載重卡車鋁合金燃油箱[文書借鑒]

1、載重卡車鋁合金燃油箱焊接技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化開發(fā) 摘要：本文介紹了載重卡車鋁合金燃油箱焊接技術(shù)，對(duì)該產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝、焊接夾具等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，使批量生產(chǎn)的載重卡車鋁合金燃油箱質(zhì)量、成本和制造技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。關(guān)鍵詞：載重卡車、焊接、鋁合金、燃油箱前言 采用鋁合金制造汽車燃油箱，具有耐腐蝕、重量輕、產(chǎn)品生命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益好、材料的再生利用率高等優(yōu)點(diǎn)，符合目前國(guó)際上汽車生產(chǎn)向綠色制造、減少有限資源消耗、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展的趨勢(shì)。2000年起國(guó)外的大容積汽車燃油箱已普遍采用鋁合金制造，歐洲與美國(guó)目前生產(chǎn)的重型卡車中幾乎100%采用鋁合金燃油箱，同時(shí)隨著大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，燃油箱容積

2、在不斷增大，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的電阻焊燃油箱已不能滿足使用壽命的要求，因此，研究鋁合金燃油箱產(chǎn)品及其制造技術(shù)非常必要。該項(xiàng)目2002年立項(xiàng)，03年完成產(chǎn)品開發(fā)，05年在生產(chǎn)線上生產(chǎn)出鼓型鋁合金燃油箱，裝配在一汽新研制的J6卡車上參加了上海汽車展，經(jīng)過不斷改進(jìn)提高，到2007年底實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)6萬輛鋁合金燃油箱的能力，產(chǎn)品質(zhì)量、成本在國(guó)際上都具有競(jìng)爭(zhēng)力。 圖1 鋁合金燃油箱外型（鼓形）項(xiàng)目開發(fā)的鋁合金汽車燃油箱，基本結(jié)構(gòu)為鼓形，見圖1，本體與端蓋、隔板均為球狀曲面，端蓋與本體的聯(lián)接為插入式結(jié)構(gòu)。 一、 卡車燃油箱國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平載貨卡車傳統(tǒng)上采用電阻焊（縫焊）工藝的燃油箱，該種焊接方法的設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單，對(duì)零件要

3、求不嚴(yán)格，但隨著燃油箱容積的增大，截面尺寸同時(shí)也增大，使端蓋的剛性下降，當(dāng)燃油箱使用時(shí)受到油的沖擊，端蓋會(huì)產(chǎn)生變形，在焊縫處產(chǎn)生一個(gè)彎曲的力。燃油箱下部受到液體的壓強(qiáng)較大，彎曲一定次數(shù)后會(huì)在下部焊縫處產(chǎn)生裂紋。因此對(duì)于大容積，大截面燃油箱的焊接，采用傳統(tǒng)的縫焊工藝是不能滿足強(qiáng)度要求的。并且縫焊工藝在大容積燃油箱上應(yīng)用不能通過強(qiáng)度試驗(yàn)，必須改為對(duì)接接頭的電弧焊結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的端蓋環(huán)焊縫工作時(shí)主要承受拉應(yīng)力，燃油箱的剛性也好，壽命會(huì)大大提高，但制造難度增加，需要采用自動(dòng)化焊接才能保證焊接質(zhì)量，因此很多國(guó)外生產(chǎn)的電弧焊結(jié)構(gòu)的燃油箱為圓桶形的，主要原因是方型燃油箱的自動(dòng)化焊接難度較大，但圓桶形燃油箱不

4、能很好的利用汽車的下部空間，在車上的美觀性也不如方形燃油箱。隨著國(guó)際上對(duì)汽車綠色制造、節(jié)能、環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，鋁合金燃油箱開始投入應(yīng)用，1980年歐洲生產(chǎn)出了第一只鋁合金燃油箱，到2004年歐洲一年生產(chǎn)的鋁合金燃油箱多于40萬只，容積最大達(dá)到1100升，奔馳、MAN公司生產(chǎn)的載貨卡車燃油箱已100%采用鋁合金制造。其優(yōu)點(diǎn)是重量輕，僅為同容積鋼燃油箱的40%；不需要油漆，生產(chǎn)過程環(huán)保；壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到十年不銹蝕，是同結(jié)構(gòu)鋼燃油箱的2倍以上；材料可以再生利用，鋁合金燃油箱報(bào)廢后材料再生利用率在85%以上。因此國(guó)際上載貨卡車燃油箱的應(yīng)用情況是：中、重型卡車采用鋁合金材料，輕型卡車采用非金屬材料。

5、見圖2。 圖2 MAN卡車上裝配的帶腳踏板大容積鼓形鋁合金燃油箱在燃油箱外形上，到2003年美國(guó)只能生產(chǎn)圓形鋁合金燃油箱，見圖3，但已經(jīng)著手開發(fā)方形的。韓國(guó)至今仍只生產(chǎn)四面為平面只有四個(gè)角是圓弧的鋁合金燃油箱，只有歐洲開發(fā)的鋁合金燃油箱大體上是方型，但其所有的面都是曲面，我們稱其為鼓形，該形狀的燃油箱外形美觀、承載時(shí)受力狀況好。方形和鼓形燃油箱制造困難的原因是方型燃油箱的自動(dòng)化焊接難度較大，鼓形燃油箱焊接難度更大，因?yàn)橐獫M足焊接質(zhì)量要求，需要焊槍的姿態(tài)隨時(shí)都要變化，對(duì)焊接夾具、零件精度要求也很高。 圖3 美國(guó)卡車生產(chǎn)線上的圓形鋁合金燃油箱（裝車前帶保護(hù)膜）二、產(chǎn)業(yè)化開發(fā)研究 產(chǎn)品研發(fā)完成后，2

6、004年開始進(jìn)行批量生產(chǎn)鋁燃油箱生產(chǎn)準(zhǔn)備，產(chǎn)品容積為400升，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒有鼓形電弧焊結(jié)構(gòu)燃油箱（鋼、鋁）應(yīng)用的先例，很多問題需要研究解決，并且批量生產(chǎn)要全面考慮產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品成本等各方面因素，在產(chǎn)業(yè)化開發(fā)中對(duì)以下問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并開發(fā)了專用設(shè)備。1、 端蓋、隔板成型端蓋與隔板成型采用拉延工藝，不產(chǎn)生壓邊廢料，以提高材料利用率，隔板上的孔直接沖出來。端蓋收口采用模具收口，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究，解決了四個(gè)角出褶的問題后，端蓋質(zhì)量可以滿足焊接工藝要求，實(shí)現(xiàn)了端蓋與隔板的大批量生產(chǎn)。2、 本體折彎、焊接直縫、鼓形截面成型將尺寸合適的鋁板在折彎?rùn)C(jī)上初成型，采用熔化極氬弧焊（MIG焊）自動(dòng)焊機(jī)焊

7、接直焊縫，形成一個(gè)近似于方形的筒體。鼓形的成型難度較大，要保證成型后尺寸穩(wěn)定，必須使鋁板產(chǎn)生一定的塑性變形，根據(jù)材料的機(jī)械性能，計(jì)算得到本體塑性變形量要達(dá)到1.5 3%,這樣還可以使本體的剛性、強(qiáng)度提高。經(jīng)過對(duì)各種方案論證，采用了專用設(shè)備配模具內(nèi)脹成型的方案，當(dāng)產(chǎn)品變化時(shí)更換模具即可。如圖4。 圖4 本體脹型專機(jī)（鼓形成型）采用內(nèi)脹成型效率高，脹型后尺寸一致性好，可以滿足后續(xù)的焊接工序要求，生產(chǎn)效率高，設(shè)備投資相對(duì)較小。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證該方案是可行的。3、 注油口、放油螺塞孔、油量傳感器口加工及裝配工序產(chǎn)品上對(duì)這些孔的位置精度要求不是很高，生產(chǎn)中采用油壓機(jī)壓型的工藝加工。4、 隔板裝配、壓筋為該工序

8、設(shè)計(jì)制造了專用設(shè)備，采用壓筋方式固定隔板可以避免在本體上焊接焊縫，對(duì)本體強(qiáng)度有利。并且生產(chǎn)效率高、成本低,但采用該方案對(duì)本體和隔板的尺寸精度，材料強(qiáng)度都要求較高。如圖5。圖5、隔板固定壓筋三、鋁合金燃油箱焊接技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)鋁合金材料的可焊性較差，由于鋁具有較強(qiáng)的氧化性，表面形成的Al2O3熔點(diǎn)高達(dá)2050C，在焊接過程中氧化膜阻礙金屬之間的結(jié)合，容易形成氣孔、夾渣。其較高的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容（比鋼大一倍），在焊接過程中大量的熱量被傳導(dǎo)到金屬內(nèi)部，需消耗較大的熱能。鋁的線膨脹系數(shù)較大，是鋼的兩倍，容易產(chǎn)生裂紋及較大的熱變形。 焊接技術(shù)是鋁合金燃油箱開發(fā)的難點(diǎn)和核心技術(shù)，薄板鋁合金封閉結(jié)構(gòu)焊接

9、更困難，因此在產(chǎn)業(yè)化過程中要解決以下幾方面問題:、焊接夾具的鋁合金燃油箱定位夾緊問題；、鋁合金燃油箱注油口薄板焊接工藝問題；、鋁合金燃油箱薄板封閉結(jié)構(gòu)長(zhǎng)焊縫焊接工藝及焊接變形問題；、鼓型截面焊縫自動(dòng)化焊接問題；、材料成本約占鋁合金燃油箱成本的80%，焊接質(zhì)量不合格將導(dǎo)致材料報(bào)廢，因此焊接廢品率高將使產(chǎn)品沒有競(jìng)爭(zhēng)力。1、注油口、端蓋環(huán)焊縫焊接夾具設(shè)計(jì)注油口座與燃油箱本體的焊縫是空間曲線結(jié)構(gòu)，并且是壁厚較薄的鋁合金板（壁厚分別為1.5mm和2.5mm），非常容易焊穿，。必須采用機(jī)器人與變位機(jī)多自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作才能完成空間焊縫的焊接，經(jīng)過論證分析確定了由6自由度機(jī)器人與2自由度變位機(jī)組成8自由度機(jī)器人

10、焊接工作站。燃油箱本體外形尺寸較大，經(jīng)過焊接直焊縫和整形后，仍然是一個(gè)彈性體，整體受力后將產(chǎn)生變形，為此該焊接夾具采用懸臂粱結(jié)構(gòu)，采用燃油箱的注油口座內(nèi)孔定位，對(duì)燃油箱本體和注油口座進(jìn)行定位和夾緊。夾具結(jié)構(gòu)情況如圖6。圖6 燃油箱注油口夾具結(jié)構(gòu)端蓋環(huán)焊縫焊接夾具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是，第一、端蓋裝配后，被焊零件是一個(gè)封閉的整體，定位基準(zhǔn)不好找。第二、鼓形的外形不同于圓形，鼓型燃油箱不好找回轉(zhuǎn)中心，并且外型不是回轉(zhuǎn)面使裝卡定位難度很大。第三、鼓型燃油箱的回轉(zhuǎn)中心與變位機(jī)的回轉(zhuǎn)中心很可能不重合，焊接時(shí)隨著工件的轉(zhuǎn)動(dòng)，電弧長(zhǎng)度不斷變化，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，設(shè)備選型和夾具設(shè)計(jì)時(shí)必須解決上述問題。對(duì)于上述問題，經(jīng)

11、過分析最后確定采用外型定位，兩端面夾緊，在不引起燃油箱變形的前提下通過燃油箱本體傳遞扭轉(zhuǎn)力，以使得端蓋環(huán)焊縫能夠一次焊接完成，還有利于散熱，防止在端蓋側(cè)焊穿。鼓型燃油箱不好找回轉(zhuǎn)中心的問題采用焊接機(jī)器人與變位機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作的方案來解決，因此在生產(chǎn)設(shè)備選型時(shí)選擇了雙機(jī)器人與變位機(jī)三者相互協(xié)調(diào)動(dòng)作，使得回轉(zhuǎn)中心變化不會(huì)影響電弧的長(zhǎng)度，穩(wěn)定焊接質(zhì)量。2、焊接工藝研究注油口座與燃油箱本體的連接焊縫是空間曲線，注油口壁厚為1.5mm的鋁合金板，非常容易焊穿，奔馳樣品是手工焊接的，效率低，成本高。我們采用的機(jī)器人自動(dòng)焊接，采用MIG焊工藝要求焊接速度要快，但由于焊接空間曲線時(shí)機(jī)器人姿態(tài)變化復(fù)雜，如焊接速度過快

12、機(jī)器人焊槍不容易調(diào)整到姿態(tài)正確，焊縫成型不好，還容易產(chǎn)生氣孔，不能滿足燃油箱的密封要求。因此焊接燃油箱口座的關(guān)鍵是焊接電流、焊接速度、機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)的合理匹配。經(jīng)過反復(fù)研究調(diào)試，注油口的焊接質(zhì)量滿足了產(chǎn)品要求，并且焊接效率很高。注油口與燃油箱本體的連接焊縫如圖7。圖7 鋁燃油箱注油口與燃油箱本體的連接焊縫環(huán)縫焊接的難點(diǎn)是由于環(huán)縫的焊接部位是懸空的，而且焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，隨著焊接時(shí)間的增加焊接區(qū)溫度不斷增加，容易造成焊縫塌陷和焊穿，如圖8。圖8 塌陷焊縫的正面、背面造成焊縫塌陷和焊穿的原因主要有以下幾個(gè)方面：、焊接熱輸入過大，如焊接電流過大或焊接速度較慢；、端蓋與本體配合間隙大，熱量傳導(dǎo)不均勻，鋁合

13、金導(dǎo)熱好，本體的熱容量大于端蓋，當(dāng)間隙大時(shí)電弧熱量向本體傳遞的少，在端蓋造成焊縫塌陷和焊穿。、端蓋由于收口拉延使棱邊部位產(chǎn)生厚度減薄，在正常工藝焊接時(shí)造成焊縫塌陷和焊穿。、燃油箱尺寸徑向偏差過大，焊接時(shí)電弧長(zhǎng)度變化大，當(dāng)弧長(zhǎng)過小時(shí)電弧吹力過大，造成焊穿。、焊槍姿態(tài)不正確，尤其是在四個(gè)圓角的開始和結(jié)束部位，曲率變化大，焊槍姿態(tài)調(diào)整不合適時(shí)會(huì)產(chǎn)生成型不好和焊穿。針對(duì)上述問題，在焊接工藝、焊接夾具、被焊零件尺寸精度方面進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)和改進(jìn)，解決了以上問題。本體直焊縫、端蓋環(huán)焊縫外觀見圖9。圖9 端蓋環(huán)焊縫外觀 本體直焊縫外觀 3、焊縫強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)鋁合金燃油箱不同部位的焊縫進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)焊接

14、接頭強(qiáng)度不低于母材，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的焊接接頭強(qiáng)度，并通過了耐壓、強(qiáng)振、道路試驗(yàn)等法規(guī)要求的檢驗(yàn)。四、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益經(jīng)過幾年的不斷改進(jìn)提高，一汽目前已形成年產(chǎn)6萬只、10多個(gè)品種卡車鋁合金燃油箱的生產(chǎn)能力，為一汽換代卡車J6等車型配套。由于目前一汽產(chǎn)品和市場(chǎng)的原因，對(duì)鋁合金燃油箱的需求量還沒達(dá)到生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)能力，但是在建線時(shí)考慮了這一因素，生產(chǎn)線是柔性的，經(jīng)過簡(jiǎn)單的更改既可以生產(chǎn)電弧焊結(jié)構(gòu)鋼燃油箱，既充分利用了生產(chǎn)能力，也解決了傳統(tǒng)電阻焊鋼燃油箱使用壽命低的問題，現(xiàn)在該生產(chǎn)線還生產(chǎn)10多個(gè)品種的電弧焊結(jié)構(gòu)鋼燃油箱，裝配在一汽J5系列卡車上。鋁燃油箱開發(fā)生產(chǎn)的意義主要有：1、采用鋁合金取代鍍鉛鋼

15、板制造卡車燃油箱，滿足了環(huán)保法規(guī)要求使用無鉛汽油的問題，并提高了整車的技術(shù)水平和檔次。2、生產(chǎn)過程環(huán)保，材料可再生利用，符合目前國(guó)際上汽車生產(chǎn)向綠色制造、減少有限資源消耗、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展的趨勢(shì)。3、產(chǎn)品生命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益好，以400升同結(jié)構(gòu)的燃油箱為例，鋁合金燃油箱比鋼燃油箱售價(jià)高300 400元，但鋁合金燃油箱比鋼燃油箱輕30公斤以上，以目前的公路運(yùn)費(fèi)噸公里0.3元、每臺(tái)車年運(yùn)行10萬公里計(jì)算，一年可以多增加收入900元。再加上鋁合金燃油箱壽命比鋼燃油箱長(zhǎng)一倍以上，報(bào)廢時(shí)回收廢鋁的收入等，鋁合金燃油箱的優(yōu)勢(shì)更加明顯。4、耐腐蝕性好，鋁合金燃油箱可以保證十年不銹蝕，可以做到與整車相同壽命。5、鋁合金燃油箱自2005年投產(chǎn)以來，產(chǎn)量逐年增加，該生產(chǎn)線還滿負(fù)荷生產(chǎn)電弧焊結(jié)構(gòu)鋼燃油箱，生產(chǎn)企業(yè)每年可以獲得一定的效益。并且鋁合金燃油箱的價(jià)格僅為國(guó)際市場(chǎng)的三分之一到二分之一，有出口進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的前景。五、結(jié)論1、本項(xiàng)目開發(fā)的400升鋁合金燃油箱，比同結(jié)構(gòu)鍍鉛鋼板燃油箱重量輕30公斤以上，僅為鍍鉛鋼板燃油箱重量的約40%。且鋁合金燃油箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，制造工藝簡(jiǎn)化，通過產(chǎn)品性能檢驗(yàn)及道路試驗(yàn)，本項(xiàng)目研發(fā)的鋁合金燃油箱，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)外同類先進(jìn)產(chǎn)品的水平。2、通過項(xiàng)目試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了新型鼓式鋁合金燃油箱生產(chǎn)線，完成了材料開發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證工作，掌握了鋁合金燃油箱制