趙承軍，白培謙

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重型汽車鋁合金燃油箱失效分析與改進(jìn)

趙承軍，白培謙

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司質(zhì)量管理部，陜西 西安 710200）

對(duì)重型汽車鋁合金燃油箱售后失效模式進(jìn)行了梳理，并對(duì)失效原因進(jìn)行了分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，改進(jìn)效果得到了市場(chǎng)的驗(yàn)證。為鋁合金油箱產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)量控制提供了思路和方法。

鋁合金燃油箱；失效分析；開(kāi)裂漏油；應(yīng)力集中

前言

重型汽車多年來(lái)一直使用鐵質(zhì)材料油箱，制造過(guò)程中由于箱體焊縫處內(nèi)部表面涂層的破壞，內(nèi)腔腐蝕問(wèn)題難于解決，腐蝕形成的銹渣影響燃油清潔度，經(jīng)常造成行車故障。塑料油箱曾經(jīng)得以嘗試使用，由于寒冷地區(qū)冬季不能烘烤，加之塑料材質(zhì)耐環(huán)境適應(yīng)性差，沒(méi)有得到批量推廣應(yīng)用。

目前重卡主流燃油箱均已采用鋁合金油箱，并且隨著長(zhǎng)途物流的快速發(fā)展，油箱容積不斷增大，從300L到1000L系列化滿足不同需求。鋁合金燃油箱以其性能穩(wěn)定，易于批量生產(chǎn)，外表美觀，輕量化等優(yōu)點(diǎn)受到用戶喜愛(ài)，但由于鋁合金材料強(qiáng)度較低，油箱在使用中易變形開(kāi)裂，并且鋁合金油箱開(kāi)裂后難以焊接修復(fù)，造成售后損失很大。本文梳理了鋁合金油箱常見(jiàn)的失效模式、并對(duì)失效原因進(jìn)行了分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，并且在使用中得到了有效驗(yàn)證。為鋁合金油箱產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)量控制提供了思路和方法。

圖1 鋁合金油箱

1 失效模式分析及改進(jìn)

常見(jiàn)的鋁合金油箱多采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，兩個(gè)端蓋，一個(gè)四面長(zhǎng)方筒體，三個(gè)部件通過(guò)對(duì)接環(huán)焊成型，由于油箱腔體容積大，為防止行駛中油面晃動(dòng)，同時(shí)為了提高油箱整體剛度，箱體內(nèi)部采用加裝隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常按容積設(shè)計(jì)有2~3個(gè)隔板，上部加油口和底部放油塞采用焊接結(jié)構(gòu)而成。油箱整體透視結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

鋁合金油箱常見(jiàn)的失效現(xiàn)象有箱體磕碰變形、拉帶松動(dòng)斷裂、箱體表面腐蝕變色、箱體開(kāi)裂漏油。其中箱體開(kāi)裂漏油為嚴(yán)重故障，通常售后服務(wù)做更換報(bào)廢處理。通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)售后失效件統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，鋁合金油箱開(kāi)裂漏油故障主要存在五種失效模式，分別為：1隔板脫落、隔板處箱體開(kāi)裂；2端蓋壓筋部位開(kāi)裂；3放油塞焊縫漏油及壓筋處開(kāi)裂；4環(huán)焊縫處開(kāi)裂漏油；5油箱底部固定支架處箱體開(kāi)裂。下面分別對(duì)這5種失效模式進(jìn)行分析探討。

圖2 鋁合金燃油箱透視結(jié)構(gòu)圖

1.1 隔板脫落、隔板處箱體開(kāi)裂

隔板和箱體的固定方式早期曾采用L型隔板，將隔板和油箱底面點(diǎn)焊固定，此結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生底部焊點(diǎn)處開(kāi)裂漏油，分析認(rèn)為，車輛行駛中隔板受油面晃動(dòng)沖擊，在底部固定處形成彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致底部焊點(diǎn)處隔板和本體焊肉撕裂，燃油箱漏油失效。圖3（a）為失效件所截取的底部形貌，箭頭所指為隔板，底部裂紋起裂于板和底板點(diǎn)焊處，經(jīng)斷口分析為疲勞開(kāi)裂。通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)，隔板的固定方式更改為壓筋固定，即隔板裝入箱體中相應(yīng)位置，在隔板和箱體外表面四個(gè)棱角處壓成V形，將隔板和箱體固定。設(shè)計(jì)改進(jìn)后，失效率有所降低，但仍然有部分零件在四個(gè)壓筋處開(kāi)裂現(xiàn)象。分析認(rèn)為，隔板在油面晃動(dòng)沖擊會(huì)在V形槽處成應(yīng)力集中，導(dǎo)致V槽處應(yīng)力集中，壓型時(shí)V形槽處材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使用中隔板在油面沖擊碰撞V形槽，外力和內(nèi)應(yīng)力疊加，造成箱體V形槽外表面疲勞開(kāi)裂。見(jiàn)圖3（b）。

針對(duì)以上失效模式，設(shè)計(jì)將壓筋結(jié)構(gòu)由V型筋改為U型筋，降低內(nèi)應(yīng)力及V形導(dǎo)致的應(yīng)力集中，并且增加壓筋數(shù)量，由4處增加到12處，除了4個(gè)角壓筋，增加了平面壓筋8處，壓筋數(shù)量的增加，分散了油面沖擊形成帶來(lái)的外力作用，提高了箱體的可靠性。

最終更改后的產(chǎn)品，隔板固定處箱體開(kāi)裂的失效率大幅降低，達(dá)到了滿意水平。

關(guān)于隔板脫落失效現(xiàn)象，使用中偶有發(fā)生，分析認(rèn)為，油箱拉帶緊固定點(diǎn)在隔板處，緊固時(shí)，隔板會(huì)發(fā)生輕微的彎曲變形，使用中如果拉帶松動(dòng)后，油箱會(huì)發(fā)生竄位，隔板在油面較大的沖擊力下會(huì)脫出U形位置，導(dǎo)致隔板脫落失效；或者油箱拉帶松動(dòng)導(dǎo)致油箱移位后，用戶自行緊固拉帶時(shí)，如果油箱不能復(fù)位，拉帶緊固力將不在隔板上，緊固會(huì)導(dǎo)致油箱變形，引起隔板倒伏脫落。

拉帶松動(dòng)失效的原因如下，1緊固力矩不合理，或沒(méi)有使用鎖緊螺母；2拉帶使用深沖冷軋薄板料，該材料具有極好的延展性，但屈服強(qiáng)度低，使用中易發(fā)生屈服拉長(zhǎng)，造成力矩衰減松動(dòng)；3橡膠墊帶老化變硬，摩擦力下降，導(dǎo)致松動(dòng)。

圖3 固定隔板處箱體連接及開(kāi)裂

針對(duì)拉帶松動(dòng)、隔板脫落問(wèn)題，改進(jìn)如下：控制拉帶材料，采用20冷硬板材料，提高屈服強(qiáng)度，防止使用中變形拉長(zhǎng)引起的松動(dòng)，使用自鎖螺母控制緊固力矩，控制橡膠墊帶的質(zhì)量，防止早期老化變硬。

1.2 側(cè)端蓋開(kāi)裂

側(cè)端蓋表面采用壓筋成型，達(dá)到提升表面剛度要求，售后發(fā)現(xiàn)壓筋處經(jīng)常發(fā)生開(kāi)裂漏油現(xiàn)象，且在某一油箱端蓋加強(qiáng)筋同一R角處開(kāi)裂。經(jīng)工藝檢查分析發(fā)現(xiàn)，模具不良，造成端蓋加強(qiáng)筋R處尖角過(guò)渡不平順，產(chǎn)生應(yīng)力集中，使用中外力疊加造成疲勞開(kāi)裂。通過(guò)修改磨具，加大R角平滑過(guò)渡得以有效解決。見(jiàn)圖4所示。

圖4 端蓋開(kāi)裂位置圖

1.3 放油塞處漏油

圖5 放油塞處開(kāi)裂漏油

失效的放油塞有兩個(gè)部位漏油，分別是底板壓筋凸臺(tái)處開(kāi)裂漏油和放油塞環(huán)焊縫處漏油，見(jiàn)圖5。壓筋凸臺(tái)處開(kāi)裂是由于R角太小，局部應(yīng)力集中所致。放油堵環(huán)焊縫處漏油是由于焊接不良或補(bǔ)焊質(zhì)量問(wèn)題所致。

凸臺(tái)壓筋處開(kāi)裂通過(guò)增大R角改進(jìn)，由R8改為R20得以徹底解決；焊縫不良漏油問(wèn)題，采用機(jī)器焊接的方式，調(diào)整工藝、改進(jìn)磨具，減少手工補(bǔ)焊得到有效解決。

1.4 環(huán)焊縫處裂紋漏油

端蓋和箱體裝配后環(huán)焊成形，由于鋁合金易變性，裝配后四周間隙不均，導(dǎo)致環(huán)焊焊接質(zhì)量不良，間隙大處焊不透或焊肉少，使用中撕裂漏油，見(jiàn)圖6所示。通過(guò)采取控制端蓋箱體組對(duì)間隙，調(diào)整起收弧位置，箱體和端蓋配合面整形，控制焊絲氬氣質(zhì)量的方式，提升環(huán)焊縫質(zhì)量，減少手工補(bǔ)焊，環(huán)焊縫漏油率降低到滿意水平。

圖6 環(huán)焊縫處漏油

1.5 油箱支架處箱體開(kāi)裂

油箱拉帶固定在支架處，拉帶松動(dòng)后，行駛中油箱會(huì)發(fā)生前后竄動(dòng)，造成箱體底部磨損嚴(yán)重，箱體表面產(chǎn)生橫向疲勞開(kāi)裂，見(jiàn)圖7所示。通過(guò)更改拉帶材料、改善橡膠墊帶性能，用戶及時(shí)緊固的方法，問(wèn)題得以解決。

圖7 箱體磨損開(kāi)裂

2 總結(jié)

從鋁合金油箱的失效模式分析發(fā)現(xiàn)，油箱的失效涉及到設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量管控、售后維護(hù)各個(gè)方面，綜合以上分析及對(duì)策，總結(jié)如下：

（1）鋁合金油箱由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不良或工藝不完善會(huì)導(dǎo)致售后失效，要求隔板固定方式合理；在表面壓型壓筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)良好，工藝圓角過(guò)渡平滑，避免應(yīng)力集中形成的疲勞開(kāi)裂。

（2）鋁合金油箱焊接工藝不良，會(huì)導(dǎo)致焊接失效。需加強(qiáng)過(guò)程質(zhì)量管控，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)多方面改進(jìn)控制，提升工藝水平確保產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）鋁合金油箱固定拉帶的材質(zhì)、橡膠墊帶品質(zhì)不良都會(huì)引起油箱失效。油箱竄動(dòng)會(huì)引起的磕碰失效、底部摩擦?xí)?dǎo)致箱體開(kāi)裂、油面沖擊會(huì)造成隔板處箱體開(kāi)裂，使用中應(yīng)該定期檢查緊固，及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)。

[1] 廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析.[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[2] 沈其文.材料成形工藝基礎(chǔ).[M].華中科技大學(xué)出版社,2003.

The failure analysis and the improvement of heavy truckAluminum alloy fuel tank

Zhao Chengjun, Bai Peiqian

( Shaanxi Automobile Group Co., Ltd. Quality Management Department, Shaanxi Xi’an 710200 )

This paper analyzes the causes of failure by combing the failure mode of aluminum alloy fuel tank. The improve -ment measures are put forward and the improvement effect is accreditated by the market. It provides a way for the design, manufacturing process and quality control of aluminum alloy fuel tank products.

Aluminum alloy fuel tank; Failure analysis; Cracking oil spill; Stress concentration

B

1671-7988(2018)22-116-03

U466

B

1671-7988(2018)22-116-03

U466

趙承軍（1978-），經(jīng)濟(jì)師，陜重汽質(zhì)量管理部部長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事汽車質(zhì)量管理和售后服務(wù)改進(jìn)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.041