浅析螺柱焊接强度与装配扭矩匹配性

【摘要】在总装装配过程中，部分焊接合格的螺柱也存在脱落现象。本文利用自制工装对焊接后M6螺柱进行拉伸实验，得出不同板材焊接螺柱的拉伸力，并与装配时螺柱的预紧力进行对比分析，解释了当预紧力大于焊接螺柱的拉伸力是导致焊接合格螺柱脱落的直接原因。通过改进车身螺柱焊接的板材，使螺柱焊接强度与装配扭矩匹配，解决了焊接合格螺柱的脱落问题。

【关键词】螺柱 焊接强度 装配扭矩 匹配

Analysis of strength of stud welding and assembly torque matching     

ABSTRACT：In the assembly process，there is a phenomenon that welding qualified stud was also falls off.In this paper,the use of home-made tooling for M6 studs welded tensile test,draw different tensile force plates welded studs,and with the preload stud assembly of comparative analysis,it explains when preload is greater than the tensile strength of the weld stud,direct cause of stud welding qualified shedding.By improving the body of the stud welding plate.

KEYWORDS：stud  welding strength  assembly torque  match

1 引言

螺柱螺纹连接是总装主要的连接工艺之一，在螺柱自身强度与装配扭矩匹配基础上，若螺柱的焊接强度与扭矩不匹配时同样会造成螺柱脱落。目前螺柱焊接质量主要依据外观检验或弯曲实验进行检验，而检验合格的螺柱在装配时同样存在脱落现象。为了解决焊接合格螺柱的脱落问题，有必要校核焊接强度与装配扭矩的匹配性。本文利用自制工装测量了不同板材焊接螺柱的拉伸力，与装配时螺柱所受预紧力进行对比分析，对拉伸力与预紧力不匹配问题进行优化改进，解决了焊接合格螺柱的脱落问题，并提出后续研究的方向。

2 螺柱焊接强度测量

2.1 测量工装设计

螺柱装配时受力如图1所示，在拧紧过程中，螺柱受沿轴线的预紧力F，当预紧力大于焊接螺柱所能承受的最大拉力时螺柱出现脱落故障。因装配时螺柱所受力为拉伸力，为了表征焊接螺柱的焊接强度，开发了图2所示的拉伸工装，用拉伸力体现焊接强度，与紧固时预紧力F进行对比，直观的说明螺柱焊接强度与装配扭矩的匹配关系。

图1 螺柱装配受力图

本测量工装包括下夹板1、螺柱试片2、上夹板3、紧固装置4、上拉杆5、下拉杆6构成。将螺柱焊接试片放入上/下夹板之间，螺柱处于上夹板上Φ18的孔中心，紧固装置由4个M8*25六角头螺栓与4个M8螺母配合构成，将其穿过下夹板上4个Φ9的圆孔及上夹板4个12*9腰型孔后拧紧，上拉杆5旋入螺柱5圈。试片固定完成后，将装置固定在万能材料试验机上进行拉伸实验。

图2 螺柱焊接强度测量工装示意图

2.2 拉伸实验

将测量装置7固定在万能材料试验机8上进行拉伸实验，试验机底部夹具与下拉杆夹紧，试验机上部夹具与旋入螺柱的上拉杆夹紧。测量B250P1*1.8及DC51*1.0板材焊接M6螺柱的拉伸力（各35组数据），利用Mintab软件制作如图4的拉伸力区间图，B250P1*1.8板材M6螺柱拉伸力区间为5780N-7130N，均值为6450N；DC51*1.0板材M6螺柱拉伸力区间为2940N-3350N，均值为3140N。

图3 拉伸实验示意图

图4 拉伸力区间图

3 装配预紧力计算

3.1 螺柱信息

以某车型底盘装配隔热垫螺柱为例，其设置信息如表1及图5所示，其中螺柱1和螺柱2尺寸性能相同，螺柱1焊接在板材1上，螺柱2焊接在板材2上。

表1 装配螺柱信息

图5 底盘隔热垫装配螺栓示意图

3.2 装配预紧力计算

根据GB/T 3098.1-2010，此M6螺柱强度等级及截面积如表2。

表2 M6螺柱标准

故根据螺柱性能尺寸标准，为了充分发挥其紧固性能，根据公式1-4，计算螺柱的装配预紧力:

抗拉强度*0.8=屈服强度…………………………………………（1）

屈服强度*0.9=保证应力…………………………………………（2）

保证应力*应力截面积=保证载荷…………………………………（3）

保证载荷*（0.6～0.75）=预紧力…………………………………（4）

表3 M6螺柱预紧力

3.3 装配扭矩设定

考虑装配工艺性，螺柱1、螺柱2时装配时设置在同一工位、同一把电枪装配，根据紧固时预紧力与扭矩公式5设定装配扭矩。

…………………………………………（5)

其中F为表3所示预紧力，d为公称直径6，k为扭矩系数。经查相关文献资料，推荐的k值见表4。

表4 推荐扭矩系数

因螺柱经磷化干燥处理，扭矩系数k按照推荐选取0.26，则扭矩T=0.26*（3600～4500）*6/1000=5.62～7.02N.m，在实际装配中，可将电枪扭矩设定为6±0.5N.m，则实际中预紧力为3847±30N。

4 螺柱焊接强度与装配扭矩匹配优化

根据上文，螺柱1、螺柱2焊接后所能承受拉力及装配时预紧力如表5所示，螺柱1受力的安全系数为1.68﹥1.5，螺柱2受力的安全系数为0.82﹤1，螺柱2的安全系数偏小，这与装配时螺柱1不脱落，螺柱2脱落的实际故障相符合（图6）。按照安全系数大于1.5要求，为了提升螺柱2的安全系数，既可以降低电枪的安装扭矩，也可以提升其焊接强度。结合装配工艺性，为保障装配的一致性及发挥螺柱的紧固性能，选择通过改变螺柱2的焊接板材以提升焊接强度，达到与扭矩匹配目的。即将板材2由DC51*1.0优化为B250P1*1.8，优化后螺柱2焊接强度与螺柱1相同，安全系数提升至1.68，能有效保证装配质量，螺柱1及螺柱2均无焊接合格脱落故障。

表5 螺柱受力信息

图6 螺柱2脱落示意图

5 结论

螺柱装配连接时，除了校核螺柱自身强度外，螺柱的焊接强度也要与装配扭矩相匹配。外观检验或弯曲实验检验螺柱焊接强度时无相关数据，不能与装配时的预紧力匹配校核，而利用拉伸工装能测量出焊接螺柱所能承受的拉伸力，用数据能很好的表征校核拉伸力装配预紧力的关系。并通过数据匹配改进，解决了焊接质量合格螺栓脱落的故障，证明螺柱焊接强度与扭矩装配匹配性研究是一个很有必要、有效的研究方向。

后期将对不同板材焊接螺柱的拉伸力进行研究测量，形成相应板材/螺柱的强度标准，并结合装配有限元建模、焊接工艺设计、装配工艺设计等方面系统、全面的展开探索。

参考文献

[1] 郑玲玲. 汽车用螺纹紧固件拧紧质量控制. 科技创新与应用，2013年，第18期，91-91

[2] 郭卫凡. 力矩法控制螺栓预紧力的准确度分析. 机械与电子，2011年，第25期，76-77

[3] 章伊华. 螺纹联接中力矩的确定与计算. 第二十四届中国(天津)2010‘l T、网络、信息技术、电子、仪器仪表创新学术会议. 2010年，68-71

[4] 张庆宝. 汽车螺纹联接件预紧力的优化设计. 东北林业大学学报，2012年，第40卷第11期，151-154