鄧 蘋(píng)，曾美揚(yáng)

(南車(chē)株州電機(jī)有限公司，湖南 株州 412001)

0 前言

動(dòng)車(chē)牽引電機(jī)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(guò)程中被意外磕碰傷，為了保障兩者的連接強(qiáng)度，需對(duì)電機(jī)下懸掛安裝座板進(jìn)行補(bǔ)焊增加連接強(qiáng)度，同時(shí)保證焊接部位結(jié)合面的平面度、螺孔垂直度。為達(dá)到以上目的，本研究分析并驗(yàn)證不同的焊接方法對(duì)電機(jī)下懸掛安裝座板外接口尺寸的影響，采用盲孔法測(cè)量焊接應(yīng)力，利用豪克能應(yīng)力消除設(shè)備消除補(bǔ)焊位置的應(yīng)力，使下懸掛安裝座板能滿足外接口設(shè)計(jì)尺寸的要求。

1 焊接接頭型式及焊接方法對(duì)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(gè)M27的螺紋孔。安裝座板結(jié)合面與轉(zhuǎn)向架相接合（見(jiàn)圖1），設(shè)計(jì)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(jiàn)圖2）；熔敷工件接頭形式見(jiàn)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(duì)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(shuō)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(shuō)明

圖3 焊接接頭形式

1.3 不同焊接方法對(duì)電機(jī)安裝座板外接口尺寸影響實(shí)際驗(yàn)證情況

利用不同的焊接方法補(bǔ)焊電機(jī)安裝底座，對(duì)焊后產(chǎn)品的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

表2 不同焊接方法對(duì)電機(jī)安裝座板外接口尺寸的影響

通過(guò)理論分析和實(shí)際驗(yàn)證的結(jié)果，采用激光焊接進(jìn)行補(bǔ)焊。

2 激光焊接工藝過(guò)程及焊后尺寸檢查

2.1 焊接工藝過(guò)程

（1）產(chǎn)品尺寸檢查：焊接前需對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵特性項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)先測(cè)量，如結(jié)合面平面度、安裝時(shí)外接口尺寸，做好試驗(yàn)結(jié)果分析前的重要輸入。

（2）補(bǔ)焊表面清潔：清理補(bǔ)焊區(qū)域表面、焊縫周?chē)墙Y(jié)合面及周?chē)?0 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(diǎn)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(duì)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(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)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(shí)施焊接：檢查焊接實(shí)施前的準(zhǔn)備工作，起動(dòng)焊接設(shè)備，實(shí)施焊接。

2.2 焊后尺寸檢查

焊接完成后需拆除焊接工裝，測(cè)量產(chǎn)品各個(gè)關(guān)鍵特性項(xiàng)點(diǎn)，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(biāo)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(méi)有發(fā)生改變。

2.2.2 M27螺紋止通規(guī)檢查

采用M27絲錐對(duì)螺紋孔攻絲，目測(cè)螺紋孔，未見(jiàn)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(jì)要求。

2.2.3 電機(jī)安裝座板外接口尺寸檢查

通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)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(jì)要求。

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

3 焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量和分析

3.1 殘余應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品特性的影響

在焊接產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)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(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強(qiáng)度等能力。為保證焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和形狀尺寸精度，需要進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)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(cè)方法比較

根據(jù)測(cè)試原理，焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)方法可分為機(jī)械測(cè)定法和物理測(cè)定法。機(jī)械測(cè)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(cè)定法主要包括X射線法、電磁法、開(kāi)裂判定法、超聲法以及中子輻照法[4]。各種檢測(cè)方法使用范圍如表4所示。

表4 殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法比較

相對(duì)于通孔小孔法，盲孔小孔法對(duì)工件損傷較小，測(cè)量更可靠，已成為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。通過(guò)對(duì)各種檢測(cè)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(jìn)行檢測(cè)焊接殘余應(yīng)力。

3.3 應(yīng)變的檢測(cè)及殘余應(yīng)力的計(jì)算分析

3.3.1 盲孔法測(cè)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(chǎng)（σ1，σ2），在應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)任意一點(diǎn)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?chē)膽?yīng)力將重新調(diào)整，使得盲孔周?chē)鷮a(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(duì)應(yīng)的。通過(guò)測(cè)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(gè)應(yīng)變片，各應(yīng)變片之間保持45°。然后鉆孔，測(cè)出各應(yīng)變片的應(yīng)變?cè)隽孔x數(shù)，再利用下面的計(jì)算公式確定測(cè)點(diǎn)的初始?xì)堄鄳?yīng)力。其計(jì)算公式為

式中 ε1、ε2、ε3分別為相應(yīng)各應(yīng)變片鉆孔后測(cè)得的釋放應(yīng)變；A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)，可通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)標(biāo)定或Kirsch理論計(jì)算公式給出；θ為最大主應(yīng)力與應(yīng)變片中1號(hào)應(yīng)變片參考軸之間的夾角，順時(shí)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(cè)及殘余應(yīng)力的計(jì)算

根據(jù)實(shí)際需要，在焊接產(chǎn)品上進(jìn)行8個(gè)點(diǎn)測(cè)試，小孔直徑為d=1.5 mm、r1=2.65 mm、r2=5.95 mm，通過(guò)應(yīng)力測(cè)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(guò)應(yīng)力檢測(cè)儀專用計(jì)算軟件自動(dòng)計(jì)算焊接殘余應(yīng)力，即可輸出相應(yīng)點(diǎn)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(shí)效、自然時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、靜態(tài)過(guò)載時(shí)效等，熱時(shí)效能消除50%～80%的殘余應(yīng)力、自然時(shí)效能消除20%～50%的殘余應(yīng)力、振動(dòng)時(shí)效能消除50%～90%的殘余應(yīng)力、靜態(tài)過(guò)載時(shí)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(duì)于機(jī)加工、鑄件、焊接件都適合，但整體熱處理費(fèi)工費(fèi)時(shí)；靜態(tài)過(guò)載更適合于低合金高強(qiáng)鋼和不銹鋼；振動(dòng)時(shí)效更適合構(gòu)件比較大且不適合熱處理的場(chǎng)合，尤其對(duì)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(shí)驗(yàn)采用高頻振動(dòng)處理方法對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行處理[7]。

4.2 消除殘余應(yīng)力的試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)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(cè)量設(shè)備是應(yīng)力測(cè)量?jī)x。豪克能應(yīng)力消除設(shè)備是振動(dòng)時(shí)效的一種，振動(dòng)頻率達(dá)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(dá)到80%～100%。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

對(duì)動(dòng)車(chē)電機(jī)下懸掛安裝座板先進(jìn)行補(bǔ)焊→測(cè)量焊后殘余應(yīng)力值→殘余應(yīng)力消除→對(duì)消除應(yīng)力后的焊件進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)下懸掛安裝座板焊后殘余應(yīng)力處理前后用應(yīng)力測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(cè)量位置

分析上述數(shù)據(jù)可知，豪克能振動(dòng)時(shí)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(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)牽引電機(jī)安裝座板結(jié)構(gòu)焊接方法的比較分析，以及對(duì)焊接部位殘余應(yīng)力的消除與測(cè)量，得出如下結(jié)論：

圖9 消除應(yīng)力后應(yīng)力測(cè)量位置

表5 殘余應(yīng)力

（1）采用激光焊接方法對(duì)該部位補(bǔ)焊能達(dá)到較小變形效果，且電機(jī)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(bǔ)焊，可避免相鄰螺紋熔蝕。

（3）通過(guò)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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