汽車(chē)塑料燃油箱熱板焊接方法

鄢必超，喬璐

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068；2.深圳遠(yuǎn)望工業(yè)自動(dòng)化有限公司，廣東深圳518101）

汽車(chē)塑料燃油箱熱板焊接方法

鄢必超1，喬璐2

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068；2.深圳遠(yuǎn)望工業(yè)自動(dòng)化有限公司，廣東深圳518101）

介紹了汽車(chē)塑料燃油箱熱板焊接方法，并對(duì)焊接原理、工作過(guò)程、工藝參數(shù)和焊接質(zhì)量檢測(cè)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，有助于塑料油箱熱板焊接方法的推廣應(yīng)用。

塑料燃油箱；熱板焊接；工藝

隨著汽車(chē)環(huán)保要求、安全性要求的逐步提高，乘用車(chē)的燃油箱正由鐵油箱向單層塑料油箱、多層塑料油箱方向發(fā)展[1]。汽車(chē)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(guò)焊接或安裝組成的整體。

目前，塑料油箱常采用六層結(jié)構(gòu)形式。使用高密度聚乙烯（HDPE）、乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）、粘結(jié)劑制作而成。油箱由內(nèi)到外分別是新料層、粘接層、阻隔層（EVOH）、粘接層、回料層、新料層[2]。各層厚度比例分別為：46%、2.5%、3%、2.5%、6%、40%.

熱板焊接是汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的塑料焊接方法之一?，F(xiàn)就塑料燃油箱的熱板焊接成型機(jī)理、焊接過(guò)程、焊接工藝參數(shù)的設(shè)定以及焊接質(zhì)量的檢測(cè)方法進(jìn)行闡述，希望對(duì)塑料燃油箱熱板焊接加工方法的應(yīng)用起到推廣作用。

1 熱板焊接成型機(jī)理

塑料燃油箱熱板焊接是指燃油箱本體和焊件分別與熱板接觸熔融后，使用機(jī)械手將熔融的表面壓在一起完成焊接過(guò)程。熱板由表面涂有一層聚四氟乙烯的金屬制成，通過(guò)內(nèi)部的管狀加熱絲加熱。使用溫度、壓力、位移傳感器對(duì)熱板表面的溫度、作用壓力和熔接深度進(jìn)行精確控制。

在熱板加熱過(guò)程中，燃油箱和焊件的表面會(huì)形成熔融層，熔融層內(nèi)的分子運(yùn)動(dòng)能量和自由體積較大，聚乙烯分子鏈可以進(jìn)行整鏈的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械手壓力的作用下，一部分高分子鏈會(huì)從所在的熔融層擴(kuò)散至對(duì)面的熔融層中，并與對(duì)面熔融層的高分子鏈發(fā)生纏接，待冷卻后就實(shí)現(xiàn)了焊件與燃油箱殼體的鏈接。

在焊接過(guò)程中，高分子鏈之間沒(méi)有產(chǎn)生化學(xué)連接，焊接強(qiáng)度取決于焊接面之間高分子鏈的相互穿插盤(pán)繞程度[3]。高分子鏈擴(kuò)散、盤(pán)繞的程度主要受到焊接壓力、加熱溫度、作用時(shí)間和聚合物流動(dòng)特性等因素影響。

2 焊接過(guò)程

塑料燃油箱的焊接屬于同種類(lèi)聚乙烯材料焊接。整個(gè)焊接過(guò)程如圖1所示。對(duì)于一個(gè)給定的溫度，焊接過(guò)程用壓力-時(shí)間關(guān)系圖表示。

圖1 塑料油箱焊接工藝

3 焊接工藝參數(shù)設(shè)定

影響熱板焊接質(zhì)量的主要因素有加熱溫度、作用時(shí)間、焊接壓力、冷卻壓力和熔接深度。

3.1 加熱溫度

塑料油箱的焊接通過(guò)聚乙烯高分子鏈物理擴(kuò)散纏繞完成。隨著加熱溫度的升高，分子鏈加速擴(kuò)散纏繞，達(dá)到縮短焊接周期和提高焊接質(zhì)量的效果。而焊接溫度又會(huì)受到HDPE材料流動(dòng)特性和環(huán)境溫度等因素的影響。

塑料燃油箱常用材料牌號(hào)有巴塞爾4261AG、道達(dá)爾MS201BN和日本JPC HB111R.對(duì)于熔融指數(shù)范圍6~8，塑料燃油箱加熱溫度范圍220~240℃.工程實(shí)踐中常設(shè)定初始加熱溫度值220℃，根據(jù)環(huán)境溫度適當(dāng)調(diào)整。如果環(huán)境溫度較低，熔融體的冷卻速度加快，影響分子擴(kuò)散，需要提高加熱溫度，以補(bǔ)償這種影響。

3.2 壓力

焊接過(guò)程壓力包括加熱壓力P1、焊接對(duì)熔壓力P3、冷卻壓力P4.

加熱壓力P1作用是保證焊接面與熱板接觸，熱量順利地傳遞至焊接部位。應(yīng)避免過(guò)大的壓力造成熔融體過(guò)多溢出加熱部位，導(dǎo)致冷焊現(xiàn)象出現(xiàn)。

焊接對(duì)熔壓力P3是焊接過(guò)程中的壓力，它直接關(guān)系到焊接質(zhì)量。焊接壓力增加，有利于提高焊接質(zhì)量。但根據(jù)流動(dòng)過(guò)程理論，焊接強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)曲線的平穩(wěn)段后，基本不再受焊接壓力的影響。

對(duì)于冷卻壓力P4，工程實(shí)踐表明，冷卻階段施加一定壓力有利于提高焊件的焊接強(qiáng)度。通常冷卻壓力值設(shè)定小于焊接壓力。

3.3 時(shí)間

加熱時(shí)間T1指熱板對(duì)焊接面加熱，焊接面吸收熱量，形成一定厚度熔膜的時(shí)間。

切換時(shí)間T2指從熱板抽出，到焊接面閉合的時(shí)間。焊接是在熔融態(tài)進(jìn)行的，而且其可焊性處于熔融態(tài)的最高點(diǎn)，這種狀態(tài)的溫度范圍較窄[4]。因此切換應(yīng)該盡量短，特別是在環(huán)境溫度較低情況下。

焊接對(duì)熔時(shí)間T3指焊件與燃油箱殼體焊接面對(duì)合后對(duì)熔的壓力作用時(shí)間。

冷卻時(shí)間T4指冷卻階段壓力作用時(shí)間。

3.4 熔接深度

熔接深度H指在焊接時(shí)間T4期間，在壓力作用下，焊件垂直于焊接面方向的移動(dòng)距離。根據(jù)燃油箱各層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，深度必須控制在3 mm以內(nèi)，避免破壞EVOH層，影響燃油箱耐滲透性。

綜上分析，塑料油箱常用的焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 塑料油箱焊接工藝參數(shù)

4 焊接質(zhì)量檢查

塑料油箱焊接質(zhì)量檢查主要包括：

（1）超聲波氣密性檢查

在室溫的環(huán)境下，封閉所有排氣孔、供油連接件和安全閥，往燃油箱中加入0.03 MPa~0.05 MPa的壓力后將燃油箱總成和油管浸沒(méi)于水槽中，在水中保持試驗(yàn)時(shí)間20 s（新產(chǎn)品使用60 s）。油箱焊接處不得出現(xiàn)泄漏率大于10-2mbarL/s的泄漏，即目測(cè)觀察不到氣泡。

（2）內(nèi)壓穩(wěn)定性檢查

燃油箱固定在試驗(yàn)裝置上，在室溫的環(huán)境下，封閉所有排氣孔、供油連接件和可能裝有的安全閥，往燃油箱內(nèi)加水，使油箱在3~4 min時(shí)間內(nèi)內(nèi)部壓力達(dá)到0.3 MPa后保持1 min.目測(cè)評(píng)定油箱焊接處是否泄露或破裂。

（3）焊接強(qiáng)度檢查

焊接位置點(diǎn)在任何方向上能在10 kg的作用力下不脫落。

（4）外觀檢查

焊接處附近油箱表面不得出現(xiàn)摩擦痕、燙傷痕。焊接件位置和方向正確，翻漿均勻。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了保證塑料油箱焊接質(zhì)量的穩(wěn)定可靠，不僅需要嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)大小，而且也制定了完善的焊接質(zhì)量檢驗(yàn)方法。

（1）焊接最佳溫度在220~240℃之間，應(yīng)綜合考慮環(huán)境溫度的影響。

（2）焊接對(duì)熔壓力在150~400 N之間。焊接對(duì)熔壓力增大有利于提高焊接質(zhì)量，但焊接壓力達(dá)到一定值時(shí)，焊接強(qiáng)度不再受壓力影響。冷卻階段施加壓力有助于提高焊接質(zhì)量。

（3）足夠的加熱和焊接時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大影響。

（4）熔接深度控制在3 mm以內(nèi)，避免影響燃油箱耐滲透性。

[1]沈小榮，陳曉軍.轎車(chē)鐵油箱改為塑料油箱的開(kāi)發(fā)[J].輕型汽車(chē)技術(shù)，2010，（7）:17.

[2]桂歡歡，桂娜.塑料燃油箱在汽車(chē)上的應(yīng)用及發(fā)展[J].工程塑料應(yīng)用，2010，38（5）:48-49.Zhou Jiongpan.Commu nication theory basis[M].Beijing:PT Press，1991.10-11.

[3]施建峰.聚乙烯管道電熔接頭冷焊形成機(jī)理及其檢測(cè)和評(píng)定方法[D].杭州：浙江大學(xué)，2011：37.

[4]姜文彪，周衛(wèi)民，吳作倫.塑料管道熱熔對(duì)接焊機(jī)的研制[J].機(jī)電工程，2005，22（6）：4.

The Process of Hot Plate Welding of Automobile Plastic Fuel Tank

YAN Bi-chao1，QIAO Lu2
（1.Department of Mechanical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan Hubei 430068，China；2.Shenzhen Yuanwang Industry Automation Equipment Co.，Ltd.，Name of Organization，Shenzhen Guangdong 518101，China）

This article introduced the hot plate welding method of automotive plastic fuel tank. Welding principle，working process，process parameters and checking method of the welding quality were described in detail，in favor of plastic fuel tanks hot plate welding method application.

plastic fuel tank；hot plate welding；process

U466

B

1672-545X（2016）09-0129-03

2016-06-15

鄢必超（1978-），男，湖北人，工程碩士在讀，主要從事汽車(chē)塑料燃油箱加工設(shè)備的研究。