鄧 蘋，曾美揚

(南車株州電機有限公司，湖南 株州 412001)

0 前言

動車牽引電機安裝座板在結(jié)合面加工及安裝螺孔攻絲以后，與轉(zhuǎn)向架相連的下懸掛安裝座板非結(jié)合面螺紋在拆卸過程中被意外磕碰傷，為了保障兩者的連接強度，需對電機下懸掛安裝座板進行補焊增加連接強度，同時保證焊接部位結(jié)合面的平面度、螺孔垂直度。為達到以上目的，本研究分析并驗證不同的焊接方法對電機下懸掛安裝座板外接口尺寸的影響，采用盲孔法測量焊接應(yīng)力，利用豪克能應(yīng)力消除設(shè)備消除補焊位置的應(yīng)力，使下懸掛安裝座板能滿足外接口設(shè)計尺寸的要求。

1 焊接接頭型式及焊接方法對安裝座板尺寸的影響

1.1 焊接接頭型式

安裝座板材質(zhì)為Q235A，厚度24 mm，在座板中央有一個M27的螺紋孔。安裝座板結(jié)合面與轉(zhuǎn)向架相接合（見圖1），設(shè)計要求平面度為0.05 mm以下；熔敷位置為安裝座板結(jié)合面的反面，即非結(jié)合面（見圖2）；熔敷工件接頭形式見圖3。

圖1安裝座板結(jié)合面

圖2 安裝座板非結(jié)合面

1.2 焊接方法對安裝座板尺寸外接口尺寸影響的理論分析

不同的焊接方法適用的領(lǐng)域和范圍有所不同，焊接方法比較說明如表1所示[1]。

由表1可知，TIG焊和激光焊都能滿足要求。

表1 焊接方法的比較說明

圖3 焊接接頭形式

1.3 不同焊接方法對電機安裝座板外接口尺寸影響實際驗證情況

利用不同的焊接方法補焊電機安裝底座，對焊后產(chǎn)品的關(guān)鍵尺寸進行驗證，驗證結(jié)果如表2所示。

表2 不同焊接方法對電機安裝座板外接口尺寸的影響

通過理論分析和實際驗證的結(jié)果，采用激光焊接進行補焊。

2 激光焊接工藝過程及焊后尺寸檢查

2.1 焊接工藝過程

（1）產(chǎn)品尺寸檢查：焊接前需對產(chǎn)品的關(guān)鍵特性項點進行預(yù)先測量，如結(jié)合面平面度、安裝時外接口尺寸，做好試驗結(jié)果分析前的重要輸入。

（2）補焊表面清潔：清理補焊區(qū)域表面、焊縫周圍非結(jié)合面及周圍20 mm處銹跡、油漆等。

（3）防變形工裝安裝：在下懸掛座板部位按要求安裝防變形工裝，并將焊件與工裝點固焊接，如圖4所示。

（4）置入石墨：將石墨置入M27螺紋孔內(nèi)，避免激光對螺紋的熔蝕，如圖5所示。

（5）預(yù)置合金粉末：采用人工預(yù)置將合金粉末按要求放置于補焊位置，如圖6所示。

圖4 安裝防變形工裝

（6）光斑調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)激光光斑至3～5 mm，選擇ZYJ-9850激光器（6 kW，CO2激光器）進行補焊。

（7）焊接規(guī)范的調(diào)節(jié)：按要求調(diào)節(jié)焊接規(guī)范，如表3所示。

（8）實施焊接：檢查焊接實施前的準備工作，起動焊接設(shè)備，實施焊接。

2.2 焊后尺寸檢查

焊接完成后需拆除焊接工裝，測量產(chǎn)品各個關(guān)鍵特性項點，攻絲精整M27螺紋孔。

圖5 將石墨置入螺紋孔內(nèi)

圖6 預(yù)置合金粉末

表3 焊接規(guī)范

2.2.1 平面度檢查

使用銼刀將結(jié)合面毛刺修磨干凈，采用三座標檢查結(jié)合面平面度，平面度0.02 mm，焊接前后平面度幾乎沒有發(fā)生改變。

2.2.2 M27螺紋止通規(guī)檢查

采用M27絲錐對螺紋孔攻絲，目測螺紋孔，未見因焊接引起的螺紋熔蝕等缺陷，使用止通規(guī)檢查符合要求，螺栓與下懸掛安裝座板的垂直度符合設(shè)計要求。

2.2.3 電機安裝座板外接口尺寸檢查

通過三坐標測量儀測量下懸掛安裝座板外接口尺寸，所得尺寸數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求。

激光焊接后，檢查電機的相關(guān)尺寸均符合設(shè)計要求，但焊接部位內(nèi)部的殘余應(yīng)力情況需進一步分析研究。

3 焊接殘余應(yīng)力的測量和分析

3.1 殘余應(yīng)力對產(chǎn)品特性的影響

在焊接產(chǎn)品應(yīng)用過程中，焊接殘余應(yīng)力和產(chǎn)品受載荷引起的工作應(yīng)力相互疊加，使得產(chǎn)品發(fā)生二次變形和殘余應(yīng)力重新分布，降低產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸穩(wěn)定性，而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會嚴重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強度等能力。為保證焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)疲勞強度和形狀尺寸精度，需要進行殘余應(yīng)力檢測分析，然后消除焊接殘余應(yīng)力[2-3]。

3.2 殘余應(yīng)力的檢測方法比較

根據(jù)測試原理，焊接殘余應(yīng)力檢測方法可分為機械測定法和物理測定法。機械測定法主要包括切條法、小孔法（包括盲孔小孔法和通孔小孔法）、套鉆環(huán)形槽法、套取芯棒法、逐層銑削法、壓痕裂紋法。物理測定法主要包括X射線法、電磁法、開裂判定法、超聲法以及中子輻照法[4]。各種檢測方法使用范圍如表4所示。

表4 殘余應(yīng)力的檢測方法比較

相對于通孔小孔法，盲孔小孔法對工件損傷較小，測量更可靠，已成為現(xiàn)場實測的一種標準試驗方法。通過對各種檢測方法的比較分析，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，選擇小孔盲孔法進行檢測焊接殘余應(yīng)力。

3.3 應(yīng)變的檢測及殘余應(yīng)力的計算分析

3.3.1 盲孔法測量殘余應(yīng)力基本原理

當(dāng)構(gòu)件內(nèi)存在殘余應(yīng)力場（σ1，σ2），在應(yīng)力場內(nèi)任意一點鉆一定直徑d和深度h的小盲孔，該處應(yīng)力的平衡將受到破壞，盲孔周圍的應(yīng)力將重新調(diào)整，使得盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，其大小與被釋放的應(yīng)力是相對應(yīng)的。通過測量這種釋放應(yīng)變，就可以用彈性力學(xué)原理推算出盲孔處的殘余應(yīng)力[5]。如圖7所示，在離鉆孔中心一定距離處粘貼三個應(yīng)變片，各應(yīng)變片之間保持45°。然后鉆孔，測出各應(yīng)變片的應(yīng)變增量讀數(shù)，再利用下面的計算公式確定測點的初始殘余應(yīng)力。其計算公式為

式中 ε1、ε2、ε3分別為相應(yīng)各應(yīng)變片鉆孔后測得的釋放應(yīng)變；A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)，可通過拉伸實驗標定或Kirsch理論計算公式給出；θ為最大主應(yīng)力與應(yīng)變片中1號應(yīng)變片參考軸之間的夾角，順時針取向；由Kirsch理論可得到應(yīng)變釋放系數(shù)A、B

3.3.2 應(yīng)變的檢測及殘余應(yīng)力的計算

根據(jù)實際需要，在焊接產(chǎn)品上進行8個點測試，小孔直徑為d=1.5 mm、r1=2.65 mm、r2=5.95 mm，通過應(yīng)力測量專用軟件，設(shè)定常溫下產(chǎn)品材質(zhì)Q235A的彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3。將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（1）～式（5），通過應(yīng)力檢測儀專用計算軟件自動計算焊接殘余應(yīng)力，即可輸出相應(yīng)點的應(yīng)力值。

4 消除焊接殘余應(yīng)力

消除殘余應(yīng)力的方法大致分為熱時效、自然時效、振動時效、靜態(tài)過載時效等，熱時效能消除50%～80%的殘余應(yīng)力、自然時效能消除20%～50%的殘余應(yīng)力、振動時效能消除50%～90%的殘余應(yīng)力、靜態(tài)過載時效能消除40%～70%的殘余應(yīng)力、每種處理方法具有各自的特征和使用范圍[6]。

4.1 消除殘余應(yīng)力的方法比較

熱作用消除殘余應(yīng)力適用于大部分鋼結(jié)構(gòu)件，對于機加工、鑄件、焊接件都適合，但整體熱處理費工費時；靜態(tài)過載更適合于低合金高強鋼和不銹鋼；振動時效更適合構(gòu)件比較大且不適合熱處理的場合，尤其對焊接件能將焊縫處的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，與熱處理比較，它節(jié)約能源，生產(chǎn)周期縮短。因此本實驗采用高頻振動處理方法對焊接殘余應(yīng)力進行處理[7]。

4.2 消除殘余應(yīng)力的試驗及結(jié)果分析

4.2.1 實驗設(shè)備

實驗采用的應(yīng)力消除設(shè)備是豪克能應(yīng)力消除設(shè)備，殘余應(yīng)力測量設(shè)備是應(yīng)力測量儀。豪克能應(yīng)力消除設(shè)備是振動時效的一種，振動頻率達到20000 Hz的高頻沖擊，是目前消除焊接應(yīng)力應(yīng)用最廣的一種，能將應(yīng)力消除達到80%～100%。

4.2.2 實驗過程

對動車電機下懸掛安裝座板先進行補焊→測量焊后殘余應(yīng)力值→殘余應(yīng)力消除→對消除應(yīng)力后的焊件進行應(yīng)力測量。

4.2.3 實驗結(jié)果

對下懸掛安裝座板焊后殘余應(yīng)力處理前后用應(yīng)力測量儀進行測量，測量位置如圖8和圖9所示，結(jié)果如表6所示。

圖8 焊態(tài)下應(yīng)力測量位置

分析上述數(shù)據(jù)可知，豪克能振動時效消除應(yīng)力設(shè)備能有效消除焊接殘余應(yīng)力，可將焊接拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。

5 結(jié)論

通過對動車牽引電機安裝座板結(jié)構(gòu)焊接方法的比較分析，以及對焊接部位殘余應(yīng)力的消除與測量，得出如下結(jié)論：

圖9 消除應(yīng)力后應(yīng)力測量位置

表5 殘余應(yīng)力

（1）采用激光焊接方法對該部位補焊能達到較小變形效果，且電機安裝座板外接口尺寸未發(fā)生變化。

（2）采用小光斑的激光補焊，可避免相鄰螺紋熔蝕。

（3）通過毫克能應(yīng)力消除設(shè)備能將焊接拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成有益的焊接壓應(yīng)力。

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