刘良刚，刘占锋，王光辉

（苏州汇川联合动力系统有限公司，江苏 苏州 215500）

当前螺栓紧固件被广泛应用在汽车、航空、 通用电子等各行各业，作为“工业之米”，尤其是在汽车行业有着不可替代的重要作用。为此，从业者已对拧紧的上下游做了大量的研究工作，本文作者结合自身多年拧紧工具制造商和主机厂装配拧紧过程控制的从业经历，希望通过自身对装配拧紧典型案例的失效分析经验分享和思考，给广大读者和螺栓紧固工艺研究人员带来帮助和提高。

1 螺栓断裂问题

通常造成螺栓断裂（见图1）的主要原因有螺栓重复拧紧、螺栓过屈服、螺栓本身强度不足、设备下压力度过大等。下面通过对一些典型问题的案例分享以及曲线分析分别进行介绍[1]。

图1 某螺栓断裂照片

1.1 重复拧紧造成螺栓断裂

在某发动机装配车间，部分螺栓拧紧工位被定义为屈服拧紧控制即采用扭矩加转角控制策略[2]，这些螺栓本身不容许出现重复拧紧。从理论角度来讲，螺栓拧紧本身已经进入塑性区间，一旦重复拧紧有极大可能性造成螺栓的断裂。

从追溯系统的状态记录显示来看，该位置螺栓在极短时间3秒之内，被再次拧紧。而正常螺栓紧固的间隔时间在7秒以上。因此，判定该位置螺栓被重复拧紧。

另外，从图2中拧紧扭矩对角度对比曲线来看，A螺栓拧紧趋势显示拧紧的正常角度跨度在25°左右，而失效的B螺栓在第一次拧紧后，B螺栓重复拧紧整体跨度角度仅3°，再次说明该B螺栓拧紧位置发生了重复拧紧。

对于该失效，经过现场调查因该位置螺栓等级为12.9级高强度螺栓采用扭矩加转角策略，实际B螺栓第一次，拧紧曲线顶端观测已经进入屈服区间。而该新员工并未对螺栓进行更换，直接对该处螺栓再次拧紧，重复拧紧曲线显示为B螺栓复拧曲线。由此，螺栓发生过屈服断裂[3]。针对此类型失效，一方面，建议从管理维度，将该工位的螺栓禁止重复使用明确进现场控制计划和作业指导文件中，并加强对操作人员的培训管理；另一方面，建议工程技术人员增加以下逻辑防错控制，即出现拧紧不合格时，且废料盒收到不合格螺栓丢弃信息后，再利用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）发送使能信号，让拧紧工具启动，否则工具被锁定无法启动。通过上述两个方面的措施改进努力，降低类似问题再发的潜在风险。

图2 追溯系统螺栓重复拧紧曲线详情

1.2 螺栓强度不足造成螺栓断裂

某拧紧工位目标拧紧扭矩为（28±3）Nm，螺栓等级为8.8级，拧紧曲线如图3所示。其中，左侧正常螺栓拧紧曲线到达贴合面之后扭矩陡升显著，并在到达目标扭矩后立即下降。而异常螺栓在扭矩峰值尚未达到28 Nm情况下，从异常螺栓的曲线轨迹来看，曲线顶部出现较长平缓区间发生塑性变形，并最终发生断裂。

图3 追溯系统螺栓强度不足屈服拧紧曲线详情

进一步对该异常批次螺栓抗拉强度进行测量确认，该批次螺栓抗拉强度不符合要求，标准最低要求800 MPa，实际均在800 MPa 以下，具体如表1所示。

表1 不合格批次螺栓抗拉强度测量值

1.3 过拧造成螺栓断裂

图4为某固定式拧紧轴自动拧紧工位的失效曲线对比详情，从曲线上看，失效位置螺栓被多次拧紧，最后一次拧紧如左侧虚线所示，峰值扭矩已经最大，达到了18 Nm左右，远高于正常扭矩设定范围（11.5±1.5）Nm。由于过扭拧紧导致螺栓断裂。

图4 追溯系统螺栓过拧紧曲线详情

通过分析和现场了解，该工位有重试功能，当螺栓第一次拧紧不合格后，系统容许多次拧紧，直至拧紧合格。

针对类似问题，一方面建议将重试功能取消或设定最高重试次数为3次，且重试需将螺栓初始认帽工艺参数设置为反松后再试；另一方面，建议在拧紧程序中增加最大安全扭矩限制，比如将该工位设定15 Nm，将可有效避免螺栓断裂情况发生。

2 拧紧不合格问题

2.1 拧紧螺栓未贴合

这种情况，较多见于自攻螺栓的拧紧过程（见图5），研发仅提供了制造工艺目标扭矩和精度要求，而详细的过程参数设定和调整则更多依靠制造过程中装配工艺技术人员不断的完善和优化调整。

图5 某自攻螺栓拧紧未贴合

通过调取追溯系统中的拧紧曲线，如图6所示，正常螺栓和异常螺栓拧紧扭矩均已经达到目标扭矩，但是异常螺栓螺栓全过程的拧紧角度相比较正常螺栓少了1 000°左右[4]。经过调查分析，该自攻螺栓的拧紧过程受螺纹孔大小、螺栓规格大小、下压力度、拧紧程序设置是否合理等多种因素影响。

图6 螺栓拧紧未贴合追溯曲线详情

针对这种情况，可以通过优化拧紧程序，将全过程的监控角度的范围收窄，可以临时进一步提高该潜在失效的探测效果。最终，可以通过对原材料螺栓和螺纹孔的尺寸改善，实现杜绝该类潜在拧紧未贴合问题的目的。

2.2 螺栓漏拧紧

某工位采用阿特拉斯品牌手持电动拧紧工具对4颗螺栓进行拧紧，PLC和拧紧工具控制逻辑中，已设置了计数功能，即收到4个合格信号后，工件才可放行。

其中有一个螺纹孔（#1位置）内部及表面均无任何拧紧过痕迹，实际按照拧紧顺序操作的话，是对应最后一颗拧紧位置，怀疑该处存在漏拧紧情况，如图7所示。

通过对拧紧追溯曲线，结合全过程角度值的分布情况（图8），可见第三颗异常螺栓位置，螺栓旋入角度异常（米字标记）较正常角度明显低了很多，离散非常明显。可见，该第三颗位置螺栓被重复拧紧且被错误地进行了螺栓拧紧数量累加。

图7 第四颗位置螺栓失效详情

图8 第三颗螺栓重复拧紧追溯旋入角度详情

由本案例分析可见，重复拧紧和漏拧紧多数情况下是相伴相随的。

为了规避这种情况，一方面建议收严监控角度，由于本例中正常拧紧角度在4 000°以上，可将电动拧紧工具的全过程监控下限角度设置到4 000°或更高，可有效探测该失效；另一方面，可通过增加定位臂和位置编码器，有效识别拧紧位置，确保螺栓按照正确的位置被拧紧，进而防止出现因重复拧紧造成的其他位置漏拧紧情况产生。

2.3 螺纹孔偏大导致拧紧不合格

某工位采用阿特拉斯QST固定式拧紧轴半自动同步拧紧7颗自攻螺栓。工艺扭矩设定要求为11.5 Nm±1.5 Nm。

如图9所示，正常产品拧紧时间为6 s左右到达目标扭矩11.5 Nm。而失效螺栓虚线拧紧曲线所示的拧紧扭矩始终在3 Nm以下，远未达到目标扭矩11.5 Nm，且用时超过10 s，远远超过正常工件拧紧所需时间6 s左右。

由于该工位螺栓为自攻螺栓，当拧紧完成之后，预置螺纹光孔已被攻出牙型，无法确认第一现场。而通过现场对设备的同轴度调查了解，拧紧轴套筒和螺栓已经完全落座，并确认螺栓已顺利进入螺纹孔。因此，排除了因设备对中不佳，造成螺栓无法顺利进入螺纹孔进而扭矩无法上升的情况。后经过进料质量技术人员对装配产线后续新上线产品螺纹孔径尺寸排查检测确认（见表2），最终确认因螺纹孔尺寸偏大[5]，要求5.48 mm到5.58 mm，实际均大于5.58 mm，导致拧紧扭矩无法到位。针对该种失效，拧紧设备会100%进行拦截报警无流出质量风险。通过对原材料加工制成的进一步调查分析，产生原因系原材料刀具管理不到位，用错丝锥导致[6]。为避免该类问题，除提高对换刀的变更管理纳入跨部门评审以外，装配产线后续也针对该失效增加进料抽检频次，尽可能将该潜在问题对装配产线的合格直通率和返工返修影响降到最低。

图9 某工位扭矩对角度追溯曲线对比详情

表2 螺纹孔径实际测量值

3 总结

通过上述现场拧紧问题调查以及对拧紧追溯曲线的对比分析，可见针对装配拧紧问题的调查，需要深入装配现场，做到现时现场现物，从人、机、料、法、环等多个维度，系统和严谨地开展各项调查工作，才能够将拧紧问题抽丝剥茧，找到根本原因。另外，通过这些案例的分析处理，也再次说明了拧紧追溯系统的重要性，完善的拧紧追溯系统曲线和过程数据的堆叠分析功能给问题调查带来极大便利，加快锁定问题根本原因，为装配拧紧制程管控水平和效率提升带来巨大帮助。

当然追溯系统是帮助分析和解决拧紧问题的其中一个手段，拧紧装配过程是否能够全生命周期稳定受控，依然需要建立在严谨充分的正向产品设计验证，原材料和制程紧固装配全产业链上下游系统管理的基础上，希望通过本文的总结归纳，从追溯系统的角度给广大从业者提供一些借鉴和思考，帮助广大从业者更好地分析和处理装配拧紧问题。