懸置安裝螺母擰緊滑絲問題分析與優(yōu)化

秦興祖，張雯，武勝軍

北京汽車研究總院有限公司 北京 101300

1 序言

汽車金屬零部件會使用多種連接方式，包括電阻點焊、電阻凸焊、MAG/MIG焊、激光焊、釬焊等傳統(tǒng)焊接工藝[1，2]， SPR、FDS、TOX等機械連接工藝[3，4]，以及CMT、FSW等先進焊接工藝[5，6]。汽車焊接結構一般不允許失效發(fā)生在連接位置，但是由于連接設計或工藝缺陷導致的失效問題也有發(fā)生[7，8]。副車架是汽車底盤系統(tǒng)的重要零部件，鋼制副車架使用氣體保護焊對沖壓鈑金件進行焊接，同時需要在鈑金件上焊接螺母用于懸置等零部件的螺栓聯(lián)接安裝。某車型前副車架上的懸置安裝螺母在開發(fā)階段進行的擰緊驗證試驗中出現(xiàn)滑絲現(xiàn)象，擰緊轉矩120N·m。為明確試驗失效原因，使用金相顯微鏡和維氏硬度計對懸置安裝螺母和擰緊螺栓進行金相組織和硬度檢測分析。懸置安裝螺母規(guī)格為M10×1.25的焊接方螺母，強度等級10級，材料牌號10B21，與之配合的擰緊螺栓強度等級為10.9級，材料牌號SCM435。擰緊螺栓和懸置安裝螺母如圖1所示，其中擰緊螺栓與懸置安裝螺母配合的齒形已完全破壞。

2 金相和硬度檢測與分析

圖1 擰緊螺栓和懸置安裝螺母

將出現(xiàn)擰緊滑絲問題的懸置安裝螺母和擰緊螺栓進行金相試驗，腐蝕劑為2%的硝酸酒精。二者的齒形和金相組織分別如圖2、圖3所示。由圖2a可知，懸置安裝螺母沿擰緊方向的前3個齒形已破損并存在材料缺失，齒形損壞程度沿擰緊方向遞減，至沿擰緊方向的第4個齒形損壞現(xiàn)象消失。圖2b中的A區(qū)域是焊接熱影響區(qū)中的不完全淬火區(qū)[9]，金相組織受焊接熱輸入影響由調(diào)質(zhì)組織轉變?yōu)楹写罅胯F素體和少量馬氏體的雙相組織（見圖2c）。圖2b中的B區(qū)域是焊接熱影響區(qū)中的回火區(qū)[9]，金相組織仍保持調(diào)質(zhì)組織形態(tài)，但其中的鐵素體已發(fā)生多邊形化（見圖2d）。

由圖3a、b可知，擰緊螺栓與懸置安裝螺母配合部位的螺紋齒形已發(fā)生變形和破損，形成原因為懸置安裝螺母齒部受焊接熱輸入影響強度下降，在擰緊驗證試驗中齒形出現(xiàn)破損，擰緊螺栓與之配合的螺紋受累產(chǎn)生變形和破損，同時可發(fā)現(xiàn)螺紋承載面齒形存在折疊缺陷。由于擰緊螺栓的螺紋齒形變形是整體變形，并且沒有在折疊缺陷位置發(fā)生裂紋擴展和斷裂，因此判斷該折疊缺陷不是產(chǎn)生此次擰緊滑絲問題的原因，但應用中應避免有此類缺陷。由圖3c可知，擰緊螺栓的金相組織為調(diào)質(zhì)組織，硬度檢測結果為351HV，硬度試驗的檢測位置為距螺紋末端一個螺紋直徑的橫截面的圓心與1/2半徑之間的區(qū)域，符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》規(guī)定的10.9級螺栓的金相組織和硬度要求

根據(jù)GB/T 3098.2—2015《緊固件機械性能螺母》，M10×1.25規(guī)格的10級螺母硬度要求值為295～353HV。在圖4所示的測試點進行硬度試驗，結果如圖5所示。由圖5可知，懸置安裝螺母焊接熱影響區(qū)的不完全淬火區(qū)和回火區(qū)的維氏硬度已低于標準要求值，特別是不完全淬火區(qū)，其維氏硬度試驗結果為193HV，與標準要求值存在較大差距，對螺紋的保載能力存在不利影響。

結合懸置安裝螺母的金相和硬度檢測結果，可發(fā)現(xiàn)懸置安裝螺母損壞的齒形處于焊接熱影響區(qū)的不完全淬火區(qū)域內(nèi)，金相組織由調(diào)質(zhì)組織轉變?yōu)楹写罅胯F素體和少量馬氏體的雙相組織，使其強度出現(xiàn)了大幅下降，螺紋的保載能力由此變?nèi)酰瑥亩跀Q緊試驗中出現(xiàn)螺紋損壞的現(xiàn)象，導致擰緊滑絲問題產(chǎn)生。

3 擰緊滑絲問題整改建議與效果驗證

圖2 懸置安裝螺母齒形和金相組織

圖3 擰緊螺栓齒形和金相組織

圖4 懸置安裝螺母硬度試驗點位置

圖5 懸置安裝螺母硬度試驗結果

針對擰緊滑絲問題產(chǎn)生的原因，在設計和生產(chǎn)中應避免焊接熱影響區(qū)對懸置安裝螺母的齒部強度產(chǎn)生影響，因此建議整改措施為：使用電阻凸焊替代MAG焊，以降低焊接熱輸入，或使用法蘭邊焊接螺母替代焊接方螺母，以增加焊縫至螺紋的距離。

由于焊接設備替代不便的原因，最終采用法蘭邊焊接螺母替代焊接方螺母的方案。對該方案進行整改效果驗證。金相試驗結果顯示，焊接熱影響區(qū)中的不完全淬火區(qū)可以控制在法蘭位置，（見圖6a），法蘭邊焊接螺母齒部金相組織仍為調(diào)質(zhì)組織（見圖6b）。硬度檢測結果顯示，齒部硬度為320HV，符合GB/T 3098.2—2015標準中對M10×1.25規(guī)格的10級螺母的硬度要求，在后續(xù)進行的擰緊驗證試驗中也順利通過。

圖6 法蘭邊焊接螺母金相（腐蝕劑：2%硝酸酒精）

4 結束語

1）在MAG焊焊接熱輸入的影響下，懸置安裝螺母齒部金相組織由調(diào)質(zhì)組織轉變?yōu)楹写罅胯F素體的雙相組織，強度大幅下降，導致螺紋的保載能力變?nèi)酰跀Q緊試驗中出現(xiàn)螺紋損壞現(xiàn)象。

2）使用法蘭邊焊接螺母替代焊接方螺母，以增加焊縫至螺紋的距離，可有效地將焊接熱影響區(qū)的不完全淬火區(qū)控制在法蘭位置，齒部仍保持原調(diào)質(zhì)組織強度，最終擰緊驗證試驗通過。

3）設計開發(fā)階段應對焊接工藝選擇與焊接螺母選型進行匹配性驗證。