薄外壁电机壳搅拌摩擦焊接工艺的制作方法

本发明涉及水冷式电机壳加工的技术领域，特别涉及一种薄外壁电机壳搅拌摩擦焊接工艺。

背景技术：

搅拌摩擦焊是一项较为先进的焊接工艺，利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑性化。当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。

与传统的焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有焊接强度高、焊接接头外观平整、焊后残余应力小、变形小、无污染、高效节能等优点，被誉为高质量、低成本的“绿色环保焊接技术”。而铝合金水冷电机壳对于水道端面的焊接质量要求较高，要求焊缝表面平整、密封性好、微观组织均匀，不允许出现气孔缺陷，因此水冷电机壳的水道焊接大多采用搅拌摩擦焊。

如公布号为cn106181268a的中国专利公开了一种新能源汽车水冷式电机机壳及其摩擦焊工艺，水冷式电机机壳包括电机外壳，在电机外壳内部设有冷却水道，冷却水道为螺旋水道，在电机机壳外表面设有水道槽，水道槽的长度与电机机壳轴线方向一致，水道槽的底部设有与螺旋水道圈数一致的孔，每个孔与螺旋水道连通，水道槽与盖板配合，其摩擦焊工艺为：搅拌摩擦焊专机加工毛坯焊接面—冲压盖板—焊接—测试气密性—转后续加工工序到成品入库。

这种新能源汽车水冷式电机机壳及其摩擦焊工艺中的电机机壳不仅结构简单，而且方便用于电机降温，提高电机的冷却效率，有效防止相邻水道之间漏水情况的发生，同时焊接工艺节省了打坡口及清洗对接面等工序，减少了现场周转，提高了生产效率，降低生产成本。

现有一种水冷式电机的机壳毛坯，如图1所示，它包括圆筒状壳体1，壳体1的外侧壁上设有八个加强筋2，加强筋2沿壳体1的轴线方向通长设置，并环绕壳体1轴线均匀分布。壳体1的壁厚内开设有八个水槽3，水槽3沿壳体1的轴线方向通长设置，分别位于相邻两个加强筋2之间，其横截面呈弧形。

这种机壳毛坯的壳体外径为240mm，总厚度为17mm。其中，水槽的槽宽为6mm，水槽所在处的内壁厚度为7mm，外壁厚度则为4mm。此外，加强筋上与壳体相邻的两侧壁之间呈45°夹角，加强筋与壳体的连接处设有倒角，且倒角半径为8mm，加强筋背向壳体的两侧边也设有倒角，且倒角半径为5mm。

上述机壳毛坯需要进一步加工，如图2和图3所示，壳体1的外侧壁顶部开设有进水口4和出水口5，二者分别与相邻的两个水槽3连通。壳体1两端则分别开设有弧形台阶6，除了进水口4和出水口5所在位置，各台阶6均横跨两道水槽3和一个加强筋2，且壳体1两端的台阶6交错设置。台阶6深度为7mm，其内焊接有厚度为7mm的盖板7，台阶6底部与加强筋2相对的位置开设有通孔10，将相邻两个水槽3的一端连通。各水槽3首尾串连，配合进水口4和出水口5，最终形成完整的水道。

采用搅拌摩擦焊将盖板焊接在台阶内时，若使用常规4-10的搅拌头（搅拌针长度h=4mm，轴肩直径d=10mm），理论上电机壳外壁厚度至少需要5mm。因搅拌摩擦焊接时的顶锻力高达3～6kn，为防止电机壳外壁受搅拌头挤压变形甚至压塌，电机壳外壁厚度至少需要7mm。

在壳体外壁厚度只有4mm的情况下，常规4-10的搅拌头无法顺利焊接盖板，壳体外壁。若将电机壳的外壁厚度增加至7mm以上，则增加了电机壳的总重量，而新能源汽车对车身重量的控制较为严格，增加电机壳重量不利于车身减负。若采用轴肩更小的搅拌头，则会大大降低焊接效率，且小型搅拌头的使用寿命短。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种薄外壁电机壳搅拌摩擦焊接工艺，具有在壳体外壁厚度为4mm的情况下，采用常规4-10的搅拌头将盖板顺利地焊接在台阶内，并能有效避免壳体外壁变形或者塌陷的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种薄外壁电机壳搅拌摩擦焊接工艺，具体步骤如下：

s1：成型机壳毛坯，包括壳体、水槽和加强筋；

s2：在机壳毛坯上加工出台阶、进水口和出水口；

s3：成型盖板；

s4：成型卡箍，所述卡箍呈环形，卡箍的内径不小于壳体的外径，卡箍的内侧壁上开设有用于容纳加强筋的容纳槽；

s5：将盖板装配在台阶内，将卡箍套在壳体上，并通过装夹工装将二者固定，然后进行摩擦搅拌焊接，焊接深度为4mm。

通过采用上述技术方案，进行摩擦搅拌焊接时，实心卡箍将壳体箍住，搅拌针挤入盖板与壳体内壁和壳体外壁之间，将壳体内壁向内顶，将壳体外壁向外顶，其中，壳体内壁的厚度为7mm，具有足够的抗压强度，壳体外壁则与卡箍的内壁紧贴，当壳体外壁有向外凸起变形的趋势时，其受卡箍内壁阻挡，只需卡箍具有足够的结构强度，即可对壳体外壁形成稳定的支撑，阻止其变形或者塌陷；在壳体外壁厚度为4mm的情况下，采用常规4-10的搅拌头将盖板顺利地焊接在台阶内，并能有效避免壳体外壁变形或者塌陷。

进一步的，所述容纳槽的槽底和槽口处均设有倒角。

通过采用上述技术方案，在容纳槽的槽底和槽口处设置倒角，与加强筋上的倒角契合，使卡箍能够避开加强筋，与壳体外壁更好地贴合，从而稳定地支撑壳体外壁。

进一步的，所述容纳槽槽口处倒角的半径为7.85mm。

通过采用上述技术方案，加强筋嵌于容纳槽内时，其与壳体的连接处和容纳槽的槽口接触，将容纳槽槽口处倒角的半径设置为7.85mm，略小于加强筋与壳体连接处倒角的半径，由于加强筋与壳体连接处内凹，故卡箍与壳体之间存在一定缝隙，为壳体留出一定的形变空间，避免壳体直接抵住卡箍后，将卡箍胀裂，而壳体的变形量较小，可在自身的弹性下恢复；由于加工工艺有限，卡箍和壳体在加工成型时往往存在一定误差，若将卡箍和壳体的尺寸设置为完全契合，一旦出现卡箍内径偏小或者壳体外径偏大的情况，则会导致卡箍无法顺利套在壳体外侧。

进一步的，所述容纳槽槽底处倒角的半径为5.15mm。

通过采用上述技术方案，加强筋嵌于容纳槽内时，其背向壳体一侧和容纳槽的槽底接触，将容纳槽槽口处倒角的半径设置为5.15mm，略大于加强筋背向壳体的两侧边处倒角的半径，由于加强筋背向壳体的两侧边外凸，故卡箍与加强筋之间存在一定缝隙，为壳体和加强筋留出一定的形变空间，避免加强筋直接抵住卡箍后，将卡箍胀裂，而壳体和加强筋的变形量较小，可在自身的弹性下恢复；由于加工工艺有限，卡箍和加强筋在加工成型时往往存在一定误差，若将卡箍和加强筋的尺寸设置为完全契合，一旦出现卡箍内径偏小或者加强筋外径偏大的情况，则会导致卡箍无法顺利套在壳体外侧。

进一步的，所述卡箍的内径为240.3mm。

通过采用上述技术方案，卡箍的内径略大于壳体外径，为壳体留出一定的形变空间，避免壳体直接抵住卡箍后，将卡箍胀裂，而壳体的变形量较小，可在自身的弹性下恢复；由于加工工艺有限，卡箍和壳体在加工成型时往往存在一定误差，若将卡箍和壳体的尺寸设置为完全契合，一旦出现卡箍内径偏小或者壳体外径偏大的情况，则会导致卡箍无法顺利套在壳体外侧。

进一步的，所述卡箍由两个对称设置的半箍组成。

通过采用上述技术方案，卡箍由两个半箍拼接而成，焊接时分别由装夹工装固定，能够快速、便捷地将卡箍套在壳体上。

进一步的，焊接过程中，搅拌头朝向回转侧倾斜，且搅拌头的轴线与焊缝垂线之间的夹角为3°。

通过采用上述技术方案，搅拌头朝向回转侧倾斜，使得软化的铝合金集中流向前进侧，并从该侧扩散至整个焊缝，铝合金再次固化成型时较为均匀，焊缝处各区域间连接稳定，内部缺陷少。

进一步的，搅拌头的旋转速度在1600～2000r/min之间，移动速度在400～600mm/min之间。

通过采用上述技术方案，搅拌头的旋转速度在1600～2000r/min之间，移动速度在400～600mm/min之间时，可以获得无缺陷的焊缝，保证盖板与壳体连接处的密封性。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.壳体外壁厚度无需增加，从而避免电机重量增加；

2.采用常规4-10的搅拌头即可正常进行搅拌摩擦焊接，无需另行设计更小轴肩的搅拌头，焊接效率高，使用寿命长；

3.可保证电机壳外壁完好无损，不致压塌、变形。

附图说明

图1是机壳毛坯的结构示意图；

图2是加工后的机壳毛坯、盖板之间连接关系示意图；

图3是台阶和通孔的结构示意图；

图4是本发明的整体示意图；

图5是实施例中卡箍的结构示意图。

图中，1、壳体；2、加强筋；3、水槽；4、进水口；5、出水口；6、台阶；7、盖板；8、半箍；9、容纳槽；10、通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例：

一种薄外壁电机壳搅拌摩擦焊接工艺，如图4所示，具体步骤如下：

s1：利用浇铸模具将机壳毛坯浇注成型，包括壳体1、水槽3和加强筋2，用于成型水槽3的砂芯则采用覆膜砂制成。

s2：在数控车床上对机壳毛坯进行切削加工，成型台阶6、进水口4和出水口5。采用化学法去除台阶6内壁的毛刺。

s3：利用浇铸模具将盖板7浇注成型，并去除盖板7表面的毛刺。

s4：利用浇铸模具将一对半箍8浇注成型，二者可拼接形成完整的卡箍。

s5：将盖板7装配在台阶6内，将卡箍套在壳体1上，并通过装夹工装将二者固定，然后进行摩擦搅拌焊接，焊接深度为4mm。焊接过程中，控制搅拌头的旋转速度在1600～2000r/min之间，移动速度在400～600mm/min之间，并使搅拌头朝向回转侧倾斜，且搅拌头的轴线与焊缝垂线之间的夹角为3°。

如图5所示，半箍8整体呈半圆形，两个对称设置的半箍8能够拼接形成完整的卡箍。

如图5所示，卡箍的内径等于240.3mm，略大于壳体1的外径，其厚度则为15mm。

如图5所示，卡箍的内侧壁上开设有八个容纳槽9，与加强筋2（参见图1）一一对应，也环绕卡箍的轴心均匀分布。

如图5所示，两个半箍8的分界面恰好将其中两个容纳槽9等分，为增强半箍8两端的结构强度，在半箍8两端处的壁厚增加至15mm。

如图5所示，为了与加强筋2（参见图1）上的四处倒角相配合，容纳槽9的槽底和槽口处均设有倒角，且容纳槽9槽口处倒角的半径为7.85mm，槽底处倒角的半径为5.15mm。

当卡箍套在壳体1上时，容纳槽9的内侧壁与加强筋2上邻近壳体1的两侧面贴合，容纳槽9的底面与加强筋2背向壳体1一侧的侧面贴合，各倒角处则留有一定间隙。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。