某高速動車組永磁牽引電機定子鐵心焊接結構研究

(中車株洲電機公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

永磁電機由于采用永磁體勵磁，具備高效率、高功率密度、高功率因數等優點，代表了未來節能減排、綠色環保的技術發展趨勢，引導下一代牽引系統的發展方向，正成為全球軌道交通車輛技術創新的焦點。

牽引電機的定子主要有定子沖片和機座組成。目前，退模后保持定子鐵心沖片層間壓力的加工方法主要有焊接法、鉚接法以及扣片法。焊接法較為常用，即在沖片疊壓完成后，采用熔焊焊接方法，在沖片外圓焊接形成若干道焊縫，依靠焊縫保證沖片層之間的壓力。羅清華[1]等人采用二氧化碳氣體保護焊實現了沖片外圓焊縫的焊接。

鉚接法即用鉚釘把2個以上的構件連接成整體的方法。鉚接后構件內應力小、變形小，可用于承受沖擊振動載荷的構件成型。翟希娟[2]等人通過鉚接法制作定子鐵心，發現該方法節約了鋼材同時也降低了人的勞動強度。但是添加的鉚釘會影響電機的電磁性能。

扣片法是指在定子鐵心外圓加工燕尾槽，在槽內放置扣片，通過焊接扣片/壓圈以及扣片/鐵心等工序實現定子鐵心的制作。

該型牽引電機作為應用在新一代高速動車組上的永磁牽引電機，其定子鐵心從下至上按照傳動端壓圈-端板-沖片-端板-非傳動端壓圈的順序進行疊壓。鐵心外圓均勻分布8條斜槽，以便焊接。對于該新產品，本文從焊接法與扣片法2種焊接結構進行探討研究。

1 實驗方法

對于焊接法，我們采用TIG焊接方法，采用TIG焊(鎢極氬弧焊)，在斜槽內施焊通過形成焊縫實現定子鐵芯的制作。利用定子與機座之間的過盈配合，通過熱套法完成永磁電機的定子制作。TIG焊工藝參數如表1所示。

表1 TIG焊工藝參數

對于扣片法，使用TIG焊接方法實現扣片與及CO2氣體保護焊，實現定子鐵芯的制作。利用定子與機座之間的過盈配合，通過熱套法完成該永磁電機的定子制作。焊接工藝參數如表2所示。

表2 TIG焊以及CO2氣體保護焊的焊接工藝參數

2 實驗結果及分析

2.1 TIG焊接法

圖1為焊縫區軸向金相圖片。在軸向方向，沖片在疊壓態進行焊接。由于在疊壓時，沖片層之間由于毛刺的存在，導致疊壓完成后沖片層之間存在微小的縫隙。在縫隙的尖端處，觀察到了尖端萌生裂紋。根據對上述待焊件焊接結構的分析，該裂紋屬于Ⅰ型裂紋，由于定子疊壓完成后，沖片層之間存在相互壓應力。在退模時，由于撤去外部螺栓傳遞的壓應力，定子鐵心內部存在著較大的相互作用力。對于沖片而言，由于焊縫的約束作用，沖片層之間存在相互拉應力。在裂紋尖端處產生應力集中。張開型裂紋在平面應變條件下，最容易產生失穩擴展，造成低應力脆斷。

在圖1中我們可以明顯觀察到層狀結構。A區域的焊縫組織存在著馬氏體-奧氏體組元，此處的焊縫含有著大量的脆性組織。B區域內鐵素體的含量明顯增多，但是已經有許多萌生裂紋擴展至該區域。在C區域，沖片層沒有實現有效連接，層與層之間的縫隙形成了潛在裂紋源。在拉應力的作用下，尖端萌生裂紋迅速從C區域向B區域擴展。在B區域內，萌生裂紋的擴展路徑主要有：沿著脆性的馬氏體與鐵素體之間的界面部位擴展；沿著鐵素體的晶界擴展，最后，裂紋失穩擴展至充斥著大量脆性相的A區域，造成焊縫失效。

2.2 扣片法焊接結構

選取Q345E材料制作扣片條，扣片在定子外圓槽內通過TIG焊實現扣片與定子外圓的焊接。但是扣片與沖片之間的焊縫并不是主焊縫，不承受過大載荷，其作用僅僅是將該扣片固定在槽內。扣片與壓圈之間的焊縫由于要承受退模后定子鐵心的拉應力，所以該焊縫為主焊縫，運用CO2氣體保護焊將扣片兩端與壓圈焊接在一起。并且，為避免兩端齒張過大的現象出現，制作一體化壓圈端板，增大齒壓板厚度。

(a)焊縫區軸向金相圖片 (b)位于(a)中矩形區域高倍數金相圖片

圖2(a)所示為扣片與沖片之間的TIG焊縫金相圖。通過對其金相顯微組織的觀察，可知：在該焊接工藝下，材料的焊接性良好，焊縫熔合線清晰。通過對整個焊縫的微觀組織觀察，發現：其與填絲焊縫相比，馬氏體-奧氏體脆性組元得到了有效控制，焊縫區域中分布著大量的鐵素體組織，在鐵素體內部會分布小區域的滲碳體組織，此時分布的滲碳體沒有連接成片，而是由鐵素體包裹著。由于鐵素體塑性優異，可以抵消一定程度的沖擊載荷，使得該焊縫的韌性也得到了改善。圖2(b)所示為扣片與壓圈之間的焊縫金相圖。該焊縫屬于同種材料之間的焊縫，從圖中我們可以看出，焊縫成型良好，無不良缺欠。焊縫內的晶粒為柱狀晶，沿著散熱最快的方向生長。

(a)扣片與沖片之間的TIG焊縫金相圖 (b)扣片與壓圈之間的焊縫金相圖片

圖2焊縫金相圖

3 結語

通過對該型電機的焊接結構進行優化設計，成功實現了其定子鐵心的制作。兩端齒張符合設計要求，經過焊縫檢驗，沖片與扣片之間無宏觀裂紋，無氣孔。

1)經過退模后，處于疊壓態的沖片層會存在拉應力，造成微裂紋的產生，導致TIG焊縫的失效。扣片/壓圈之間的焊縫強度可以保證沖片層之間的壓力，焊縫無裂紋氣孔等缺欠。

2)Q345E鋼的低含硅量，能促進奧氏體中的碳沉淀，降低奧氏體的穩定性，同時又抑制奧氏體晶界上先共析鐵素體的粗化，這樣能形成細小的貝氏體和鐵素體，防止脆性馬氏體-奧氏體組元的形成。