制樣對超聲波測試軸力的影響

張衛新，楊 瀟，舒軍建，鄭文皓，李秀芳，洪東生

（1.浙江華遠汽車零部件有限公司，浙江 溫州 325000；2.長安馬自達汽車公司技術研發中心，江蘇 南京 211100）

超聲波軸向預緊力測量方法，是指螺栓在自由狀態下，發射和接收電信號之間的時間差為T0，螺栓在緊固狀態下，螺栓發射和接收電信號之間的時間差為T1，依據電信號收發時間差與螺栓的變形量的關系，得到螺栓的變形量ΔL，最終由iBolt智能螺栓系統依據ΔL并結合公式得出該狀態下螺栓的預緊力。超聲波軸向預緊力測量只需在螺栓兩端加工成平面，不改變螺栓拉伸彈簧常數，因松弛系數未改變，該方法最適合通過軸力評價松動。

影響超聲波測螺栓軸力標準差大的原因，國內無相關研究文獻。實際測量經驗表明，影響螺栓標準差的環節來源樣品加工，螺栓的軸力是影響汽車松動的重要因素，螺栓被行業當中廣泛使用，產品用量大，若準確判斷螺栓在裝配后的軸力，需減少測量產生的偏差。作者使用超聲波檢測設備，充分分析影響測量值波動的相關影響因素，進行實驗分析，從數據上為軸力測試過程中提出關鍵性的控制因素，以提高超聲波測試殘余軸力的準確性。

1 研究背景

2020年7月，南京某主機廠，現場測試車身螺栓軸力過程中，軸力波動范圍0.5～1.0 kN，數值較大的波動對確定軸力實際數值帶來較大困難，嚴重影響正常的結果評判，現場測試軸力-時間曲線如圖1所示。設備廠家對測試數據處理方式進行軟件升級后，波動性有所改善。為進一步研究產品因素帶入的波動性，依據產品制樣方式，對不同加工狀態進行充分分析，得出影響力值波動的因素，為制樣的過程控制提供參考。

圖1 軸力-時間曲線

2 軸力標準差分析

超聲波在螺栓的傳輸過程中，因各種因素會導致測量并計算發射和回波電信號之間時間差產生變化，差異大的數值增加不穩定，經過計算得到較大標準差，反應出測試軸向力值的不穩定。本文主要從制樣的過程方向進行分析，研究制樣過程對標準差的影響。

2.1 預緊力測量機理

超聲波經過金屬傳播時，傳播速度v與金屬受到的應力σ呈線性關系，關系式使用式（1）表示，其中v0為無載荷狀態下的傳播速度，k由材料和超聲波頻率確定的常數，關系式使用式（6）表示；應力施加在金屬上時，金屬伸長，關系式使用式（2）表示，L0無載荷作用時的長度，L在應力σ作用下的長度，E金屬材料的彈性模量。應力施加到金屬上，傳播速度與長度發生改變，兩種現象產生疊加效應，超聲波從金屬一端進入，從另一端反射并返回所消耗的時間t增加，變化量為Δt，逆向計算可得到施加的應力[1]。施加軸力F后，金屬產生的時間差可用式（3）表示。超聲波測試如圖2所示。螺栓形狀和尺寸如圖3所示，其中，l0螺栓全長，lc螺栓和螺母支承面間距離，l1螺栓桿等效長度，關系式使用式（4）表示，l2軸向預緊力作用的螺紋處等效長度，關系式使用式（5）表示，lc1螺栓桿長，lc2螺紋到螺母支承面長度，A1螺栓桿部橫截面面積，A2螺栓螺紋處橫截面面積，d螺栓桿部直徑，P螺距。

圖2 超聲波測試

圖3 螺栓形狀和尺寸

2.2 影響標準差的因素

螺栓軸向預緊力F是通過螺栓與螺母的兩個支撐面之間的距離與實際條件相同的條件下，測量擰緊前后超聲波在螺栓中往返傳播的時間差建立關系，完成軸力測試。通過理論分析，影響聲時差的主要因素有：標定常數，預緊力長度，橫截面面積，彈性模量，無載荷狀態下的傳播速度，軸向預緊力大小。在測試過程中，這些因素已設置在軟件中，沒有明顯波動，但螺栓在加工過程中，會引入影響超聲波傳播和反射的明顯波動因素，包括陶瓷貼片使用的膠量，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，加工面的銹蝕或防銹處理，重復性貼片。本文從加工不確定的影響因素展開分析。

3 試驗

選用螺栓S進行標定，并完成裝配試驗，性能10.9級，規格M12*1.25*40，配套鍍鋅螺母M，規格M12*1.25，夾持體21 mm疊加厚度的2個環規，P800砂紙用于打磨環規接觸面，螺栓通過數顯扭矩扳手擰緊至92 N·m，扭矩扳手量程200 N·m，粗糙度測量儀型號是SJ-410。螺栓A標定曲線如圖4所示。對識別出的相關因素，做正交分析，實驗結果重復性測量5次。

圖4 螺栓S標定曲線

3.1 試驗設計

從影響螺栓制樣的加工因素考慮，設計實驗方案如下：

同一批螺栓在相同工藝相同環境下重復使用同一個被連接件擰緊，重新使用的夾持體需砂紙磨至無痕。被連接件狀態如下頁圖5所示。影響因素與代碼轉換如表1所示。因素B，通過螺栓頭部加工成圓柱形沉孔，將陶瓷片貼至孔內，沉孔深度是0.5 mm和0.8 mm，直徑是6 mm和7 mm，進行交互設計。陶瓷片和沉孔如下頁圖6所示。沉孔狀態和代碼轉化如下頁表2所示。

表2 沉孔狀態和代碼轉化

圖5 被連接件狀態

圖6 陶瓷片和沉孔

表1 影響因素與代碼轉換表

3.2 試驗結果

產品因素B使用正交L4（22）分析，其余產品因素使用單因素方差分析[2]。因產品被夾緊后，螺栓軸力逐漸衰減，短時間內完成的因素F和G使用軸力值（kN）作為響應變量，其余產品使用標準差作為響應變量。單因素方差分析結果如表3-表9所示。

表3 膠水使用量分析

表4 貼片孔徑加工分析

表5 端面加工垂直度分析

表6 端面加工粗糙度分析

表7 端面加工生銹分析

表9 重復貼片分析

3.3 結果分析

因素A，使用少量膠水和大量膠水完成同一個螺栓貼片，陶瓷片完全貼合金屬基體，緊固螺栓，觀察前后軸力波動的標準差，結果無明顯差異。

因素B，同一批次螺栓，螺栓頭部加工不同的沉孔尺寸，緊固后，結果無明顯差異。

因素C，正常加工端面的螺栓，軸力測試后，將螺紋尾部加工成斜面，再緊固測試，記錄兩次標準差，結果存在高度顯著影響。斜面影響回波強度，且波動性增大。端面垂直度波形如圖7所示。

圖7 端面垂直度超聲波形

因素D，低粗糙度螺栓，緊固后記錄波動值，增加螺栓粗糙度，緊固后記錄波動值，方差分析表明，結果存在高度顯著影響。粗糙度值如表10所示。

表10 端面粗糙度

因素E，同一個螺栓緊固后，記錄波動值，對螺栓尾部加入水滴，生銹后，重新緊固后，記錄波動值，無明顯差異。螺栓端面生銹狀態如圖8所示。

圖8 螺栓端面生銹狀態

因素F，同一個螺栓緊固后，記錄軸力值，連續測量情況下，短時間在螺栓尾部涂白色油漆，再記錄軸力值，結果存在高度顯著影響。記錄結果如表8所示。存在差異的主要原因是涂漆增加了回波的行程。

表8 端面加工防銹分析

因素G，同一個螺栓緊固后，記錄軸力值，緊固狀態下，去掉頭部陶瓷片，重新粘貼，再次測量，結果存在高度顯著性差異。

通過識別以上制樣過程中的相關影響因素，并進行控制，重新測試軸力-時間曲線，如圖9所示，可持續保持穩定數值。制樣過程中，控制螺栓加工端面的平整度、粗糙度可提高測量值的穩定性。在測試過程中，加工端面的防銹處理和重復貼片，在實際操作中很少有人關注，在操作順序上會對結果數值產生明顯影響。

圖9 軸力-時間曲線

4 結論

通過制樣過程中的主要影響因素分析，螺栓制樣端面加工的垂直度和粗糙度，會高度影響超聲波測試的穩定性；在裝車螺栓的軸力測試過程中，陶瓷片不能重復粘貼測試，會顯著影響測試結果，螺紋尾部不能進行防銹處理，也會影響測試數據，需在裝車前完成防銹處理，并進行超聲波置零；螺紋尾部在超聲波測試中，在陶瓷片完全貼合的情況下，膠水量不會明顯影響測試結果；螺栓頭部貼片處不同的加工尺寸，不會影響超聲波測試；螺栓尾部出現的一定程度的銹蝕，不會影響超聲波的波動性。依據試驗中測得的數據，螺栓加工參數及制樣總結如下：

1）螺紋端面加工粗糙度（Ra），小于0.30。

2）螺栓頭部凹槽加工尺寸可根據陶瓷片大小自由加工。如，3 mm×3 mm，加工直徑4.5 mm，深度0.5 mm；4 mm×4 mm，加工直徑7 mm，深度0.8 mm。

3）加工端面垂直螺栓軸線。

4）裝車測試前完成螺栓防銹處理。

5）裝車后的螺栓，避免重復貼片測量。