失效分析現(xiàn)場直擊——夾片螺母裝配失效分析
2018-11-09 11:49:55
作者：董玉軍 來源：《理化檢驗—物理分冊》
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夾片螺母
夾片螺母又稱為簧片螺母或快速螺母（SpeedNut），通常安裝在鈑金件或塑料件上，與螺栓相配合，來實現(xiàn)兩個零件之間的連接。
分類
夾片螺母通常有兩種：第一種為一體式，螺紋部分由基材板沖壓出來，再通過后續(xù)攻絲而成，如圖1a）所示；第二種類型是組合式，由夾片（Clip）和獨立的螺母（Nut）兩部分組成，如圖1b）所示。
圖1 夾片螺母宏觀形貌
夾片螺母連接的兩個鈑金件上均有預(yù)留孔。安裝時，首先將夾片螺母插入到其中一個鈑金件上，然后通過螺栓穿過兩個零件的預(yù)留孔，擰入到夾片螺母中來實現(xiàn)固定。夾片螺母的鎖緊工藝原理如圖2所示。
圖2 夾片螺母鎖緊工藝示意圖
基于夾片螺母的這種連接方式，避免了傳統(tǒng)的焊接等連接方式，可以節(jié)約成本，同時大大地提升了裝配效率，在車身上有著廣泛的應(yīng)用。
在此類零件的實際應(yīng)用中，通常有以下原因可能會導(dǎo)致失效：所用材料強度等級不夠；熱處理工藝不合格，導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生裂紋等系列缺陷；長期載荷導(dǎo)致疲勞斷裂；表面處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致氫脆；等等。
某汽車總裝線上在裝配螺栓的過程中發(fā)生了多起失效案例，該裝配線上使用的夾片螺母屬于第二種類型。安裝螺栓時，發(fā)現(xiàn)夾片被撕裂的現(xiàn)象，如圖3所示。筆者從材料和現(xiàn)場裝配兩方面分析了夾片螺母失效的原因，同時提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議并進(jìn)行驗證。
圖3 失效夾片螺母宏觀形貌
理化檢驗
1 材料性能分析
采用經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)塊校正的Welson萬能硬度計測試夾片的硬度。采用Zeiss顯微鏡進(jìn)行金相分析。表1和圖4分別是夾片的硬度和顯微組織分析結(jié)果，可見失效夾片的硬度和顯微組織均滿足相關(guān)技術(shù)要求，且都與正常零件的接近。因此，可以排除材料和熱處理工藝方面的原因。
圖4 夾片顯微組織形貌
表1 夾片硬度
2 斷口掃描電鏡分析
利用Zeiss掃描電子顯微鏡（SEM）對失效夾片進(jìn)行斷口分析。
圖5 失效夾片斷口SEM形貌
圖5顯示，失效夾片斷口處無明顯缺陷，斷口形貌為韌窩，呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征。同時，在裂紋源處未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)等缺陷。此外，該零件為新件，排除后續(xù)使用的因素造成斷裂的可能性。
綜合上述分析，推斷夾片是因為受到了過大的外力（即過載，外力超過了零件可承受載荷的極限）而導(dǎo)致的一次性斷裂，即一次性過載斷裂。
綜合分析
1 同批次未安裝零件的解剖分析
圖6 同批次未安裝夾片直角處形貌
為了對比分析，拆卸了同批次未安裝的零件。 觀察發(fā)現(xiàn)，同批次未發(fā)生斷裂的夾片直角處沒有原始裂紋，見圖6。由此可以判定，夾片是在總裝線上裝配螺栓的過程中發(fā)生斷裂的。
2 工藝過程檢查
圖7 夾片螺母及相關(guān)零件裝配圖
現(xiàn)場裝配圖如圖7所示。首先將夾片插在圖7中的鈑金件1當(dāng)中；然后螺栓穿過鈑金件2和鈑金件1，擰入到夾片螺母中實現(xiàn)連接。
圖8 現(xiàn)場裝配圖
由圖8可以看到，鈑金件1有明顯的拉傷痕跡。說明在裝配過程中受到了較大的外力。
綜上，對當(dāng)時的安裝情況進(jìn)行了還原：螺栓與螺母未能對準(zhǔn)，工人在安裝螺栓的時候也未進(jìn)行調(diào)整，而是繼續(xù)暴力安裝螺栓，使夾片受到了較大的剪切力，直至最終夾片被過載撕裂。
導(dǎo)致這一情況的原因可能有兩點：
夾片螺母以及鈑金件1和鈑金件2尺寸存在問題；夾片螺母與鈑金件之間的相對位置出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致安裝螺栓時未對準(zhǔn)。
鈑金件1和鈑金件2以及夾片螺母的尺寸測量結(jié)果顯示，尺寸均合格，且與正常批次零件的測量結(jié)果相近。因此可以推斷，夾片螺母與鈑金件1的相對位置與正常值之間出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致安裝螺栓時螺栓未能對準(zhǔn)夾片螺母，從而應(yīng)力過大引起斷裂。
結(jié)論及建議
夾片螺母是因為受到了較大的外力而發(fā)生過載撕裂。夾片螺母被撕裂主要是由于夾片螺母以及另外兩個鈑金件之間的位置匹配出現(xiàn)了問題，從而導(dǎo)致裝配時應(yīng)力過大引起夾片螺母發(fā)生了過載撕裂失效。
作為短期措施，調(diào)整了夾片螺母的位置，將其向車頭方向移動了一段距離，之后的裝配過程未再發(fā)生類似失效情況。
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