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焊接工艺 | 浏览量 : 89 下载量: 93 CSCD: 0

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  • 专辑

    • 焊接变形对主发电机风扇疲劳寿命的影响分析

    • Influence of Welding Deformation on Fatigue Life of Main Alternator Fan

    • 马涛

      12 ，

      杨柳青

      12 ，

      桑尚

      12
    • 2023年53卷第6期 页码：70-75   

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.06.11     

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  • 马涛，杨柳青，桑尚.焊接变形对主发电机风扇疲劳寿命的影响分析［J］.电焊机，2023，53（6）：70-75. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.06.11.
    MA Tao, YANG Liuqing, SANG Shang.Influence of Welding Deformation on Fatigue Life of Main Alternator Fan[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(6): 70-75. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.06.11.
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    摘要

    某型内燃机车主发电机转子焊接风扇焊后变形量分散性大，为了研究焊接变形对风扇疲劳寿命的影响，对焊接风扇所属底板引起的不同变形量导致安装产生的装配应力进行测试，进而采用真实载荷谱对风扇进行疲劳试验，同时对比了三种通过改变焊接工艺来减小焊接变形的改进方案。研究结果表明：由焊接导致的风扇变形在安装过程中会产生装配应力，变形越大，装配应力越大，变形量与装配应力近似呈非线性关系；疲劳起裂源发生在风扇叶片焊趾处，底板焊接变形越大，叶片疲劳寿命越小；可通过防变形工装来控制风扇底板焊接变形量，底板焊接变形量小于0.35 mm时，可以满足其风扇设计寿命要求。

    译
     EN

    Abstract

    The deformation of the welding fan of the main generator rotor of a certain type of diesel locomotive is dispersive after welding. In order to study the influence of welding deformation on the fatigue life of the fan, the assembly stress caused by the installation caused by different deformations of the floor of the welding fan is tested, and then the fatigue test of the fan is carried out by using the real load spectrum, three improved schemes to reduce welding deformation by changing welding process are compared. The results show that the fan deformation caused by welding will produce assembly stress in the installation process. The larger the deformation is, the larger the assembly stress is. The deformation is approximately nonlinear with the assembly stress. The fatigue fracture occurs at the weld toe of fan blade. The larger the welding deformation is, the smaller the fatigue life of blade is. Welding deformation can be controlled by anti-deformation tooling. When the welding deformation is less than 0.35 mm, it can meet the design life requirements.

    译
     EN

    关键词

    焊接变形; 应力测试; 受力分析; 疲劳试验

    译
     EN

    Keywords

    welding deformation; stress test; force simulation; fatigue test

    译
     EN

    0 概述

    内燃机车主发电机风扇主要负责通风散热，保证电机在正常温度内工作，如果发生断裂故障，其断裂扇叶将会在高转速下破坏电机绝缘线圈，进而导致电机烧损、停机、停车，严重影响机车正常运行。内燃机车主发电机风扇由底板和扇叶采用钨极惰性气体保护熔化焊（TIG焊）方法焊接而成，焊接后的风扇再通过螺栓连接紧固安装于磁轭端部外圆上，具体为5个螺栓沿磁轭圆周方向均布，对电机进行自通风散热，结构如图1所示。

    译
     EN

    fig

    图1  风扇及安装示意

    Fig.1  Schematic diagram of fan and installation

    （a）风扇安装结构 （b）风扇

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    在风扇制造全过程跟踪检测中发现，焊接后的风扇底板安装面发生了不同程度的变形，在装配时被螺栓紧固压平后会产生一定的装配应力，这对风扇材料疲劳寿命［

    1］产生了影响。已有许多专家对平均应力、残余应力对疲劳寿命的影响进行了研究，兆文忠等［2］采用最新的结构应力法得出结论，认为焊接残余应力等平均应力对焊接结构疲劳寿命有一定影响。同时其也对焊接变形的控制有一定的研究，认为合理的焊接工艺及约束方式可以有效地控制焊接变形。但是具体影响程度及具体方案没有明确说明，本文将用实际故障产品验证其对焊接结构的影响，为后续类似故障焊接产品提供数据支撑及解决方案。结合实际焊接故障产品，通过仿真计算及疲劳测试验证不同平均应力对焊接结构疲劳寿命的具体影响程度，对疲劳寿命提高提供依据。通过采用不同的焊接工艺验证其对焊接变形的影响程度，为焊接变形量的控制提供依据。
    译
     EN

    1 仿真分析

    利用有限元分析软件ANSYS Workbench建立风扇有限元［

    3-4］模型，如图2所示。综合扇叶和底板结构的几何形状、受力特点以及对计算精度的要求等因素，对风扇结构进行二阶四面体实体单元离散化处理，离散后有限元计算模型共计375 433个节点和84 279个单元。在风扇底板与磁轭连接的两个圆孔内侧面施加固定约束，同时在风扇模型上施加转速、风载、角加速度及振动加速度等实际运行工况载荷。
    译
     EN

    fig

    图2  焊接风扇有限元模型（整体及局部）

    Fig.2  Finite element model of welding fan （overall and local）

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    风扇扇叶和底板材料基本属性如表1所示。计算后的风扇整体静强度应力云图和最大应力位置如图3所示。数值分析结果表明，风扇最大应力出现在风扇底板与扇叶端部焊缝的扇叶焊趾处，这会是风扇疲劳强度薄弱位置，同时提取该端部焊缝焊趾附近的应力及弯矩值，为后续疲劳试验提供载荷依据。

    译
     EN

    表 1  材料属性
    Table 1  Material properties

    所用

    部位

    		材料

    屈服极限

    /MPa

    弹性模量

    /GPa

    		泊松比

    密度

    /（kg·m-3）

    扇叶 Q195 195 210 0.33 7 850
    底板 Q345D 345 210 0.33 7 850
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    fig

    图3  实际载荷下风扇应力结果

    Fig.3  Fan stress under comprehensive load

    （a）整体静强度应力云图 （b）最大应力位置

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    2 焊接变形对装配应力的影响

    由于风扇扇叶（Q195 3 mm）以及底板（Q345D

    译
     EN

    5 mm）所用板材较薄，风扇在焊接后发生了变形。用塞尺测量风扇底板与磁轭安装面之间的平面度来表示焊接变形量，如图4所示。风扇底板不同的焊接变形量在与磁轭装配后会对风扇产生不同程度的装配应力，直接影响风扇的疲劳寿命。为了分析焊接风扇底板变形对装配应力的影响，将不同底板焊接变形量的风扇用螺栓紧固装配于磁轭，对风扇装配应力进行实测。

    译
     EN

    fig

    图4  安装面不平示意

    Fig.4  Unevenness of mounting surface

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    首先对同一批次56件风扇的底板进行安装面不平度测量，检测结果在0.15~1.25 mm，根据测试结果选取不同不平度等级的风扇各一件，装配于磁轭进行应力测试。结合仿真结果可知，风扇的最大应力发生在底板与扇叶端部焊缝的扇叶焊趾处，因此在该位置粘贴应变片，如图5所示。其中1号、2号测点分别是迎风面水平和垂直于安装面的方向，3号和4号测点分别是背风面水平和垂直于安装面的方向。

    译
     EN

    fig

    图5  应力测试贴片位置

    Fig.5  Position of strain gauge

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    对选取的风扇进行打磨、贴片、焊线、连线、调试和安装测试。使用东华DHDAS动态信号采集分析系统对应变数据进行采集及处理。采集的某一风扇在安装过程中具体应变数据如图6所示。

    译
     EN

    fig

    图6  风扇安装过程不同测点应变数据（螺栓加载和卸载）

    Fig.6  strain of different gauge under fan installation（bolt fastening and loosening）

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    根据不同变形量挑选的4个风扇，对其装配前后风扇底板的变形量及4个测点的装配应力进行测试，检测结果如表2所示。

    译
     EN

    表2  风扇应力值汇总
    Table 2  Fan stress

    风扇

    编号

    装配前变形量

    /mm

    装配后

    卸载变

    形量/mm

    1号测点

    /MPa

    2号测点

    /MPa

    3号测点

    /MPa

    4号测点

    /MPa

    1 0.15 0.15 2.00 15.33 5.48 34.40
    2 0.60 0.50 24.07 99.76 3.97 98.90
    3 0.90 0.55 39.71 155.05 5.51 190.11
    4 1.25 0.65 16.67 286.23 6.57 285.92
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    由表2可知随着风扇焊接变形量的增加，装配应力逐渐增大；螺栓预紧引起的距离端部焊缝最近的左右两侧2号和4号测点应力（垂直方向）大小基本一致；沿风扇离心力方向（稍微远离端部焊缝）的1号和3号测点应力（水平方向）明显小于垂直安装面方向的2号和4号测点应力，说明安装引起的初始平均应力主要集中在垂直安装面方向；变形量大于0.60 mm时，风扇卸载后的变形量小于安装前的变形量，风扇不能恢复原始状态，说明风扇在安装后发生明显的塑性变形。虽然变形量达到0.9 mm时4号测点应力刚达到材料屈服极限，这主要是由于贴片位置的原因，应变片只能尽量靠近应力集中位置，但由于尺寸限制，目前焊缝上的应力无法测得，但可以肯定的是焊缝上应力集中位置的应力必然大于贴片平整位置应力，所以实际风扇变形量在0.9 mm时，安装后焊缝处已经发生了塑性变形；同时也发现，装配前风扇底板变形量为1.25 mm的4号风扇，其在垂向的2号和4号测点处的装配应力分别达到286.23 MPa和285.92 MPa，远远超过了风扇叶片Q195的屈服强度，存在极大的失效风险。

    译
     EN

    由仿真可知，风扇受载后，最大应力发生在4号测点处，以该处装配应力为依据，通过线性回归的方法，获得焊接变形与装配应力的关系如式（1）所示，呈现二次非线性关系，装配应力会随着变形量的增加以抛物线的趋势增加，趋势线如图7所示。

    译
     EN

    y=81.83x2+123.87x+4.93 （1）
    fig

    图7  4号测点不同变形量装配应力值

    Fig.7  Assembly stress values of different deformations at measuring point 4#

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    3 疲劳试验

    为了进一步验证由焊接导致的风扇变形在安装后产生的装配应力对风扇疲劳寿命的影响，按照GB/T 3075—2021，在PLW-50电液伺服动静万能疲劳试验机上对不同平面度的风扇进行疲劳试验［

    5］。由于试验条件限制不能模拟实际线路运行工况，需要结合仿真结果制定合理等效的试验方案。
    译
     EN

    依据风扇受力特性和仿真结果设计试验工装，将风扇螺栓端固定在工装上并一起固定在试验台底座上，工装与扇叶固定，将疲劳载荷施加在工装上，载荷施加位置距离螺栓固定连线225 mm，加载载荷145.4 N，试验弯矩 32 715 N·mm，该弯矩值由仿真提取；同时在应力较大位置贴片监测其应力状态是否与仿真值一致，保证试验的有效性。疲劳试验安装及加载方式如图8所示。

    译
     EN

    fig

    图8  疲劳试验示意和实物

    Fig.8  Fatigue test

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    依据制定的试验方案对不同变形量的试验件进行疲劳试验，每件试样所受疲劳载荷达到200万次［

    6］循环后停止试验，试验结束后对试验件焊缝进行探伤检查，疲劳试验结果如表3所示。
    译
     EN

    表3  风扇疲劳试验结果
    Table 3  Fatigue test result

    变形量

    /mm

    试验

    件数

    		应力比

    疲劳寿命

    /万次

    		试验结果
    0.15 1 0.1 ＞200 未发现裂纹
    0.60 1 0.1 165 裂纹发生在4号测点
    0.90 1 0.1 98 裂纹发生在4号测点
    1.25 1 0.1 69 裂纹发生在4号测点
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    由表3可知，随着风扇底座变形量的增加，超过风扇叶片材料屈服极限的装配应力对疲劳寿命的影响越大［

    7］，风扇疲劳寿命就越短。疲劳试验出现裂纹的风扇如图9所示，这与仿真分析应力最大位置相吻合。
    译
     EN

    fig

    图9  风扇裂纹示意

    Fig.9  Schematic diagram of fan crack

    （a）风扇开裂正面 （b） 风扇开裂侧面

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    4 分析及验证

    通过上述试验测试，可以看出风扇安装面由于风扇底板焊接变形而产生不同程度的装配应力，进而会影响焊接风扇的疲劳寿命［

    8］。为此，结合上述风扇底板预紧前后平面度数据，确定变形量要求，进而从焊接工艺角度控制风扇底板焊接变形量，最终降低风扇底板与磁轭螺栓紧固后的装配应力。
    译
     EN

    4.1 变形量要求

    通过对表2风扇底板安装面预紧前后平面度数据曲线拟合，得到由于焊接引起的变形在装配前后的趋势图，将塑性变形拟合曲线（式2）与线弹性曲线（式3）联立可以得到两曲线交点，如图10所示，该点即为在安装后风扇开始出现塑性变形的临界点，说明风扇焊接后底板安装面的变形量≤0.35 mm时，就可以控制风扇底板在安装后处于弹性阶段。

    译
     EN

    y=0.23ln(x)+0.60 （2）
    y=x （3）
    fig

    图10  风扇装配前后弹塑性变形趋势

    Fig.10  Elastoplastic deformation trend chart of fan before and after assembly

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    4.2 焊接工艺改进

    控制焊接变形［98］的措施较多，从焊接顺序看，主要有对称施焊、跳焊、分段焊、退焊等；从参数控制看，有电流、电压、焊接速度、保护气体等；从装夹固定方式看，有刚性固定和柔性固定等，本文综合这三方面的焊接变形控制预防措施，从调整焊接参数、调整焊接顺序以及设计防变形工装方面进行了对比验证。

    译
     EN

    4.2.1 调整焊接参数

    主要是通过对风扇气体保护焊的主要技术参数进行调整，如电流、保护气体纯氩气流量、焊接速度、焊接热输入等，在不影响焊接质量的前提下形成一些组合工况，通过实际焊接对比，发现调整焊接参数对变形量的控制作用很小。

    译
     EN

    4.2.2 调整焊接顺序

    风扇是由扇叶和底板通过如图11所示的5道焊缝按照一定的先后顺序焊接而成，调整焊缝的先后顺序，实际焊接对比验证后发现调整焊接顺序对变形量的控制作用也很小。

    译
     EN

    fig
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    图11  风扇焊缝位置

    Fig.11  Position chart of fan weld

    4.2.3 设计防变形工装

    制作防变形工装（见图12），焊前先装配防变形工装［

    10-11］，焊后冷却至100 ℃以下拆除，经批量验证，平面度可≤0.35 mm，使风扇叶片焊接变形量得到明显控制。
    译
     EN

    fig

    图12  焊接工艺改进示意

    Fig.12  Schematic diagram of welding process improvement

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    经过综合三类焊接防变形措施的实施，最终选定在风扇底板安装孔刚性固定的防变形措施，取得了较为理想的防变形效果。

    译
     EN

    4.3 改进后验证

    对5件变形量<0.35 mm的风扇进行疲劳试验，在经过200万次循环后均未发现裂纹产生。从表4可以看出通过工装将变形量控制在0.35 mm以内可以满足风扇设计寿命要求。

    译
     EN

    表4  改进后风扇的疲劳试验结果
    Table 4  Improved fan Fatigue test result
    变形量/mm试验件数应力比疲劳寿命/万次试验结果
    0.11 1 0.1 ＞200 未发现裂纹
    0.13 1 0.1 ＞200 未发现裂纹
    0.21 1 0.1 ＞200 未发现裂纹
    0.26 1 0.1 ＞200 未发现裂纹
    0.30 1 0.1 ＞200 未发现裂纹
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    5 结论

    通过对内燃机车主发电机转子风扇焊接变形引起的疲劳问题进行相应的仿真与测试，最终提出了有效解决风扇焊接变形的措施，使疲劳寿命满足设计要求，保证了机车安全运行。

    译
     EN

    （1）风扇在焊接过程中底板产生了不同程度的变形，在螺栓紧固安装于磁轭后产生了不同程度的装配应力，变形较大风扇的装配应力已经超过材料的屈服极限，致使疲劳强度降低。

    译
     EN

    （2）通过等效的疲劳试验发现，风扇底板超过一定变形量后导致其疲劳性能下降，焊接变形越大，装配应力越大，疲劳寿命越短。

    译
     EN

    （3）通过风扇安装前后的变形统计拟合发现，变形量低于0.35 mm时风扇底板未发生塑性变形。

    译
     EN

    （4）风扇焊接防变形工装可以很好地将焊后变形量控制在0.30 mm以内，工艺改进后的风扇满足设计寿命要求。

    译
     EN

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