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複雑なアルミニウム合金ケーシング加工技術:鋳造、溶接、押出

電気自動車では、パワーバッテリーパックの重量が車両の総重量の約30%を占めています。 自動車の軽量化とパワーバッテリーシステムのエネルギー密度の尽きることのない追求には、すべてバッテリーパック構造の軽量設計が必要です。 バッテリーパックシステムの内部には、最大の構造部材としてのキャビネット、その重量削減、エネルギー密度の向上が見逃せません。 構造の最適化と再最適化の前提の下で、新しい材料の使用は、バッテリーボックスの重量を減らすための基本的な方法です。 コストは言うまでもなく、新製品の小さなバッチのコストは比較的高く、これはフォローアップで解決する必要がある問題であり、人々がその適用の可能性を考慮することを妨げる理由ではありません。

車両全体から得られた経験に基づいて、自動車の鉄代替品の新しい材料として使用されると考えられています。 一般的な材料は次のとおりです。
アルミニウム合金、マグネシウム合金、炭素繊維複合材料、今日の主役のアルミニウム合金材料は、3つの材料の中で比較的成熟した技術です。 現在、ボディの大部分は熱交換器、ホイール、ボディなどのアルミニウムを使用でき、アルミニウム合金は優れた軽量化効果を達成できます。 このペーパーでは、アルミニウム合金の主要な種類と、アルミニウム合金箱の主要な処理方法を整理します。


アルミ合金のパワーバッテリーボックス

アルミニウム合金の種類と性能
アルミニウム元素は、地球の地殻で最も豊富な金属元素であり、約8.13%を占めています。 アルミニウムの原子番号は13、原子量は27、融点は660℃、密度は2.7 g / cm ^ 3です。 アルミニウム合金構造部品の実際の密度は、加工技術によって異なり、わずかな範囲で異なります。 ダイカストは約2.6-2.63 g / cm ^ 3、押し出しは2.68-2.7 g / cm ^ 3、鍛造は2.69-2.72 g / cm ^ 3です。
インターネットで見られる典型的なアルミニウム合金シートの機械的パラメーター、典型的な6シリーズアルミニウムシート、引張強度310 MPa、降伏強度276 MPa。 5シリーズの機械的特性は6シリーズよりも低く、7シリーズは6シリーズよりも高くなっています。 一般的なスチールQ235特性パラメーター、引張強度375-500 MPa、降伏強度235 MPa。 鋼とアルミニウム、引張強度と降伏強度を比較すると、アルミニウムはわずかに低くなっています。

アルミニウム合金の種類

最初に、アルミニウム合金の鋳造の適用。
鋳造アルミニウム合金は自動車製造で広く使用されており、さまざまな自動車生産要件に応じてさまざまな鋳造方法を提供できます。 当初の市場では、鋳造アルミニウム合金は主にエンジン、ハブ、および衝突防止ビームに使用されていました。 鋳造アルミ合金電池ケース、使用の歴史も比較的長いです。 しかし、元の主流製品は従来の鋳造方法を採用しており、箱の表面は粗く、精度は低く、形状は単純であり、箱本体の壁の厚さは薄すぎることはできません。

第二に、変形アルミニウム合金の応用。

鋳造アルミニウム合金と比較して、変形アルミニウム合金は、意性と強度の優位性が大きく、その合金含有量は比較的低くなっています。 一般に、自動車のトリム部品、構造部品、放熱システム、ボディパネルに使用されます。 変形したアルミニウム合金は、一連のアルミニウム合金シートで構成されており、高い強度と良好な溶接性を備え、バッテリーケースやモジュールの製造に使用されています。

第三に、アルミニウム基複合材料の適用。
優れた寸法安定性を持ち、耐疲労性、耐破壊性、およびその他の利点を生み出すことができる自動車生産用途において、密度が低く、強度が高いアルミニウム合金材料の種類。


典型的なアルミ合金箱加工技術

主に鋳造と溶接を含む大型アルミニウム合金ボックス成形プロセス。その中でも、精密鋳造(またはネットサイズ鋳造)を実現できます。つまり、鋳造の内部キャビティと形状は、多くの場合、一度だけの成形を必要とします。その形状が部品または部品の最終形状に近く、処理が少ないか、処理が行われないようにします。
主に3つのタイプがあります。反重力鋳造、インベストメント鋳造、石膏鋳造です。

3.1鋳造
3.鋳造は、常にアルミニウム合金ボックスの大量生産の主なプロセスでした。 ネットサイズ鋳造が広く使用されている場合、鋳造は大型部品加工の福音です。

反重力鋳造

合金化液を、圧力を加えることにより、重力とは反対の方向に底部から満たして固化させる鋳造方法。 反重力鋳造プロセスには、安定した充填、制御可能な充填速度、合理的な温度分布、圧力下での凝固、および鋳物の凝固と供給を促進するという主な特徴があります。 反重力鋳物は、良好な機械的特性、コンパクトな構造、および鋳物欠陥がほとんどありません。
さまざまなプロセスに従って、反重力鋳造は、低圧鋳造、差圧鋳造、および圧力調整鋳造に分けられます。 第二次世界大戦中、低圧鋳造技術が発明され、航空機の空冷エンジンブロック鋳造品の製造に使用されました。 低圧鋳造に基づいて、大型で複雑な薄肉部品の製造のために、低圧鋳造とオートクレーブ鋳造を組み合わせた差圧鋳造プロセスが開発されました。 圧力調整鋳造プロセスは、差圧鋳造に基づいて開発されました。 圧力調整鋳造と差圧鋳造の最大の違いは、陽圧制御を実現できるだけでなく、陰圧制御も実現できることです。 同時に、制御システムの制御精度も高くなります。

精密投資鋳造
インベストメントキャスティングには次の利点があります。

インベストメント鋳造は、高い寸法精度と表面仕上げを備えています。 寸法精度は通常、CT4-6までです(砂型鋳造はCT10-13、ダイカスト鋳造はCT5-7です)。 柔軟な設計により、非常に複雑な鋳物の鋳造が可能です。 クリーンな生産、鋳物砂に化学結合剤は使用せず、金型材料は低温で環境に無害であり、古い砂の回収率は95%以上です。
「CT4-6」を説明してください。CTは鋳造物の寸法公差レベルであり、数値が大きいほど精度が低くなります。つまり、鋳造サイズの許容範囲が広くなります。

石膏鋳造

石膏タイプを使用すると、寸法精度が高く、表面粗さが低く、残留応力が低い鋳物を作成できます。これには、他の鋳物にはない多くの特徴があります。パターンを正確に複製でき、アルミニウム合金鋳物の表面粗さは0.8〜3.2μmに達することがあります。熱伝導率は低く、薄壁の部分は完全に形成しやすく、最も薄い部分は0.5 mmの薄壁にキャストできます。 複雑な形状の鋳物を製造できます。

鋳造石膏には、主に3つのタイプがあります。
非発泡石膏型、発泡石膏型およびインベストメント鋳造石膏型。 非発泡石膏タイプは、ガス透過性が低く、主に低圧鋳造を使用して、性能要件の低い鋳造を生産します。 発泡石膏タイプは、特定のガス透過性を備えており、曲線形状の薄肉(最薄0.5 mm)アルミニウム合金鋳物の製造に使用できます。

3.2溶接

現在、アルミニウムとその合金には多くの溶接方法があります。 その溶接方法には、通常、TIG溶接、MIG溶接、レーザー溶接、シーム溶接、抵抗溶接、電子ビーム溶接、摩擦攪拌溶接、誘導溶接が含まれます。 最初の2種類の溶接が広く使用されています:TIG溶接とMIG溶接。
タングステンアルゴンアーク溶接は、アルミニウム製品の最も一般的な溶接方法です。 主に溶接中の熱集中のため、厚さ5mm未満のアルミニウムおよびアルミニウム合金の溶接に特に適しています。 アークは燃焼が安定しており、溶接金属は緻密で、成形は良好で、表面は明るく、溶接継手の強度と可塑性は高く、品質は良好です。 溶接部へのアルゴンガスの浸食は、溶接継手の冷却を加速し、その構造と特性を改善します。 接合形態は制限されておらず、全位置溶接に適しています。 しかし、この方法は屋外環境での操作には適していません。

上記の特性に加えて、アルゴンタングステンアーク溶接、TIG溶接(MIG溶接)と比較して。また、溶接効率が高く、自動溶接および半自動溶接を簡単に実現でき、さまざまな厚さのアルミニウムおよびその合金の溶接に適しています。ただし、ワイヤ供給システムの制限により、ワイヤの直径は大きすぎてはならず、溶接部の気孔率の感度は比較的高くなります。

3.3押出成形
押出成形とは、ダイキャビティ(または押出シリンダー)に配置された金属ブランクに強い圧力をかけることです。金属ブランクに方向性塑性変形を生じさせ、これを押出ダイのダイ穴から押し出すことにより、所望の断面形状とサイズを持ち、特定の機械的特性を持つ部品または半製品を得るための塑性加工方法プロパティ。押出成形は、通常、バッテリーケース処理のプロセスで他の技術的手段とともに使用されます。
押出プロセス中、押出された金属は、加工対象の金属の可塑性を完全に発揮できる圧延鍛造よりも、変形ゾーンでより強くて均一な三方向圧縮応力状態を得ることができます。押出製品の精度は高く、製品の表面品質は良好であり、金属材料の利用率と収率も向上しています。押出のプロセスフローは短く、生産は便利です。 1回の押出成形で、熱間鍛造またはフォーミング圧延よりも大きな面積を持つ一体構造部品を得ることができます。

軽金属および軽合金は、特に押出加工に適した優れた押出特性を備えています。 アルミニウムやアルミニウム合金などは、さまざまな押出プロセスとさまざまな金型構造で処理できます。 押し出しにも明らかな制限があります。 断面積が等しい製品にのみ適しており、形状が複雑すぎることはありません。

いくつかの機械加工技術の欠陥
4.1鋳造工場で発生しやすい欠陥
石膏鋳造にも欠点があります。石膏型の冷却効果は乏しい。 鋳物の肉厚が大きく変化すると、収縮気孔や収縮穴などの欠陥が厚さの大部分で発生しやすくなります。 石膏タイプは、ガス透過性が非常に低く、鋳物はブローホールやbonき火などの欠陥を起こしやすいです。
鋳造欠陥の特定のタイプに実装された、コンセンサスの現在の傾向はそれです。 凝固の終わりに、樹状突起間の孤立液相によって生じる凝固収縮を液相で効果的に補償することができず、主要な鋳造欠陥、細孔、および熱亀裂が生じます。


合金固化のペースト領域にボイドが形成され、より多くの固相が形成されると、固化前部の液相のガス濃度は徐々に過飽和状態になります。 同時に、樹状突起間の毛管作用により、高固形分領域の局所的な圧力低下が低下します。 液相の過飽和ガスの分圧が細孔形成圧力よりも大きい場合、細孔は樹状突起、モールド内の介在物または亀裂、および溝での核生成に付着します。 その後、成長し、最終的に穴を形成します。
熱亀裂の形成、熱亀裂は、生産における最も一般的な鋳造欠陥の1つです。 外部亀裂は、コーナー、断面の厚さの突然の変化、局所凝縮の緩慢、および凝固中に引張応力が維持される場所で発生することがよくあります。 内部亀裂は、鋳物の最終凝固部で発生し、多くの場合、収縮穴の近くで発生します。


4.2溶接の問題
アルミニウムは酸化されやすいです

アルミニウムとその合金は、はんだ付けプロセス中に酸化を受けやすく、材料の表面に緻密なAl2O3膜を形成します。Al2O3の融点は2050°Cと高く、アルミニウムおよびアルミニウム合金(660°C純アルミニウム、595°Cアルミニウム合金)の融点よりもはるかに高いです。Al2O3は非常に安定しており、除去が困難であるため、溶接プロセス中に母材の溶融が妨げられます。Al2O3膜の融点はアルミニウムおよびアルミニウム合金の融点のほぼ3倍であり、密度はアルミニウムおよびアルミニウム合金の密度よりもはるかに高いため、はんだ付けプロセス中に未溶融や介在物などの欠陥が容易に形成されます。さらに、酸化皮膜は良好な親水性を有しており、これにより溶接中に溶接部が細孔を生成します。したがって、アルミニウム合金溶接の品質を確保するには、溶接前に表面の酸化皮膜を厳密に洗浄し、溶接プロセス中に新たに形成された酸化皮膜が再酸化または除去されないようにする必要があります。

高い熱伝導率と大きな比熱容量
アルミニウム合金の比熱容量と熱伝導率は、鋼鉄のものよりも大きくなっています。 溶接するとき、アークの熱はすべての側面に容易に拡散します。 したがって、エネルギーと熱入力が集中した熱源を使用する必要があります。 より厚いアルミニウム合金の場合、ワークピースを予熱する必要がある場合があります。 入熱量が多いと過熱することが多く、少しでも不注意だと、溶接ビードがたるみ、ワークピースが燃え尽きてしまいます。

大きな線膨張係数と大きな熱亀裂傾向

アルミニウムおよびアルミニウム合金の膨張係数は、鋼の約2倍です。 凝固時の体積収縮は大きいです(スチールの3.5%と比較して、最大6.5%)。 溶接物の変形と応力は大きく、溶接中に収縮、高温割れ、高い内部応力が容易に発生します。 生産では、溶接ワイヤの組成を調整し、合理的なプロセスパラメータと溶接シーケンス、および適切な溶接工具を選択することにより、高温割れの発生を防ぐことができます。

BMWパワーバッテリーはアルミボックスをキャスト

水素に敏感
アルミニウム溶接では気孔が発生しやすい。液体アルミニウムは大量の水素を溶解することができ、固体アルミニウムはほとんど水素を溶解しないため、溶融池の温度が急速に冷却されて固化すると、水素はオーバーフローせず、溶接部に凝集して細孔を形成しやすくなります。溶接部の水素元素は、主にアークコラム雰囲気の水分、溶接材料、および母材表面の酸化膜に吸着された水分に由来します。アルミニウムは熱伝導率が大きい。同じプロセス条件下で、アルミニウム溶融ゾーンの冷却速度は鋼の4-7倍であり、これは気泡の逃げを助長せず、これも細孔の形成における重要な要因です。スチールと比較して、アルミニウムはスチールの40倍の水素の泡を生成します。したがって、細孔の形成を防ぐために、水素源を厳密に制御する必要があります。同時に、溶接の前に母材と溶接ワイヤをきれいにする必要があります。
アルミニウム合金の箱のデザインの公開された事例はありません。 とりあえず、BMWキャストアルミニウムバッテリーケースをお楽しみください。
 
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