制样对超声波测试轴力的影响

张卫新，杨 潇，舒军建，郑文皓，李秀芳，洪东生

（1.浙江华远汽车零部件有限公司，浙江 温州 325000；2.长安马自达汽车公司技术研发中心，江苏 南京 211100）

超声波轴向预紧力测量方法，是指螺栓在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差为T0，螺栓在紧固状态下，螺栓发射和接收电信号之间的时间差为T1，依据电信号收发时间差与螺栓的变形量的关系，得到螺栓的变形量ΔL，最终由iBolt智能螺栓系统依据ΔL并结合公式得出该状态下螺栓的预紧力。超声波轴向预紧力测量只需在螺栓两端加工成平面，不改变螺栓拉伸弹簧常数，因松弛系数未改变，该方法最适合通过轴力评价松动。

影响超声波测螺栓轴力标准差大的原因，国内无相关研究文献。实际测量经验表明，影响螺栓标准差的环节来源样品加工，螺栓的轴力是影响汽车松动的重要因素，螺栓被行业当中广泛使用，产品用量大，若准确判断螺栓在装配后的轴力，需减少测量产生的偏差。作者使用超声波检测设备，充分分析影响测量值波动的相关影响因素，进行实验分析，从数据上为轴力测试过程中提出关键性的控制因素，以提高超声波测试残余轴力的准确性。

1 研究背景

2020年7月，南京某主机厂，现场测试车身螺栓轴力过程中，轴力波动范围0.5～1.0 kN，数值较大的波动对确定轴力实际数值带来较大困难，严重影响正常的结果评判，现场测试轴力-时间曲线如图1所示。设备厂家对测试数据处理方式进行软件升级后，波动性有所改善。为进一步研究产品因素带入的波动性，依据产品制样方式，对不同加工状态进行充分分析，得出影响力值波动的因素，为制样的过程控制提供参考。

图1 轴力-时间曲线

2 轴力标准差分析

超声波在螺栓的传输过程中，因各种因素会导致测量并计算发射和回波电信号之间时间差产生变化，差异大的数值增加不稳定，经过计算得到较大标准差，反应出测试轴向力值的不稳定。本文主要从制样的过程方向进行分析，研究制样过程对标准差的影响。

2.1 预紧力测量机理

超声波经过金属传播时，传播速度v与金属受到的应力σ呈线性关系，关系式使用式（1）表示，其中v0为无载荷状态下的传播速度，k由材料和超声波频率确定的常数，关系式使用式（6）表示；应力施加在金属上时，金属伸长，关系式使用式（2）表示，L0无载荷作用时的长度，L在应力σ作用下的长度，E金属材料的弹性模量。应力施加到金属上，传播速度与长度发生改变，两种现象产生叠加效应，超声波从金属一端进入，从另一端反射并返回所消耗的时间t增加，变化量为Δt，逆向计算可得到施加的应力[1]。施加轴力F后，金属产生的时间差可用式（3）表示。超声波测试如图2所示。螺栓形状和尺寸如图3所示，其中，l0螺栓全长，lc螺栓和螺母支承面间距离，l1螺栓杆等效长度，关系式使用式（4）表示，l2轴向预紧力作用的螺纹处等效长度，关系式使用式（5）表示，lc1螺栓杆长，lc2螺纹到螺母支承面长度，A1螺栓杆部横截面面积，A2螺栓螺纹处横截面面积，d螺栓杆部直径，P螺距。

图2 超声波测试

图3 螺栓形状和尺寸

2.2 影响标准差的因素

螺栓轴向预紧力F是通过螺栓与螺母的两个支撑面之间的距离与实际条件相同的条件下，测量拧紧前后超声波在螺栓中往返传播的时间差建立关系，完成轴力测试。通过理论分析，影响声时差的主要因素有：标定常数，预紧力长度，横截面面积，弹性模量，无载荷状态下的传播速度，轴向预紧力大小。在测试过程中，这些因素已设置在软件中，没有明显波动，但螺栓在加工过程中，会引入影响超声波传播和反射的明显波动因素，包括陶瓷贴片使用的胶量，加工平面的垂直度，凹槽加工尺寸的大小，加工表面的粗糙度，加工面的锈蚀或防锈处理，重复性贴片。本文从加工不确定的影响因素展开分析。

3 试验

选用螺栓S进行标定，并完成装配试验，性能10.9级，规格M12*1.25*40，配套镀锌螺母M，规格M12*1.25，夹持体21 mm叠加厚度的2个环规，P800砂纸用于打磨环规接触面，螺栓通过数显扭矩扳手拧紧至92 N·m，扭矩扳手量程200 N·m，粗糙度测量仪型号是SJ-410。螺栓A标定曲线如图4所示。对识别出的相关因素，做正交分析，实验结果重复性测量5次。

图4 螺栓S标定曲线

3.1 试验设计

从影响螺栓制样的加工因素考虑，设计实验方案如下：

同一批螺栓在相同工艺相同环境下重复使用同一个被连接件拧紧，重新使用的夹持体需砂纸磨至无痕。被连接件状态如下页图5所示。影响因素与代码转换如表1所示。因素B，通过螺栓头部加工成圆柱形沉孔，将陶瓷片贴至孔内，沉孔深度是0.5 mm和0.8 mm，直径是6 mm和7 mm，进行交互设计。陶瓷片和沉孔如下页图6所示。沉孔状态和代码转化如下页表2所示。

表2 沉孔状态和代码转化

图5 被连接件状态

图6 陶瓷片和沉孔

表1 影响因素与代码转换表

3.2 试验结果

产品因素B使用正交L4（22）分析，其余产品因素使用单因素方差分析[2]。因产品被夹紧后，螺栓轴力逐渐衰减，短时间内完成的因素F和G使用轴力值（kN）作为响应变量，其余产品使用标准差作为响应变量。单因素方差分析结果如表3-表9所示。

表3 胶水使用量分析

表4 贴片孔径加工分析

表5 端面加工垂直度分析

表6 端面加工粗糙度分析

表7 端面加工生锈分析

表9 重复贴片分析

3.3 结果分析

因素A，使用少量胶水和大量胶水完成同一个螺栓贴片，陶瓷片完全贴合金属基体，紧固螺栓，观察前后轴力波动的标准差，结果无明显差异。

因素B，同一批次螺栓，螺栓头部加工不同的沉孔尺寸，紧固后，结果无明显差异。

因素C，正常加工端面的螺栓，轴力测试后，将螺纹尾部加工成斜面，再紧固测试，记录两次标准差，结果存在高度显著影响。斜面影响回波强度，且波动性增大。端面垂直度波形如图7所示。

图7 端面垂直度超声波形

因素D，低粗糙度螺栓，紧固后记录波动值，增加螺栓粗糙度，紧固后记录波动值，方差分析表明，结果存在高度显著影响。粗糙度值如表10所示。

表10 端面粗糙度

因素E，同一个螺栓紧固后，记录波动值，对螺栓尾部加入水滴，生锈后，重新紧固后，记录波动值，无明显差异。螺栓端面生锈状态如图8所示。

图8 螺栓端面生锈状态

因素F，同一个螺栓紧固后，记录轴力值，连续测量情况下，短时间在螺栓尾部涂白色油漆，再记录轴力值，结果存在高度显著影响。记录结果如表8所示。存在差异的主要原因是涂漆增加了回波的行程。

表8 端面加工防锈分析

因素G，同一个螺栓紧固后，记录轴力值，紧固状态下，去掉头部陶瓷片，重新粘贴，再次测量，结果存在高度显著性差异。

通过识别以上制样过程中的相关影响因素，并进行控制，重新测试轴力-时间曲线，如图9所示，可持续保持稳定数值。制样过程中，控制螺栓加工端面的平整度、粗糙度可提高测量值的稳定性。在测试过程中，加工端面的防锈处理和重复贴片，在实际操作中很少有人关注，在操作顺序上会对结果数值产生明显影响。

图9 轴力-时间曲线

4 结论

通过制样过程中的主要影响因素分析，螺栓制样端面加工的垂直度和粗糙度，会高度影响超声波测试的稳定性；在装车螺栓的轴力测试过程中，陶瓷片不能重复粘贴测试，会显著影响测试结果，螺纹尾部不能进行防锈处理，也会影响测试数据，需在装车前完成防锈处理，并进行超声波置零；螺纹尾部在超声波测试中，在陶瓷片完全贴合的情况下，胶水量不会明显影响测试结果；螺栓头部贴片处不同的加工尺寸，不会影响超声波测试；螺栓尾部出现的一定程度的锈蚀，不会影响超声波的波动性。依据试验中测得的数据，螺栓加工参数及制样总结如下：

1）螺纹端面加工粗糙度（Ra），小于0.30。

2）螺栓头部凹槽加工尺寸可根据陶瓷片大小自由加工。如，3 mm×3 mm，加工直径4.5 mm，深度0.5 mm；4 mm×4 mm，加工直径7 mm，深度0.8 mm。

3）加工端面垂直螺栓轴线。

4）装车测试前完成螺栓防锈处理。

5）装车后的螺栓，避免重复贴片测量。