重型汽車鋁合金燃油箱失效分析與改進

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

趙承軍，白培謙

（陜西汽車集團有限責任公司質量管理部，陜西 西安 710200）

對重型汽車鋁合金燃油箱售后失效模式進行了梳理，并對失效原因進行了分析，提出相應的改進措施，改進效果得到了市場的驗證。為鋁合金油箱產品的設計、制造工藝、質量控制提供了思路和方法。

鋁合金燃油箱；失效分析；開裂漏油；應力集中

前言

重型汽車多年來一直使用鐵質材料油箱，制造過程中由于箱體焊縫處內部表面涂層的破壞，內腔腐蝕問題難于解決，腐蝕形成的銹渣影響燃油清潔度，經常造成行車故障。塑料油箱曾經得以嘗試使用，由于寒冷地區冬季不能烘烤，加之塑料材質耐環境適應性差，沒有得到批量推廣應用。

目前重卡主流燃油箱均已采用鋁合金油箱，并且隨著長途物流的快速發展，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定，易于批量生產，外表美觀，輕量化等優點受到用戶喜愛，但由于鋁合金材料強度較低，油箱在使用中易變形開裂，并且鋁合金油箱開裂后難以焊接修復，造成售后損失很大。本文梳理了鋁合金油箱常見的失效模式、并對失效原因進行了分析，提出相應的改進措施，并且在使用中得到了有效驗證。為鋁合金油箱產品的設計、制造工藝、質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

常見的鋁合金油箱多采用長方體結構，兩個端蓋，一個四面長方筒體，三個部件通過對接環焊成型，由于油箱腔體容積大，為防止行駛中油面晃動，同時為了提高油箱整體剛度，箱體內部采用加裝隔板結構設計，通常按容積設計有2~3個隔板，上部加油口和底部放油塞采用焊接結構而成。油箱整體透視結構見圖2所示。

鋁合金油箱常見的失效現象有箱體磕碰變形、拉帶松動斷裂、箱體表面腐蝕變色、箱體開裂漏油。其中箱體開裂漏油為嚴重故障，通常售后服務做更換報廢處理。通過長期對售后失效件統計分析發現，鋁合金油箱開裂漏油故障主要存在五種失效模式，分別為：1隔板脫落、隔板處箱體開裂；2端蓋壓筋部位開裂；3放油塞焊縫漏油及壓筋處開裂；4環焊縫處開裂漏油；5油箱底部固定支架處箱體開裂。下面分別對這5種失效模式進行分析探討。

圖2 鋁合金燃油箱透視結構圖

1.1 隔板脫落、隔板處箱體開裂

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焊固定，此結構經常發生底部焊點處開裂漏油，分析認為，車輛行駛中隔板受油面晃動沖擊，在底部固定處形成彎曲應力，導致底部焊點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焊處，經斷口分析為疲勞開裂。通過設計改進，隔板的固定方式更改為壓筋固定，即隔板裝入箱體中相應位置，在隔板和箱體外表面四個棱角處壓成V形，將隔板和箱體固定。設計改進后，失效率有所降低，但仍然有部分零件在四個壓筋處開裂現象。分析認為，隔板在油面晃動沖擊會在V形槽處成應力集中，導致V槽處應力集中，壓型時V形槽處材料產生內應力，使用中隔板在油面沖擊碰撞V形槽，外力和內應力疊加，造成箱體V形槽外表面疲勞開裂。見圖3（b）。

針對以上失效模式，設計將壓筋結構由V型筋改為U型筋，降低內應力及V形導致的應力集中，并且增加壓筋數量，由4處增加到12處，除了4個角壓筋，增加了平面壓筋8處，壓筋數量的增加，分散了油面沖擊形成帶來的外力作用，提高了箱體的可靠性。

最終更改后的產品，隔板固定處箱體開裂的失效率大幅降低，達到了滿意水平。

關于隔板脫落失效現象，使用中偶有發生，分析認為，油箱拉帶緊固定點在隔板處，緊固時，隔板會發生輕微的彎曲變形，使用中如果拉帶松動后，油箱會發生竄位，隔板在油面較大的沖擊力下會脫出U形位置，導致隔板脫落失效；或者油箱拉帶松動導致油箱移位后，用戶自行緊固拉帶時，如果油箱不能復位，拉帶緊固力將不在隔板上，緊固會導致油箱變形，引起隔板倒伏脫落。

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

圖3 固定隔板處箱體連接及開裂

針對拉帶松動、隔板脫落問題，改進如下：控制拉帶材料，采用20冷硬板材料，提高屈服強度，防止使用中變形拉長引起的松動，使用自鎖螺母控制緊固力矩，控制橡膠墊帶的質量，防止早期老化變硬。

1.2 側端蓋開裂

側端蓋表面采用壓筋成型，達到提升表面剛度要求，售后發現壓筋處經常發生開裂漏油現象，且在某一油箱端蓋加強筋同一R角處開裂。經工藝檢查分析發現，模具不良，造成端蓋加強筋R處尖角過渡不平順，產生應力集中，使用中外力疊加造成疲勞開裂。通過修改磨具，加大R角平滑過渡得以有效解決。見圖4所示。

圖4 端蓋開裂位置圖

1.3 放油塞處漏油

圖5 放油塞處開裂漏油

失效的放油塞有兩個部位漏油，分別是底板壓筋凸臺處開裂漏油和放油塞環焊縫處漏油，見圖5。壓筋凸臺處開裂是由于R角太小，局部應力集中所致。放油堵環焊縫處漏油是由于焊接不良或補焊質量問題所致。

凸臺壓筋處開裂通過增大R角改進，由R8改為R20得以徹底解決；焊縫不良漏油問題，采用機器焊接的方式，調整工藝、改進磨具，減少手工補焊得到有效解決。

1.4 環焊縫處裂紋漏油

端蓋和箱體裝配后環焊成形，由于鋁合金易變性，裝配后四周間隙不均，導致環焊焊接質量不良，間隙大處焊不透或焊肉少，使用中撕裂漏油，見圖6所示。通過采取控制端蓋箱體組對間隙，調整起收弧位置，箱體和端蓋配合面整形，控制焊絲氬氣質量的方式，提升環焊縫質量，減少手工補焊，環焊縫漏油率降低到滿意水平。

圖6 環焊縫處漏油

1.5 油箱支架處箱體開裂

油箱拉帶固定在支架處，拉帶松動后，行駛中油箱會發生前后竄動，造成箱體底部磨損嚴重，箱體表面產生橫向疲勞開裂，見圖7所示。通過更改拉帶材料、改善橡膠墊帶性能，用戶及時緊固的方法，問題得以解決。

圖7 箱體磨損開裂

2 總結

從鋁合金油箱的失效模式分析發現，油箱的失效涉及到設計、工藝、質量管控、售后維護各個方面，綜合以上分析及對策，總結如下：

（1）鋁合金油箱由于設計結構不良或工藝不完善會導致售后失效，要求隔板固定方式合理；在表面壓型壓筋結構設計良好，工藝圓角過渡平滑，避免應力集中形成的疲勞開裂。

（2）鋁合金油箱焊接工藝不良，會導致焊接失效。需加強過程質量管控，從人、機、料、法、環、測多方面改進控制，提升工藝水平確保產品質量。

（3）鋁合金油箱固定拉帶的材質、橡膠墊帶品質不良都會引起油箱失效。油箱竄動會引起的磕碰失效、底部摩擦會導致箱體開裂、油面沖擊會造成隔板處箱體開裂，使用中應該定期檢查緊固，及時維護保養。

[1] 廖景娛.金屬構件失效分析.[M].化學工業出版社,2003.

[2] 沈其文.材料成形工藝基礎.[M].華中科技大學出版社,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

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1671-7988(2018)22-116-03

U466

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趙承軍（1978-），經濟師，陜重汽質量管理部部長，長期從事汽車質量管理和售后服務改進工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.041