塑料燃油箱焊接附件失效分析

摘要：通过对塑料燃油箱的加油口组件、燃油泵法兰组件以及排油口组件在注射成型中出现的熔接痕裂纹、嵌件变形以及跑胶等失效模式的分析及验证，最终获得外观良好、性能优良的焊接附件产品，为保证塑料燃油箱的品质奠定了坚实的基础。

关键词：塑料燃油箱；注射成型；熔接痕裂纹；跑胶

随着汽车环保、安全、轻量化的要求越来越高，商用车也逐步由铁质燃油箱或铝合金燃油箱向塑料燃油箱发展。根据制造技术，塑料燃油箱发展为吹塑燃油箱和滚塑燃油箱两大主流产品［1］，吹塑工艺主要用于生产结构紧凑、产量较大的乘用车燃油箱，滚塑工艺主要用于生产容量较大、批量较小的商用车燃油箱。但是由于滚塑成型使用的低密度聚乙烯难以符合日益提高的燃油箱性能要求，且成型周期较长、能耗大、生产效率低，商用车塑料燃油箱也越来越多采用吹塑成型工艺。本文主要介绍了塑料燃油箱上的附件，如加油口组件、燃油泵法兰组件以及排油口组件，它们采用注射成型的方式单独生产，然后再通过热板焊接将其与燃油箱箱体焊接起来。详细介绍了焊接附件注射成型出现的熔接线裂纹、跑胶、嵌件变形等失效模式，分析材料的物理化学特性，调整模具的供给系统，成功解决了难题，获得合格的产品。

1塑料燃油箱的结构

汽车燃油箱是由燃油箱本体、安全阀、燃油加油管总成、加油通气口、燃油泵紧固盖、固定支架等部件通过焊接或安装组成的整体［2］。由于商用车燃油箱布置的特殊性，其结构也较乘用车简单一些，主要是由燃油箱箱体、加油口组件、燃油泵法兰组件、排油口组件、密封垫、线卡等组成，结构如图1所示。燃油箱体采用专用材料吹塑成型，期间还需要经过冷却定型工艺，保证燃油箱外形轮廓满足设计要求。加油口组件、燃油泵法兰组件、排油口组件是经过注射成型后，通过热板焊接工艺与箱体焊合成整体；线卡同样采用热板焊接工艺；剩下的其他附件通过装配组成为一个功能完好的燃油箱总成。其中需要注塑的焊接附件有加油口组件、燃油泵法兰组件、排油口组件，这3个零件内部均带有金属镶件。其结构如图2所示。

2注塑材料

商用车单层塑料燃油箱一般采用高密度聚乙烯（PE⁃HD）材料，该专用料一般要求具有较高的相对分子质量，以保证产品具有较好的刚性和抗蠕变性，同时专用料还需具有耐冲击性、耐腐蚀、耐环境应力开裂、阻隔、抗静电等优良性能以及良好的加工性能［3］。国内外目前常用的牌号有Basell的Lupolen4261AG、Tatol的MS201B、IPQ的GM7746等。为了保证附件焊接可操作性以及强度，附件注射成型使用的材料也必须是和燃油箱体一致的专用材料。该款燃油箱体专用料采用的是美国JSP生产的牌号为PTX⁃6的PE⁃HD。该专用材料与常用聚酰胺PA6GF15材料的部分性能对比如表1所示。

3附件注塑失效模式及解决措施

3.1加油口组件。加油口组件的作用是通过该位置向燃油箱内加入燃油，并与燃油箱盖配合，从而防止燃油泄漏，保持与大气畅通。如图3所示，加油口组件在注射成型过程中主要出现3种失效模式，即跑胶、镶件变形、表面裂纹，且跑胶和镶件变形密切联系。加油口螺纹镶件采用的DC03冷轧钢板，通过拉伸工艺加工的。拉伸过程中材料流动，底部壁厚稍小于口部，底部端面不平整。模具结构采用端面封胶，在注射成型时，就会出现端面密封不良，出现内部跑胶以及镶件变形的缺陷，进而导致燃油箱盖无法顺利拧紧。为解决镶件变形，控制镶件壁厚，由原来的壁厚1.0mm增加至1.2mm，且端面平面度以及平行度需要控制。调整过后，镶件变形以及跑胶失效模式得到很好的控制。从塑料燃油箱专用料的物理性能可以看出，其熔体流动速率为4~10g/10min之间，约为聚酰胺的1/10左右，其流动性能很差。为了获得较好的产品外观，对于流动性能差的材料，需要较大的注塑压力，将其压入模具型腔内，较大注塑压力和保压压力也导致镶件承受较大的力，也是其变形的因素之一。加油口金属件包胶，有较大的残余应力，保压失效后，产品在冷却过程中熔接痕位置产生裂纹。加油口组件的流道系统如图4所示。通过分析与实践，具有均匀壁厚以及较好的端面平面度的金属镶件，在较大的注射压力以及保压压力下，注射成型过程中可以获得良好的外观。在模具方面，将流道系统，包括进胶点、次流道、主流道的尺寸增大，避免在保压还未结束时，胶口已经冷却，出现保压不足的缺陷。胶口调整尺寸如表2所示。3.2燃油泵法兰组件。燃油泵法兰组件的作用是紧固燃油泵、燃油传感器总成等零部件的。其在注射成型过程中主要表现为外观裂纹，裂纹主要出现在3个熔接位置，如图5所示。根据加油口组件的分析，将燃油泵法兰组件整个流道系统规格变大，试模样品没有出现裂纹，外观良好；但是将样品放置在室温下，约24h后，原本没有裂纹的样品，在某一个熔接位置，还是出现了可见裂纹。保持现有流道系统规格不变的情况下，封堵2个进胶点，保留其中一个，零件上的熔接痕只剩一个，有效降低了开裂的缺陷。通过试模，零件静态放置一段时间后，没有出现上述开裂的现象，成功解决了开裂失效模式。调整前后燃油泵法兰组件流道如图6所示，规格如表3所示。3.3排油口组件。排油口组件的作用是在一定周期内，更换燃油时，清理油箱内的残留杂质的出口。排油口目前有2种实现工艺：一是先注塑出附件，然后采用热板焊接；另一种是直接将镶件放入吹塑模具内，直接成型。后者减少了焊接工艺，降低了焊接失效风险，同时也避免组件在注塑过程中出现的一系列问题。排油口组件在注塑的过程中，主要的失效仍然是破裂。破裂的部位如图7所示。有效解决方法依然是加大流道系统的规格，确保有足够的保压压力和保压时间，使材料能够完全融合在一起。调整前、后的流道系统如图8所示，尺寸规格如表4所示。

4结论

（1）塑料燃油箱专用的高密度聚乙烯材料的理化性能比较特殊，其熔体流动速率非常低，黏度比较小，在使用这种材料注射成型时，不管是在充填阶段、保压阶段，还是冷却阶段都需要保持较大的压力，而流道系统的设计对保压至关重要；（2）加油口组件、燃油泵法兰盘组件以及排油口组件在注射成型过程中会出现不同程度的熔接痕裂纹、跑胶等失效缺陷；（3）改变供给系统的流道规格、进胶点规格等参数后，并通过验证，实际解决了燃油箱焊接附件在注射成型过程中出现的失效模式，为制造合格的燃油箱提供保证。

作者:陈翱翔 王志红 高吭 单位:1.武汉理工大学汽车工程学院 2.武汉金达利科技有限公司