重型汽车铝合金燃油箱失效分析与改进

重型汽车铝合金燃油箱失效分析与改进

覃宗斌石胜文欧阳嵩李科明

东风柳州汽车有限公司广西柳州545000

摘要：重型汽车多年来一直使用铁质材料油箱，制造过程中由于箱体焊缝处内部表面涂层的破坏，内腔腐蚀问题难于解决，腐蚀形成的锈渣影响燃油清洁度，经常造成行车故障。塑料油箱曾经得以尝试使用，由于寒冷地区冬季不能烘烤，加之塑料材质耐环境适应性差，没有得到批量推广应用。本文主要对重型汽车铝合金燃油箱失效与改进进行分析探讨。

关键词：重型汽车；铝合金燃油箱；失效分析；改进

前言

目前重卡主流燃油箱均已采用铝合金油箱，并且随着长途物流的快速发展，油箱容积不断增大，从300L到1000L系列化满足不同需求。铝合金燃油箱以其性能稳定，易于批量生产，外表美观，轻量化等优点受到用户喜爱，但由于铝合金材料强度较低，油箱在使用中易变形开裂，并且铝合金油箱开裂后难以焊接修复，造成售后损失很大。本文梳理了铝合金油箱常见的失效模式、并对失效原因进行了分析，提出相应的改进措施，并且在使用中得到了有效验证。为铝合金油箱产品的设计、制造工艺、质量控制提供了思路和方法。

1、失效模式分析及改进

常见的铝合金油箱多采用长方体结构，两个端盖，一个四面长方筒体，三个部件通过对接环焊成型，由于油箱腔体容积大，为防止行驶中油面晃动，同时为了提高油箱整体刚度，箱体内部采用加装隔板结构设计，通常按容积设计有2~3个隔板，上部加油口和底部放油塞采用焊接结构而成。油箱整体透视结构见图1所示。

图1铝合金燃油箱透视结构图

铝合金油箱常见的失效现象有箱体磕碰变形、拉带松动断裂、箱体表面腐蚀变色、箱体开裂漏油。其中箱体开裂漏油为严重故障，通常售后服务做更换报废处理。通过长期对售后失效件统计分析发现，铝合金油箱开裂漏油故障主要存在五种失效模式，分别为：1隔板脱落、隔板处箱体开裂；2端盖压筋部位开裂；3放油塞焊缝漏油及压筋处开裂；4环焊缝处开裂漏油；5油箱底部固定支架处箱体开裂。下面分别对这几种失效模式进行分析探讨。

1.1隔板脱落、隔板处箱体开裂

隔板和箱体的固定方式早期曾采用L型隔板，将隔板和油箱底面点焊固定，此结构经常发生底部焊点处开裂漏油，分析认为，车辆行驶中隔板受油面晃动冲击，在底部固定处形成弯曲应力，导致底部焊点处隔板和本体焊肉撕裂，燃油箱漏油失效。图2（a）为失效件所截取的底部形貌，箭头所指为隔板，底部裂纹起裂于板和底板点焊处，经断口分析为疲劳开裂。通过设计改进，隔板的固定方式更改为压筋固定，即隔板装入箱体中相应位置，在隔板和箱体外表面四个棱角处压成V形，将隔板和箱体固定。设计改进后，失效率有所降低，但仍然有部分零件在四个压筋处开裂现象。分析认为，隔板在油面晃动冲击会在V形槽处成应力集中，导致V槽处应力集中，压型时V形槽处材料产生内应力，使用中隔板在油面冲击碰撞V形槽，外力和内应力叠加，造成箱体V形槽外表面疲劳开裂。见图2（b）。

图2固定隔板处箱体连接及开裂

针对以上失效模式，设计将压筋结构由V型筋改为U型筋，降低内应力及V形导致的应力集中，并且增加压筋数量，由4处增加到12处，除了4个角压筋，增加了平面压筋8处，压筋数量的增加，分散了油面冲击形成带来的外力作用，提高了箱体的可靠性。最终更改后的产品，隔板固定处箱体开裂的失效率大幅降低，达到了满意水平。

关于隔板脱落失效现象，使用中偶有发生，分析认为，油箱拉带紧固定点在隔板处，紧固时，隔板会发生轻微的弯曲变形，使用中如果拉带松动后，油箱会发生窜位，隔板在油面较大的冲击力下会脱出U形位置，导致隔板脱落失效；或者油箱拉带松动导致油箱移位后，用户自行紧固拉带时，如果油箱不能复位，拉带紧固力将不在隔板上，紧固会导致油箱变形，引起隔板倒伏脱落。

拉带松动失效的原因如下，1紧固力矩不合理，或没有使用锁紧螺母；2拉带使用深冲冷轧薄板料，该材料具有极好的延展性，但屈服强度低，使用中易发生屈服拉长，造成力矩衰减松动；3橡胶垫带老化变硬，摩擦力下降，导致松动。

针对拉带松动、隔板脱落问题，改进如下：控制拉带材料，采用20冷硬板材料，提高屈服强度，防止使用中变形拉长引起的松动，使用自锁螺母控制紧固力矩，控制橡胶垫带的质量，防止早期老化变硬。

1.2侧端盖开裂

侧端盖表面采用压筋成型，达到提升表面刚度要求，售后发现压筋处经常发生开裂漏油现象，且在某一油箱端盖加强筋同一R角处开裂。经工艺检查分析发现，模具不良，造成端盖加强筋R处尖角过渡不平顺，产生应力集中，使用中外力叠加造成疲劳开裂。通过修改磨具，加大R角平滑过渡得以有效解决。

1.3放油塞处漏油

失效的放油塞有两个部位漏油，分别是底板压筋凸台处开裂漏油和放油塞环焊缝处漏油。压筋凸台处开裂是由于R角太小，局部应力集中所致。放油堵环焊缝处漏油是由于焊接不良或补焊质量问题所致。凸台压筋处开裂通过增大R角改进，由R8改为R20得以彻底解决；焊缝不良漏油问题，采用机器焊接的方式，调整工艺、改进磨具，减少手工补焊得到有效解决。

1.4环焊缝处裂纹漏油

端盖和箱体装配后环焊成形，由于铝合金易变性，装配后四周间隙不均，导致环焊焊接质量不良，间隙大处焊不透或焊肉少，使用中撕裂漏油，见图6所示。通过采取控制端盖箱体组对间隙，调整起收弧位置，箱体和端盖配合面整形，控制焊丝氩气质量的方式，提升环焊缝质量，减少手工补焊，环焊缝漏油率降低到满意水平。

1.5油箱支架处箱体开裂

油箱拉带固定在支架处，拉带松动后，行驶中油箱会发生前后窜动，造成箱体底部磨损严重，箱体表面产生横向疲劳开裂。通过更改拉带材料、改善橡胶垫带性能，用户及时紧固的方法，问题得以解决。

1.6更改压筋结构

故障油箱圆弧角压筋成型窄，R角较小，压筋底部存在急剧过渡，造成应力集中，压筋处在受到隔板的冲击力、摩擦力及油的冲击力时，筋底部受力时作用面积小，造成筋底部中心产生裂纹，内部裂纹迅速扩散，导致压筋穿透型开裂。重新设计优化了压筋模具。将压筋结构由V型筋改为U型筋，压筋后壳体与隔板接触由线接触改为面接触，增加接触面积，减少壳体压筋处受力，改进后油箱重新进行强制检验及振动试验，试验结果合格。

2、总结

从铝合金油箱的失效模式分析发现，油箱的失效涉及到设计、工艺、质量管控、售后维护各个方面，综合以上分析及对策，总结如下：

（1）铝合金油箱由于设计结构不良或工艺不完善会导致售后失效，要求隔板固定方式合理；在表面压型压筋结构设计良好，工艺圆角过渡平滑，避免应力集中形成的疲劳开裂。

（2）铝合金油箱焊接工艺不良，会导致焊接失效。需加强过程质量管控，从人、机、料、法、环、测多方面改进控制，提升工艺水平确保产品质量。

（3）铝合金油箱固定拉带的材质、橡胶垫带品质不良都会引起油箱失效。油箱窜动会引起的磕碰失效、底部摩擦会导致箱体开裂、油面冲击会造成隔板处箱体开裂，使用中应该定期检查紧固，及时维护保养。

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