工程机械油箱制造工艺方面的一些问题

工程机械如挖掘机、装载机、矿山机械等在我们的社会生产活动中得到了越来越广泛的应用。一般的工程机械都有两种油箱，一种是用于存储燃料油（柴油）的燃料油箱，存在于动力系统中，另一种是用于存储液压油的液压油箱，存在于液压系统中。目前大多数工程机械油箱都是由钢板制成的，其生产过程要经过下料、折弯、焊接、气密测试、清洗、密封、前处理、涂装、装配等步骤来完成。一般来讲，在对油箱各项技术要求中，无泄漏和内部清洁度是两项最为重要的指标，所以，工艺设计也主要围绕这两项指标进行。当然，有的油箱直接外露，其造型已成为该工程机械的一个特征，这样的油箱就另外需要注意外观；有的油箱还要安装许多其他较重的零部件，油箱又兼有承重功能，这样的油箱就需要同时关注结构强度，等等。下面就油箱在制造过程中经常遇到的问题与大家分享一下。

下料与折弯

在油箱本体的构成上，尽量以折弯替代焊接

因多数工程机械油箱的壁厚较厚，不易做成复杂的造型，故箱体形状都被设计成方形的，在不影响使用功能的前提下，要设法尽量缩短焊接长度，也就是减少板的数量，以折弯替代焊接。举一个简单的例子，比如一个一米见方的油箱，如果不弯板的话，就需要用六块板拼出箱体的形状，总的焊接长度12m。但如果设计成两张折弯板对接到一起，则焊接长度减少为8m，仅为以前的三分之二，折弯省下了四条焊道，参见图1。

图1 以两张折弯板替代六块平板

减少焊接长度，不单单是缩短了焊接时间，其好处多多。首先，折弯属于冷加工，成形后的结构强度高于焊接，出现缺陷的风险也低，对防止泄漏极为有利；其次，折弯的作业效率也远高于焊接；再次，折弯不存在难以对付的焊接变形问题。所以在上述的例子中，表面上虽然焊接长度减少了三分之一，但实际节约的工时远不止如此，还提升了油箱的性能。

同样形状的油箱，也有不同的拆分方法

以一个长600mm、宽400mm、高800mm的箱体为例，有这样两种拆分方式，参见图2，如按左侧的方式拆分，需要焊接总长度为5.2m，且底部过窄，折弯极为困难。如按右侧的方式拆分，则焊接总长度缩短为4.4m，折弯也容易，是首选的拆分方式。

图2 两种拆分方式对比

焊接

三条焊道交汇点的焊接

箱体如能拆分成如上面所讲的两张折弯板的话，对焊接最为有利，因为实现全周焊接只需要一条焊道。但如果箱体板的数量超过两块，则在三块板交汇处将出现三条焊道汇聚于一点的情况，这时候就需要做一些工艺处理，如图3所示，在一块板侧边上做切口，使对侧板边缘充分暴露，形成角对角结构。焊接时先焊此处，然后焊接焊道1和焊道2，最后再焊接焊道3，这样可以确保焊道交汇点不出现泄漏，同时也能获得足够的结构强度。

图3 三条焊道交汇处要开工艺切口

内部隔板的焊接

对于有内部隔板的箱体，如何焊接隔板是一个在设计期间必须考虑好的问题，因为不论箱体板由几块板构成，隔板一般至少要与两块箱体板相连。箱体组焊前，隔板要先与第一块板焊接，这个没有问题，但当与第二块板焊接时，由于箱体已经组焊到了一起，此时再焊接隔板已经无从下手，所以要提前为隔板的焊接预留出空间，焊好隔板后再封闭箱体。以图4的箱体为例，该箱体由四块板构成：两块弯板加两块侧板。这种结构一般要焊接好隔板后才可以焊接侧板。如果必须先焊侧板，则隔板只能借助大的法兰口从外部焊接。

图4 内部隔板的焊接

然而还有的箱体是要求内部筋板与侧板相连接的，即箱体封闭后才能焊接筋板，尤其是燃料油箱，没有大的法兰口，无法从外面焊接。这种情况下可以在箱体侧板上开槽，再在筋板边缘加上榫头，对接后榫头外露，就可以在外部焊接了，参见图5。当然，此处必须做到无泄漏焊接。

图5 在筋板边缘加上焊接榫头

内泄漏问题

液压油箱的过滤器腔室常被设计在油箱箱体的内部，而且借用主箱体侧壁作为过滤器腔室的侧壁，这时就容易出现内泄漏的问题。图6是某液压油箱的内部结构，过滤器腔室借用了箱体内壁。因为箱体主焊道是在外部焊接的，如果过滤器腔室也只焊接外部的话，则液压油会沿箱体板的缝隙进入箱体，形成内泄漏，这种泄漏在箱体外部是无法察觉的。避免内泄漏的方法有二，一是预先在箱体内部焊一条防止内泄漏的焊道，焊道两端要与腔室的焊道相连；二是在箱体板上做缺口，使腔室的焊道与箱体主焊道连接成一体。

图6 防止内泄漏的对策

与油箱密封无关的焊道要想办法断开

箱体是靠主焊道来实现密封的，但在结构上，有些筋板会与箱体板合为一体，成为箱体板的一部分的延伸，这时设计者一般也会让主焊道与筋板焊道连在一起。实际上筋板不需要密封焊接，但如果与箱体主焊道连到一起，就也变成了必须密封的焊道，这无形中增加了泄漏的风险。图7是某液压油箱局部，筋板是箱体板的延伸，筋板相对较薄，全周焊接后容易发生应力集中，从而导致油箱泄漏。可以像图8那样在筋板上开切口，这样主焊道便与筋板相互独立不发生联系。

图7 筋板是箱体板的延伸

图8 筋板上开切口

与提高清洁度相关的对策

油箱焊接后经气密试验合格后就进入到内部清洗阶段。清洗过程一般是把油箱固定在旋转变位机上，先用高压水枪冲洗，用高压水击打内壁，打掉那些不是很顽固的氧化皮、焊渣等，然后排净包含较多杂质污物的清洗液，再将清洁的清洗液灌入油箱，封闭箱体，启动变位机，做旋转冲洗。清洁度是油箱的一项主要指标，在结构设计上要考虑如何使油箱更容易清洗。

箱体内部避免出现难以清洗到的死角

油箱在制造过程中会产生焊瘤、焊渣、氧化皮、油污、水分、锈蚀等各类污染物，如果箱体内部出现死角，那么这些污染物就不容易排出，影响油箱的性能。图9是某油箱的局部剖面图，该油箱曾出现过这样的故障，在死角处隐藏了一颗焊瘤，因结构原因未能清洗掉，装车后这颗焊瘤掉进了液压系统，导致液压系统失灵。

图9 箱体内部避免出现死角

减少重叠面积

油箱内部各零件的重叠也是造洗干净的原因。重叠区是指部件紧贴到一起的区域，虽然说间隙厚度理论值是零，但实际上都成为了隐蔽的空间，包括：法兰板与箱体板形成的重叠区，内部的筋板、衬板与箱体板之间形成的重叠区，各箱体板对接时板的切割边缘与对象板构成了宽度为板厚的重叠区，等等。油箱清洗时，清洗液会进入到这些夹缝中去，可是却不容易出来，如果不彻底清除干净，就会为日后的锈蚀埋下隐患。另外，其他污染物也有可能隐藏在缝隙中，将来会跑出来进入到液压油里，污染液压系统。所以在设计阶段就应该尽量减少这些重叠面积。图10就是一个这样的例子，一个有六个螺纹孔的法兰块焊接到箱体外面，原设计是如图左侧那样在箱体上也开六个孔与这些螺纹对应，结果在法兰块与箱体间形成了较大的重叠区域，对清洗不利。后改为在箱体板上开一个涵盖所有的小孔的大孔，同样能满足原设计要求，但重叠面积却大幅减少，对清洗有利。

图10 减少重叠面积

增加必要的排液孔

前面说过是用清洗液清洗箱体内部的，而能否让清洗液在箱体内顺畅流动，以便于清洗液带出污染物也是一个需要关注的问题。阻碍清洗液顺畅流动的钣金部件主要是腔室、隔板以及加强筋板，腔室如果是开放的就可以开几处排液口，避免存水。隔板和筋板一般是不要求密封的，可以开一些缺口以方便清洗液的流动与排出。图11是某燃料油箱的内部筋板，长度接近2米，虽然不存在死角，但因为边长过长，同样不利于清洗液在筋板两侧快速自由地流动，所以有必要加排液口。

图11 增加排液口

法兰件定位止口长度低于板厚

焊接在箱体外部与管路相连接的法兰件，一般要设计安装止口，以防止误用并方便定位。图12是一个改善案例，由于原设计没有定位止口，这个管件就不容易正确定位，容易焊歪，改进设计后增加了定位止口，这就带来了三个好处：一是定位容易，一致性好；二是加厚了管壁，减少焊接热变形对螺纹精度的影响；三是缩短了箱体内部的凸出长度，更便于用工具清理油箱内壁。不过不是所有的法兰管都能做这样的改进，当法兰管较厚但又不希望外部露出太多时就不能缩短内部的凸出了。

图12 法兰件定位止口长度低于板厚

容易排掉清洗液

油箱还要考虑如何容易排掉清洗液，比如在最后的旋转清洗时，箱体要旋转到一个特定的角度使残留的清洗液尽最大可能排出。这个最低点的排出口就不能高于内壁，最佳的处置方法是在箱体底部设计一最低区域（凹坑），使清洗液都能汇聚到这里，从这个最低点排出。图13就是一种较好的设计，油箱板底部用模具压出一个凹坑，凹坑下面再焊接一个螺纹接头，这样的结构不仅在制造油箱的阶段有用，在日常使用中用来排出油箱底部的水分、杂质也很方便。

图13 箱体底部增设凹坑

大口径法兰内外都焊接

如果法兰口径较小，则仅在外部焊接即可。如果口径较大，则建议在内圈也做焊接。两侧焊接不仅能保证强度，而且也由于切断与箱体内部的联系因而能等效减小重叠区域。图14是某燃料油箱矩形清洗法兰口的局部截面，法兰框外尺寸1400mm×880mm，法兰方钢内侧开焊接坡口，焊接后与箱体内沿平齐。

图14 大口径法兰内外都焊接

要尽量提高下料和折弯的精度

要求箱体板要有较高的下料与折弯精度，这不仅是为了满足尺寸方面的符合性，在对提高清洁度方面也是有贡献的。小的间隙可以减低焊渣飞溅到箱体内部的几率，减轻受污染的程度。

与箱体尺寸相关的问题

在开篇序言当中我并没有把尺寸精度列入关键指标当中，这是因为油箱作为一种功能件，人们首先关注的是无泄漏和内部清洁度这两项特性，实际上尺寸的重要性是不言而喻的，尤其是那些直接外露的油箱。油箱一般是直接安装到车架上的，设计基准也一般定在箱体支架上，箱体的形位公差都基于这些基准建立。如果制造出来的油箱有尺寸或位置度的偏差，将会导致箱体装配困难甚至无法装配，或者出现无法与其他装配单元相匹配的问题。要获得好的尺寸精度需要注意以下几个环节。

⑴确保下料和弯板的精度，这是能制作出合格箱体的前提，当然也影响到前面提到过的清洁度问题。目前下料多使用激光切割机等数控设备，尺寸精度较高，问题多出在弯板环节，尤其是大型板面的折弯，因板材较重，折弯R角大，又需要多人同时推举，所以容易导致弯板尺寸波动大。使用折弯随动装置可以实现省力化，并能提高折弯精度。另外，考虑到焊接收缩问题，板料展开有时需要做适当补偿。

⑵箱体板做子部件焊接后要矫正焊接变形。箱体单板在完成子部件焊接后都会产生焊接变形，这种变形必须预先矫正好，为下一步的拼接做准备。

⑶保证箱体板的拼接精度。各箱体板能否正确拼接也是决定尺寸精度的关键，作业人员要有一丝不苟的精神，并辅以必要的工装，并做拼接后的尺寸检验来确保每一台油箱的拼接精度。

⑷设计好主焊接工艺，包括焊接参数、各焊道对接方案、焊接顺序等，这需要积累一定的实践经验，若这个环节处理不好，造成箱体扭曲变形是很难修复的，这个还会在后面做进一步描述。

⑸油箱支架尽量最后焊接。这还是源于焊接变形的问题，如前所述箱体多以支架为基准，如果过早地焊接支架，后续的焊接变形会导致基准偏移，影响油箱整体尺寸精度。

设计图与实际制造流程不一致的问题

油箱焊接图包含很多的零部件，除了箱体板外，还有内部的隔板、管路，外部的各类法兰、支架、固定件等，在图纸上形成一长串的部件清单，这些部件最终都是要焊接到一起的。有的油箱设计者基于零件的归属来设计图纸，比如将某一块箱体板连同所有焊接于此的零件作为一个单元，出一张子部件焊接图，其他的箱体板也是如此，以此类推，有几块箱体板就做几个单元的焊接图，再把这些单元合到一起形成油箱总焊接图。这种方法在非焊接类的装配件上可行，但箱体不是按这样的方式制造的，这样的单元焊接图在实际制造过程中也不存在，这是油箱的焊接工艺不同于其他装配工艺的地方。油箱的箱体板料相对较薄，单板焊接最大的问题是容易产生明显的焊接变形，这种变形是不容易抑制和矫正的，用变了形的单元板再去拼焊箱体难度就大了，甚至无法拼接出合格的箱体。因此，一般的焊接工艺是先把各箱体单板内部的筋板、隔板等合体后无法焊接的件预先焊好，而箱体外部的零件都不要焊。矫平后拼接箱体板，检验合格后做必要的防护遮蔽，再开始做最重要的焊接——全周密闭焊接，这样箱体的主体结构就出来了。箱体密封焊接后刚性加强，抵抗焊接变形的能力也提高了，此时再焊接外部其他的焊接件就不会产生大的变形了。

结束语

随着工程机械性能的不断提升，对油箱的要求也越来越高。要想制造出一台好的油箱，需要设计、工艺及生产施工这三方的密切协作。在油箱的设计阶段，设计者就要与工艺人员做深入的交流，使设计者的意图完整清晰地传达给工艺人员，后者也要对设计不合理或工艺难以实现的地方提出优化改进建议。设计图完成后，在工艺人员充分理解设计意图的基础上，编制详细的生产工艺文件。而现场作业者又要认真遵照工艺文件进行施工生产，做到最佳实践，这样便可以造出优质的油箱。

——摘自《钣金与制作》 2021年第1期