焊接螺栓裝配中斷裂原因分析及預防

張衛新， 舒麗群， 雷 奎， 梅 維， 謝作享， 張 杰

（浙江華遠汽車零部件有限公司， 浙江 溫州 325000）

焊接螺栓，頭下凸點與母材焊接后，與螺母配合，緊固連接兩個以上帶有通孔的零件，以下簡稱螺栓。焊接過程，螺栓放置于座面上，導通電流，螺栓與焊接母材之間激發電弧，電弧將凸點與焊接母材表面熔化，形成焊接熔池，自動加壓，電流終止，電弧熄滅，同時熔池凝固，焊接過程完成[1]。

國內關于焊接螺栓裝配斷裂的研究很少，大多關注焊接強度、垂直度、連接系統應力、焊接工藝等[2-4]。由于缺少焊接螺栓裝配過程中的相關研究文獻，在產品合格的情況下，裝配出現小概率斷裂，一直未找到根本原因，所以不能進行防范。作者結合實際裝配中發生的斷裂問題，通過正交分析，提出影響斷裂的潛在因素。

1 產品斷裂概況

焊接螺栓通過法蘭面螺母將夾持體滑軌架、白色鈑金件、黑色鈑金件緊固。現場裝配使用23 N·m氣動槍將螺母擰入焊接螺栓，焊接螺栓在位于螺母法蘭面螺紋處發生斷裂，斷口位置如圖1 所示，斷口形貌如圖2 所示，產品性能尺寸檢測信息如表1所示。

圖1 緊固結構及斷裂位置圖

圖2 斷口形貌

表1 產品性能尺寸檢測信息

2 模擬裝配實驗設計及結果

2.1 實驗設計

使用德國Zwick 螺紋緊固分析系統，設備型號5413-2777/03，設定轉速300 r/min，扭矩設定值大于破壞扭矩，選用GB/T 16674.1—M8×28 六角法蘭面螺栓實驗。夾持板120mm×60mm×10mm，孔徑Φ10mm。因素A 為摩擦系數，使用黃油涂抹在螺紋和法蘭端接觸面降低摩擦系數；因素B 為偏心載荷，螺栓頭部增加30°楔墊塊，增加偏心；因素C 為彈簧常數，在螺母支撐面增加2個墊片，提高彈簧常數。設計3 因素2 水平全因子正交實驗。產品狀態與代碼值轉換表如下頁表2 所示。各因素低水平與高水平的實驗方式如下頁圖3、圖4、圖5 所示，正交表L8（23）如下頁表3 所示。

表2 產品狀態與代碼值轉換表

表3 正交表L8(23)

圖3 圖左涂油，圖右未涂油

圖4 圖左有楔墊，圖右無楔墊

圖5 圖左有平墊，圖右無平墊

2.2 實驗結果

在全因子實驗中，每組進行5 次重復試驗，實驗結果如表4 所示。

表4 正交試驗設計及結果

3 結果分析

被連接件間存在間隙，擰緊過程中，存在較大的壓縮量，由式（1）知，彈簧常數K 固定，變形量λ 增加，螺栓上的軸向力F 增加；螺紋嚙合，螺紋齒不一定均勻分攤軸向預緊力，材料拉長受限，螺紋末端不能充分分擔前，靠近螺栓頭部螺紋齒牙受力集中，增加斷裂風險；螺母與鈑金件間貼緊的瞬間產生側向滑動，摩擦系數降至0.005～0.020，由公式（2）知，產生較大的軸向力，當螺栓與焊接面不垂直時，也容易造成側滑[5]。摩擦系數的降低導致軸向力增加，裝配扭矩發生斷裂。

式中：d2為螺紋中徑；dw為支撐面等效摩擦直徑；P為螺距；α 為螺紋摩擦系數；μs為螺紋摩擦系數；μw為支撐摩擦系數；T 為緊固扭矩。

通過方差分析判斷三個因素對裝配過程中的顯著性影響，因素影響主次順序為A＞AC＞AB，增加斷裂風險的條件為A2，AB1，AB2，結合原理性分析，摩擦系數、彈簧常數、偏心載荷是造成螺栓斷裂的影響因素；方差分析結果指出，摩擦系數F 值大于F0.01的臨界值，對裝配斷裂呈現高度顯著性影響。方差分析如表5 所示。

表5 方差分析

4 結語

通過正交表L8(23)實驗，對摩擦系數、彈簧常數、偏心載荷三個因素影響進行分析。在產品性能各方面合格的情況下，摩擦系數低會增加裝配過程中斷裂的風險，彈簧常數和偏心載荷基于摩擦系數低的情況下也會影響裝配斷裂。