堆焊修復(fù)內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂分析

李　碩

(中國(guó)中車(chē)蘭州機(jī)車(chē)有限責(zé)任公司　質(zhì)量保證部， 甘肅蘭州 730050)

?

堆焊修復(fù)內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂分析

李碩

(中國(guó)中車(chē)蘭州機(jī)車(chē)有限責(zé)任公司質(zhì)量保證部， 甘肅蘭州 730050)

某內(nèi)燃機(jī)車(chē)在運(yùn)行中發(fā)生牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂，利用斷口分析、低倍檢驗(yàn)、金相分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析等對(duì)斷裂的電機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行分析，結(jié)果表明，由于堆焊修復(fù)過(guò)程中，堆焊電流過(guò)大，造成電機(jī)轉(zhuǎn)軸堆焊層化學(xué)成分偏析較嚴(yán)重，在冷卻過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)軸疲勞性能下降，在機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力的作用下造成了牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸的早期高周疲勞斷裂。

電機(jī)轉(zhuǎn)軸； 綠色制造； 失效分析； 疲勞； 堆焊； 再制造

某機(jī)車(chē)公司檢修的內(nèi)燃機(jī)車(chē)，在出廠(chǎng)不到半年的時(shí)間，發(fā)生牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂，經(jīng)拆卸檢查，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸完全斷裂，軸承箱頂部破裂，軸承箱內(nèi)無(wú)缺油現(xiàn)象。電機(jī)其他部分完好。電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂于R圓弧處，電機(jī)返廠(chǎng)后拆下的斷裂的電機(jī)軸見(jiàn)圖1。

圖1　斷裂的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸

電機(jī)轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)為35CrMo，制造工藝為：下料→鍛造→正火→調(diào)質(zhì)→機(jī)械加工→探傷。經(jīng)調(diào)查，該電機(jī)軸在廠(chǎng)修時(shí)曾進(jìn)行堆焊修復(fù)，堆焊修復(fù)的工藝為：在電機(jī)轉(zhuǎn)軸待修復(fù)部位進(jìn)行切割打磨，除去待修復(fù)部分鐵銹、油、水分及氧化皮等，將焊條在360℃烘干1 h，焊前對(duì)待修復(fù)部位進(jìn)行適當(dāng)加熱，采用直流反接進(jìn)行堆焊，堆焊后分別進(jìn)行VT、UT及MT檢查，焊條為結(jié)607焊條，是低氫鈉型藥皮的低合金高強(qiáng)度焊條，符合GB E6015-D1要求。

1　斷裂電機(jī)轉(zhuǎn)軸理化檢驗(yàn)

1.1斷口檢驗(yàn)

斷裂的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷口平齊，無(wú)明顯的宏觀(guān)塑性變形，斷口上有十分明顯的疲勞貝紋線(xiàn)，并且貝紋線(xiàn)所代表的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)占據(jù)較大的面積，斷口邊緣呈棘輪狀，為典型的扭轉(zhuǎn)及彎曲多源疲勞斷口，表明電機(jī)轉(zhuǎn)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(wú)明顯缺陷，裂紋源區(qū)較為平整、光滑，有微小的亮刻面，裂紋源區(qū)沒(méi)有明顯的缺陷，如圖3。

圖2　牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷口

圖3　牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷口裂紋源區(qū)形貌

1.2化學(xué)分析

在斷口附近1/2R處，按規(guī)定取樣，進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表1。分析結(jié)果表明，材料成分符合GB/T 3077-1999對(duì)35CrMo的規(guī)定。

表1　化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

1.3力學(xué)性能檢驗(yàn)

按規(guī)定取樣進(jìn)行力學(xué)性能的檢驗(yàn)。按照GB 228-2002進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按照GB 229-2007進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表2。

表2　拉伸試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，力學(xué)性能符合電機(jī)轉(zhuǎn)軸的技術(shù)要求。

1.4低倍檢驗(yàn)

按照GB 226-1991進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，結(jié)果如表3。

結(jié)果表明，低倍符合GB/T 3077-1999的要求。

1.5金相檢驗(yàn)

采用DK7725型線(xiàn)切割機(jī)在斷口附近切取金相試樣，經(jīng)磨光，利用金剛石噴霧劑進(jìn)行拋光，按照GB 10561-2005進(jìn)行夾雜物的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為 ：A1，B1，C1，D0.5,試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后在400倍顯微鏡下觀(guān)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(duì)堆焊層分別在40倍，100倍和400倍顯微鏡下觀(guān)察，結(jié)果如圖6～圖8。由檢驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸表面和芯部組織正常，基體和堆焊層之間熔合線(xiàn)附近無(wú)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(jī)軸低倍檢驗(yàn)結(jié)果

圖4　電機(jī)軸表面組織

圖5　電機(jī)軸心部組織

圖6　堆焊層與基體間的熔合線(xiàn)

圖7　熔合線(xiàn)兩側(cè)組織

圖8　堆焊層中的條狀鐵素體

2　分析討論

由檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，該電機(jī)轉(zhuǎn)軸的化學(xué)成分、力學(xué)性能、低倍及金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn)及圖紙要求。

斷口分析表明，牽引電機(jī)軸的斷裂屬于扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，疲勞源區(qū)的特征表明，電機(jī)軸沒(méi)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(yàn)結(jié)果可知，焊縫無(wú)明顯的缺陷，熱影響區(qū)組織無(wú)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(diǎn)，這是由于成分不均勻，在冷卻時(shí)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(guò)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(qiáng)度和韌性均差，針對(duì)高周疲勞而言，材料的強(qiáng)度水平越高，疲勞極限越高[2]，強(qiáng)度越低，則疲勞極限也越低，并且鐵素體與周?chē)渌M織的變形不一致，易在相界面產(chǎn)生裂紋等缺陷。電機(jī)轉(zhuǎn)軸在運(yùn)行中主要承受扭轉(zhuǎn)力矩和彎曲力矩[3]，且軸表面的應(yīng)力是最大的，當(dāng)組織中存在較多條狀鐵素體時(shí)，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，在軸表面很快發(fā)生了疲勞裂紋，在運(yùn)行中應(yīng)力的持續(xù)作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，達(dá)到臨界尺寸，最終失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂。

3　結(jié)論及建議

該電機(jī)轉(zhuǎn)軸的斷裂是由于堆焊修復(fù)過(guò)程中，堆焊電流過(guò)大，造成堆焊層化學(xué)成分的偏析，因而在隨后的冷卻過(guò)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(jī)車(chē)運(yùn)行中循環(huán)應(yīng)力的作用下造成早期高周疲勞斷裂。

建議嚴(yán)格執(zhí)行堆焊修復(fù)工藝；或者改進(jìn)堆焊工藝，采用強(qiáng)度高的焊條；或者采用等離子、激光熔覆等先進(jìn)的堆焊修復(fù)工藝。

[1]王娟，陳茂愛(ài)，孫俊生，等.表面堆焊與熱噴涂技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：100.

[2]陳南平，顧守仁，沈萬(wàn)慈.機(jī)械零件失效分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[3]楊黎明.機(jī)械原理及機(jī)械零件(下冊(cè))[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(jí)工程師(

2015-07-25)

U262.4

Bdoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.22