某高速动车组永磁牵引电机定子铁心焊接结构研究

(中车株洲电机公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

永磁电机由于采用永磁体励磁，具备高效率、高功率密度、高功率因数等优点，代表了未来节能减排、绿色环保的技术发展趋势，引导下一代牵引系统的发展方向，正成为全球轨道交通车辆技术创新的焦点。

牵引电机的定子主要有定子冲片和机座组成。目前，退模后保持定子铁心冲片层间压力的加工方法主要有焊接法、铆接法以及扣片法。焊接法较为常用，即在冲片叠压完成后，采用熔焊焊接方法，在冲片外圆焊接形成若干道焊缝，依靠焊缝保证冲片层之间的压力。罗清华[1]等人采用二氧化碳气体保护焊实现了冲片外圆焊缝的焊接。

铆接法即用铆钉把2个以上的构件连接成整体的方法。铆接后构件内应力小、变形小，可用于承受冲击振动载荷的构件成型。翟希娟[2]等人通过铆接法制作定子铁心，发现该方法节约了钢材同时也降低了人的劳动强度。但是添加的铆钉会影响电机的电磁性能。

扣片法是指在定子铁心外圆加工燕尾槽，在槽内放置扣片，通过焊接扣片/压圈以及扣片/铁心等工序实现定子铁心的制作。

该型牵引电机作为应用在新一代高速动车组上的永磁牵引电机，其定子铁心从下至上按照传动端压圈-端板-冲片-端板-非传动端压圈的顺序进行叠压。铁心外圆均匀分布8条斜槽，以便焊接。对于该新产品，本文从焊接法与扣片法2种焊接结构进行探讨研究。

1 实验方法

对于焊接法，我们采用TIG焊接方法，采用TIG焊(钨极氩弧焊)，在斜槽内施焊通过形成焊缝实现定子铁芯的制作。利用定子与机座之间的过盈配合，通过热套法完成永磁电机的定子制作。TIG焊工艺参数如表1所示。

表1 TIG焊工艺参数

对于扣片法，使用TIG焊接方法实现扣片与及CO2气体保护焊，实现定子铁芯的制作。利用定子与机座之间的过盈配合，通过热套法完成该永磁电机的定子制作。焊接工艺参数如表2所示。

表2 TIG焊以及CO2气体保护焊的焊接工艺参数

2 实验结果及分析

2.1 TIG焊接法

图1为焊缝区轴向金相图片。在轴向方向，冲片在叠压态进行焊接。由于在叠压时，冲片层之间由于毛刺的存在，导致叠压完成后冲片层之间存在微小的缝隙。在缝隙的尖端处，观察到了尖端萌生裂纹。根据对上述待焊件焊接结构的分析，该裂纹属于Ⅰ型裂纹，由于定子叠压完成后，冲片层之间存在相互压应力。在退模时，由于撤去外部螺栓传递的压应力，定子铁心内部存在着较大的相互作用力。对于冲片而言，由于焊缝的约束作用，冲片层之间存在相互拉应力。在裂纹尖端处产生应力集中。张开型裂纹在平面应变条件下，最容易产生失稳扩展，造成低应力脆断。

在图1中我们可以明显观察到层状结构。A区域的焊缝组织存在着马氏体-奥氏体组元，此处的焊缝含有着大量的脆性组织。B区域内铁素体的含量明显增多，但是已经有许多萌生裂纹扩展至该区域。在C区域，冲片层没有实现有效连接，层与层之间的缝隙形成了潜在裂纹源。在拉应力的作用下，尖端萌生裂纹迅速从C区域向B区域扩展。在B区域内，萌生裂纹的扩展路径主要有：沿着脆性的马氏体与铁素体之间的界面部位扩展；沿着铁素体的晶界扩展，最后，裂纹失稳扩展至充斥着大量脆性相的A区域，造成焊缝失效。

2.2 扣片法焊接结构

选取Q345E材料制作扣片条，扣片在定子外圆槽内通过TIG焊实现扣片与定子外圆的焊接。但是扣片与冲片之间的焊缝并不是主焊缝，不承受过大载荷，其作用仅仅是将该扣片固定在槽内。扣片与压圈之间的焊缝由于要承受退模后定子铁心的拉应力，所以该焊缝为主焊缝，运用CO2气体保护焊将扣片两端与压圈焊接在一起。并且，为避免两端齿张过大的现象出现，制作一体化压圈端板，增大齿压板厚度。

(a)焊缝区轴向金相图片 (b)位于(a)中矩形区域高倍数金相图片

图2(a)所示为扣片与冲片之间的TIG焊缝金相图。通过对其金相显微组织的观察，可知：在该焊接工艺下，材料的焊接性良好，焊缝熔合线清晰。通过对整个焊缝的微观组织观察，发现：其与填丝焊缝相比，马氏体-奥氏体脆性组元得到了有效控制，焊缝区域中分布着大量的铁素体组织，在铁素体内部会分布小区域的渗碳体组织，此时分布的渗碳体没有连接成片，而是由铁素体包裹着。由于铁素体塑性优异，可以抵消一定程度的冲击载荷，使得该焊缝的韧性也得到了改善。图2(b)所示为扣片与压圈之间的焊缝金相图。该焊缝属于同种材料之间的焊缝，从图中我们可以看出，焊缝成型良好，无不良缺欠。焊缝内的晶粒为柱状晶，沿着散热最快的方向生长。

(a)扣片与冲片之间的TIG焊缝金相图 (b)扣片与压圈之间的焊缝金相图片

图2焊缝金相图

3 结语

通过对该型电机的焊接结构进行优化设计，成功实现了其定子铁心的制作。两端齿张符合设计要求，经过焊缝检验，冲片与扣片之间无宏观裂纹，无气孔。

1)经过退模后，处于叠压态的冲片层会存在拉应力，造成微裂纹的产生，导致TIG焊缝的失效。扣片/压圈之间的焊缝强度可以保证冲片层之间的压力，焊缝无裂纹气孔等缺欠。

2)Q345E钢的低含硅量，能促进奥氏体中的碳沉淀，降低奥氏体的稳定性，同时又抑制奥氏体晶界上先共析铁素体的粗化，这样能形成细小的贝氏体和铁素体，防止脆性马氏体-奥氏体组元的形成。