搭鐵螺柱斷裂原因及改進措施

李 江， 朱文濤， 姜起東， 胡微微， 金朝華

（奇瑞汽車股份有限公司， 安徽蕪湖 241000）

0 引言

汽車電器系統常采用直流電， 通常電路有正極和負極之分，采用單線制，即蓄電池正極與電器元件相連，負極就近搭接在底盤、發動機或車身鈑金上，而底盤、發動機或車身鈑金被作為共用導線，這種負極與底盤、發動機或車身鈑金相連的方式稱為搭鐵，也稱為接地。

為獲得更好的導電性， 此處搭鐵采用鍍銅焊接螺柱和鍍鋅蓋形螺母組合形式，搭鐵焊接螺柱制造工藝：材料改制→冷鐓成型→搓絲→鍍銅→檢驗→入庫； 搭鐵蓋形螺母制造工藝： 材料改制→冷鐓成形→攻絲→鍍鋅→檢驗→入庫。 搭鐵螺柱與螺母的組裝力矩為3N·m，焊接后隨整車進行電泳和涂裝， 在總裝車間拆卸螺母后裝配導線端子，再將螺母緊固至工藝扭矩。某車型搭鐵螺柱的規格為M6、強度等級為5.8 級，表面鍍銅，材料為20Mn-TiB，在總裝車間裝配導線端子工序中出現拆卸螺母困難，導致多例螺柱斷裂的現象。

1 理化分析

1.1 搭鐵組合件結構

搭鐵組合件結構如圖1 所示。

圖1 搭鐵組合件結構圖

1.2 宏觀分析

如圖2 所示， 螺柱斷裂位置在螺母擰入端， 且在螺母第一牙和第二牙之間，螺柱外螺紋明顯被撕裂。 螺柱斷口位置呈灰色 （未顯現氧化腐蝕），經初步分析判定：由于內、 外螺紋抱死，導致在拆卸時螺柱部位承受過大的瞬間扭力，超過其屈服極限（即超過破壞扭矩），從而發生斷裂。

圖2 斷裂位置

1.3 化學成分

失效件化學成分檢測， 根據GB/T 4336—2016 檢測方法， 化學成分檢測設備： 島津PDA-7000， 檢測結果： 化學成分滿足GB/T 3077—2015 的要求，化學成分實測結果見表1。

表1 化學成分

1.4 硬度

失效件硬度檢測， 根據GB/T 4340.1—2009 檢測方法，硬度檢測設備：Zwick ZHV30-AF，檢測結果：硬度滿足GB/T 3098.1—2010 中5.8 級螺栓或螺柱要求，硬度實測結果見表2。

表2 維氏硬度

1.5 金相組織

失效件金相組織檢測， 根據GB/T 13298—2015 檢測方法，金相組織檢測設備：蔡司Axio Imager.Alm。金相組織見圖3，組織為鐵素體+球粒狀珠光體，判定為正常組織。

圖3 金相組織

1.6 斷口形貌

失效件斷口形貌電鏡檢測，依據內部檢測標準《掃描電鏡微觀分析試驗方法》規定的檢測方法，掃描電鏡：FEI Inspect S，斷口形貌如圖4（a）所示，為韌窩形貌，圖4（b）顯示螺柱牙頂旋出時被撕裂及螺牙變形。

圖4 斷口形貌

1.7 螺母螺紋質量

檢查同批次螺母， 發現其旋入端螺紋第一牙牙尖處有毛刺、損傷等缺陷，如圖5 所示。

圖5 螺母螺紋質量

分析判定：蓋形螺母螺紋處存在毛刺，導致內、外螺紋抱死，在拆卸時螺柱部位承受過大的扭力，超過屈服極限，從而發生斷裂，因此毛刺應為導致螺柱斷裂的主要誘因。

2 原因分析

針對螺紋出現毛刺質量缺陷，從人、機、料、法、環進行分析及排查（見圖6）。 最終分析為：因螺紋絲錐超壽命使用，磨損嚴重，造成螺紋攻絲過程中出現毛刺，同時現場檢驗指導書對螺紋缺陷檢測無明確要求， 導致不合格品流出。

圖6 魚骨分析

（1）人員。 質檢員在巡檢、抽檢過程中未能發現毛刺，分析為質檢員未能充分理解相關質量要求。 要求制造商組織內部整改， 并組織舉一反三的質量專題培訓，針對螺紋毛刺等質量缺陷，形成現場控制、指導文件。

（2）機。 檢查近期設備點檢表，參數穩定，未發現異常； 檢查絲錐維護/更換記錄， 單一絲錐使用記錄在（5000～6600）件之間，由此推測部分絲錐超出使用壽命或受損 （經確認該品牌絲錐設計使用壽命在6500 件左右）。

（3）料。 生產材料排查，化學成分滿足標準要求；檢查冷鐓過程保留的首、末件和現生產件，發現沖孔斷裂帶臺階均勻，狀態一致。

（4）法。 現場有作業指導書和檢查指導書，但對螺紋毛刺的質量缺陷沒有明確檢驗要求和方法； 現場無外觀、螺紋毛刺質量缺陷警示卡。

（5）環。 現場操作和外觀挑選工位有安裝照明燈，光照度符合產品檢查要求，目視可以發現內螺紋毛刺。

3 缺陷再現

3.1 缺陷驗證

首先清空自動化攻絲設備內所有產品， 將壽命到期更換下的絲錐安裝到設備上， 按正常生產工藝生產5 件產品。將生產的產品和故障件進行對比分析，發現使用壽命到期的絲錐生產的螺母，螺紋均出現毛刺，與故障件位置相同，狀態如圖7 所示。

圖7 毛刺再現

3.2 缺陷產生時間驗證

按照正常生產工藝，使用全新絲錐開始加工，驗證生產過程中，螺紋毛刺產生的時間。 通過過程抽樣檢測，發現絲錐在加工至5500 件左右時，螺紋前三牙開始出現毛刺，狀態如圖8 所示，在加工至6000 件左右時，螺牙表面粗糙，毛刺增多，狀態如圖9 所示。

圖8 5500 件螺紋狀態

圖9 6000 件螺紋狀態

4 解決措施

（1）自動攻牙控制器設定絲錐攻牙生產上限數量，設備監測到5000 件上限時自動停機、等待、報警，由專業人員更換新絲錐后，方可重新啟動設備作業，并做好絲錐更換記錄。

（2）制作現場質量缺陷警示卡，對作業員和質檢員進行質量缺陷專題培訓。

（3）更新現場作業指導書和檢驗指導書，要求首/末件各檢測5 只，過程檢測5 只/h。

圖10 設備參數設定

圖11 指導書和警示卡

5 改進效果

經改進后，螺母螺紋無不良缺陷，螺紋狀態如圖12所示。 措施實施后，跟蹤監控生產2 個月，期間生產此螺母12 個批次，共計50 萬只，未發現螺紋毛刺等缺陷；監控并記錄總裝車間1 個班次裝配導線端子工序中拆裝螺母情況，未出現螺柱斷裂情況，記錄見表3，后續持續跟蹤3 個月，未出現斷裂情況，證明改進措施有效。

圖12 改進后螺紋狀態

表3 總裝搭鐵螺母拆裝監控記錄

6 結論

失效的焊接螺柱材料和性能符合標準要求。

工裝夾具的質量會直接影響緊固件質量， 因此需要對螺紋緊固件生產中工裝夾具進行全生命周期的管理，確保產品質量一致性。

螺紋質量影響緊固件的裝配效果， 緊固件生產中搓絲或攻絲作業指導書和檢驗指導書應包含螺紋質量缺陷的控制和檢驗， 防止不合格品流出。