焊接螺栓装配中断裂原因分析及预防

张卫新， 舒丽群， 雷 奎， 梅 维， 谢作享， 张 杰

（浙江华远汽车零部件有限公司， 浙江 温州 325000）

焊接螺栓，头下凸点与母材焊接后，与螺母配合，紧固连接两个以上带有通孔的零件，以下简称螺栓。焊接过程，螺栓放置于座面上，导通电流，螺栓与焊接母材之间激发电弧，电弧将凸点与焊接母材表面熔化，形成焊接熔池，自动加压，电流终止，电弧熄灭，同时熔池凝固，焊接过程完成[1]。

国内关于焊接螺栓装配断裂的研究很少，大多关注焊接强度、垂直度、连接系统应力、焊接工艺等[2-4]。由于缺少焊接螺栓装配过程中的相关研究文献，在产品合格的情况下，装配出现小概率断裂，一直未找到根本原因，所以不能进行防范。作者结合实际装配中发生的断裂问题，通过正交分析，提出影响断裂的潜在因素。

1 产品断裂概况

焊接螺栓通过法兰面螺母将夹持体滑轨架、白色钣金件、黑色钣金件紧固。现场装配使用23 N·m气动枪将螺母拧入焊接螺栓，焊接螺栓在位于螺母法兰面螺纹处发生断裂，断口位置如图1 所示，断口形貌如图2 所示，产品性能尺寸检测信息如表1所示。

图1 紧固结构及断裂位置图

图2 断口形貌

表1 产品性能尺寸检测信息

2 模拟装配实验设计及结果

2.1 实验设计

使用德国Zwick 螺纹紧固分析系统，设备型号5413-2777/03，设定转速300 r/min，扭矩设定值大于破坏扭矩，选用GB/T 16674.1—M8×28 六角法兰面螺栓实验。夹持板120mm×60mm×10mm，孔径Φ10mm。因素A 为摩擦系数，使用黄油涂抹在螺纹和法兰端接触面降低摩擦系数；因素B 为偏心载荷，螺栓头部增加30°楔垫块，增加偏心；因素C 为弹簧常数，在螺母支撑面增加2个垫片，提高弹簧常数。设计3 因素2 水平全因子正交实验。产品状态与代码值转换表如下页表2 所示。各因素低水平与高水平的实验方式如下页图3、图4、图5 所示，正交表L8（23）如下页表3 所示。

表2 产品状态与代码值转换表

表3 正交表L8(23)

图3 图左涂油，图右未涂油

图4 图左有楔垫，图右无楔垫

图5 图左有平垫，图右无平垫

2.2 实验结果

在全因子实验中，每组进行5 次重复试验，实验结果如表4 所示。

表4 正交试验设计及结果

3 结果分析

被连接件间存在间隙，拧紧过程中，存在较大的压缩量，由式（1）知，弹簧常数K 固定，变形量λ 增加，螺栓上的轴向力F 增加；螺纹啮合，螺纹齿不一定均匀分摊轴向预紧力，材料拉长受限，螺纹末端不能充分分担前，靠近螺栓头部螺纹齿牙受力集中，增加断裂风险；螺母与钣金件间贴紧的瞬间产生侧向滑动，摩擦系数降至0.005～0.020，由公式（2）知，产生较大的轴向力，当螺栓与焊接面不垂直时，也容易造成侧滑[5]。摩擦系数的降低导致轴向力增加，装配扭矩发生断裂。

式中：d2为螺纹中径；dw为支撑面等效摩擦直径；P为螺距；α 为螺纹摩擦系数；μs为螺纹摩擦系数；μw为支撑摩擦系数；T 为紧固扭矩。

通过方差分析判断三个因素对装配过程中的显著性影响，因素影响主次顺序为A＞AC＞AB，增加断裂风险的条件为A2，AB1，AB2，结合原理性分析，摩擦系数、弹簧常数、偏心载荷是造成螺栓断裂的影响因素；方差分析结果指出，摩擦系数F 值大于F0.01的临界值，对装配断裂呈现高度显著性影响。方差分析如表5 所示。

表5 方差分析

4 结语

通过正交表L8(23)实验，对摩擦系数、弹簧常数、偏心载荷三个因素影响进行分析。在产品性能各方面合格的情况下，摩擦系数低会增加装配过程中断裂的风险，弹簧常数和偏心载荷基于摩擦系数低的情况下也会影响装配断裂。