除油污、氧化膜等杂质，打磨深度不超过 0.2 mm。通过组对将上封板镶嵌到电机壳壳体中，使封板与壳体紧密间隙、错边均在 0.2 mm 以内，要特别注意拼装时各部件间的错边量，保证焊后精加工内部圆形后，360内各方位剩余量均在公差范围内。装配需运用专用工装辅助。2.1.2 设备检查图 4 为 FSW 设备图。实验开始前，对 FSW 设备进行校轴，检查设备是否运转正常，检查搅拌头规格（见图 5）等情况。同时确保打磨、焊道清理等辅助工具完好、齐全。安装面水道封闭口水道连通口封板安装槽安装孔进出水口 图 2 壳体示意图Fig.2 Schematic diagram of the casing第 2 期沈其明，等：铝合金水冷电机外壳的搅拌摩擦焊工艺流程77 2.2 焊接过程 2.2.1 点固（1）按照图 6 中焊缝信息对部件进行点固焊接，采用 MIG 焊接方式，单面 6 处焊缝。如图 6（a）所示。（2）将点固点磨平。（3）采用相同的方式将下封板镶嵌到电机壳壳体中。如图 6（b）所示。2.2.2 FSW 参数选择在操作面板中调取预设的焊接参数11，具体如表 1 所示。表 1 焊接参数Tab.1 Welding parameters 搅拌针规格焊接开始停留时间/s焊接结束停留时间/s主轴转速/（rmin1）下压力/kN焊接速度/（mmmin1）倾斜角度/（）侧面倾斜角度/（）搅拌针旋转方向针长/mm轴肩直径/mm3.513.00.60.31 4001 6007.09.05007502.50逆时针(a)焊接设备(b)搅拌头 图 4 FSW 设备Fig.4 FSW equipment d1=4.2 mmd2=5.5 mmd3=13.0 mmh=3.5 mmhd1d2d3(a)搅拌头(b)右旋螺纹 图 5 搅拌头及右旋螺纹示意图Fig.5 Diagrams of the mixing head and right-handed thread 上封板点固点(a)上封板(b)下封板下封板点固点 图 6 封板点固位置示意图Fig.6 Schematic diagrams of the fixed positions of sealing plate78有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷 2.2.3 FSW 焊接（1）将工件上封板一侧朝上后壳体垂直固定到工装中，通过组对（组对过程中注意划痕）、定位，保证工装压紧工件，安装引出板并固定，防止焊接过程中工件晃动。如图 7（a）所示。（2）调节搅拌头位置，使其位于焊缝起始端，如图 7（b）所示。（3）按照图中封板的轮廓线编程，对部件进行焊接，共 2 处焊缝（焊接收枪点在导出板上，不允许停留在壳体上），如图 7（c）所示。（4）切割引出板，打磨过程中不要伤及壳体侧壁，且打磨深度不允许超过 1 mm。（5）焊接完成后，打磨焊缝多余飞边，使其表面平整，如图 7（d）所示。上封板一侧焊接完成后，按照上述（1）（5）的工艺流程继续焊接下封板一侧。(a)固定工装(b)对枪(c)焊接(d)打磨 图 7 FSW 过程Fig.7 FSW process 2.3 质量检查焊接结束后，应对每道焊缝进行自检，并填写电机壳焊缝检查卡片，然后由焊接监督对焊缝进行 100%外观检测。焊缝外观检验标准执行ISO25239-52020，焊接缺陷由焊接监督员现场指导焊工进行返修，返修后的焊缝需要焊接监督员按要求重新检测。经焊接监督员检查，外观成型较好，无明显缺陷，符合 ISO25239-5 级外观检测要求。经三坐标检测，产品外轮廓及内圆尺寸均在要求公差范围0.5 mm 之内，符合要求。3 结论所述的焊接流程经实践论证，已达到工业量产水平。采用 FSW 的焊接方式进行水冷电机壳的焊接，可有效避免 MIG 焊等熔化焊热输入成型类焊接方法所造成的缺陷，如气孔、裂纹等。同时 FSW 焊接的热输入小、变形小等优点更有利于电机在壳体中的转动，可以有效地避免因微变形导致的电机寿命缩短的情况的发生。第 2 期沈其明，等：铝合金水冷电机外壳的搅拌摩擦焊工艺流程79参考文献：张文亮,武斌,李武峰等.我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式的探讨 J.电网技术,2009,33(4):15.1 熊振国.铝合金伺服电机壳体型材研制 J.上海有色金属,1997，18(4):161165.2 谷晗,贾永强,辛守军.铝合金电机外壳焊接工艺 J.有色金属加工,2019,48(1):5761.3 肖昌武,向雪梅,姜淑园.电机壳铸件焊修及配件焊接工艺 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