螺栓夾緊力超聲波測量的工程應用

許昆朋，靳寶宏，錢 鵬

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海201201）

1 概述

通過螺栓或螺栓加螺母將2個或2個以上零件緊固連接在一起，是一種常見的功能需求。將螺栓夾緊力控制在規定范圍內，是為實現功能需求的控制要求。對夾緊力的測量，軸力或夾緊力測量臺架能夠實際測量出螺栓的夾緊力，但對于批量生產，以往都是借助于扭矩控制來間接實現夾緊力控制。近幾年，便攜式的超聲波夾緊力測量設備的出現，使不破壞連接的實時夾緊力測量成為可能，并迅速被應用于生產的工程控制中。

本文從螺栓夾緊力的傳統工程控制出發，介紹超聲波夾緊力測量的基本原理及其工程應用方向[1,6]。

2 螺栓夾緊力的傳統工程控制

螺栓夾緊力的傳統工程控制是基于對扭矩的控制來實現對夾緊力的間接控制，扭矩控制涉及到2種扭矩概念：動態扭矩和靜態扭矩，下面首先介紹這2種扭矩。

2.1 動態扭矩

動態扭矩指的是標稱到動力槍上扭矩設定值。實際生產上有兩類動力槍，一為電動槍，一為氣動槍，前者控制精度在10%下，后者在30%左右。

2.2 靜態扭矩

靜態扭矩指的是：生產線上用動力槍按設定的動態扭矩打緊螺栓后，在5min內，用扭力扳手朝緊固方向再次擰動螺栓并控制擰動角度小于5°，記錄讀數的最大值，即為其靜態扭矩。在圖1中M2為靜態扭矩值，其中M1為螺栓為克服靜態扭矩所產生的峰值扭矩，M1大于M2緣由為靜摩擦系數大于動摩擦系數所引起的。基于實際應用，M1反映的是該螺栓連接的防松性能，M2反映的是該連接的殘余夾緊力。

2.3 靜態扭矩控制夾緊力的工程策略

從動態扭矩和靜態扭矩的概念描述，我們知道動態扭矩是生產制造的實際控制因子，而靜態扭矩是對連接結果的事后檢查，靜態扭矩間接關聯于夾緊力。因而可通過統計比對動態扭矩與靜態扭矩間關系的穩定性，來形成從動態扭矩到靜態扭矩到間接控制夾緊力的工程策略。在實際應用中，基于生產經驗，大多以如圖2所示的過程能力Cpk值來評判生產制造過程的穩定性，其穩定判據可基于30組動態扭矩（用傳感器測量動力槍的實際操作扭矩值） 及靜態扭矩的測量數據，如滿足：（1）Cpk≥1.33；（2）靜態扭矩的波動偏差小于靜態扭矩均值的±35%；（3）靜態扭矩均值于動態扭矩均值的差異在15%以內，即認為生產制造過程是穩定的。

2.4 夾緊力傳統工程控制的不足點

通過抽樣測量和評定靜態扭矩與動態扭矩的關系來間接控制夾緊力，存在許多的不足點。首先，我們仍然不知道實際連接件的真實夾緊力，也不能知道夾緊力究竟被控制在哪個范圍區間。被連接件與緊固件之間的摩擦系數是處于某一波動范圍，在設計上一般對連接摩擦系數從0.1～0.16都是認可的。這樣一來，如螺栓工作在彈性區，如圖3所示，常規的扭矩波動可能會帶來±34%的預緊力波動，如工作在塑性區也將帶來±6%的預緊力波動。實際工作中，大多緊固連接都是基于以往項目經驗來設定其緊固扭矩值，而不是通過軸力或夾緊力試驗來測量其在指定扭矩下的實際夾緊力應用值。材料變更及新材料的應用，擰緊策略的變更，連接應用場合的不同，都將影響靜態扭矩到夾緊力的實際關系。

3 螺栓預緊力的超聲波測量

螺栓預緊力的超聲波測量跟以往的軸力或夾緊力測量臺架不同，它是一種實時不破壞連接的測量技術。

3.1 螺栓預緊力超聲波測量原理

根據聲彈性原理，超聲波的速度會因材料中的應力而產生微小的變化。通過事先對螺栓夾緊力與超聲波傳播時間變化建立關系曲線標定文件，然后實測應用于連接中的螺栓頭部所收到的超聲波的回波時間，目前都記錄二次回波時間，最后基于關系標定文件，即可在不破壞連接的情況下讀得該連接的夾緊力。被測量連接的螺栓頭部需粘接特殊的耦合感應片，如圖4所示。

3.2 螺栓預緊力超聲波測量設備

目前在汽車生產制造中所使用的夾緊力超聲波測量設備如圖5所示，其包含一采集分析數據用的智能手機一部，及多個不同接口規格的傳感器。測量方法也極為方便，將傳感器頭部貼合于帶有耦合感應片的螺栓頭部，如圖6所示。

3.3 螺栓預緊力超聲波測量的實際應用

螺栓預緊力超聲波測量目前已應用在2個方面，一為在設計研發階段，對關鍵連接的螺栓在整機耐久試驗前后分別進行夾緊力測量，比對前后數據評判釋放的扭矩值是否滿足預期的夾緊力功能要求；二為對各階段的預批量生產造機進行夾緊力測量，判斷生產線上實施的擰緊策略和過程控制是否達到設計的夾緊力預期值并被穩定地控制在波動范圍內。圖7，圖8為一實際案例。

4 螺栓預緊力超聲波測量應用拓展方向

目前的超聲波夾緊力測量為基于超聲波縱波發射和反饋，其不破壞連接的測量優點存在使用局限性，即只能用于彈性區域的螺栓連接場合。而應用中扭矩加角度法的擰緊方式常使螺栓工作在屈服的塑性區域，如要測得此類應用的夾緊力，如僅利用超聲波縱波技術，則必須拆下該連接的螺栓，測量其超聲波回波時間，再比對此回波時間與未屈服過的螺栓的回波時間來確定其夾緊力。如圖9所示，如不拆下螺栓，就無法判斷螺栓是否有永久的塑性變形，進而無法判別點C的回波時間對應的夾緊力該從擰緊螺栓的上升線上取還是從拆下螺栓的下降線上取（因同一橫坐標值對應著2個縱坐標值）。

4.1 縱橫波相結合超聲波測量螺栓夾緊力

如前所述，如不拆下螺栓僅用縱波超聲波測的回波延遲是無法判斷螺栓是否發生了永久的塑性變形，即不能用來測量可能工作在塑性區域緊固連接的夾緊力。實際應用中，扭矩加角度法使螺栓工作在屈服的塑性區域，往往都是針對關鍵連接，其需要更精準的夾緊力控制，這部分應用對我們尤為重要。研究表明，如圖10所示，回波時間延遲橫波稍長于縱波，塑性變形后拆除方向的下降曲線大多平行于擰緊方向的上升彈性區域曲線，縱橫波回波時間延遲與夾緊力關系曲線的差異性，使夾緊力F能與縱橫波回波延遲時間建立如下對應關系。C1、C2為常量，ΔtL為縱波回波延遲時間，ΔtT為橫波回波延遲時間。

螺栓夾緊力縱橫波相結合的超聲波測量將使對工作在屈服區域的連接場合的實時不破壞連接測量成為可能。

4.2 優化扭矩策略及擰緊次序

隨著汽車行業的進一步發展，產量的不斷提高，借助螺栓夾緊力超聲波測量可幫助評估扭矩擰緊優化策略的有效性，調校動力槍的初始轉速、步進轉速進而優化扭矩爬坡速度，在生產節拍和夾緊力功能要求之間尋求平衡。此外，對于多螺栓的連接場合，如圖11所示的缸蓋的螺栓連接，有17個螺栓提供夾緊力。據研究統計數據，如不是用多頭槍同時緊固所有螺栓，而是按某個次序依次緊固，緊固第2個螺栓時會影響第1個已緊固螺栓的夾緊力，緊固第3個螺栓時會影響前面已緊固的2個螺栓的夾緊力，依次類推。所以對于多螺栓的連接場合，緊固次序影響著整體夾緊力的分布，特別是關鍵密封場合，超聲波夾緊力測量也將幫助對此類情況的研究提供便捷，國外研究報告指出不同的緊固次序與最終的夾緊力關系為一多階的系數矩陣。

5 結束語

本文從工程應用的角度，簡要介紹了超聲波夾緊力測量的基礎理論和當前應用，并展望了其潛在應用方向。終上所述，可得出如下3個結論：

（1）便攜式的，可進行實時不破壞連接的超聲波夾緊力測量將被更廣泛地應用于研發和生產制造中。

（2）縱橫波相結合的超聲波夾緊力測量將被用于工作于屈服區域的連接夾緊力的實時不破壞連接測量。

（3）協助擰緊策略和擰緊次序的制定將是超聲波夾緊力測量重點工作方向。

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