塑料燃油箱焊接附件失效分析

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摘要：通過對塑料燃油箱的加油口組件、燃油泵法蘭組件以及排油口組件在注射成型中出現的熔接痕裂紋、嵌件變形以及跑膠等失效模式的分析及驗證，最終獲得外觀良好、性能優良的焊接附件產品，為保證塑料燃油箱的品質奠定了堅實的基礎。

關鍵詞：塑料燃油箱；注射成型；熔接痕裂紋；跑膠

隨著汽車環保、安全、輕量化的要求越來越高，商用車也逐步由鐵質燃油箱或鋁合金燃油箱向塑料燃油箱發展。根據制造技術，塑料燃油箱發展為吹塑燃油箱和滾塑燃油箱兩大主流產品［1］，吹塑工藝主要用于生產結構緊湊、產量較大的乘用車燃油箱，滾塑工藝主要用于生產容量較大、批量較小的商用車燃油箱。但是由于滾塑成型使用的低密度聚乙烯難以符合日益提高的燃油箱性能要求，且成型周期較長、能耗大、生產效率低，商用車塑料燃油箱也越來越多采用吹塑成型工藝。本文主要介紹了塑料燃油箱上的附件，如加油口組件、燃油泵法蘭組件以及排油口組件，它們采用注射成型的方式單獨生產，然后再通過熱板焊接將其與燃油箱箱體焊接起來。詳細介紹了焊接附件注射成型出現的熔接線裂紋、跑膠、嵌件變形等失效模式，分析材料的物理化學特性，調整模具的供給系統，成功解決了難題，獲得合格的產品。

1塑料燃油箱的結構

汽車燃油箱是由燃油箱本體、安全閥、燃油加油管總成、加油通氣口、燃油泵緊固蓋、固定支架等部件通過焊接或安裝組成的整體［2］。由于商用車燃油箱布置的特殊性，其結構也較乘用車簡單一些，主要是由燃油箱箱體、加油口組件、燃油泵法蘭組件、排油口組件、密封墊、線卡等組成，結構如圖1所示。燃油箱體采用專用材料吹塑成型，期間還需要經過冷卻定型工藝，保證燃油箱外形輪廓滿足設計要求。加油口組件、燃油泵法蘭組件、排油口組件是經過注射成型后，通過熱板焊接工藝與箱體焊合成整體；線卡同樣采用熱板焊接工藝；剩下的其他附件通過裝配組成為一個功能完好的燃油箱總成。其中需要注塑的焊接附件有加油口組件、燃油泵法蘭組件、排油口組件，這3個零件內部均帶有金屬鑲件。其結構如圖2所示。

2注塑材料

商用車單層塑料燃油箱一般采用高密度聚乙烯（PE⁃HD）材料，該專用料一般要求具有較高的相對分子質量，以保證產品具有較好的剛性和抗蠕變性，同時專用料還需具有耐沖擊性、耐腐蝕、耐環境應力開裂、阻隔、抗靜電等優良性能以及良好的加工性能［3］。國內外目前常用的牌號有Basell的Lupolen4261AG、Tatol的MS201B、IPQ的GM7746等。為了保證附件焊接可操作性以及強度，附件注射成型使用的材料也必須是和燃油箱體一致的專用材料。該款燃油箱體專用料采用的是美國JSP生產的牌號為PTX⁃6的PE⁃HD。該專用材料與常用聚酰胺PA6GF15材料的部分性能對比如表1所示。

3附件注塑失效模式及解決措施

3.1加油口組件。加油口組件的作用是通過該位置向燃油箱內加入燃油，并與燃油箱蓋配合，從而防止燃油泄漏，保持與大氣暢通。如圖3所示，加油口組件在注射成型過程中主要出現3種失效模式，即跑膠、鑲件變形、表面裂紋，且跑膠和鑲件變形密切聯系。加油口螺紋鑲件采用的DC03冷軋鋼板，通過拉伸工藝加工的。拉伸過程中材料流動，底部壁厚稍小于口部，底部端面不平整。模具結構采用端面封膠，在注射成型時，就會出現端面密封不良，出現內部跑膠以及鑲件變形的缺陷，進而導致燃油箱蓋無法順利擰緊。為解決鑲件變形，控制鑲件壁厚，由原來的壁厚1.0mm增加至1.2mm，且端面平面度以及平行度需要控制。調整過后，鑲件變形以及跑膠失效模式得到很好的控制。從塑料燃油箱專用料的物理性能可以看出，其熔體流動速率為4~10g/10min之間，約為聚酰胺的1/10左右，其流動性能很差。為了獲得較好的產品外觀，對于流動性能差的材料，需要較大的注塑壓力，將其壓入模具型腔內，較大注塑壓力和保壓壓力也導致鑲件承受較大的力，也是其變形的因素之一。加油口金屬件包膠，有較大的殘余應力，保壓失效后，產品在冷卻過程中熔接痕位置產生裂紋。加油口組件的流道系統如圖4所示。通過分析與實踐，具有均勻壁厚以及較好的端面平面度的金屬鑲件，在較大的注射壓力以及保壓壓力下，注射成型過程中可以獲得良好的外觀。在模具方面，將流道系統，包括進膠點、次流道、主流道的尺寸增大，避免在保壓還未結束時，膠口已經冷卻，出現保壓不足的缺陷。膠口調整尺寸如表2所示。3.2燃油泵法蘭組件。燃油泵法蘭組件的作用是緊固燃油泵、燃油傳感器總成等零部件的。其在注射成型過程中主要表現為外觀裂紋，裂紋主要出現在3個熔接位置，如圖5所示。根據加油口組件的分析，將燃油泵法蘭組件整個流道系統規格變大，試模樣品沒有出現裂紋，外觀良好；但是將樣品放置在室溫下，約24h后，原本沒有裂紋的樣品，在某一個熔接位置，還是出現了可見裂紋。保持現有流道系統規格不變的情況下，封堵2個進膠點，保留其中一個，零件上的熔接痕只剩一個，有效降低了開裂的缺陷。通過試模，零件靜態放置一段時間后，沒有出現上述開裂的現象，成功解決了開裂失效模式。調整前后燃油泵法蘭組件流道如圖6所示，規格如表3所示。3.3排油口組件。排油口組件的作用是在一定周期內，更換燃油時，清理油箱內的殘留雜質的出口。排油口目前有2種實現工藝：一是先注塑出附件，然后采用熱板焊接；另一種是直接將鑲件放入吹塑模具內，直接成型。后者減少了焊接工藝，降低了焊接失效風險，同時也避免組件在注塑過程中出現的一系列問題。排油口組件在注塑的過程中，主要的失效仍然是破裂。破裂的部位如圖7所示。有效解決方法依然是加大流道系統的規格，確保有足夠的保壓壓力和保壓時間，使材料能夠完全融合在一起。調整前、后的流道系統如圖8所示，尺寸規格如表4所示。

4結論

（1）塑料燃油箱專用的高密度聚乙烯材料的理化性能比較特殊，其熔體流動速率非常低，黏度比較小，在使用這種材料注射成型時，不管是在充填階段、保壓階段，還是冷卻階段都需要保持較大的壓力，而流道系統的設計對保壓至關重要；（2）加油口組件、燃油泵法蘭盤組件以及排油口組件在注射成型過程中會出現不同程度的熔接痕裂紋、跑膠等失效缺陷；（3）改變供給系統的流道規格、進膠點規格等參數后，并通過驗證，實際解決了燃油箱焊接附件在注射成型過程中出現的失效模式，為制造合格的燃油箱提供保證。

作者:陳翱翔 王志紅 高吭 單位:1.武漢理工大學汽車工程學院 2.武漢金達利科技有限公司