制冷渦旋式壓縮機(jī)焊點(diǎn)可靠性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李俊超 殷岳云 徐艷芬 李小丹 許曉飛 朱 熠

（珠海凌達(dá)壓縮機(jī)有限公司 珠海 519100）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)研究技術(shù)提升，開(kāi)始由家用轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)朝向商用渦旋式壓縮機(jī)技術(shù)延伸。在產(chǎn)品探索階段，我司自主研發(fā)的制冷渦旋式壓縮機(jī)產(chǎn)品，從手工樣機(jī)切換成設(shè)備生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程中，壓縮機(jī)可靠性測(cè)試出現(xiàn)上支架焊點(diǎn)批量泄漏，泄漏率較高，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)推廣。產(chǎn)品可靠性異常對(duì)渦旋式壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)計(jì)劃產(chǎn)生的影響：（1）切換計(jì)劃受影響；（2）大巴空調(diào)項(xiàng)目推遲；（3）嚴(yán)重影響設(shè)備驗(yàn)收進(jìn)度；（4）新設(shè)備未能投入生產(chǎn)，設(shè)備折舊呆滯并且無(wú)經(jīng)濟(jì)收益。因此，需要結(jié)合可靠性研究工程，對(duì)產(chǎn)品的工藝、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化探索，驗(yàn)證出符合標(biāo)準(zhǔn)的可靠性壽命。

1 產(chǎn)品分析

1.1 渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行原理介紹

圖1 渦旋式壓縮機(jī)運(yùn)行原理Fig.1 Operation Principle of scroll compressor

動(dòng)渦旋盤（灰色）繞靜渦旋盤做圓周運(yùn)動(dòng)。動(dòng)渦盤三個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)后完成一個(gè)完整的壓縮過(guò)程。壓縮的過(guò)程是連續(xù)的：吸氣、壓縮、排氣同時(shí)進(jìn)行，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)或共振。在可靠性試驗(yàn)過(guò)程中，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)將產(chǎn)品中存在的缺陷激發(fā)出來(lái)，然后進(jìn)行分析判斷，采取相應(yīng)的措施予以排除解決。

1.2 焊點(diǎn)應(yīng)力分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2 所示，承載壓縮機(jī)動(dòng)靜渦盤的支撐零件（即上支架），需要通過(guò)焊接將其固定在壓縮機(jī)殼體上，焊接后會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生靜態(tài)應(yīng)力，并且集中在四個(gè)固定的焊點(diǎn)上。與此同時(shí)，壓縮機(jī)泵體實(shí)際動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力負(fù)荷，作用在上支架焊點(diǎn)上。

圖2 壓縮機(jī)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of compressor solder joint structure

表1 可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Reliability test data

通過(guò)對(duì)泄漏焊點(diǎn)的金相分析，結(jié)合拉伸機(jī)試驗(yàn)合格的結(jié)構(gòu)，確認(rèn)焊點(diǎn)焊接強(qiáng)度無(wú)異常。但是，焊點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)較為一致性的裂痕，初步評(píng)估為壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致撕裂，針對(duì)焊接撕裂問(wèn)題進(jìn)行如下的討論分析，得出4 條末端優(yōu)化方向：（1）焊接參數(shù)異常；（2）焊點(diǎn)強(qiáng)度不足；（3）上支架與殼體間隙過(guò)大；（4）上支架焊點(diǎn)不合理。

圖3 焊點(diǎn)應(yīng)力撕裂要因分析Fig.3 Cause analysis of stress tear in solder joint

2 可靠性改善方案驗(yàn)證

2.1 焊點(diǎn)焊接質(zhì)量?jī)?yōu)化

通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)焊接設(shè)備進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，理論上可以加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)的牢固度，提高產(chǎn)品可靠性。通過(guò)線切割技術(shù)割開(kāi)焊點(diǎn)，分別用金相顯微鏡、萬(wàn)能顯微鏡對(duì)焊點(diǎn)焊接質(zhì)量進(jìn)行確認(rèn)，確保熔深無(wú)異常、焊點(diǎn)無(wú)氣孔及裂紋情況的前提下，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。與此同時(shí)，查看轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的焊點(diǎn)強(qiáng)度質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（拉伸機(jī)）設(shè)備確認(rèn)渦旋壓縮機(jī)上支架焊點(diǎn)強(qiáng)度已超過(guò)50kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但是，焊接最優(yōu)方案壓縮機(jī)焊點(diǎn)294 小時(shí)仍被撕裂，未能有效抵抗應(yīng)力。因此，評(píng)估單單從焊接工藝上并不能解決可靠性異常的問(wèn)題。

表2 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化表Table 2 Optimization table of welding process parameters

圖4 熔深實(shí)測(cè)Fig.4 Weld depth test

圖5 萬(wàn)能顯微鏡實(shí)測(cè)Fig.5 Universal microscope test

圖6 金相顯微鏡實(shí)測(cè)Fig.6 Metalloscope test

圖7 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試Fig.7 Universal testing machine test

2.2 產(chǎn)品工藝優(yōu)化

根據(jù)焊點(diǎn)焊接質(zhì)量，靜態(tài)的各項(xiàng)試驗(yàn)分析，得出：焊點(diǎn)是由于壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)力應(yīng)變較大導(dǎo)致上支架焊點(diǎn)撕裂泄漏。因此，在產(chǎn)品工藝上，對(duì)比轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)類似排量機(jī)型的配合間隙，評(píng)估渦旋產(chǎn)品設(shè)計(jì)間隙較大，結(jié)合產(chǎn)品本身振動(dòng)比轉(zhuǎn)子振動(dòng)較大，間隙0.36～0.54mm 設(shè)計(jì)不合理；經(jīng)過(guò)核查確認(rèn)將配合間隙縮小至0.06～0.34mm。

表3 產(chǎn)品配合間隙表Table 3 Product fit clearance table

續(xù)表3 產(chǎn)品配合間隙表

圖8 上支架優(yōu)化Fig.8 Optimization of Upper support

理論分析：上支架與殼體間隙縮小可有效減小泵體擺動(dòng)幅度，減少內(nèi)部焊流提高焊接質(zhì)量；可靠性試驗(yàn)情況：優(yōu)化間隙方案壓縮機(jī)可靠性運(yùn)行384小時(shí)焊點(diǎn)被撕裂，雖疊加焊接質(zhì)量措施有改善，但仍無(wú)法滿足1000 小時(shí)要求。因此，綜合考慮產(chǎn)品4 個(gè)焊點(diǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足可靠性試驗(yàn)下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力要求。

2.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)產(chǎn)品有限元分析，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬分析，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)增加強(qiáng)肋可以減少焊接波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的影響，因此評(píng)估8 個(gè)焊點(diǎn)的焊接應(yīng)力可增大至原方案的1.1 倍。項(xiàng)目成員提出三個(gè)方案，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備及加工工藝，論證評(píng)估后確認(rèn)采用方案三進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。

圖9 可靠性建模有限元分析Fig.9 Finite element analysis of reliability modeling

圖10 可靠性建模結(jié)構(gòu)分析Fig.10 Structural analysis of reliability modeling

表4 方案論證表Table 4 Proof of plan form

結(jié)合焊接參數(shù)優(yōu)化、產(chǎn)品工藝配合間隙優(yōu)化、以及增加焊點(diǎn)的方式，可靠性各項(xiàng)試驗(yàn)滿足1000小時(shí)，經(jīng)評(píng)估方案三為優(yōu)化方案，焊點(diǎn)與上支架密封面安全距離達(dá)到21.77mm，焊孔與螺栓孔的安全余量達(dá)到2mm，確認(rèn)為最終方案。

圖11 零部件變更優(yōu)化Fig.11 Part change optimization

3 實(shí)施說(shuō)明

3.1 可靠性工作的實(shí)施過(guò)程

項(xiàng)目成員秉承可靠性工作流程為主旨，首先內(nèi)部通過(guò)FMEA 工具，識(shí)別出可靠性焊點(diǎn)泄漏的嚴(yán)重度高、頻度高，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)RPN 值超標(biāo)必須進(jìn)行改善。同時(shí)，結(jié)合運(yùn)用QC 改善工具，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、焊接工藝角度進(jìn)行細(xì)化分析研究，對(duì)焊接的質(zhì)量進(jìn)行線切割分析（金相分析、熔深分析），對(duì)產(chǎn)品的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性建模，通過(guò)有限元分析工具模擬產(chǎn)品動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程。提出涉及可靠性降額設(shè)計(jì)的方法，增加焊點(diǎn)數(shù)量的試驗(yàn)方案，接著根據(jù)壓縮機(jī)產(chǎn)品可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)及壽命試驗(yàn)項(xiàng)目（高壓比連續(xù)、長(zhǎng)期組合、高壓比斷續(xù)、低頻高壓差、缺油試驗(yàn)等）進(jìn)行驗(yàn)證。最終，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提高焊接強(qiáng)度，產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更優(yōu)化（由4 個(gè)焊點(diǎn)改為8 個(gè)焊點(diǎn)）減少可靠性運(yùn)行中的應(yīng)力，以及殼體與上支架配合間隙優(yōu)化措施，測(cè)試可靠性各項(xiàng)目驗(yàn)證合格。

3.2 結(jié)論與成果

項(xiàng)目實(shí)施后觀察1年有效，結(jié)論：產(chǎn)品可靠性滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目可結(jié)項(xiàng)閉環(huán)。成果：該項(xiàng)目獲得了珠海凌達(dá)壓縮機(jī)有限公司創(chuàng)新科技進(jìn)步獎(jiǎng)，促使產(chǎn)品快速導(dǎo)入量產(chǎn)，打破國(guó)外渦旋壓縮機(jī)的持續(xù)壟斷的現(xiàn)狀。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）產(chǎn)品質(zhì)量品質(zhì)

累計(jì)47 臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)1000小時(shí)后均未出現(xiàn)焊點(diǎn)泄漏?？煽啃?000 小時(shí)為壓縮機(jī)十年的保障，改善后壓縮機(jī)4032 小時(shí)未出現(xiàn)焊點(diǎn)泄漏，改善后焊點(diǎn)強(qiáng)度最少可以提升二十年的壽命保障。為我司產(chǎn)品推廣延遲奠定了研究基準(zhǔn)。

（2）在產(chǎn)品可靠性研究探索過(guò)程中，需要結(jié)合可靠性工程師手冊(cè)，通過(guò)理論的分析思路以及實(shí)際的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)，不斷修正優(yōu)化可靠性試驗(yàn)方案，這樣才能使得產(chǎn)品精益求精。