壓縮機泵體內部焊接放電的分析與對策

□ 孫躍軍

上海海立電器有限公司 上海 201206

1 分析背景

隨著市場環境的變化,消費者對空調產品使用舒適度要求的不斷提高。空調壓縮機如果發生失效,將會導致嚴重的客戶投訴,使公司產品信譽受損。通過對公司歷年不良產品返回的類別進行分析,發現其中由于壓縮機泵體內部焊接放電導致的失效一直排名靠前,占比較高的比例。可見,解決壓縮機泵體內部焊接放電問題,可以大幅提高空調壓縮機產品的質量。

壓縮機泵體內部焊接放電會導致微米級精度的泵體零部件遭受電蝕,零部件遭受電蝕意味著很可能失效[1-3]。對此,筆者從焊接放電產生的原理入手進行分析,并對各種引起焊接放電的因素進行梳理,采取有針對性的改進措施,逐漸減少并杜絕由焊接引起的壓縮機泵體內部放電現象。

2 壓縮機泵體內部焊接放電的危害

由于產生焊接放電現象,經過研磨精加工達到微米級的泵體零部件會遭受電蝕,很可能發生失效。放電發生在壓縮機泵體組件內部,無法觀察到。壓縮機泵體組件是以滑動軸承為運動副的精密組件,一旦內部有部件遭受電蝕引起失效,最終將導致壓縮機整機失效,使空調不能正常工作。

3 壓縮機泵體內部焊接放電分析

焊接工序采用氣體保護電弧焊方式。氣體保護電弧焊包括熔化極惰性氣體保護電弧焊和熔化極活性氣體保護電弧焊,是一種自動工藝。自動焊接需連續送入焊絲,由焊炬的噴嘴送進氬氣和二氧化碳混合氣產生保護。一臺完整的氣體保護焊設備通常由焊接電源、送絲系統、焊槍、供氣系統、控制系統等組成。氣體保護電弧焊原理如圖1所示。

▲圖1 氣體保護電弧焊原理

筆者對壓縮機生產過程中焊接時起弧電流的流向進行具體分析。

焊接采用接觸引弧,直流電壓為25 V,工作電流一般為250 A。電流從電源正極通過焊絲流到泵體上缸蓋,再在泵體內部流轉后通過其它導電回路流到殼體,最后流到電源負極,形成閉環回路。焊接放電時電流流向如圖2所示。

▲圖2 焊接放電時電流流向

焊接開始于起弧,起弧時焊接電流從零達到設定的工作電流。正常工作過程中,焊接電流通過泵體內部,最終流回到接地端。當起弧電流回路在泵體內遇到部件之間的間隙,即電流回路中有微小的似斷非斷斷路現象時,起弧電流會使有微小間隙的部件之間的空氣發生電離,進而引發焊接放電。

壓縮機泵體部件各運動副的間隙見表1,曲軸止推面與上下缸蓋平面的間隙最大,為59～163 μm,在理論上產生放電的可能性最大。

表1 壓縮機泵體部件運動副間隙 μm

對產生焊接放電的壓縮機泵體進行解體,遭受電蝕的零部件如圖3所示。

▲圖3 遭受電蝕零部件

通過對發生焊接放電的壓縮機泵體進行拆解,找到焊接放電的具體位置。從現場實際情況看,幾乎所有發生焊接放電的壓縮機,其曲軸止推面與下缸蓋之間都有明顯的電蝕痕跡。結合焊接放電會發生在間隙較大位置的理論推斷,理論推斷與實際情況吻合。

通過分析可知,焊接放電只可能發生在焊接起弧階段,并且電流在壓縮機泵體內部進行流動。以下分析如何改變電流流向,進而避免焊接放電發生。

焊接起弧時,電流從電源正極通過焊絲、焊絲熔滴流到殼體與泵體連接處,再流到殼體,最后流到電源負極形成回路,這樣可以避免焊接起弧電流流向泵體內部,如圖4所示。

▲圖4 避免焊接放電時電流流向

對圖2和圖4兩種電流流向進行分析。圖2中,起弧時焊接電流通過壓縮機泵體內部,再流回到殼體進入接地線,起弧電流在泵體內間隙較大的運動副位置會產生放電。圖4中,起弧時焊接電流沒有流入壓縮機泵體內部,直接由殼體流入接地線,這就消除了起弧電流在泵體內產生焊接放電的可能性。

4 引起焊接放電的其它因素

焊接設備中的裝置絕緣不良及電流回路不暢,也會引起焊接放電。焊接設備上有輔助動作氣缸及相應的裝置,包括接地卡爪、電極、接地導線等。這些裝置會在焊接過程中產生影響,有些允許成為電流回路的一部分,有些則應杜絕形成電流回路。

焊接設備中的各類裝置如果沒有形成良好的隔離,就會導致焊接電流亂竄,造成夾持氣缸內部產生焊接放電,損壞氣缸,導致設備故障。無隔離措施時電流流向如圖5所示。在電極與氣缸之間加裝膠木墊,形成絕緣,使電流定向流入接地線,可以避免非正常焊接放電,如圖6所示。

▲圖5 無隔離措施時電流流向

▲圖6 有隔離措施時電流流向

若焊接機的接地線接線端部出現斷絲情況,則會導致導線截面積不足[4],使導電回路電阻過大,進而引起焊接放電,如圖7所示。

▲圖7 導線截面積不足引起焊接放電

由于設備內部溫度高,存在飛濺物,焊接工況惡劣,銅電極表面的氧化銅會導致電流不暢,同樣會引起焊接放電,如圖8所示。應定期對銅電極和殼體接觸部位的氧化銅進行清除,確保良好的導電性。

▲圖8 銅電極表面氧化銅引起焊接放電

5 壓縮機泵體內部焊接放電對策

要解決生產過程中壓縮機泵體內部的焊接放電問題,需要使焊接起弧電流按照圖4正常流向直接從壓縮機殼體流入接地端,杜絕在泵體內部流動。具體有兩種對策:連接銅管凸點法和殼體表面引弧法。

5.1 連接銅管凸點法

在連接銅管上制作四個凸點,使與泵體成為一體的連接銅管和與殼體成為一體的座圈銅管貼合緊密,泵體與殼體通過連接銅管、座圈銅管緊密相連,使電流回路順暢無阻。連接銅管凸點法如圖9所示。

▲圖9 連接銅管凸點法

連接銅管上的凸點由機器自動加工,凸點的尺寸通過計算設定,實施效果優于現場手工打點作業。

5.2 殼體表面引弧法

當前常用的焊接工藝要求焊槍頭部的焊絲位于殼體六點焊孔中間位置,采用的是上缸蓋接觸引弧[5-6]。此時焊接引弧位置與上缸蓋直接接觸,如果存在接地不良或其它原因,起弧電流會容易直接通過泵體內部,引起焊接放電,最終會造成泵體內部精密零部件因電蝕而失效。

更改現有的焊接工藝,重新設計焊槍的調節機構[7],在焊槍調節機構內增加上下驅動氣缸裝置,如圖10所示。焊槍焊絲位于殼體焊孔內側上端邊緣,如圖11所示。對點起弧,起弧0.9 s后結束。可編程序控制器控制氣缸動作,焊槍下移3.35 mm至殼體焊孔中間位置,如圖12所示。再焊接0.4 s,焊接結束。因起弧位置在殼體焊孔的邊緣,使電流不可能流過泵體內部引起焊接放電。焊點焊料填充飽滿,如圖13所示,滿足設計要求。

▲圖10 焊槍調節機構內增加驅動氣缸裝置

▲圖11 焊絲起弧初始位置

▲圖12 焊槍下移至殼體焊孔中間位置

▲圖13 焊點焊料情況

改進前焊槍調節機構如圖14所示,改進后焊槍調節機構如圖15所示。

▲圖14 改進前焊槍調節機構

▲圖15 改進后焊槍調節機構

經過實踐檢驗,采用以上對策,壓縮機在生產過程中由于焊接放電而導致的失效比例大幅下降,2013年數據為場外0.000 16%、場內0.002 52%,至2016年降為場外0.000 046%、場內0.000 41%,下降的比例分別達到71.25%和83.73%,提高了公司產品質量,贏得了客戶好評,取得了良好效果。

6 結束語

筆者主要針對壓縮機泵體內部焊接放電問題進行分析。泵體內部焊接放電會導致壓縮機失效,從而影響企業的經濟效益。筆者從焊接放電的發生部位及焊接電流流向分析了焊接放電的原理,確認了焊接起弧電流的正確流向,同時分析了引起非正常放電的其它因素。針對焊接起弧時如何保證電流流向,提出兩種解決方法。一是在連接銅管處制作凸點,使泵體與殼體貼合緊密,進而保證電流回路順暢。二是設計了焊槍調節機構,改變了引弧方式,保證起弧發生在焊孔邊緣,進而降低內部發生焊接放電的可能性。將上述兩種方法應用在實際生產中,壓縮機泵體內部焊接放電問題顯著減少,提高了公司產品的質量。