汽车工业的发展虽然带动了经济的发展，但同时也给日益贫乏的能源带来了危机。随着国际能源价格的大幅上涨，对各国汽车产业带来了深刻变革。大排量、高油耗的汽车不再受到消费者青睐，燃油节约型汽车逐渐占领市场，新能源汽车的研发和推广再次受到重视。

我国车用能源消耗日益紧迫，从2000年至今，我国汽车保有量以年均10%以上的速度递增，2017年的汽车保有量达到2.17亿辆（含新能源汽车153.0万辆)，车用燃油消费占石油消耗的比例逐年增加。

我国汽车发动机的质量及可靠性取得了较大的进步，但是发动机的节能减排技术远低于国外先进水平，平均油耗高于国外发动机10%以上。

汽车发动机节能减排技术的研发也是国内汽车企业参与国际竞争、走向国际市场的需要。

我国汽车燃油经济性标准和排放法规日益严格，汽车及发动机企业有必要在节能减排上作一些技术储备。

2010年，伴随着节能减排和低碳理念的深入人心，我国新能源汽车产业亦迎来了研发、量产和销售的热潮。在国家政策的大力助推下，国内大大小小的汽车制造商纷纷上马新能源汽车项目，并陆续向市场推出了纯电动汽车。近年来，电动汽车技术研究在世界范围内得到了广泛重视，国际标准化组织标准体系（ISO）和国际电工委员会标准体系（IEC）两大国际标准化组织也明显加快了电动汽车相关国际标准的制定和修订工作，同时，美日德等国也都建立起了自己的电动汽车标准法规体系。中国作为世界上最大的汽车生产和消费国，发展汽车工业必须要走新能源汽车之路，走电动汽车之路。预计到2020年，中国电动汽车年产量将达到100万辆。造成尾气最多的汽车首先转型，策略是以公共汽车带动电池电机关键零部件的产业化规模。全面支撑我国新能源汽车战略性新兴产业的发展需要。

新能源汽车范围较广，包括节能汽车、代用燃料汽车与电动汽车。其中电动汽车又包括燃料电池汽车（ＦＣＶ）、混合动力汽车（ＨＥＶ）和纯电动车（ＥＶ）三大类。

作为电动汽车电机的重要部件***8212;***8212;自循环水冷却铝合金电机外壳，它的重量、散热性以及耐腐蚀性是电动汽车发展的关键。因此，随着电动汽车需求量的不断上升，市场前景看好。

电动汽车电机在工作时间内，由于转速高，启动频繁，所以温度很高，为保证其能够正常工作，必须对其进行冷却。相对电动汽车其它技术发展，自循环水冷却铝合金电机外壳技术发展相对落后。同时，电动车特别是燃料电池车对电机外壳设计提出了全新的要求，从而使得电机外壳技术有了许多新的发展，主要体现在电机外壳几何参数优化、传热系数高重量轻的电机外壳材料以及紧凑集成的散热结构上面。电动汽车电机外壳是一个薄壁、紧凑性高、料重工轻的总成，其产值在一台汽车的全部零部件中占有较重要的地位。

本项目针对电动汽车自循环水冷却铝合金电机壳体手工焊接所存在的效率低、质量不稳定等缺陷，研究新能源电动汽车自循环水冷却铝合金电机壳体自动焊接工艺及装备，不但提高生产效率，提高经济效益，同时并在本行业内可以做大做强，达到国际先进水平。

1.国内外研究现状

2018年9月，赛峰电气与电源公司与英国增材制造软件Betatype公司合作开发3D打印的电机外壳，通过3D打印技术以及增材制造设计，电机外壳的设计得到优化。

Betatype Engine-Platform软件中有开放的Arch格式，能够避免因创建网格结构而产生大量的数据，软件中抽象的算法，大大降低了CAD模型数据的复杂度，使得模型数据更容易管理。Engine-Platform将在粉末床熔融3D打印系统中处理即将用于生产的设计，Engine-Platform将评估激光的最佳运动，以产生零件的精细细节。通过这个软件，法国赛峰的团队完成了电动机外壳的3D打印，其改进的轻量化设计具有更高的强度和更高的刚度。

赛峰这款3D打印发电机外壳，从过去由几个复杂加工零件组成的部件转变为一个功能集成的部件，因此整体零件数量和制造时间得以减少。

2.电动汽车电机壳体材料及成形工艺

电动汽车电机外壳的材料根据散热的用途和操作条件等不同而选择, 常用的材料有纯铝、铝合金、铜、黄铜、镍、铁、不锈钢、镍合金等, 铜和铝材料是目前用得最多的自循环水冷却铝合金电机外壳材料。

传热系数是评价电机外壳散热性能的重要参数,电机外壳材料的导热性能和焊接质量对其影响很大。电机外壳的工作条件恶劣, 一般位于汽车前端迎风处, 不仅要经受风吹雨淋和汽车废气的污染, 还要承受反复的热循环和周期性的振动。另外,电机外壳内长期流动着冷却液对电机外壳有锈蚀及腐蚀作用。因此, 为保证电机外壳可靠地发挥散热作用, 对其材料性能有如下要求: 必须具有良好的导热性能, 具有一定的强度和较强的耐腐蚀性, 具有良好的加工性能及钎焊性能, 具有良好的经济性。

综上所述，我们看到由于发展趋势的需要，国内有关专业厂家已经纷纷上马新能源水冷循环散热电机，并取得了初步成效，也充分显示了市场发展的迫切需要。

3. 项目拟解决的问题

1）通过3D打印技术以及增材制造设计，使电机外壳的结构设计得到优化。

2）通过电动机外壳的3D打印，其改进的轻量化设计较传统工艺制造具有更高的强度和更好的力学性能。

自循环水冷却铝合金电机壳体结构外形如图1所示，详细参数见表1。

图1 铝合金电机壳体

表1 铝合金电机壳体具体参数

作为电动汽车电机的重要部件***8212;***8212;自循环水冷却铝合金电机外壳，它的重量、散热性以及耐腐蚀性是电动汽车发展的关键。该零件属于大型工件，要求表面质量高、尺寸精度高，且不允许产生变形。

图2为焊接接头焊缝表面质量。从图上我们可以看到，焊缝不均匀，有宽有窄，有厚有薄，这对机械加工有着重要影响。

图2    焊接焊缝表面质量

图3为焊接接头内部宏观组织。从图上可以看到，在焊接接头处存在未焊合的缝以及空洞。这些空洞的存在不仅影响产品的强度，而且还是漏水的根本原因所在。

图3  手工焊接接头内部宏观组织

图4为6063铝合金挤压变形后的应力应变曲线，其最大抗拉强度为212MPa。图5为6063铝合金焊接工艺的应力应变曲线，其最大抗拉强度为73.5MPa。

图4  6063铝合金挤压变形后的应力应变曲线

图5  6063铝合金手工焊接头的应力应变曲线

表2为焊接、3D打印两种工艺的力学性能，并与铝合金本体进行了对比。从表2上可以看到，6063铝合金挤压变形后的强度为212 MPa，手工焊焊接接头的强度仅为73.5 MPa，而3D打印的强度虽然低于铝合金挤压变形后的强度，但比焊焊接接头的强度提高了将近一倍。

表2  铝合金材料的力学性能

从拉伸断口的形貌及焊接接头结构上可以得出上面的结果。挤压变形6063铝合金由于未焊合，没有接口，断面是一个整体，因此强度最高，挤压变形6063铝合金拉伸断口宏观形貌如图6所示；

图6  挤压变形6063铝合金拉伸断口宏观形貌

图7为焊接接头拉伸断口宏观形貌。为了使被焊接的两部分很好地对接，在焊接接头处有一圆柱形接口，手工焊接时未能使接头部位焊合，因此，拉伸时相当于中间部分为空洞，消弱了焊接件的强度，仅为挤压变形6063铝合金强度的1/3。

图7焊接接头拉伸断口宏观形貌

本项目通过对已有产品——新能源电动汽车自循环水冷却铝合金电机壳体进行3D扫描，对其壳体结构进行逆向创新设计。

因为在尺寸允许的前提下利用金属增材技术可整体打印新能源电机壳体，所以避免了传统工艺产生的焊接后力学性能下降的问题，其新型壳体结构满足使用要求的前提下，结合增材成型技术对新能源电机壳体进行3D打印。金属增材制造或3D打印，是航空航天，生物医学和汽车等多个行业潜在的颠覆性技术。逐层打印金属部件可提高设计自由度和制造灵活性，实现复杂的几何形状和产品定制，缩短上市时间，同时消除传统的规模经济约束。

最后对3D打印技术与传统工艺之间的力学性能关系进行对比分析得出结论。