1、載重卡車鋁合金燃油箱焊接技術研究及產(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，對該產(chǎn)品的焊接結構、焊接工藝、焊接夾具等方面進行了系統(tǒng)的研究，使批量生產(chǎn)的載重卡車鋁合金燃油箱質(zhì)量、成本和制造技術達到了國際先進水平。關鍵詞：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)濟效益好、材料的再生利用率高等優(yōu)點，符合目前國際上汽車生產(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。2000年起國外的大容積汽車燃油箱已普遍采用鋁合金制造，歐洲與美國目前生產(chǎn)的重型卡車中幾乎100%采用鋁合金燃油箱，同時隨著大馬力發(fā)動機的使用，燃油箱容積

2、在不斷增大，國內(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)品及其制造技術非常必要。該項目2002年立項，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)過不斷改進提高，到2007年底實現(xiàn)了年產(chǎn)6萬輛鋁合金燃油箱的能力，產(chǎn)品質(zhì)量、成本在國際上都具有競爭力。 圖1 鋁合金燃油箱外型（鼓形）項目開發(fā)的鋁合金汽車燃油箱，基本結構為鼓形，見圖1，本體與端蓋、隔板均為球狀曲面，端蓋與本體的聯(lián)接為插入式結構。 一、 卡車燃油箱國內(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，該種焊接方法的設備、工藝簡單，對零件要

3、求不嚴格，但隨著燃油箱容積的增大，截面尺寸同時也增大，使端蓋的剛性下降，當燃油箱使用時受到油的沖擊，端蓋會產(chǎn)生變形，在焊縫處產(chǎn)生一個彎曲的力。燃油箱下部受到液體的壓強較大，彎曲一定次數(shù)后會在下部焊縫處產(chǎn)生裂紋。因此對于大容積，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度要求的。并且縫焊工藝在大容積燃油箱上應用不能通過強度試驗，必須改為對接接頭的電弧焊結構。該種結構的端蓋環(huán)焊縫工作時主要承受拉應力，燃油箱的剛性也好，壽命會大大提高，但制造難度增加，需要采用自動化焊接才能保證焊接質(zhì)量，因此很多國外生產(chǎn)的電弧焊結構的燃油箱為圓桶形的，主要原因是方型燃油箱的自動化焊接難度較大，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。隨著國際上對汽車綠色制造、節(jié)能、環(huán)保要求的進一步提高，鋁合金燃油箱開始投入應用，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，可以達到十年不銹蝕，是同結構鋼燃油箱的2倍以上；材料可以再生利用，鋁合金燃油箱報廢后材料再生利用率在85%以上。因此國際上載貨卡車燃油箱的應用情況是：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。韓國至今仍只生產(chǎn)四面為平面只有四個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化焊接難度較大，鼓形燃油箱焊接難度更大，因為要滿足焊接質(zhì)量要求，需要焊槍的姿態(tài)隨時都要變化，對焊接夾具、零件精度要求也很高。 圖3 美國卡車生產(chǎn)線上的圓形鋁合金燃油箱（裝車前帶保護膜）二、產(chǎn)業(yè)化開發(fā)研究 產(chǎn)品研發(fā)完成后，2

6、004年開始進行批量生產(chǎn)鋁燃油箱生產(chǎn)準備，產(chǎn)品容積為400升，當時國內(nèi)沒有鼓形電弧焊結構燃油箱（鋼、鋁）應用的先例，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)中對以下問題進行了試驗研究，并開發(fā)了專用設備。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)過反復試驗研究，解決了四個角出褶的問題后，端蓋質(zhì)量可以滿足焊接工藝要求，實現(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機上初成型，采用熔化極氬弧焊（MIG焊）自動焊機焊

7、接直焊縫，形成一個近似于方形的筒體。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)材料的機械性能，計算得到本體塑性變形量要達到1.5 3%,這樣還可以使本體的剛性、強度提高。經(jīng)過對各種方案論證，采用了專用設備配模具內(nèi)脹成型的方案，當產(chǎn)品變化時更換模具即可。如圖4。 圖4 本體脹型專機（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，設備投資相對較小。經(jīng)生產(chǎn)驗證該方案是可行的。3、 注油口、放油螺塞孔、油量傳感器口加工及裝配工序產(chǎn)品上對這些孔的位置精度要求不是很高，生產(chǎn)中采用油壓機壓型的工藝加工。4、 隔板裝配、壓筋為該工序

8、設計制造了專用設備，采用壓筋方式固定隔板可以避免在本體上焊接焊縫，對本體強度有利。并且生產(chǎn)效率高、成本低,但采用該方案對本體和隔板的尺寸精度，材料強度都要求較高。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，由于鋁具有較強的氧化性，表面形成的Al2O3熔點高達2050C，在焊接過程中氧化膜阻礙金屬之間的結合，容易形成氣孔、夾渣。其較高的導熱系數(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。 焊接技術是鋁合金燃油箱開發(fā)的難點和核心技術，薄板鋁合金封閉結構焊接

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構長焊縫焊接工藝及焊接變形問題；、鼓型截面焊縫自動化焊接問題；、材料成本約占鋁合金燃油箱成本的80%，焊接質(zhì)量不合格將導致材料報廢，因此焊接廢品率高將使產(chǎn)品沒有競爭力。1、注油口、端蓋環(huán)焊縫焊接夾具設計注油口座與燃油箱本體的焊縫是空間曲線結構，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，。必須采用機器人與變位機多自由度協(xié)調(diào)動作才能完成空間焊縫的焊接，經(jīng)過論證分析確定了由6自由度機器人與2自由度變位機組成8自由度機器人

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構，采用燃油箱的注油口座內(nèi)孔定位，對燃油箱本體和注油口座進行定位和夾緊。夾具結構情況如圖6。圖6 燃油箱注油口夾具結構端蓋環(huán)焊縫焊接夾具設計的難點是，第一、端蓋裝配后，被焊零件是一個封閉的整體，定位基準不好找。第二、鼓形的外形不同于圓形，鼓型燃油箱不好找回轉中心，并且外型不是回轉面使裝卡定位難度很大。第三、鼓型燃油箱的回轉中心與變位機的回轉中心很可能不重合，焊接時隨著工件的轉動，電弧長度不斷變化，導致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，設備選型和夾具設計時必須解決上述問題。對于上述問題，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，防止在端蓋側焊穿。鼓型燃油箱不好找回轉中心的問題采用焊接機器人與變位機協(xié)調(diào)動作的方案來解決，因此在生產(chǎn)設備選型時選擇了雙機器人與變位機三者相互協(xié)調(diào)動作，使得回轉中心變化不會影響電弧的長度，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。我們采用的機器人自動焊接，采用MIG焊工藝要求焊接速度要快，但由于焊接空間曲線時機器人姿態(tài)變化復雜，如焊接速度過快

12、機器人焊槍不容易調(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鍵是焊接電流、焊接速度、機器人運行姿態(tài)的合理匹配。經(jīng)過反復研究調(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)縫焊接的難點是由于環(huán)縫的焊接部位是懸空的，而且焊縫長度較長，隨著焊接時間的增加焊接區(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，熱量傳導不均勻，鋁合

13、金導熱好，本體的熱容量大于端蓋，當間隙大時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，在正常工藝焊接時造成焊縫塌陷和焊穿。、燃油箱尺寸徑向偏差過大，焊接時電弧長度變化大，當弧長過小時電弧吹力過大，造成焊穿。、焊槍姿態(tài)不正確，尤其是在四個圓角的開始和結束部位，曲率變化大，焊槍姿態(tài)調(diào)整不合適時會產(chǎn)生成型不好和焊穿。針對上述問題，在焊接工藝、焊接夾具、被焊零件尺寸精度方面進行了長時間的試驗和改進，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、焊縫強度試驗對鋁合金燃油箱不同部位的焊縫進行強度試驗，靜載試驗焊接

14、接頭強度不低于母材，達到國外同類產(chǎn)品的焊接接頭強度，并通過了耐壓、強振、道路試驗等法規(guī)要求的檢驗。四、經(jīng)濟與社會效益經(jīng)過幾年的不斷改進提高，一汽目前已形成年產(chǎn)6萬只、10多個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)品和市場的原因，對鋁合金燃油箱的需求量還沒達到生產(chǎn)線的設計能力，但是在建線時考慮了這一因素，生產(chǎn)線是柔性的，經(jīng)過簡單的更改既可以生產(chǎn)電弧焊結構鋼燃油箱，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多個品種的電弧焊結構鋼燃油箱，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。3、產(chǎn)品生命周期內(nèi)經(jīng)濟效益好，以400升同結構的燃油箱為例，鋁合金燃油箱比鋼燃油箱售價高300 400元，但鋁合金燃油箱比鋼燃油箱輕30公斤以上，以目前的公路運費噸公里0.3元、每臺車年運行10萬公里計算，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一倍以上，報廢時回收廢鋁的收入等，鋁合金燃油箱的優(yōu)勢更加明顯。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)線還滿負荷生產(chǎn)電弧焊結構鋼燃油箱，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格僅為國際市場的三分之一到二分之一，有出口進入國際市場的前景。五、結論1、本項目開發(fā)的400升鋁合金燃油箱，比同結構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%。且鋁合金燃油箱結構簡單合理，制造工藝簡化，通過產(chǎn)品性能檢驗及道路試驗，本項目研發(fā)的鋁合金燃油箱，技術指標達到國外同類先進產(chǎn)品的水平。2、通過項目試驗研究，設計開發(fā)了新型鼓式鋁合金燃油箱生產(chǎn)線，完成了材料開發(fā)、試驗驗證工作，掌握了鋁合金燃油箱制