FSW или паяная холодная пластина для электромобилей: что лучше для охлаждения аккумулятора и инвертора?

Сравнение FSW и паяной холодной пластины  является критически важным производственным решением для инженеров-теплотехников и специалистов по закупкам электромобилей. Выбор неправильного процесса соединения приводит к короблению аккумуляторов большой площади, чрезмерному падению давления в силовой электронике или напрасной трате бюджета на штамповочный инструмент. Сварка трением с перемешиванием (FSW) лучше всего подходит для конструкционных корпусов батарей большого формата, поскольку ее твердотельный ковочный шов исключает деформацию в печи, тогда как вакуумная пайка подходит для компактных тяговых инверторов SiC с высоким тепловым потоком, требующих плотных внутренних микроребер. В нашем В портфолио автомобильных решений по управлению температурным режимом  в этом руководстве сравниваются целостность соединений, термическая сложность, размерные ограничения и объемы безубыточности оснастки.

1. Основы процесса: определения FSW и паяной холодной пластины

Прежде чем сравнивать термическое сопротивление или амортизацию поштучной цены, команды разработчиков и закупщиков должны согласовать, как каждый метод соединения образует герметичную границу охлаждающей жидкости. Фундаментальное различие заключается в механической ковке в твердом состоянии по сравнению с капиллярной плавкой в ​​печи всего тела:

·  FSW (сварка трением с перемешиванием, метод соединения в твердом состоянии, при котором вращающийся инструмент пластифицирует и кует металл, не плавя его):  цилиндрический штифт с буртиком погружается в шов между опорной пластиной канала и крышкой, генерируя тепло от трения при температуре от 450°C до 500°C (значительно ниже точки плавления алюминия) для механического смешивания двух частей в единую однородную металлическую зону.

·  Вакуумная пайка (процесс, при котором припой плавится при температуре ~577–613°C для соединения тонких плакированных алюминиевых листов):  многослойные алюминиевые сборки, покрытые или прослоенные плакирующим сплавом с высоким содержанием кремния (например, 4343 или 4045), нагреваются внутри камеры с высоким вакуумом (10⁻⁵ мбар), поэтому присадочный металл разжижается и течет под действием капиллярных сил в каждый контактный шов. в то время как основной металл 3003 или 6061 с более высокой температурой плавления остается твердым.

1.1 Как устроена холодная пластина для сварки трением с перемешиванием

Типичная холодная пластина для сварки трением с перемешиванием  начинается либо с опорной пластины 6061-T6, обработанной на станке с ЧПУ, либо с экструдированного многопортового профиля 6063, либо с литого под давлением корпуса ADC12/AlSi10Mg, содержащего открытые канавки для охлаждающей жидкости. Обработанная ступенчатая полка окружает периметр полости для жидкости и имеет алюминиевую крышку, установленную заподлицо.

Во время сварки гидравлические зажимные приспособления высокой жесткости удерживают крышку и основание в неподвижном состоянии, противодействуя многотонным силам продавливания вниз. Когда вращающийся штифт FSW пересекает шов по периметру, он выдавливает пластифицированный металл от передней кромки к задней кромке, закрепляя его под заплечиком инструмента. Инженеры, проектирующие толстостенные конструкционные лотки или изготовленные по индивидуальному заказу прототипы, могут изучить стандартную геометрию в нашем индивидуальные холодных пластин FSW . характеристики

1.2 Как создается холодная пластина вакуумной пайки для автомобильной промышленности

Холодная сборка автомобильной плиты с вакуумной пайкой  основана на металлургическом соединении по всей поверхности, а не на прослеживании шва по периметру. Для аккумуляторных блоков прогрессивные штампы для штамповки формируют углубления и коллекторные каналы в тонких листах плакированного алюминия 3003/4343. Для мощной электроники пластины, обработанные на станках с ЧПУ, комплектуются сложенными волнистыми ребрами, штампованными турбулентными вставками или массивами микроребер с заточкой и зажимаются внутри тяжелых графитовых креплений.

Внутри вакуумной печи магний из алюминиевого сплава испаряется и действует как естественный газопоглотитель, разрушая прочную поверхностную пленку оксида алюминия (Al₂O₃) без применения химического флюса. Как только температура печи достигает 585–605 °C, плакирующий слой плавится и одновременно скрепляет все внутренние кончики ребер и стенки по периметру. Ознакомьтесь с нашими Возможности изготовления индивидуальных вакуумных паяных холодных пластин  для многослойных внутренних ребер.

2. Герметичная надежность и целостность металлургического соединения.

Утечка охлаждающей жидкости внутри высоковольтного аккумуляторного блока или корпуса инвертора приводит к немедленным нарушениям изоляции заземления и риску катастрофического теплового разгона. Создание герметичного  корпуса из холодной пластины FSW требует иного контроля процесса, чем обеспечение герметичного паяного соединения.

Сварка трением с перемешиванием обеспечивает превосходную механическую прочность шва в условиях пульсации высокого давления и вибрации шасси, поскольку она позволяет избежать фазовых переходов из жидкого состояния в твердое. И наоборот, вакуумная пайка обеспечивает герметизацию сложных многослойных интерфейсов, куда физически не может добраться вращающийся инструмент FSW.

2.1 Виды дефектов и ультразвуковой контроль утечек по сравнению с гелием

Поскольку FSW никогда не плавит алюминий, он устраняет дефекты сварки плавлением, такие как пористость газообразного водорода, горячие трещины при затвердевании и сегрегацию присадочного металла. Основной риск дефекта при FSW — это корневая «червоточина» (туннельный дефект) или контактная связь, вызванная неправильным числом оборотов шпинделя, скоростью перемещения или потерей глубины погружения. Современные автомобильные линии FSW предотвращают это, отслеживая в реальном времени усилие шпинделя по оси Z и сканируя 100% дорожек сварных швов с помощью ультразвукового контроля с фазированной решеткой (C-сканирование) перед окончательной обработкой.

При вакуумной пайке целостность соединения зависит от плоскостности поверхности перед сборкой, точной однородности температуры печи (±3°C) и стабильности уровня вакуума. Если сопрягаемые поверхности имеют зазоры, превышающие 0,10–0,15 мм, капиллярное действие останавливается и оставляет незапаянные пустоты. Следовательно, как FSW, так и холодные пластины, полученные вакуумной пайкой, должны пройти 100% автоматическое испытание на герметичность с помощью гелиевого масс-спектрометра с вакуумной камерой при давлении от 1,0×10⁻⁷ до 1,0×10⁻⁸ мбар·л/с, а также испытание на контрольное давление при давлении от 3,5 до 5,0 бар.

2.2 Коррозионная стойкость и совместимость охлаждающей жидкости

В контурах гликоль-вода EV внутренняя химическая чистота так же важна, как и механическая прочность на разрыв. При сравнении маршрутов соединения частей в нашем В руководстве по компонентам терморегулирования TOP 30 EV как FSW, так и вакуумная пайка имеют решающее преимущество перед пайкой в ​​контролируемой атмосфере (CAB): ни в одном из процессов не используется коррозионный фторидный флюс.

·  Внутренняя чистота FSW:  каналы остаются свободными от химических остатков, требуется только стандартное ультразвуковое углеводородное обезжиривание и удаление заусенцев для удаления стружки.

·  Внутренняя чистота при вакуумной пайке:  поскольку разрушение оксидов происходит в высоком вакууме без флюса NOCOLOK, нулевой ионный остаток остается внутри микроканалов, предотвращая резкие скачки проводимости охлаждающей жидкости, которые вызывают срабатывание сигнализации изоляции BMS.

·  Прочность зоны термического влияния (ЗТВ):  FSW нагревает только узкую полосу шириной от 10 до 15 мм вдоль дорожки сварного шва, сохраняя частичную отпускную прочность основного металла. При вакуумной пайке вся холодная пластина подвергается воздействию температуры ~600°C, полностью отжигая стандартные сплавы до мягкого О-отпуска, если после пайки не проводится искусственное старение или холодная калибровка.

3. Тепловые характеристики и сложность внутреннего пути потока

Когда тепловой поток превышает 30 Вт/см⊃2 (как это видно под автомобильными силовыми модулями SiC (карбид кремния) MOSFET), процесс соединения напрямую ограничивает плотность установки внутренних охлаждающих ребер. Вакуумная пайка превосходит FSW по коэффициенту локальной конвективной теплопередачи, поскольку она соединяет тысячи тонких согнутых или заточенных кончиков ребер одновременно по широкой двумерной площади.

3.1 Плотность ребер и пределы локального теплового потока

В холодной пластине FSW внутренние элементы турбулентности должны быть либо выдавлены в виде прямых параллельных ребер, либо фрезерованы/заточены непосредственно на опорной пластине, прежде чем плоская крышка будет приварена по периметру. Если крышка приваривается только по внешнему периметру, между верхом внутренних ребер и нижней частью крышки остается небольшой зазор (от 0,05 до 0,20 мм), обеспечивающий перепуск охлаждающей жидкости (короткое замыкание потока на кончики ребер) и исключающий двустороннюю проводимость ребер. Хотя поставщики могут выполнять неглубокий проход FSW непосредственно по внутренним опорным ребрам, минимальный диаметр заплечика инструмента (обычно от 8 до 14 мм) предотвращает приварку к тонким микроребрам, расположенным на расстоянии 1,0 мм друг от друга.

Вакуумная пайка решает эту проблему путем припаивания верхней и нижней частей высокоплотных полосковых ребер с прорезями и смещением, гофрированных жалюзийных ребер или массивов штифтовых ребер непосредственно к верхней и нижней пластинам. Кроме того, вакуумная пайка и специализированная диффузионная сварка позволяют инженерам интегрировать медные расширительные вставки с высокой проводимостью в алюминиевые корпуса; см. нашу техническую разбивку автомобильные материалы «алюминий-медь»  для правил биметаллического проектирования.

3.2 Падение гидравлического давления и прокладка коллектора

Распределение потока также различается между двумя технологиями:

·  Вакуумная пайка поддерживает многослойные трехмерные коллекторы:  проектировщики могут складывать три или четыре паяные пластины для направления холодной входящей жидкости вертикально к центру горячих переключателей мощности и отвода теплой жидкости через отдельный слой, выравнивая температуру поверхности в пределах 2–3 °C при меньшем перепаде давления.

·  FSW отдает предпочтение копланарным 2D-каналам:  холодные пластины экструдирования + FSW основаны на прямых параллельных микроканалах, соединенных концевыми коллекторами, фрезерованными на станке с ЧПУ, в то время как пластины с ЧПУ + FSW фрезеруют змеевидные или параллельно фрезерованные карманы в одной плоскости.

4. Размерный масштаб, пределы плоскостности и структурной устойчивости.

Размеры детали часто определяют выбор процесса еще до начала тепловых расчетов. По мере того, как аккумуляторные блоки переходят на конструкции большой площади, деформация печи и вес приспособления накладывают физические ограничения на вакуумную пайку, которые FSW легко обходит.

4.1 Контроль коробления охлаждающих пластин аккумуляторов длиной от 1,5 до 2,2 метров

Современные аккумуляторные шкафы CTP (от ячейки к блоку) и CTC (от ячейки к шасси) требуют охлаждающих пластин длиной от 1500 до 2200 мм и шириной от 1000 до 1400 мм. Экструдированные многопортовые профили, соединенные методом FSW, превосходны в этом масштабе, поскольку тепловложение строго локализовано в швах торцевых заглушек и продольных соединениях профилей. Пластина сохраняет структурную жесткость и остается в пределах общего окна плоскостности от 0,3 мм до 0,5 мм без последующей механической обработки по всей поверхности.

Напротив, размещение сборки с толстыми стенками толщиной 2,0 метра внутри вакуумной печи для пайки требует массивных графитовых креплений и длительного времени термической выдержки для равномерного нагрева сердечника. Для больших аккумуляторных батарей для легковых автомобилей, где желательны тонкие штампованные пластины, OEM-производители обычно сочетают штампованные листы 3003/4343 с непрерывными печами и калибровочными прессами после пайки, как подробно описано в нашей статье. Руководство по выбору охлаждающей пластины для аккумулятора электромобиля.

4.2 Плоскостность поверхности и точность монтажной бобышки для силовой электроники

Для компактных тяговых инверторов, бортовых зарядных устройств (OBC) и преобразователей постоянного тока (обычно длиной от 200 до 550 мм) вакуумная пайка и ЧПУ + FSW обеспечивают строгую стабильность размеров. Поскольку холодные пластины инвертора монтируют хрупкие силовые модули SiC с использованием тонких слоев термопасты (линия соединения от 20 до 80 мкм), монтажная площадка почти всегда подвергается вторичной резке на станке с ЧПУ после соединения, чтобы гарантировать локальную плоскостность от 0,03 мм до 0,05 мм на пролет 100 мм и шероховатость поверхности ниже Ra 1,6 мкм.

5. Структура затрат, инструментарий NRE и анализ безубыточности по объему.

Менеджеры по закупкам, оценивающие FSW по сравнению с паяной холодной пластиной,  должны сопоставить первоначальные затраты на оснастку с годовым объемом транспортных средств и зрелостью конструкции. В таблице ниже суммированы ключевые инженерные и коммерческие различия между этими двумя процессами.

 

5.1 Прототипирование и экономика малых и средних объемов

Во время проверки образцов A и B, а также для коммерческих электрогрузовиков, автобусов и специальных автомобилей, эксплуатирующих от 500 до 10 000 единиц в год, обработка на станке с ЧПУ или экструзия алюминия в сочетании с FSW обеспечивают наименьшую общую стоимость программы. Экструзионные штампы стоят всего несколько тысяч долларов, а зажимные приспособления FSW можно изготовить за 2–4 недели. Если термические испытания выявляют локализованную горячую точку во время испытаний образца B, инженеры могут обновить траекторию инструмента ЧПУ и G-код FSW в течение 48 часов, не снимая штампы для твердой штамповки.

5.2. Амортизация массового производства свыше 30 000 единиц.

Когда объем производства легковых электромобилей превышает 30 000–50 000 единиц в год, штампованные и паяные холодные пластины достигают значительно более низких цен за штуку. Хотя прогрессивные штампы для штамповки и специальные приспособления для пайки требуют более высокого NRE и времени изготовления оснастки от 10 до 14 недель, автоматическая штамповка и периодическая обработка в печи значительно сокращают время на единицу цикла по сравнению с отслеживанием метров сварного шва с помощью одного шпинделя FSW.

Однако для крупносерийных холодных пластин инвертора SiC, где требуются внутренние вставки турбулизатора, покупатели часто комбинируют оба мира: литье под давлением внешнего алюминиевого корпуса на высокой скорости и герметизацию верхней крышки над охлаждающей полостью с помощью высокоскоростной FSW или вакуумную пайку штампованных внутренних пакетов ребер в обработанные корпуса.

6. Матрица решений для применения: аккумуляторная батарея для электромобилей или тяговый инвертор SiC

Чтобы предотвратить чрезмерное проектирование или преждевременную блокировку инструментов, примените следующую матрицу решений для подсистем электрической трансмиссии.

 

6.1 Когда следует использовать FSW или штампованную пайку для аккумуляторных блоков

·  Экструдированный + FSW применяется к конструкционным аккумуляторным блокам CTP/CTC и коммерческим электромобилям:  укажите экструдированные профили 6061 или 6063, герметизированные FSW, когда холодная пластина имеет длину от 1,5 до 2,2 м и должна выдерживать ударные нагрузки снизу, поддерживать клеевое соединение элементов или поддерживать низкий уровень NRE инструментов для объемов менее 20 000 единиц в год.

·  Stamped + Brased применяется к пассажирским электромобилям большого объема, для которых важен вес:  закажите паяные пластины 3003/4343 с гидроформованием или прогрессивной штамповкой, когда годовой объем превышает 30 000 автомобилей, а корпус аккумуляторной батареи уже представляет собой независимый структурный напольный поддон.

6.2 Когда следует использовать вакуумную пайку или FSW для тяговых инверторов SiC

·  Вакуумная пайка применяется к инверторам SiC с высокой плотностью мощности 800 В:  используйте вакуумную паяную холодную пластину с внутренними складчатыми, смещенными полосами или штыревыми вставками для охлаждения силовых модулей SiC с двусторонним или прямым охлаждением, где локальный тепловой поток превышает 40–100 Вт/см² И каждая доля градуса температуры перехода имеет значение. Подробные правила проектирования штифтовых ребер и геометрии микроканалов можно найти в нашем специальном руководстве по Конструкция с холодной пластиной тягового инвертора SiC.

·  CNC/Die-Cast + FSW применяется к односторонним инверторам IGBT/SiC и интегрированным электронным мостам 3-в-1:  укажите литой корпус с крышкой FSW (или пластиной со скосом + FSW), когда холодная пластина делит литой алюминиевый корпус с корпусом двигателя и редуктором. Отливки под высоким давлением содержат захваченные газы, которые вздуты, если их поместить в вакуумную печь для пайки при температуре 600°C, что делает твердотельный FSW единственным надежным способом герметизации охлаждающих каналов в корпусе инвертора, отлитого под давлением.

Поскольку обе технологии имеют явные преимущества, выбор поставщика, который владеет только машинами FSW или управляет только печами для пайки, часто приводит к предвзятым инженерным рекомендациям. Компания Guangdong Winshare Thermal Technology Co., Ltd., основанная в 2009 году в Дунгуане, управляет площадью 60 000 м²; производственная база с более чем 800 сотрудниками, имеющими сертификаты IATF 16949, ISO 9001, ISO 14001 и ISO 45001. Поскольку Winshare осуществляет обработку на станках с ЧПУ, зачистку, сварку трением с перемешиванием, вакуумную пайку и литье под одной крышей, наша команда инженеров объективно оценивает оба технологических маршрута для лидеров автомобилестроения, включая BYD, Geely, Chery, XPeng, Lucid, Li Auto, Sungrow и Delta.

7. Заключение

Выбор между FSW и паяной холодной пластиной  требует соответствия плотности теплового потока, масштаба занимаемой площади и пути структурной нагрузки с физикой соединения:

·  Выбирайте экструдированный или CNC + FSW  для больших конструкционных аккумуляторных блоков CTP/CTC длиной от 1,5 до 2,2 м, литых корпусов инверторов, а также для программ с малым и средним объемом производства, где решающее значение имеют механическая жесткость и малое количество инструментов NRE.

·  Выбирайте вакуумную пайку  для компактных тяговых инверторов SiC с высоким тепловым потоком и силовой электроники, которым требуются плотные двусторонние внутренние микроребра, многослойные трехмерные коллекторы и бесфлюсовая ионная чистота.

·  Выбирайте Stamped + Brazed  для аккумуляторных батарей для пассажирских электромобилей, выпускаемых более 30 000 единиц в год, где минимальная толщина пластины и стоимость автоматизированной единицы перевешивают инвестиции в штамповку.

 

Часто задаваемые вопросы

Является ли холодная пластина FSW более герметичной, чем холодная пластина, сваренная вакуумной пайкой?

Оба процесса соответствуют автомобильным стандартам герметичности (от 1,0×10⁻⁷ до 1,0×10⁻⁸ мбар·л/с при испытании на утечку гелием в вакууме) при правильном контроле. Однако FSW создает более толстый кованый шов, который более устойчив к пульсационной усталости под высоким давлением и механическому изгибу шасси, тогда как вакуумная пайка основана на тонких капиллярных наполнителях, которые могут быть чувствительны к изменениям монтажного зазора или отклонению температуры печи.

Почему нельзя выполнить вакуумную пайку стандартного корпуса инвертора, отлитого под высоким давлением?

Стандартные алюминиевые сплавы, отлитые под высоким давлением (такие как ADC12), задерживают микроскопические карманы воздуха и смазочного газа во время быстрого впрыска. Нагревание отливки под давлением до ~600°C в вакуумной печи для пайки приводит к расширению захваченных газовых карманов, создавая вздутия на поверхности, искажение размеров и пористые паяные швы. Сварка трением с перемешиванием работает в твердом состоянии при локальной температуре ниже 500°C, что позволяет аккуратно приварить крышку из кованого алюминия к отлитому под давлением корпусу.

Какова максимальная разница в давлении разрыва между FSW и паяными холодными пластинами?

Холодные пластины 6061/6063 FSW, изготовленные на станке с ЧПУ или экструдированные, с крышками толщиной от 2,5 до 4,0 мм обычно превышают давление разрыва от 25 до 40 бар, особенно когда к крышке привариваются внутренние опорные островки. Тонколистовые штампованные и спаянные охлаждающие пластины аккумуляторов (толщина стенки от 0,8 до 1,2 мм) обычно разрываются при давлении от 8 до 15 бар, в зависимости от расстояния между внутренними паяными точками крепления углублений.

Ослабляет ли вакуумная пайка холодные пластины алюминия 6061?

Да. Вакуумная пайка нагревает всю сборку 6061 примерно до 590–605 °C, что стирает отпуск термообработки Т6 и оставляет алюминий в мягком состоянии О-отпуска (предел текучести падает с ~ 240 МПа до ~ 55 МПа). Если после вакуумной пайки требуется сохранение крутящего момента болта или устойчивость к высокому давлению, деталь должна пройти контролируемую закалку после пайки и искусственное старение до состояния Т4 или Т6 с последующим фрезерованием на станке с ЧПУ для исправления деформаций при закалке.

Какой процесс быстрее для доставки прототипов холодных пластин электромобилей A-образца?

Обработка на станке с ЧПУ в сочетании с FSW (или CNC + зачистка + FSW) — это самый быстрый путь создания функциональных прототипов A-образца, обычно поставляющий детали, проверенные на герметичность, в течение 2–3 недель с нулевыми затратами на твердый инструмент. Изготовление прототипов, сваренных в вакууме с использованием обработанных пластин и стандартных сложенных ребер, занимает от 3 до 5 недель из-за изготовления приспособлений для пайки графитом и планирования партии печи, тогда как изготовление штампованных штампов для штампованных и паяных пластин занимает от 10 до 16 недель.

Как проверяется качество сварных швов на автомобильных холодных пластинах FSW без разрушения детали?

На производственных линиях IATF 16949 холодные пластины FSW проходят два неразрушающих контроля: 100% ультразвуковое погружение C-сканированием или испытание с фазированной решеткой для обнаружения подповерхностных туннельных пустот вдоль сварочного ядра, за которым следуют автоматизированные испытания на герметичность под высоким давлением и испытания на герметичность с помощью гелиевого масс-спектрометра на каждой серийной единице.