電工鋼疊片激光焊接界面?zhèn)鳠嵝袨榕c磁性能劣化機(jī)理研究.pdf

1、定子鐵芯作為電機(jī)的關(guān)鍵部件，其磁性能得到了電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)越來越廣泛的關(guān)注。電工鋼是定子鐵芯的核心材料，多層電工鋼片被疊裝焊接，得到定子鐵芯。激光焊接具有熱輸入集中，焊接變形小等優(yōu)勢，是替代傳統(tǒng)電弧焊接電工鋼疊片工藝的首選。然而，電工鋼疊片激光焊接過程中，片與片之間的界面阻礙了熱量的傳遞，焊縫特征尺寸及焊接過程引入的殘余應(yīng)力預(yù)測困難；殘余應(yīng)力作用下磁疇的運(yùn)動特性發(fā)生變化，磁滯特性預(yù)測困難；焊接過程破壞了焊縫區(qū)的絕緣涂層，焊后結(jié)構(gòu)中渦流分布不

2、規(guī)則，渦流損耗預(yù)測困難。開展電工鋼疊片激光焊接界面?zhèn)鳠嵝袨榕c磁性能劣化機(jī)理研究，分析界面對于熱量傳遞的影響規(guī)律和焊接熱輸入對于磁性能的影響規(guī)律，對于降低焊接工藝導(dǎo)致的磁性能劣化具有重要意義。
　　本文以電工鋼疊片激光焊接工藝為研究對象，采用理論分析、仿真建模和實(shí)驗測試等手段，對電工鋼疊片激光焊接界面?zhèn)鳠嵝袨榧昂负蟠判阅芰踊瘷C(jī)理開展研究。具體研究過程如下：首先，搭建電工鋼疊片激光焊接實(shí)驗系統(tǒng)、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度測試系統(tǒng)和電磁性能測試系統(tǒng)，研究

3、焊接工藝參數(shù)對于定子鐵芯綜合性能的影響規(guī)律；其次，通過設(shè)計描述焊接過程界面演化規(guī)律的算法，并用用戶子程序?qū)崿F(xiàn)，建立了電工鋼疊片激光焊接過程傳熱行為有限元仿真模型，開展界面對于熱量傳遞的影響規(guī)律分析；在此基礎(chǔ)上，基于熱力耦合仿真獲得的焊后疊片結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，建立了焊后磁滯特性預(yù)測數(shù)學(xué)模型；通過對含有不規(guī)則焊縫的疊片結(jié)構(gòu)中的渦流狀態(tài)進(jìn)行分析，建立焊后渦流損耗預(yù)測數(shù)學(xué)模型；最后，建立考慮焊縫特征的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度模型，確定滿足定子鐵芯強(qiáng)度要

4、求的臨界焊縫面積，為電工鋼疊片激光焊工藝的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）工藝參數(shù)對電工鋼疊片激光焊接質(zhì)量影響分析
　　針對焊接工藝參數(shù)顯著影響焊后定子鐵芯質(zhì)量的問題，搭建了電工鋼疊片激光焊接實(shí)驗系統(tǒng)，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度測試系統(tǒng)和電磁性能測試系統(tǒng)，以無取向電工鋼B27ahv1500為研究對象，基于實(shí)驗研究了焊接工藝參數(shù)對于焊縫特征、微觀組織、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及電磁性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著焊接熱輸入的增大，焊縫

5、橫截面面積及焊后定子鐵芯的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度逐漸增大，電磁性能劣化加劇。相對于焊接之前的松散疊片，以10 mm/s的速度焊接得到的定子鐵芯鐵損增加了23.9%。
　　（2）電工鋼疊片激光焊接界面?zhèn)鳠嵝袨榻?br>　　針對界面阻礙熱量傳遞導(dǎo)致焊接過程中溫度分布不連續(xù)的問題，設(shè)計了界面處理算法，對電工鋼疊片激光焊接過程中的界面演化行為進(jìn)行描述；建立了考慮界面演化行為的電工鋼疊片激光焊接過程有限元仿真模型，分析了焊接過程中界面的演化規(guī)律和溫度分

6、布，研究了電工鋼片的厚度及界面接觸熱導(dǎo)對于焊縫特征尺寸的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著電工鋼片厚度的增大，相同熱輸入下焊縫特征尺寸逐漸減小，以0.18 mm的電工鋼片為基準(zhǔn)，厚度增大3倍，電工鋼疊片焊縫面積將降低11%。
　?。?）電工鋼疊片焊后磁滯特性建模
　　針對焊接過程引入的殘余應(yīng)力導(dǎo)致焊后磁滯特性劣化的問題，建立了電工鋼疊片激光焊接過程熱力耦合有限元仿真模型，開展焊后殘余應(yīng)力預(yù)測；采用優(yōu)化算法對磁滯模型的參數(shù)進(jìn)行整定，

7、獲得了準(zhǔn)確描述無應(yīng)力狀態(tài)下電工鋼片磁滯特性的參數(shù)；建立了考慮焊后不均勻分布的殘余應(yīng)力的磁滯特性數(shù)學(xué)模型，基于仿真得到的殘余應(yīng)力，預(yù)測了不同焊接參數(shù)下的磁滯特性，并與實(shí)驗測得的磁滯特性進(jìn)行對比，證明了本章建立的磁滯特性模型具有較高的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，隨著殘余應(yīng)力的增大，磁滯特性劣化加劇。
　?。?）電工鋼疊片焊后渦流損耗建模
　　針對焊接過程破壞了焊縫區(qū)的絕緣涂層導(dǎo)致焊后渦流分布不規(guī)則的問題，采用分割法將通過焊縫的截面分成

8、焊縫區(qū)和母材區(qū)，分別開展渦流損耗計算，建立了考慮焊縫特征的渦流損耗預(yù)測數(shù)學(xué)模型；通過對焊后疊片結(jié)構(gòu)開展渦流有限元分析，預(yù)測渦流損耗，并與數(shù)學(xué)模型的結(jié)果進(jìn)行對比分析；基于數(shù)學(xué)模型研究了板厚、磁通密度、工作頻率和焊縫幾何尺寸對于渦流損耗的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著焊縫特征尺寸的增大或電工鋼片厚度的減薄，焊接過程導(dǎo)致的渦流損耗增量將會顯著增大。
　　（5）滿足強(qiáng)度要求的定子鐵芯激光焊接臨界焊縫面積
　　前面章節(jié)的研究結(jié)果表明：焊

9、縫面積顯著影響焊后定子鐵芯的性能，過小的焊縫面積難以滿足定子鐵芯的強(qiáng)度要求，過大的焊縫面積會導(dǎo)致磁性能發(fā)生顯著劣化。本章通過對激光焊接過程的熱流平衡狀態(tài)進(jìn)行分析，推導(dǎo)了焊縫特征尺寸的計算公式，實(shí)現(xiàn)了焊縫特征及焊縫面積的快速預(yù)測；通過對焊后定子鐵芯扭轉(zhuǎn)過程的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，建立了扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度與鐵芯幾何尺寸、焊縫數(shù)目、焊縫橫截面面積和焊縫區(qū)材料屬性的定量關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度快速預(yù)測；基于扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度預(yù)測模型，確定了滿足強(qiáng)度要求的臨界焊縫面積，