電機鑄件吊掛裂紋分析探討

周志強，衛廣立，周承銳，茍曼曼

（中車永濟電機有限公司，山西 永濟 044502）

隨著國家工業基礎的發展，鑄造行業在近幾年生產工藝技術有了長足的進步，鑄件質量得到很大提升。通過近年動車、機車、地鐵電機技術引進引導，國內軌道行業電機設計師，對電機定子的設計越來越多選用鑄件，或采用鑄件組焊或采用整體鑄件。近期公司新設計的地鐵電機在進行電機振動沖擊試驗后，返廠拆解時，發現電機鑄件吊掛處有明顯裂紋，給行車造成很大安全隱患。本文就電機出現裂紋問題進行分析與研究。

1 基本概況

電機吊掛為典型薄厚不勻結構件，最厚處為60 mm，最薄處為12 mm，材質為ZG275-485H 可焊鋼，化學成分、力學性分別如表1、表2 所示，吊掛結構示意圖如圖1 所示。

表1 化學成分（質量分數，%）

表2 力學性能

圖1 吊掛結構示意圖

2 裂紋外觀形貌

用于成都環城旅游觀光的地鐵電機，設計制作完成后，在裝車運行前需進行振動沖擊試驗合格方可裝車，電機在完成振動沖擊試驗后，返廠檢查，發現緊鄰吊掛焊接部位有條貫穿性裂紋，如圖2 所示。

圖2 吊掛裂紋位置

3 故障原因分析

3.1 斷口裂紋形貌

吊掛裂紋形貌如圖3 所示，裂紋斷口平齊，有多條裂紋擴張棱線，為多源起裂特征，裂紋起源于吊掛根部。經掃描電鏡觀察，斷口上一裂紋源區有顯微氣孔和夾雜缺陷，源區組織粗糙，區源附近有疲勞弧線，如圖4 所示。

圖3 吊掛裂紋形貌

圖4 裂紋源區斷口形貌

3.2 斷口微區成分分析

通過對裂紋源區進行微區成分能譜分析，分析部位如圖5 所示，分析結果如表3、表4 所示。

圖5 右、左裂紋源區微區成分分析

表3 右裂紋斷口區微成分分析結果（質量分數，%）

表4 左裂紋斷口區微成分分析結果（質量分數，%）

取樣部位為焊接焊料區，結果表明，源區的顯微夾雜物為硫化物、氧化物和硅酸鹽。

3.3 斷口截面金相組織分析

在裂紋源區垂直斷口進行截面取樣，并進行金相組織分析，如圖6 所示。

圖6 裂紋源區截面的金相照片

金相組織表明，裂紋起裂于熔合線附近，該區域以組織粗大的鐵素體為主，為粗大的柱狀晶粒。

3.4 材料成分與力學性能分析

在吊掛本體上沿軸向取樣，取樣后進行拉伸試驗，在吊掛弧板處取樣，取樣后進行低溫沖擊試驗和成分光譜分析，試驗結果如表5、表6 所示。

表5 本體取樣成分分析（質量分數，%）

表6 本體取樣力學性能

表中數據表明，吊掛母體的成分和力學性能滿足設計要求。

3.5 綜合分析

形貌觀察表明，裂紋平直、斷口平齊，斷口宏觀可見扇形區域；斷口部位可見疲勞弧線和疲勞輝紋。因此，該電機鑄件吊掛的開裂為疲勞開裂。

裂紋起源于吊掛和焊接塊之間槽根部區，該部位為結構應力集中區。

斷口觀察可見，裂紋源組織粗大，有顯微缺陷，微區成分分析結果表明，該區域為焊接熱影響區。

金相組織顯示進一步證實，裂紋起裂于熔合線附近粗晶區，該晶粒區為疲勞性能薄弱區。

由于吊掛鑄件收到循環沖擊力超出材料屈服強度，導致焊接塊槽根部造成疲勞開裂。

4 改進及預防措施

通過分析，采取以下裂紋預防措施：

1）對電機鑄件吊掛結構進行改進，在吊掛于弧板連接區進行大圓弧過渡，增強過渡區壁厚與強度；

2）將存放塊焊接時間與位置進行調整，焊接時機調整機座組焊前，焊后進行去應力退火，將存放塊位置調整遠離吊掛區，減少焊接對結構應力區影響。

機座結構改進后，進行有限元分析，主要參數包括：電機總重、轉子總重、額定轉矩、最大轉矩、磁拉力等，各部件的綜合變形如圖8 所示。結果表明，最大應力σMax=89.21 MPa＜屈服強度Re，滿足材料性能要求；總體最大變形δMax=0.138 11 mm，滿足小于5%剛度考核要求。

圖8 各部件綜合變形分布云圖

5 結論

1）電機定子吊掛為受交變應力的結構件，在設計時應盡量避免過大薄厚過渡結構，由于過渡結構處會產生應力集中區，應采用盡可能大的圓角過渡減少應力集中，來降低結構件開裂的風險；

2）在鑄件上進行焊接，會對母體產生焊接影響區，焊接影響區會降低力學性能20%左右（鑄鋼件經驗值），為避免焊接對母材的影響，盡量將焊接工序安排在去應力退火之前；

3）產品結構應力集中區與焊接產生應力影響區的疊加，會加劇材料力學性能下降，形成構件明顯性能薄弱區，容易引起構件開裂。電機定子結構件可通過結構優化，合理安排焊接工序，調整焊件位置，達到有效改善構件應力分布，降低構件開裂風險。