电动机小吊挂制造和焊接工艺改进

2015-11-16谢贵生赵东超苗国民

金属加工(热加工) 2015年16期

谢贵生赵东超苗国民

1. 概述

电力机车铁心冲片叠压型机座牵引电动机位于机车底部，其一端通过大吊挂连接到机车轮轴上，另一边靠小吊挂组件中的小吊挂通过连接杆将电动机连接到机车底盘上（见图1）。电动机在运行中受交变疲劳载荷和较大的动应力，小吊挂组件要承受电动机自重以及驱动载荷的作用，使得其结构受力情况恶化，导致电动机运行过程中小吊挂组件弧板与铁心冲片间的焊缝出现了裂纹，图1为小吊挂组件在电动机上的位置，图2为开裂焊缝的位置。小吊挂组件弧板与铁心冲片焊缝开裂失效，不仅影响传动效率，还会产生重大恶性铁路事故。

2. 故障电动机和制造过程

根据设计要求，弧板与定子铁心冲片焊缝（见图3）焊脚为8～10mm。经普查故障电动机，发现电动机小吊挂组件焊缝开裂失效主要发生在弧板与铁心冲片上侧焊缝的弧板侧的焊脚附近，长度130mm左右，焊缝焊角为5～10mm不等，且分散性较大。弧板与铁心冲片实际间隙约4mm，与设计间隙0.5mm存在巨大差异。同时经普查生产现场在制品，发现小吊挂组件中弧板与铁心冲片的局部装配间隙在3mm左右，表明焊接过程也带来较大的焊接变形。

图1 小吊挂组件的安装结构

图2 小吊挂组件开裂焊缝位置

图3 弧板与定子铁心冲片焊缝

图4 弧板与铁心冲片间的焊缝裂纹

3. 原制造工艺分析

导致点固焊后装配间隙变大的主要原因与小吊挂组件的制造过程有关。小吊挂组件的制造过程分为两类：其一是弧板热压成形后焊接小吊挂并退火；其二是卷筒分割后焊接小吊挂并退火。热压成形和卷筒分割后的外涨变形均导致弧度难以控制，使得小吊挂弧板与定子铁心冲片外圆的贴合度变差。间隙过大使得后续焊接时铁液直接淌入焊缝间隙，根部发生严重未熔合，也使得焊脚有效厚度减少，强度变低。

焊接应力变形，导致实际产品焊完后最终局部间隙达4mm左右。原焊接工艺采用GB/T5117 E5024、φ5.0mm×450mm焊条一道焊完，焊接电流220～250A，焊接热输入过大，也是导致焊接变形过大的因素之一。

由于小吊挂弧板与定子铁心冲片焊缝间隙增大，焊脚有效尺寸变小，所以根部未熔合，成为原始裂纹的起裂源。机车电动机在运行过程中的动载荷较大，使得弧板与铁心冲片间的承载焊缝的动应力增大，在交变应力的共同作用下，最终导致焊缝开裂失效。

4. 改进措施

（1）焊接方案制定富氩气体保护焊（MAG）与焊条电弧焊相比，其电弧和熔池的可见度好，便于焊工控制熔池，且电弧热量集中、热输入低，焊接变形小，焊缝夹渣少。另外，MAG一方面使得电弧压缩，焊丝端头熔滴上的电弧斑点比较集中，使得斑点处表面温度高，金属强烈蒸发和熔化；另一方面熔池表面也受到电弧力作用，产生较大的下掘力，而形成较大的熔深，这两点均有利于工件的焊透。所以在焊接小吊挂弧板与铁心冲片之间的焊缝时，增加MAG焊打底焊，保证根部焊透，同时考虑到焊接焊接效率和减少焊接接头等因素，填充、盖面焊仍使用E5024焊条一道焊完，因其为铁粉高氧化钛覆盖型电焊条，可承受高电流，可得极高的焊速及熔填效率，火花少，电弧集中，水平角焊可得上下焊角长相等表面平滑美观的焊道，无气孔、夹渣、烧蚀之弊。

（2）在线运行电动机和返厂修电动机焊接修复结合失效焊缝弧板与铁心冲片间隙结构分析和焊接方案分析结果，对在线运行电动机和返修电动机采用焊缝补强方案。对小吊挂组件弧板与铁心冲片之间的焊缝，进一步着色探伤或磁粉探伤，确定缺陷部位，用角向砂轮机对缺陷部位清除，并再次探伤确认，在确保缺陷彻底清除后再施焊。

原焊接规程采用E5024焊条一道焊完，补强时增加MAG焊打底焊，采用小的焊接热输入，φ 1.0mm ER50—6焊丝，焊接电流180~220A，电弧电压22~26V，清渣后采用E5024φ5.0mm焊条一道焊完，焊接电流220~250A，保证上焊缝焊脚8~10mm，焊脚尽可能走上限，焊后用尖嘴锤敲击去应力（打底焊除外），打磨焊脚部位，消除缺口效应。24h后着色探伤或磁粉探伤，修复后的电动机在线运行一年后未出现开裂。

（3）新造电动机结合失效焊缝间隙尺寸，从减小弧板与定子铁心冲片之间的装配间隙入手。过去，小吊挂组件（其由弧板和小吊挂焊接而成）的弧板制造过程有两种方案，考虑40mm钢板热压成形弧度难以控制，不再采用该制造方案。另一方案原由钢板卷制成筒体、分割成数个弧板，然后再将加工好的小吊挂焊接到弧板上，焊完小吊挂组件后并对之退火，因40mm厚筒体卷制后仅仅校圆，缺少卷筒后的机加工工序，其精度不足以保证其与机座铁心冲片的贴合度，加之分割筒体后，弧板与小吊挂的焊接变形，即使对之退火，仍然使得小吊挂组件弧板与铁心冲片焊接时装配间隙远远超过设计要求。改进后，通过工艺验证，在弧板卷制成筒体后，加工外圆，划线焊接数个小吊挂到卷制好的整体弧板筒体外圆，然后退火。退火后增加机加工工序，加工弧板筒体整体内侧面，之后再分割出数个小吊挂组件，这样有效保证了小吊挂组件弧板内侧与定子铁心冲片之间的设计间隙。焊接时增加MAG焊小电流打底焊缝，φ1.0mm，ER50—6焊丝，焊接电流180~220A，电弧电压22~26V。填充盖面焊采用E5024 φ5.0mm焊条一道焊完，适当降低焊接电流210~240A，保证焊角符合图样要求。焊后振动时效处理整个定子铁心，24h后着色探伤或磁粉探伤，经过近半年的跟踪走访，新造电动机未出现开裂现象。