1 前言

在振動激勵條件下，受外界循環(huán)剪切載荷作 用螺栓連接狀態(tài)會發(fā)生變化，不僅會影響結(jié)構(gòu)的 正常功能，甚至會造成嚴重后果。因此，螺栓連接 結(jié)構(gòu)力學性能對電池包連接可靠、結(jié)構(gòu)完好等性 能的影響不容忽視。某新能源汽車電池在進行 Z 向振動測試試驗進行到約 12 h 時產(chǎn)生異響，拆解 檢查發(fā)現(xiàn)其中用于模組固定的一顆螺栓完全斷 裂，造成振動時異響。該斷裂螺栓使用的材料為 SCM435 鉻鉬型合金結(jié)構(gòu)鋼，螺栓型號為 M8×96 mm，強度等級為 10.9 級。通過理化檢驗、裝配工 藝分析和振動測試情況分析多種手段，對該新能 源電池模組固定螺栓斷裂失效的原因進行了調(diào)查 分析，便于制定相應的措施避免后期類似事故再 次發(fā)生。

2 理化檢驗

2.1 宏觀形貌分析

通過對斷裂失效螺栓的斷口進行宏觀檢查， 螺栓斷口宏觀形貌如圖1所示，斷口的疲勞擴展區(qū) 面積分別約占整個斷口面積的95%，斷裂部位沒有明顯的宏觀塑性變形痕跡，斷裂起源于螺栓電池 箱體非標螺套嚙合的第一個螺牙的牙底處。斷口 起始區(qū)和擴展區(qū)局部磨損發(fā)亮，裂紋起始區(qū)隱約 可見貝紋線，擴展區(qū)平整光滑，最終斷裂區(qū)存在較 小區(qū)域的剪切唇。

2.2 材質(zhì)成分分析

采用德國斯派克臺式直讀光譜儀 SPECTRO? MAXx 07 對斷裂失效螺栓的材質(zhì)進行初步檢測分 析，檢測分析結(jié)果如表 1 所示。由表 1 可見，斷裂 螺栓的材質(zhì)符合 SCM435 的 JIS G 4053—2016《機 械結(jié)構(gòu)用低合金鋼》標準。

2.3 力學性能測試分析

采用 司特爾 DuraScan 50 維氏硬度計對斷裂 失效螺栓取樣進行維氏硬度測試，測試結(jié)果如表 2 所示。根據(jù) GB/T1172—1999《黑色金屬硬度及 強度換算值》可得螺栓的抗拉強度為 1 148 MPa， 另外根據(jù) GB T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺 栓、螺釘和螺柱》表 3 要求，螺栓的維氏硬度應在 320～380 HV，表面硬度不應比芯部硬度高出 30 個 維 氏 硬 度 值 ，10.9 級 的 表 面 硬 度 不 應 大 于 390HV 0.3，抗拉強度應在 1 040～1 220 MPa?？?得知該斷裂失效螺栓的硬度和抗拉強度均符合 制造標準要求。

2.4 螺紋牙型尺寸檢測分析

螺栓受力時，螺紋溝槽處容易產(chǎn)生應力集中， 其值在很大程度上取決于螺紋溝槽的形狀。一般 而言，螺紋的溝槽越平滑，應力集中就會越小，疲勞 強度則越高。為確認斷裂失效螺栓牙型尺寸對疲勞 特性的影響，采用影像測量儀VMS-5040MZ對其牙 型尺寸進行測量，測量結(jié)果如圖 2 所示，牙型角為 60.899 5°，螺牙底槽R角半徑為0.205 1 mm，符合米 制普通螺紋牙型角2α=60°（α表示牙型半角）和底槽 R角半徑大于 0.125 P（P 為 1.25 mm）的要求，可見 斷裂失效螺栓的牙型尺寸符合制造標準要求。

2.5 斷口掃描電鏡檢驗分析

為弄清該螺栓斷裂失效的機理，將其斷口物理清洗后置于蔡司 Gemini SEM 460 掃描電鏡下觀 察，如圖 3~圖 5 所示，可見斷口起始區(qū)存在磨損現(xiàn) 象，且微觀形貌主要時疲勞特征，未見明顯加工缺 陷。擴展區(qū)的微觀斷口形貌主要是疲勞特征，最 終斷裂區(qū)的微觀斷口形貌主要為韌窩。

2.6 金相檢驗

將斷裂失效螺栓沿軸向剖開并制備金相試 樣，采用蔡司 Axio Imager.M2m 金相顯微鏡對斷裂 失效螺栓的裂紋區(qū)斷面顯微組織進行觀察。試樣 在拋光狀態(tài)（未侵蝕）時，可見斷裂部位沒有明顯 的宏觀塑性變形痕跡，斷裂起源于螺牙溝槽部位， 而后沿剪切面向螺桿中心部位繼續(xù)擴展至最終斷 裂，且裂紋起始區(qū)及其擴展區(qū)斷面較為平整（圖 6a）。金相顯微鏡同時檢測到螺桿上很多螺紋中 經(jīng)和溝槽處呈鋸齒狀形態(tài)的表面裂紋，裂紋的尾 部長短不一，且較尖細（圖6b）。

將上述拋光狀態(tài)試樣用4%的硝酸酒精腐蝕后 在蔡司 Axio Imager.M2m 金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn) 螺紋表面和裂紋周圍無脫碳，尾端尖細，應為疲勞 擴展裂紋，表面裂紋的縱深度及垂直深度在 55～143 μm 之間（圖 7a～7b）。在顯微鏡下放大 500 倍 可見其芯部組織均為針狀馬氏體位向的回火索氏 體+鐵素體（圖 7c），參照國家標準 GB/T13320— 2007《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》評 級圖3進行評定，調(diào)質(zhì)處理的顯微組織評定為2級， 標準要求1～4級合格，該顯微組織屬于合格級別。

2.7 小結(jié)

通過對斷裂失效螺栓進行斷口宏觀形貌檢 驗、材質(zhì)成分分析、力學性能測試和斷口掃描電鏡 檢驗分析等多種手段的調(diào)查，研究結(jié)果表明該新 能源電池模組固定螺栓的各項性能參數(shù)均符合 GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和 螺柱》的要求，由此判定該螺栓斷裂失效不是由其 本身的制造質(zhì)量引起的。

3 裝配工藝分析

導致螺栓疲勞斷裂失效的原因大致有三個方 面。

a.螺栓本身存在制造缺陷，如材質(zhì)不合格、制 造缺陷、熱處理不當?shù)?，在進行 Z 向振動激勵下使 缺陷成為疲勞源，最終導致斷裂；

b.螺栓裝配工藝問題，如配合狀態(tài)問題或螺栓 預緊工藝不良等原因，使螺栓在高頻振動環(huán)境下 松動或過載引起疲勞斷裂；

c.螺栓連接設(shè)計問題，如未充分考慮零部件的 承受載荷、安全標準等因素。前面理化檢驗結(jié)果 表明，該新能源電池模組固定斷裂失效螺栓的制 造質(zhì)量沒有問題，因此排除了第一方面的因素。

3.1 裝配工藝影響分析

為了查找螺栓斷裂的原因，對影響電池模組 固定螺栓斷裂失效的配合關(guān)系進行了全面的調(diào)查 分析，該螺栓斷裂部位處于螺紋中部的電池箱體 非標螺套鎖緊位置（見圖 8a），即疲勞斷裂位置是 螺栓電池箱體非標螺套嚙合的第一個螺牙的牙底 處。另外，電池模組安裝凸臺非標螺套承臺面處 有磨損痕跡（見圖 8b），說明在進行 Z 向振動時螺 栓連接受外界循環(huán)剪切載荷作用發(fā)生的自松弛， 導致電池模組端板與非標螺套承臺面發(fā)生振動磨 損。同時，在對電池模組檢查發(fā)現(xiàn)其端板與非標 螺套承臺面接觸的位置也有磨損現(xiàn)象，端板螺栓 安裝孔邊緣還有絲牙痕跡（圖 8c）?？梢?，斷裂失 效螺栓與電池模組端板存在過盈配合現(xiàn)象，螺栓 在擰緊的過程中，螺紋受較大副摩擦力的作用容 易在螺紋表面萌生顯微裂紋成為疲勞源。疲勞源 形成后，在進行Z向振動時顯微裂紋在交變應力作 用下不斷擴展，直至最終斷裂。

3.2 振動前后扭矩值的測量分析

螺栓預緊力的存在，除了使零件之間產(chǎn)生緊 密聯(lián)接，增強聯(lián)接的剛性之外，還會大幅度降低 在拉伸載荷作用下螺桿應力的變化幅度，由此提 高了螺栓聯(lián)接的疲勞強度[1] 。在眾多的案例中， 將螺栓緊固到設(shè)計預緊力是提高螺栓副疲勞壽 命的有效手段。為此，調(diào)取該斷裂失效螺栓所在 電池模組的全部固定螺栓的實際裝配預緊力扭 矩數(shù)據(jù)，如圖 9 所示。從圖 9 可以看出，實際裝配 預緊力扭矩均符合工藝參數(shù)（28±2）N·m 的設(shè)計 要求。

在進行Z向振動測試試驗進行到約12 h后，對 故障電池模組固定螺栓的殘余扭矩進行測量，測 量結(jié)果如表 3 所示。由表 1 可見，故障電池模組固 定螺栓在高頻振動的作用下扭矩衰減并不明顯， 且殘余扭矩均大于 60%（工藝設(shè)計參數(shù)要求為 （28±2）N·m，滿足要求。

3.3 電池箱體模組安裝底座平面度對螺栓斷裂的 影響

如圖 10 所示，電池模組由電池箱體上的 9 個 固定安裝底座平衡支撐，有研究表明，螺栓過早疲 勞斷裂原因之一是被接觸面不平整，因此安裝底 座的平面度是一項重要的質(zhì)量指標。

從 S-N曲線（疲勞曲線）可以發(fā)現(xiàn)應力幅值越 大，允許的循環(huán)次數(shù)越小，也就是說在這種工況下 材料的疲勞壽命越短。該新能源汽車電池模組固 定螺栓在振動試驗過程中主要承受高周變幅荷載 的作用，在整個試驗周期中，理論上模組固定螺栓 所承受的應力循環(huán)次數(shù)是固定的，要想增加螺栓 的疲勞壽命，只有盡可能減小循環(huán)應力幅值，即盡 可能保證模組安裝底座的平面度滿足設(shè)計要求。

分析螺栓在螺栓連接中的受力情況，螺栓擰 緊后，電池模組被夾緊并產(chǎn)生微小的變形，如果電 池模組和安裝底座之間的結(jié)合面處有間隙，螺栓 連接中電池模組的整體剛度就會受到影響，剛度 比沒有間隙的情況要小很多，當承受外部交變疲勞載荷作用時，電池模組的變形幅度也相對比較 大，進而導致該部位的螺栓受到的交變應力幅值 就比較大。因此，電池箱體模組安裝底座的平面 度也是影響螺栓斷裂的重要因素。

為確認電池箱體模組安裝底座平面度對螺栓 斷裂失效的影響，采用力德三坐標測量儀 GREAT 251510 對電池箱體模組安裝底座平面度進行測 量，測量結(jié)果如圖12所示，可見電池箱體模組安裝 底座平面度符合設(shè)計要求。

3.4 螺栓連接設(shè)計對其斷裂失效的影響

螺栓在實際應用過程中，疲勞斷裂是常見失 效模式之一。一般螺栓連接的疲勞斷裂發(fā)生在交 變載荷力的作用下,特別是在交變載荷幅值高和頻 次高的環(huán)境中,螺栓連接更易發(fā)生疲勞失效[2] ，因此 在設(shè)計螺栓連接時需要對其疲勞強度進行評估。

利用有限元軟件OptiStruct 分析評估該電池箱 體底部螺紋連接副疲勞強度，根據(jù)新能源汽車電 池實車裝配狀態(tài)，將振動激勵施加于吊耳處，在Z 向振動激勵下，應力分布主要集中在底板的螺栓 安裝孔附近，如圖13所示。因此，振動環(huán)境下螺栓 的疲勞強度性能成為評估新能源電池結(jié)構(gòu)振動安 全性不容忽視的重要指標。通過對該電池包進行 模態(tài)分析和隨機振動分析，振動外載荷分布（保 守）和振動外載荷分布（激進）狀態(tài)下需要的疲勞 強度分別是59.032MPa和47.453MPa，而M8緊固 件基于VDI2230的參考疲勞強度為59.5MPa。由 此可見，振動最大外載荷即便全部加載在緊固件 上也可滿足要求。

NFE25-030又給出了高強螺栓的許用動態(tài)應 力，該推薦值對應的存活率為99%，置信度為95%， 平均應力為0.3~1.0倍的屈服強度，循環(huán)次數(shù)為 3.0×106次。其值如表4 所示。由此可見，即便振 動最大外載荷即便全部加載在緊固件上，該新能 源汽車電池模組固定螺栓的疲勞強度仍低于推薦 的螺栓疲勞強度值。

4 測試情況分析

參考標準GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄 電池系統(tǒng)安全要求》進行隨機振動試驗。將該新能 源汽車電池包通過夾具固定在振動臺上，電池包和 夾具的固定方式、螺栓規(guī)格和實車裝配保持一致。控制點傳感器布置在夾具與固定電池包的螺栓附 近，采用 4 個對角位置的傳感器的進行算術(shù)平均 值控制，功能檢查正常后在 Z 向施加隨機和定頻 振動載荷，隨機振動功率譜密度見圖 14。在隨機 振動前后進行掃頻試驗，以測試樣品的固有頻 率，掃頻頻率 5～200 Hz，振動加速度 0.5 g，掃描 速度 1.0 oct/min。Z 方向振動前后的掃描數(shù)據(jù)見 圖 15，由圖可見 Z 方向振動前一階固有頻率是 70.20 Hz，振動后的一階固有頻率是 68.95 Hz，試驗 前后主頻衰減率為1.78%，變化并不大，說明振動系 統(tǒng)的穩(wěn)定性很好，可見螺栓斷裂失效的原因并非是 振動設(shè)備和振動試驗過程中異常導致的。

5 結(jié)論與建議

該新能源汽車電池模組固定螺栓斷裂形式為 單向疲勞斷裂，斷裂的原因是螺栓裝配不當。斷 裂失效螺栓與電池模組端板存在過盈配合情況， 螺栓在擰緊的過程中，螺紋受較大副摩擦力的作 用在螺紋表面萌生顯微裂紋成為疲勞源。疲勞源 形成后，在進行Z向振動時顯微裂紋在交變應力和 失效螺栓的上下結(jié)合面處螺栓受徑向剪切力的共 同作用下不斷擴展，最終導致斷裂。建議增加電 池模組孔位導正動作，用導向杠使電池模組固定 孔與電池箱體非標螺套螺紋孔對正后再安裝螺栓 緊固。

審核編輯：湯梓紅