堆焊修復內燃機車牽引電機轉軸斷裂分析

李　碩

(中國中車蘭州機車有限責任公司　質量保證部， 甘肅蘭州 730050)

?

堆焊修復內燃機車牽引電機轉軸斷裂分析

李碩

(中國中車蘭州機車有限責任公司質量保證部， 甘肅蘭州 730050)

某內燃機車在運行中發生牽引電機轉軸斷裂，利用斷口分析、低倍檢驗、金相分析、化學成分分析、力學性能分析等對斷裂的電機轉軸進行分析，結果表明，由于堆焊修復過程中，堆焊電流過大，造成電機轉軸堆焊層化學成分偏析較嚴重，在冷卻過程中生成沿溫度梯度方向呈條帶狀分布的鐵素體，致使電機轉軸疲勞性能下降，在機車運行過程中的應力的作用下造成了牽引電機轉軸的早期高周疲勞斷裂。

電機轉軸； 綠色制造； 失效分析； 疲勞； 堆焊； 再制造

某機車公司檢修的內燃機車，在出廠不到半年的時間，發生牽引電機轉軸斷裂，經拆卸檢查，牽引電機轉軸完全斷裂，軸承箱頂部破裂，軸承箱內無缺油現象。電機其他部分完好。電機轉軸斷裂于R圓弧處，電機返廠后拆下的斷裂的電機軸見圖1。

圖1　斷裂的牽引電機轉軸

電機轉軸的材質為35CrMo，制造工藝為：下料→鍛造→正火→調質→機械加工→探傷。經調查，該電機軸在廠修時曾進行堆焊修復，堆焊修復的工藝為：在電機轉軸待修復部位進行切割打磨，除去待修復部分鐵銹、油、水分及氧化皮等，將焊條在360℃烘干1 h，焊前對待修復部位進行適當加熱，采用直流反接進行堆焊，堆焊后分別進行VT、UT及MT檢查，焊條為結607焊條，是低氫鈉型藥皮的低合金高強度焊條，符合GB E6015-D1要求。

1　斷裂電機轉軸理化檢驗

1.1斷口檢驗

斷裂的牽引電機轉軸斷口平齊，無明顯的宏觀塑性變形，斷口上有十分明顯的疲勞貝紋線，并且貝紋線所代表的疲勞裂紋擴展區占據較大的面積，斷口邊緣呈棘輪狀，為典型的扭轉及彎曲多源疲勞斷口，表明電機轉軸的斷裂屬于疲勞斷裂，裂紋起源于軸的表面，斷口如圖2。裂紋處軸表面光滑無明顯缺陷，裂紋源區較為平整、光滑，有微小的亮刻面，裂紋源區沒有明顯的缺陷，如圖3。

圖2　牽引電機轉軸斷口

圖3　牽引電機轉軸斷口裂紋源區形貌

1.2化學分析

在斷口附近1/2R處，按規定取樣，進行化學分析，結果如表1。分析結果表明，材料成分符合GB/T 3077-1999對35CrMo的規定。

表1　化學成分分析結果(質量分數)　%

1.3力學性能檢驗

按規定取樣進行力學性能的檢驗。按照GB 228-2002進行拉伸試驗，按照GB 229-2007進行沖擊試驗，結果如表2。

表2　拉伸試驗結果

結果表明，力學性能符合電機轉軸的技術要求。

1.4低倍檢驗

按照GB 226-1991進行低倍檢驗，結果如表3。

結果表明，低倍符合GB/T 3077-1999的要求。

1.5金相檢驗

采用DK7725型線切割機在斷口附近切取金相試樣，經磨光，利用金剛石噴霧劑進行拋光，按照GB 10561-2005進行夾雜物的檢驗，檢驗結果為 ：A1，B1，C1，D0.5,試樣經4%硝酸酒精溶液侵蝕后在400倍顯微鏡下觀察，軸表面組織為索氏體，如圖4，芯部組織為索氏體+鐵素體，如圖5；對堆焊層分別在40倍，100倍和400倍顯微鏡下觀察，結果如圖6～圖8。由檢驗結果可見電機轉軸表面和芯部組織正常，基體和堆焊層之間熔合線附近無明顯焊接缺陷，堆焊層組織主要為索氏體，但是沿著軸的徑向，有呈條帶狀分布的鐵素體，鐵素體形狀為針條狀及塊狀。

表3　電機軸低倍檢驗結果

圖4　電機軸表面組織

圖5　電機軸心部組織

圖6　堆焊層與基體間的熔合線

圖7　熔合線兩側組織

圖8　堆焊層中的條狀鐵素體

2　分析討論

由檢驗結果可以看出，該電機轉軸的化學成分、力學性能、低倍及金相組織均符合標準及圖紙要求。

斷口分析表明，牽引電機軸的斷裂屬于扭轉疲勞斷裂，疲勞源區的特征表明，電機軸沒有明顯的引起疲勞壽命減少的缺陷。由堆焊部分的金相檢驗結果可知，焊縫無明顯的缺陷，熱影響區組織無異常，但是在堆焊層中有沿軸徑向分布的鐵素體條帶，在400倍下可以看到鐵素體的形狀為針狀和塊狀，考慮到堆焊工藝的特點，這是由于成分不均勻，在冷卻時的溫度梯度的影響下造成的，而堆焊成分及組織不均勻，主要是堆焊電流過大造成的組織偏析[1]，鐵素體硬度較低，尤其是針狀鐵素體強度和韌性均差，針對高周疲勞而言，材料的強度水平越高，疲勞極限越高[2]，強度越低，則疲勞極限也越低，并且鐵素體與周圍其他組織的變形不一致，易在相界面產生裂紋等缺陷。電機轉軸在運行中主要承受扭轉力矩和彎曲力矩[3]，且軸表面的應力是最大的，當組織中存在較多條狀鐵素體時，在循環應力的作用下，在軸表面很快發生了疲勞裂紋，在運行中應力的持續作用下，裂紋不斷擴展，達到臨界尺寸，最終失穩擴展，導致斷裂。

3　結論及建議

該電機轉軸的斷裂是由于堆焊修復過程中，堆焊電流過大，造成堆焊層化學成分的偏析，因而在隨后的冷卻過程中造成沿軸徑向呈條帶狀分布的鐵素體，致使疲勞性能下降，在機車運行中循環應力的作用下造成早期高周疲勞斷裂。

建議嚴格執行堆焊修復工藝；或者改進堆焊工藝，采用強度高的焊條；或者采用等離子、激光熔覆等先進的堆焊修復工藝。

[1]王娟，陳茂愛，孫俊生，等.表面堆焊與熱噴涂技術[M].北京：化學工業出版社，2004：100.

[2]陳南平，顧守仁，沈萬慈.機械零件失效分析[M].北京：清華大學出版社，1998.

[3]楊黎明.機械原理及機械零件(下冊)[M].上海：高等教育出版社，1983.

Analysis of Motor Shaft Fracture Welding Deposit Repairing of Traction Locomotive

LI Shuo

(Department of quality assurance, CRRC Lanzhou Locomotive Co., Ltd., Lanzhou 730050 Gansu， China)

According to the shaft fracture of diesel locomotive traction motor during operation, the fracture analysis, low times test, metallographic analysis, chemical composition analysis and mechanical performance analysis have been done. The outcomes show that in the repair welding process, welding current is too large, resulting in chemical composition segregation on the surfacing layer, which in cooling process would cause banded distribution of ferrite along the temperature gradient direction. The fatigue performance would correspondingly decrease, and cause the early high cycle fatigue fracture of traction motor axle under the stress during locomotive operation.

motor shaft; green manufacturing; failure analysis; fatigue; surfacing welding; remanufacturing

1008-7842 (2016) 01-0087-03

男，高級工程師(

2015-07-25)

U262.4

Bdoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.22