激光焊在永磁電機磁極盒焊接中的應用

周迪生 ，車三宏 ，顧冬林，李進澤 ，胡葉平

（1.江蘇中車電機有限公司，江蘇大豐224100；2.上海陽東鋼結構有限公司，上海201300）

0 前言

磁極盒結構是永磁電機固定磁鋼（永磁體）的一種結構，由罩殼、基板、磁鋼、膠組成[1]。罩殼需具有防腐蝕能力，一般選用不銹鋼材質；基板具有導磁性和一定的強度，一般選用低合金結構鋼。罩殼與基板通常采用焊接方式連接，本試驗選擇激光焊。激光焊是一種先進的、成熟的焊接方法，具有效率高、熱影響區小、焊接變形小的特點[2]。

316L不銹鋼（罩殼材質）與Q345D（基板材質）焊接為異種材料連接，有一定的焊接難度。但316L不銹鋼和Q345D的碳當量均較小，焊接性能較好。為確保焊接可靠性，使用激光焊制作3個磁極盒試樣，對磁極盒依次進行密封性測試、機械振動測試和冷熱沖擊測試。上述測試合格后，再對磁極盒進行密封性測試，對焊接接頭進行滲透探傷、金相檢測和維氏硬度檢測。經檢測，3個試樣的密封性及焊接接頭檢測結果均合格。此次驗證結果對永磁電機磁極盒制作具有一定的參考價值及實際意義，為磁極盒試驗與檢測提供技術支持。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

試驗用磁極盒罩殼的材質為316L不銹鋼，磁極盒基板的材質為Q345D，激光焊所用的焊絲材質為309不銹鋼。罩殼、基板和焊絲的成分分別如表1～表3所示。

表1 316L不銹鋼成分%

表2 Q345D不銹鋼成分%

表3 309不銹鋼成分%

1.2 試驗設備

激光焊機、密封測試儀、機械振動測試儀、冷熱沖擊測試儀、金相顯微鏡、數顯維氏硬度計等。

2 試樣制備及試驗方法

2.1 試樣制備

罩殼與基板按照如圖1所示進行激光焊接。焊接時要求熔深大于0.5 mm（罩殼厚度0.5 mm）。焊接時圖中的a值不能太小，以集中熱輸入。

圖1 激光焊接示意

激光焊接時需保證焊接功率、焊接速度、焊接角度、激光束的焦距、激光束的光斑大小、送絲速度、送絲角度等參數。完成激光焊接后，3個磁極盒焊縫均勻，無氣孔，無漏焊，焊縫外觀檢查合格。

2.2 試驗方法

依次對3個磁極盒進行密封性測試、機械振動測試和冷熱沖擊測試。

密封性測試方法：將磁極盒置入密封性檢測儀水槽的水中（水槽下半部分是水，上半部分是空氣），抽真空，壓強 0.01～0.02 MPa，檢測時間 20 s。試驗完成要求磁極盒焊縫周圍無氣泡產生。

機械振動測試方法[3]：將磁極盒固定在振動平臺上，在規定的振動參數（變頻試驗的加速度有效值約 4 g，頻率 20～100 Hz，水平振動 x 方向 10 h、水平振動y方向10 h、垂直振動10 h）下進行振動試驗。試驗完成要求磁極盒焊縫無裂紋。

冷熱沖擊測試方法[4-6]：高溫 85±3℃，低溫-40±3℃，冷熱溫差125±6℃。冷熱沖擊介質為空氣。冷熱沖擊周期12個，每個周期8 h（高、低溫分別為4 h），溫度轉換時間小于5 min。

經檢測，3個磁極盒的密封性測試、機械振動測試和冷熱沖擊測試均合格。再進行密封性測試、滲透探傷、金相檢測、維氏硬度檢測。

3 測試結果與分析

3.1 密封性測試

對3個磁極盒進行密封性測試，磁極盒焊縫周圍無氣泡產生，磁極盒的密封性測試合格。

3.2 滲透探傷

因316L不銹鋼為奧氏體不銹鋼，沒有磁性，無法使用磁粉探傷。對焊縫進行滲透探傷，未發現表面裂紋等缺陷，磁極盒的滲透探傷合格。

3.3 金相檢測

金相檢測分為焊接接頭的宏觀金相檢測和微觀金相檢測。

3個磁極盒的焊接接頭宏觀金相檢測如圖2所示。3個磁極盒焊接接頭宏觀金相中無氣孔、裂紋，且焊接的一致性較好，宏觀金相檢測合格。

3個磁極盒的微觀金相檢測如圖3所示。由圖3可知，金相圖片的灰白色區域為奧氏體（不銹鋼區域），金相圖片其余區域為板條馬氏體（Q345D區域），奧氏體區域與板條馬氏體區域熔合良好，微觀金相檢測合格。

3.4 維氏硬度檢測

使用維氏硬度計（0.3 kgf）檢測316L不銹鋼和Q345D的母材及焊接區域。檢測要求：母材及焊接區域的維氏硬度值低于380 HV[7]。

經檢測，316L不銹鋼的母材硬度為167 HV，Q345D的母材硬度為175 HV。各試樣焊接區域的檢測位置見圖4中一排黑點。以圖4中不銹鋼區域和Q345D區域交界的黑線為0基點，分別向不銹鋼區域和Q345D區域中以80 μm為間隔打硬度，檢測結果如圖5所示。

圖2 各試樣宏觀金相照片

圖3 各試樣微觀金相照片

圖4 各試維氏硬度檢測

圖5 維氏硬度檢測結果

由圖5可知，各試樣焊接接頭區域的維氏硬度均小于380 HV，維氏硬度檢測合格。焊接后316L不銹鋼硬度增加約40～70 HV。該處被打硬度的不銹鋼是完全熔化重新結晶的，由母材（316L不銹鋼和）和焊絲（309不銹鋼）組成。該處不銹鋼硬度的增加主要是因為焊絲的含碳量（0.08%）高于母材的含碳量（0.03%），其次是因為 Q345D（w（C）≤0.18）中的碳向不銹鋼中擴散，不銹鋼碳含量增加會使不銹鋼的硬度增加，其強化機理主要為固溶強化。Q345D在焊接時部分母材熔化重新結晶，由于冷速迅速，形成板條狀馬氏體，此處維氏硬度最高。其余區域隨著距熔化區距離的增加，硬度依次下降。

4 結論

采用激光焊對磁極盒的罩殼和基板進行焊接，焊接效率高且焊接的一致性較好。采用激光焊焊接的磁極盒在進行密封性、機械振動、冷熱沖擊試驗后，仍具有良好的密封性，各磁極盒焊接接頭滲透探傷、金相檢測和維氏硬度檢測均為合格。

參考文獻：

[1]謝華麗，段虎.永磁電機磁極盒的封裝工藝[J].電機技術，2016（2）：50-51.

[2]Jun Yan，Ming Gao，Xiaoyan Zeng.Study on microstructure and mechanical properties of 304 stainless steel joints by TIG，laser and laser-TIG hybrid welding[J].Optics and Laser in Engineering，2010（48）：512-517.

[3]GB/T2423.10-2016，電工電子產品環境試驗，第2部分：試驗方法，試驗Fc：振動（正弦）[S].

[4]GB/T2423.22-2002，電工電子產品基本環境試驗規程，試驗N：溫度變化試驗方法[S].

[5]GB/T2423.1-2001，電工電子產品基本環境試驗規程，試驗A：低溫試驗方法[S].

[6]GB/T2423.2-2001，電工電子產品基本環境試驗規程，試驗B：高溫試驗方法[S].

[7]ISO15614-1-2004，金屬材料焊接工藝規范和鑒定，焊接工藝試驗，第1部分：鋼的電弧焊和氣焊與鎳及鎳合金的電弧焊[S].