電動(dòng)機(jī)小吊掛制造和焊接工藝改進(jìn)

謝貴生 趙東超 苗國(guó)民

1. 概述

電力機(jī)車鐵心沖片疊壓型機(jī)座牽引電動(dòng)機(jī)位于機(jī)車底部，其一端通過(guò)大吊掛連接到機(jī)車輪軸上，另一邊靠小吊掛組件中的小吊掛通過(guò)連接桿將電動(dòng)機(jī)連接到機(jī)車底盤上（見(jiàn)圖1）。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中受交變疲勞載荷和較大的動(dòng)應(yīng)力，小吊掛組件要承受電動(dòng)機(jī)自重以及驅(qū)動(dòng)載荷的作用，使得其結(jié)構(gòu)受力情況惡化，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中小吊掛組件弧板與鐵心沖片間的焊縫出現(xiàn)了裂紋，圖1為小吊掛組件在電動(dòng)機(jī)上的位置，圖2為開(kāi)裂焊縫的位置。小吊掛組件弧板與鐵心沖片焊縫開(kāi)裂失效，不僅影響傳動(dòng)效率，還會(huì)產(chǎn)生重大惡性鐵路事故。

2. 故障電動(dòng)機(jī)和制造過(guò)程

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，弧板與定子鐵心沖片焊縫（見(jiàn)圖3）焊腳為8～10mm。經(jīng)普查故障電動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)小吊掛組件焊縫開(kāi)裂失效主要發(fā)生在弧板與鐵心沖片上側(cè)焊縫的弧板側(cè)的焊腳附近，長(zhǎng)度130mm左右，焊縫焊角為5～10mm不等，且分散性較大?；“迮c鐵心沖片實(shí)際間隙約4mm，與設(shè)計(jì)間隙0.5mm存在巨大差異。同時(shí)經(jīng)普查生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)在制品，發(fā)現(xiàn)小吊掛組件中弧板與鐵心沖片的局部裝配間隙在3mm左右，表明焊接過(guò)程也帶來(lái)較大的焊接變形。

圖1 小吊掛組件的安裝結(jié)構(gòu)

圖2 小吊掛組件開(kāi)裂焊縫位置

圖3 弧板與定子鐵心沖片焊縫

圖4 弧板與鐵心沖片間的焊縫裂紋

3. 原制造工藝分析

導(dǎo)致點(diǎn)固焊后裝配間隙變大的主要原因與小吊掛組件的制造過(guò)程有關(guān)。小吊掛組件的制造過(guò)程分為兩類：其一是弧板熱壓成形后焊接小吊掛并退火；其二是卷筒分割后焊接小吊掛并退火。熱壓成形和卷筒分割后的外漲變形均導(dǎo)致弧度難以控制，使得小吊掛弧板與定子鐵心沖片外圓的貼合度變差。間隙過(guò)大使得后續(xù)焊接時(shí)鐵液直接淌入焊縫間隙，根部發(fā)生嚴(yán)重未熔合，也使得焊腳有效厚度減少，強(qiáng)度變低。

焊接應(yīng)力變形，導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)品焊完后最終局部間隙達(dá)4mm左右。原焊接工藝采用GB/T5117 E5024、φ5.0mm×450mm焊條一道焊完，焊接電流220～250A，焊接熱輸入過(guò)大，也是導(dǎo)致焊接變形過(guò)大的因素之一。

由于小吊掛弧板與定子鐵心沖片焊縫間隙增大，焊腳有效尺寸變小，所以根部未熔合，成為原始裂紋的起裂源。機(jī)車電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)載荷較大，使得弧板與鐵心沖片間的承載焊縫的動(dòng)應(yīng)力增大，在交變應(yīng)力的共同作用下，最終導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂失效。

4. 改進(jìn)措施

（1）焊接方案制定 富氬氣體保護(hù)焊（MAG）與焊條電弧焊相比，其電弧和熔池的可見(jiàn)度好，便于焊工控制熔池，且電弧熱量集中、熱輸入低，焊接變形小，焊縫夾渣少。另外，MAG一方面使得電弧壓縮，焊絲端頭熔滴上的電弧斑點(diǎn)比較集中，使得斑點(diǎn)處表面溫度高，金屬?gòu)?qiáng)烈蒸發(fā)和熔化；另一方面熔池表面也受到電弧力作用，產(chǎn)生較大的下掘力，而形成較大的熔深，這兩點(diǎn)均有利于工件的焊透。所以在焊接小吊掛弧板與鐵心沖片之間的焊縫時(shí)，增加MAG焊打底焊，保證根部焊透，同時(shí)考慮到焊接焊接效率和減少焊接接頭等因素，填充、蓋面焊仍使用E5024焊條一道焊完，因其為鐵粉高氧化鈦覆蓋型電焊條，可承受高電流，可得極高的焊速及熔填效率，火花少，電弧集中，水平角焊可得上下焊角長(zhǎng)相等表面平滑美觀的焊道，無(wú)氣孔、夾渣、燒蝕之弊。

（2）在線運(yùn)行電動(dòng)機(jī)和返廠修電動(dòng)機(jī)焊接修復(fù) 結(jié)合失效焊縫弧板與鐵心沖片間隙結(jié)構(gòu)分析和焊接方案分析結(jié)果，對(duì)在線運(yùn)行電動(dòng)機(jī)和返修電動(dòng)機(jī)采用焊縫補(bǔ)強(qiáng)方案。對(duì)小吊掛組件弧板與鐵心沖片之間的焊縫，進(jìn)一步著色探傷或磁粉探傷，確定缺陷部位，用角向砂輪機(jī)對(duì)缺陷部位清除，并再次探傷確認(rèn)，在確保缺陷徹底清除后再施焊。

原焊接規(guī)程采用E5024焊條一道焊完，補(bǔ)強(qiáng)時(shí)增加MAG焊打底焊，采用小的焊接熱輸入，φ 1.0mm ER50—6焊絲，焊接電流180~220A，電弧電壓22~26V，清渣后采用E5024φ5.0mm焊條一道焊完，焊接電流220~250A，保證上焊縫焊腳8~10mm，焊腳盡可能走上限，焊后用尖嘴錘敲擊去應(yīng)力（打底焊除外），打磨焊腳部位，消除缺口效應(yīng)。24h后著色探傷或磁粉探傷，修復(fù)后的電動(dòng)機(jī)在線運(yùn)行一年后未出現(xiàn)開(kāi)裂。

（3）新造電動(dòng)機(jī) 結(jié)合失效焊縫間隙尺寸，從減小弧板與定子鐵心沖片之間的裝配間隙入手。過(guò)去，小吊掛組件（其由弧板和小吊掛焊接而成）的弧板制造過(guò)程有兩種方案，考慮40mm鋼板熱壓成形弧度難以控制，不再采用該制造方案。另一方案原由鋼板卷制成筒體、分割成數(shù)個(gè)弧板，然后再將加工好的小吊掛焊接到弧板上，焊完小吊掛組件后并對(duì)之退火，因40mm厚筒體卷制后僅僅校圓，缺少卷筒后的機(jī)加工工序，其精度不足以保證其與機(jī)座鐵心沖片的貼合度，加之分割筒體后，弧板與小吊掛的焊接變形，即使對(duì)之退火，仍然使得小吊掛組件弧板與鐵心沖片焊接時(shí)裝配間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后，通過(guò)工藝驗(yàn)證，在弧板卷制成筒體后，加工外圓，劃線焊接數(shù)個(gè)小吊掛到卷制好的整體弧板筒體外圓，然后退火。退火后增加機(jī)加工工序，加工弧板筒體整體內(nèi)側(cè)面，之后再分割出數(shù)個(gè)小吊掛組件，這樣有效保證了小吊掛組件弧板內(nèi)側(cè)與定子鐵心沖片之間的設(shè)計(jì)間隙。焊接時(shí)增加MAG焊小電流打底焊縫，φ1.0mm，ER50—6焊絲，焊接電流180~220A，電弧電壓22~26V。填充蓋面焊采用E5024 φ5.0mm焊條一道焊完，適當(dāng)降低焊接電流210~240A，保證焊角符合圖樣要求。焊后振動(dòng)時(shí)效處理整個(gè)定子鐵心，24h后著色探傷或磁粉探傷，經(jīng)過(guò)近半年的跟蹤走訪，新造電動(dòng)機(jī)未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

5. 結(jié)語(yǔ)

（1）牽引電動(dòng)機(jī)小吊掛組件由于制造工藝存在不足和焊接變形引起的弧板與定子鐵心沖片之間間隙增大，導(dǎo)致焊縫焊腳有效尺寸偏小，焊縫強(qiáng)度不足，所以在較大動(dòng)應(yīng)力和交變載荷的作用下產(chǎn)生焊縫開(kāi)裂失效。

（2）對(duì)在線運(yùn)行電動(dòng)機(jī)和返修電動(dòng)機(jī)采用焊縫補(bǔ)強(qiáng)方案，在焊接小吊掛弧板與鐵心沖片之間的焊縫時(shí)，均增加MAG焊打底焊，保證了根部熔透；對(duì)新造電動(dòng)機(jī)，通過(guò)小吊掛組件本身制造工藝的優(yōu)化，減小了弧板與定子鐵心沖片之間的裝配間隙，增加MAG焊打底焊。

跟蹤結(jié)果表明，補(bǔ)強(qiáng)電動(dòng)機(jī)和新造電動(dòng)機(jī)在分別運(yùn)行一年和半年后均未發(fā)生焊縫開(kāi)裂失效。

[1] 陳伯蠡. 焊接工程缺欠分析與對(duì)策[M]. 第2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2005∶59-64.

[2] 王國(guó)凡，等. 材料成形與失效［M]. 第1版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2002∶19-22，56-57, 214-227.