秦興祖，張?chǎng)鋭佘?/p>

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(huì)使用多種連接方式，包括電阻點(diǎn)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(jī)械連接工藝[3，4]，以及CMT、FSW等先進(jìn)焊接工藝[5，6]。汽車焊接結(jié)構(gòu)一般不允許失效發(fā)生在連接位置，但是由于連接設(shè)計(jì)或工藝缺陷導(dǎo)致的失效問(wèn)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(hù)焊對(duì)沖壓鈑金件進(jìn)行焊接，同時(shí)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(kāi)發(fā)階段進(jìn)行的擰緊驗(yàn)證試驗(yàn)中出現(xiàn)滑絲現(xiàn)象，擰緊轉(zhuǎn)矩120N·m。為明確試驗(yàn)失效原因，使用金相顯微鏡和維氏硬度計(jì)對(duì)懸置安裝螺母和擰緊螺栓進(jìn)行金相組織和硬度檢測(cè)分析。懸置安裝螺母規(guī)格為M10×1.25的焊接方螺母，強(qiáng)度等級(jí)10級(jí)，材料牌號(hào)10B21，與之配合的擰緊螺栓強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)，材料牌號(hào)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(cè)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(wèn)題的懸置安裝螺母和擰緊螺栓進(jìn)行金相試驗(yàn)，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?cái)Q緊方向的前3個(gè)齒形已破損并存在材料缺失，齒形損壞程度沿?cái)Q緊方向遞減，至沿?cái)Q緊方向的第4個(gè)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(zhuǎn)變?yōu)楹写罅胯F素體和少量馬氏體的雙相組織（見(jiàn)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(jiàn)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?yàn)閼抑冒惭b螺母齒部受焊接熱輸入影響強(qiáng)度下降，在擰緊驗(yàn)證試驗(yàn)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(shí)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(méi)有在折疊缺陷位置發(fā)生裂紋擴(kuò)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(wèn)題的原因，但應(yīng)用中應(yīng)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(cè)結(jié)果為351HV，硬度試驗(yàn)的檢測(cè)位置為距螺紋末端一個(gè)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(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》規(guī)定的10.9級(jí)螺栓的金相組織和硬度要求

根據(jù)GB/T 3098.2—2015《緊固件機(jī)械性能螺母》，M10×1.25規(guī)格的10級(jí)螺母硬度要求值為295～353HV。在圖4所示的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)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(biāo)準(zhǔn)要求值，特別是不完全淬火區(qū)，其維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果為193HV，與標(biāo)準(zhǔn)要求值存在較大差距，對(duì)螺紋的保載能力存在不利影響。

結(jié)合懸置安裝螺母的金相和硬度檢測(cè)結(jié)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(zhuǎn)變?yōu)楹写罅胯F素體和少量馬氏體的雙相組織，使其強(qiáng)度出現(xiàn)了大幅下降，螺紋的保載能力由此變?nèi)?，從而在擰緊試驗(yàn)中出現(xiàn)螺紋損壞的現(xiàn)象，導(dǎo)致擰緊滑絲問(wèn)題產(chǎn)生。

3 擰緊滑絲問(wèn)題整改建議與效果驗(yàn)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(yàn)點(diǎn)位置

圖5 懸置安裝螺母硬度試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)擰緊滑絲問(wèn)題產(chǎn)生的原因，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中應(yīng)避免焊接熱影響區(qū)對(duì)懸置安裝螺母的齒部強(qiáng)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(shè)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(duì)該方案進(jìn)行整改效果驗(yàn)證。金相試驗(yàn)結(jié)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(jiàn)圖6a），法蘭邊焊接螺母齒部金相組織仍為調(diào)質(zhì)組織（見(jiàn)圖6b）。硬度檢測(cè)結(jié)果顯示，齒部硬度為320HV，符合GB/T 3098.2—2015標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)M10×1.25規(guī)格的10級(jí)螺母的硬度要求，在后續(xù)進(jìn)行的擰緊驗(yàn)證試驗(yàn)中也順利通過(guò)。

圖6 法蘭邊焊接螺母金相（腐蝕劑：2%硝酸酒精）

4 結(jié)束語(yǔ)

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(zhuǎn)變?yōu)楹写罅胯F素體的雙相組織，強(qiáng)度大幅下降，導(dǎo)致螺紋的保載能力變?nèi)?，在擰緊試驗(yàn)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(qiáng)度，最終擰緊驗(yàn)證試驗(yàn)通過(guò)。

3）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段應(yīng)對(duì)焊接工藝選擇與焊接螺母選型進(jìn)行匹配性驗(yàn)證。