在电动汽车上，动力电池包的重量占整车质量的30%左右。汽车轻量化，对动力电池系统能量密度的无尽追求，都对电池包结构设计轻量化提出要求。在电池包系统内部，箱体作为最大的结构件，它的重量减下来，能量密度可以得到不可忽视的提高。在结构优化再优化的前提下，使用新型材质，是电池箱体轻量化的根本途径。暂且不提成本，新东西小批量，成本都比较高，那是需要后续解决的问题，不是阻止大家考虑它的应用可能性的理由。

根据整车上得来的经验，被考虑应用在汽车上作为钢材替代品的新材料，常见的有：铝合金，镁合金，碳纤维复合材料，今天主角铝合金材料，是三种材料中相对最为成熟的技术。目前，车身有很大一部分部件都可以使用铝材，如热交换器、车轮以及车身等，铝合金可以达到很好的减重效果。

本文整理铝合金主要类型，以及铝合金箱体主要加工手段。

1 铝合金的类型和性能

铝元素是地壳中含量最丰富的金属元素，约占8. 13%。铝原子序数 为13，原子量27，，熔点660℃，密度2.7g/cm^3 。铝合金结构件的实际密度，根据加工工艺手段不同，在小范围内变化， 压铸 的2.6-2.63 g/cm^3 左右，挤压的2.68-2.7 g/cm^3，锻造的2.69-2.72 g/cm^3。

网上搜来的典型铝合金板材力学参数，典型6系铝板材，拉伸强度310 MPa，屈服强度276 MPa；5系的力学性能参数低于6系，7系的高于6系。常见的钢材Q235特性参数，抗拉强度375-500 MPa，屈服强度235 MPa。对比钢材和铝材，拉伸强度和屈服强度，铝材略低。

2 铝合金的种类

第一，铸造铝合金的应用。铸造铝合金在汽车生产制造中应用比较广泛，且可以根据不同的汽车生产需求提供不同铸造方法。在原来的市场中，铸造铝合金主要用于发动机、轮毂、以及防撞梁等。铸造铝合金电池包箱体，使用的历史也比较长。但原来主流产品都采用传统铸造方法，箱体表面粗糙，精度低，且形状简单，箱体壁厚不能太薄。

第二，变形铝合金的应用。变形铝合金与铸造铝合金相比具有更大的任意性与强度优势，其合金含量相对较低，一般被用于汽车装饰件、结构件、散热系统和车身面板等部位。变形铝合金包含一系列铝合金板材，其中强度高，可焊性好的种类，已经被用于制造电池包箱体和模组。

第三，铝基复合材料的应用。该种铝合金材料具有良好的尺寸稳定性，且具有较低密度，较高的强度，在汽车生产应用中能够产生抗疲劳、抗断裂等优势。

3 典型铝合金箱体加工工艺

大型铝合金箱体成型工艺，主要包括铸造、焊接两类。其中可以实现精密铸造（或者称为净尺寸铸造，即铸件的内腔和外形往往要求一次成形，使其外形接近零件或部件的最终形状，少加工或者不加工），主要有三种：反重力铸造、熔模精密铸造和石膏型铸造。

3.1 铸造

铸造一直是批量制造铝合金箱体的主要工艺方法，当净尺寸铸造得到广泛应用以后，铸造更是大尺寸零件加工的福音。

反重力铸造

利用外加压力使合金液沿着与重力相反的方向，自下而上充型并凝固的一种铸造方法。反重力铸造工艺具有充型平稳、充型速率可控、温度场分布合理、在压力下凝固并有利于铸件凝固补缩的主要特点。反重力铸造铸件的力学性能较好、组织致密且铸造缺陷少。

按不同工艺过程，反重力铸造又分为低压铸造、差压铸造和调压铸造等。二战期间，低压铸造技术被发明，并用于制造出了飞机风冷发动机缸体铸件；低压铸造基础上，开发出兼有低压铸造和压力釜铸造特点的差压铸造工艺，用于制造大型、复杂、薄壁零件。在差压铸造基础上开发出了调压铸造工艺。调压铸造与差压铸造最大的区别在于，其不仅能够实现正压的控制，还能够实现负压的控制，同时对控制系统控制精度的要求也更高。

熔模精密铸造

熔模铸造具有以下优点：熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，尺寸精度一般可达 CT4-6（砂型铸造为 CT10-13，压铸为 CT5-7）；设计灵活，可以铸造出高度复杂的铸件；清洁生产，型砂中无化学粘结剂，低温下模料对环境无害，旧砂回收率95%以上。

解释一下“CT4-6”，CT是铸造件的尺寸公差等级，后面跟的数字越大精度越低，也就是铸件尺寸允许变化的范围越大。

石膏型铸造

石膏型可用以制成尺寸精度高表面粗糙度及残留应力低的铸件，具有许多其他铸型不具有的特点：能精确复制模样，可使铝合金铸件的表面粗糙度达到0.8~3.2μm；热导率低，薄壁部位易完整成形，最薄可铸出 0.5mm 的薄壁；可制造形状复杂的铸件。

铸造用石膏型主要有三种：不发泡石膏型、发泡石膏型和熔模精密铸造用石膏型。不发泡石膏型透气性很差，主要采用低压铸造生产性能要求较低的铸件。发泡石膏型具有一定的透气性，可以用于生产薄壁(最薄 0.5 mm)并带有曲面造型的铝合金铸件。

3.2 焊接

目前，铝及其合金的焊接方法很多，其焊接方法通常有钨极氩弧焊（TIG焊）、熔化极氩弧焊（MIG焊）、激光焊、缝焊、电阻电焊、电子束焊、搅拌摩擦焊、感应焊。应用较广的是前面两种，钨极氩弧焊（TIG焊）、熔化极氩弧焊（MIG焊）。

钨极氩弧焊是铝制品应用最普遍的焊接方法，尤其适于焊接厚度5mm以下的铝及铝合金，主要由于焊接时热量集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，成形良好、表面光亮，焊接接头的强度和塑性较高，质量较好；氩气流对焊接区的冲刷使焊接接头冷却加快，改善了其组织性能；接头形式不受限制，且适于全位置焊接。但此方法不宜在露天环境操作。

与钨极氩弧焊相比， 熔化极氩弧焊（MIG焊）除了上述特点外，还具有焊接效率高，易实现自动焊和半自动焊，且适用于各种板厚的铝及其合金焊接等优点。但由于送丝系统限制，焊丝直径不宜过大，且焊缝气孔敏感性较大。

3.3 挤压成型

挤压成型，是对放在模具型腔（或挤压筒）内的金属坯料施加强大的压力，迫使金属坯料产生定向塑性变形，从挤压模的模孔中挤出，从而获得所需断面形状、尺寸并具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法。 挤压成型在电池包箱体加工过程中，一般需要配合其他工艺手段使用。

在挤压过程中，被挤压金属在变形区能获得比轧制锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，这就可以充分发挥被加工金属本身的塑性；挤压制品的精度高，制品表面质量好，还提高了金属材料的利用率和成品率；挤压的工艺流程短，生产方便，一次挤压即可获得比热模锻或成型轧制等方法面积更大的整体结构件。

轻金属及轻合金具有良好的挤压特性，特别适合于挤压加工，如铝及铝合金，可以通过多种挤压工艺和多种模具结构进行加工。挤压成型也有明显的局限性，它只适用于等截面产品，形状也不能过于复杂，

4 几种加工工艺的缺陷

4.1 铸造容易出现的缺陷

熔模铸造存在以下缺点：原材料价格昂贵，铸件成本较高；工艺过程复杂，流程长、生产周期长；铸件性能一般不高。

石膏型铸造也有其缺点：石膏型激冷作用差，当铸件壁厚差异大时，厚大处容易出现缩松、缩孔等缺陷；石膏型透气性极差，铸件易形成气孔呛火等缺陷。

落实到具体铸件缺陷类型，目前趋于一致的观点认为，在凝固末期，枝晶间被隔离的液相所产生的凝固收缩不能得到液相区的有效补偿，导致了主要的铸造缺陷，孔洞与热裂。

孔洞的形成，在合金凝固的糊状区，随着更多固相的形成，凝固前沿液相中的气体浓度逐渐达到过饱和状态。同时，由于枝晶间的毛细作用，导致高固相分数区的局部压力下降。当液相中过饱和气体的分压大于孔洞形成压力时，孔洞将依附于枝晶臂、夹杂物或铸模中的裂纹、凹槽处形核。随后长大，最终形成孔洞。

热裂的形成，热裂是铸件生产中最常见的铸造缺陷之一。外裂常产生在铸件的拐角、截面厚度突变或局部冷凝缓慢且在凝固时承受拉应力的地方；内裂产生在铸件内部最后凝固的部位，也常出现在缩孔附近。

4.2 焊接难点

铝容易氧化

铝及其合金在焊接过程中，极易发生氧化，在材料表面生成一层致密的Al2O3薄膜。Al2O3的熔点高达2050℃，远高于铝及铝合金的熔点（纯铝660℃，铝合金595℃）。Al2O3非常稳定，不易去除，在焊接过程中阻碍母材的熔化和熔合。由于Al2O3薄膜的熔点将近铝及铝合金的熔点3倍，且密度又远高于铝及铝合金，在焊接过程中易形成未熔合和夹杂等缺陷。此外氧化膜亲水性较好，焊接时会促使焊缝生成气孔。因此，为保证铝合金焊接质量，需在焊接前对其表面的氧化膜严格清理，并在焊接过程中防止其再行氧化或清除其新产生的氧化膜。

热导率高、比热容大

铝合金的比热容和导热率比钢大，焊接时，电弧的热量容易向四周扩散，因此需采用能量集中、热输入的热源，对于较厚铝合金材料有时还需对工件进行预热。而更高的热输入往往形成过热，稍有不慎，则容易产生焊道下垂，导致工件烧穿。

线膨胀系数大、热裂倾向大

铝及铝合金的膨胀系数约为钢的两倍，凝固时的体积收缩率较大（达6.5%，而钢的为3.5%），焊件的变形和应力较大，焊接时容易产生缩孔、缩松、热裂纹和较高的内应力。生产中可通过调整焊丝成分、选择合理的工艺参数和焊接顺序、适宜的焊接工装等措施防止热裂纹的产生。

对氢气敏感

铝材焊接时易产生气孔，由于液态铝可溶解大量的氢，而固态铝几乎不溶解氢，因此当熔池温度快速冷却与凝固时，氢来不及溢出，容易在焊缝中凝集形成气孔。焊缝中氢元素主要来自弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分；铝的导热系数很大，在相同的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度是钢的4-7倍，不利于气泡的逸出，这也是形成气孔的一个重要因素。铝与钢比较， 铝产生的氢气泡为钢材产生的40倍。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成；同时，焊接前对母材坡口与焊丝进行清理也是很必要的。

暂时没有公开发表出来的铝合金箱体设计案例，暂且欣赏一只宝马铸铝动力电池包箱体吧。

本文整理自下列文献：

1 刘永勤，铝合金凝固过程及其结构件的铸造工艺研究；

2 赵河林，电动乘用车铝合金电池包的焊接工艺分析；

3 廖天发，铝合金双脉冲MIG焊波形调制方法及工艺机理研究；

（图片来自互联网公开资料）