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马涛、杨柳青、桑尚 等人来自中车永济电机有限公司和轨道交通牵引电机山西省重点实验室，他们的研究《焊接变形对主发电机风扇疲劳寿命的影响分析》发表于电焊机期刊2023年6月的第53卷第6期。

研究背景与目的

内燃机车主发电机风扇是保障电机正常运行的关键部件，其断裂故障可能导致电机烧损甚至停机，严重影响机车运行安全。风扇由底板和扇叶通过钨极惰性气体保护熔化焊（TIG焊）焊接而成，焊接后底板安装面常发生不同程度的变形，导致装配应力增加，进而影响风扇的疲劳寿命。已有研究表明，焊接残余应力和平均应力对焊接结构的疲劳寿命有显著影响，但具体影响程度及控制方案尚未明确。因此，本研究旨在通过仿真分析和疲劳试验，量化焊接变形对风扇疲劳寿命的影响，并提出有效的焊接工艺改进方案，以确保风扇的设计寿命和运行安全。

研究流程

1. 仿真分析

研究首先利用有限元分析软件ANSYS Workbench建立了风扇的有限元模型，对扇叶和底板结构进行二阶四面体实体单元离散化处理，模型共计375,433个节点和84,279个单元。在风扇底板与磁轭连接的两个圆孔内侧面施加固定约束，并施加实际运行工况载荷（转速、风载、角加速度及振动加速度）。通过仿真计算，确定了风扇的最大应力出现在底板与扇叶端部焊缝的扇叶焊趾处，这为后续疲劳试验提供了载荷依据。

2. 焊接变形对装配应力的影响

研究对56件风扇的底板安装面不平度进行了测量，变形量范围为0.15~1.25 mm。选取不同变形量的风扇进行装配应力测试，在扇叶焊趾处粘贴应变片，使用东华DHDAS动态信号采集分析系统采集应变数据。结果表明，焊接变形量与装配应力呈二次非线性关系，变形量越大，装配应力越大。当变形量超过0.60 mm时，风扇在装配后发生塑性变形，变形量为1.25 mm时，装配应力已超过风扇叶片材料Q195的屈服强度，存在失效风险。

3. 疲劳试验

研究依据GB/T 3075—2021标准，在PLW-50电液伺服动静万能疲劳试验机上对不同变形量的风扇进行疲劳试验。试验工装设计基于风扇受力特性和仿真结果，加载载荷为145.4 N，试验弯矩为32,715 N·mm。试验结果表明，随着风扇底板变形量的增加，疲劳寿命显著缩短。变形量为0.15 mm的风扇在200万次循环后未发现裂纹，而变形量为1.25 mm的风扇在69万次循环后即出现裂纹，裂纹位置与仿真分析的最大应力位置一致。

4. 焊接工艺改进

为控制焊接变形，研究对比了三种改进方案：调整焊接参数、调整焊接顺序和设计防变形工装。结果表明，调整焊接参数和焊接顺序对变形量的控制作用有限，而防变形工装能有效将焊接变形量控制在0.35 mm以内。批量验证显示，使用防变形工装后，风扇底板焊接变形量均小于0.35 mm，满足设计寿命要求。

主要结果

1. 焊接变形与装配应力的关系：焊接变形量与装配应力呈二次非线性关系，变形量越大，装配应力越大。当变形量超过0.60 mm时，风扇在装配后发生塑性变形，变形量为1.25 mm时，装配应力已超过材料屈服强度。

2. 疲劳寿命的影响：焊接变形量越大，风扇的疲劳寿命越短。变形量为0.15 mm的风扇在200万次循环后未发现裂纹，而变形量为1.25 mm的风扇在69万次循环后即出现裂纹。

3. 焊接工艺改进效果：防变形工装能有效将焊接变形量控制在0.35 mm以内，满足风扇设计寿命要求。

结论

研究表明，焊接变形是影响内燃机车主发电机风扇疲劳寿命的关键因素。通过仿真分析和疲劳试验，研究量化了焊接变形对装配应力和疲劳寿命的影响，并提出了有效的焊接工艺改进方案。防变形工装的应用能将焊接变形量控制在0.35 mm以内，确保风扇的设计寿命和运行安全。这一研究为类似焊接结构的疲劳寿命评估和工艺改进提供了重要参考。

研究亮点

1. 量化焊接变形对疲劳寿命的影响：通过仿真和试验，首次量化了焊接变形量与装配应力及疲劳寿命的关系。

2. 防变形工装的应用：提出的防变形工装方案能有效控制焊接变形量，具有较高的工程应用价值。

3. 多学科交叉研究：结合有限元分析、应力测试和疲劳试验，提供了全面、系统的研究框架。

其他有价值的内容

研究还通过拟合曲线确定了风扇底板在装配后开始发生塑性变形的临界点（变形量为0.35 mm），为焊接工艺的优化提供了理论依据。此外，研究对比了多种焊接工艺改进方案，为实际生产中的焊接变形控制提供了多种选择。

以上报告全面介绍了该研究的背景、流程、结果和结论，突出了其科学价值和工程应用意义。