有色金属材料与工程  2024, Vol. 45 Issue (2): 76-80    DOI: 10.13258/j.cnki.nmme.20210915003   PDF    
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    
Friction stir welding process flow of aluminum alloy water-cooled motor casing
SHEN 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 alloy water-cooled motor casing is used to cool the motor and ensures its service life. The aluminum alloy water-cooled motor casing is welded to ensure the sealing of its water channels. Compared with traditional fusion welding methods, friction stir welding and a reasonable welding process can effectively reduce welding defects, reduce heat input, and improve the first pass rate of products. The friction stir welding process can be promoted and applied in such aluminum alloy products, providing a solid foundation for the development of such products in the subsequent new energy field.
Key words: 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。

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。

图 2 壳体示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the casing
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 m×2.0 m×3.5 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

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5~10 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。

图 4 FSW设备 Fig. 4 FSW equipment

图 5 搅拌头及右旋螺纹示意图 Fig. 5 Diagrams of the mixing head and right-handed thread
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。

图 6 封板点固位置示意图 Fig. 6 Schematic diagrams of the fixed positions of sealing plate

(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
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。

图 7 FSW过程 Fig. 7 FSW process

(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。

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ISO25239-5—2020,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。

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