采用內窺鏡對空調器關鍵性能與可靠性的控制

施清清 賴澤豐 黃越 眭敏 袁耀剛 楊為標

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

空調換熱器、管路件、壓縮機共同構成了可供冷媒在密閉環境下做循環熱交換的制冷系統。兩器銅管、管路件劃傷、裂紋，以及焊點的虛焊、焊料不足等缺陷會導致系統泄漏，影響空調可靠性。銅管內壁氧化、管路分液頭焊瘤、焊堵以及加工過程中殘存于系統中的銅屑等雜質會導致系統分液不均甚至流路堵塞，影響空調整機性能。

目前生產過程對于此類缺陷的控制主要依靠人工解剖驗證，以及后工序整機檢漏與整機性能測試。采用人工解剖物料的方式來觀察評估，不僅效率低下，消耗大量人力資源進行解剖工作，還造成大量工件報廢。采用檢漏與性能測試的方法對空調可靠性與性能進行監控，只能將控制點設置于生產后工序，發現問題時往往為時已晚，通常會面臨整機返包的問題。既影響生產效率，又會對產品質量造成較大影響。隨著工業內窺鏡技術的不斷完善、發展與突破，小線徑、高清晰成像攝像頭內窺鏡逐步投入到實際檢查應用中，使得內窺鏡得以更好、更廣泛地運用于小孔徑管道內的檢查[1]。因此將工業內窺鏡應用于空調生產過程中性能與可靠性的控制具有十分重要的現實意義[2]。

本文通過研究內窺鏡的應用，利用工業內窺鏡結合金相分析、真空氦檢、疲勞技術壽命、制冷量損失等量化測算，制定空調管道焊接、加工缺陷、油路等堵塞的量化控制標準，提升生產加工質量及減少管內清潔度對空調系統的影響，從而提高空調性能及可靠性。

2 工業內窺鏡簡介

普通內窺鏡因探頭尺寸較大，且探頭無法彎曲轉彎，部分檢驗樣品受結構限制（空調系統管徑小、彎曲多），易導致檢驗探頭無法有效到達樣品全部區域，存在一定的檢驗盲區。

工業便攜式內窺鏡是一種具有圖像傳感器、光學鏡頭、光源照明等的裝置，是目前廣泛應用于制造、維修領域的一種無損檢測設備。內窺鏡的使用打破了視覺觀察光線的限制，延長了人眼的視距，突破了視覺死角。將內窺鏡探頭伸入管道內部，可將管道內部的情況實時傳送到顯示屏，供維修、檢驗人員觀察評估。通過內窺鏡成像的分析可對零部件的合格情況或者失效原因作出快速、準確的判斷，是企業生產過程控制和質量分析、控制環節中一個高效、實用的工序[3]。如圖1所示為典型工業內窺鏡結構圖。小線徑攝像頭、機械式360°主動全向彎曲探頭、多級LED照明亮度調節光纖導光、鏡頭保護裝置等內窺鏡技術以及結構優勢，使得工業內窺鏡檢測技術可以更好地契合空調系統管徑小、彎曲多、管道內部光照強度低、缺陷視覺可檢等特性。

圖1 工業內窺鏡結構圖

3 影響空調性能因素及解決方案

3.1 影響因素

（1）系統器件內部裂紋及管路焊點虛焊、焊料不足易導致冷媒泄漏，嚴重影響空調可靠性；

（2）系統器件內部氧化、管路分液頭焊瘤、焊堵以及加工過程中殘存于系統中的銅屑等雜質會導致系統分液不均甚至流路堵塞，嚴重影響空調性能和能效；

（3）系統器件內部如有雜質異物，易導致系統件磨損，降低可靠性。

3.2 解決方案

針對以上影響空調性能、可靠性的因素，利用工業內窺鏡結合金相分析、真空氦檢、疲勞技術壽命、制冷量損失等量化測算，提高空調性能及可靠性。

4 內窺鏡在空調性能與可靠性控制的應用案例

4.1 管路件手工焊點可靠性檢測

受結構以及其他方面限制，目前行業內仍有大量手工釬焊工藝用于實現制冷系統中各個零部件的對接。手工焊點焊接質量受加熱溫度、時間、管口清潔度和焊工加焊手法等諸多因素影響[4]。加熱時間過短、母材與焊料受熱不足以及管口清潔度差等異常會導致焊料流動性差，焊料無法完全填充焊縫造成焊點虛焊。焊工定點加熱、加熱時間過長易導致焊點母材過燒甚至燒熔、燒穿。為保證手工焊點可靠性，避免不合格產品流出，生產過程中通常采用壓縮空氣檢漏法、氦氣檢漏法以及鹵素檢漏法對產品進行多道工序檢漏。盡管如此，部分熔深不足的焊點由于管口尚有一層焊料熔接，未構成氣體泄漏通道，導致上述三種氣體檢漏方式均未能檢出該焊接缺陷。如圖2所示為某焊縫熔深不足樣件50倍放大圖片，圖2中焊點可靠性極差，受輕微震動或外力容易導致泄漏。

圖2 焊接熔深不足樣件

由于泄漏或存在較大泄漏隱患的焊點均表現為焊縫底部無焊料填充或存在砂眼狀泄露通道。圖3a)為內窺鏡應用于手工焊點可靠性檢測示意圖，使用內窺鏡對焊縫底部焊料填充情況進行檢查，能有效檢出如圖3b)所示的分流器焊接熔深不足等氣體檢漏法無法檢出的產品缺陷，進一步確保了手工焊點可靠性。

圖3 內窺鏡應用于焊點可靠性檢測

內窺鏡檢查所得焊縫未焊透缺陷如圖4所示，圖4中空白部分為無焊料填充部分，用字母P表示。從左往右按照焊縫焊料滲透程度可劃分為完全焊透、P≤25%、25%＜P≤40%、P＞40%以及多點未焊透。將以上五種焊縫焊料狀態多組樣件分別充氦氣保壓，并采用氦質譜法檢漏儀進行檢漏、補焊、二次氦檢得到如表1所示的查漏數據。

圖4 焊料滲透情況圖示

由表1數據可知，通過內窺鏡對焊縫底部焊料滲透情況的檢查，可以對焊點焊接缺陷進行判定。對焊縫底部未滲透P值大于40%以及多點未焊透的焊點補焊后做二次氦檢仍發現焊點泄漏。故使用內窺鏡檢出以上兩種范圍內缺陷，可有效提高整機可靠性。

表1 分液頭1/3焊堵性能測試對比數據

4.2 殼管式換熱器管壁缺陷檢測

殼管式換熱器內漏是售后常見的故障之一。常見的內漏形式有換熱管自身缺陷導致穿孔泄漏，或使用維護不當導致換熱管內水結冰把銅管脹裂等。因售后現場維修條件不足，針對換熱管漏的處理方案多是采用銅堵頭堵管。這樣就只知道是換熱管內漏，但是內漏形式無法知道，內漏原因更是無從分析，無法對故障進行預防整改。將內窺鏡檢驗技術應用于殼管換熱器缺陷，一方面可以在出現內漏后，采用內窺鏡伸進銅管檢查，鎖定內漏形式，進而對泄漏原因進行排查，對可能存在的隱患進行控制（如圖5所示為使用內窺鏡檢出因冬季排水不徹底，換熱器管內積水結冰導致脹裂異常案例）；另一方面可應用于換熱器生產過程控制，提前排查銅管內壁可能存在的缺陷，提高機組運行可靠性[5]。

如圖6、圖7所示為高效換熱管裂紋深度、長度與疲勞壽命關系。由圖6、圖7中裂紋深度、長度與裂紋前緣應力、脈沖壽命的關系曲線可以發現。隨高效換熱器管裂紋深度加深，前緣應力增大，隨之脈沖壽命逐漸下降至五萬次以下。隨著裂紋長度增加，前緣應力在0.5 mm時達到峰值，隨后應力隨裂紋的延長下降；脈沖壽命同樣于應力最為集中處降至最低，在裂紋長度到達2.0 mm時，脈沖壽命超過20萬次。

圖5 內窺鏡應用殼管式換熱器管壁缺陷檢測

圖6 裂紋深度與前緣應力、脈沖壽命關系曲線

4.3 管路件內表面氧化皮、管內雜質及焊瘤檢查

管路焊接過程充氮防護不到位易導致銅管內壁產生大量氧化皮，銅管內壁氧化皮在整機運轉過程中會被冷媒沖刷并隨冷媒流動方向流經回路。此類雜質進入毛細管會導致管路堵塞異常，進入閥類器件甚至會導致卡死故障，嚴重影響空調性能及可靠性。分液頭焊接過程焊料添加過多形成的焊瘤（如圖8所示），分液支路微堵導致分液頭分液不均，冷媒流量不足導致蒸發器換熱不充分，進而導致空調制冷及能效比異常。

表2為實驗室測得某整機分液頭分液孔焊料添加過多導致制冷量及能效比異常的數據。通過數據對比發現分液頭焊料添加過多形成的焊瘤會導致空調制冷量下降，吸氣溫度偏低，制冷能力率低于要求（96%），能效比EER值低于合格標準。使用內窺鏡對各關鍵焊點進行焊瘤、氧化皮及雜質檢查，可對性能造成影響的缺陷進行提前排查、控制。

圖7 裂紋長度與前緣應力、脈沖壽命關系曲線

圖8 內窺鏡應用于分液頭焊瘤檢查

表2 分液頭1/3焊堵性能測試對比數據

4.4 壓縮機油路系統雜質檢測

將壓縮機比作空調機組的心臟，那么油路系統就是心臟中的血管，油路系統的雜質會隨著潤滑油被帶入到軸承，導致軸承運行時產生噪音，甚至導致軸承卡死的嚴重故障。雜質進入陰陽轉子的嚙合處，會導致轉子嚙合不良出現壓縮機運行噪音大、振動大，甚至轉子抱死的嚴重故障。

在機體上加工出來的油路最小的直徑只有5 mm，且長度在幾十厘米，單純采用強光電筒照射目視的方法，無法對油路通道內的清潔做到100%的有效檢驗。通過引進小線徑（2.8 mm/3.9 mm）內窺鏡在壓縮機油路上，能夠清晰地判斷壓縮機細長油路中是否有雜質（如圖9所示），可有效將油路機械加工過程中殘留的金屬碎屑及雜質檢出，確保壓縮機長期運行的可靠性。

圖9 壓縮機油路中雜質

結合空調制冷流程及制冷劑T-S圖的能量平衡分析，制冷量損失項（如圖10所示）依次為壓縮機制冷劑內泄漏、節流裝置、壓差、壓縮機功耗、蒸發不充分。其中，由于潤滑不當而導致高低壓腔內泄漏占總功率損失比例達到58.2%（如表3所示），如由于堵塞導致回油異常，該比例會進一步上升。

圖10 空調性能一致性相關流程敏感性分析結果

5 結論

本文針對內窺鏡對空調關鍵性能與可靠性控制應用開展研究，進行了可靠性計算與驗證試驗，制定空調管道焊接、高效管加工缺陷、油路堵塞量化控制標準：

（1）測試到焊縫未焊透缺陷，按焊料滲透程度可劃分為完全焊透、P≤25%、25%＜P≤40%、P＞40%以及多點未焊透，采用氦質譜法檢漏儀漏率在5.31×10-7～7.33×10-6Pa·m3/s。

（2）管路焊接氧化皮、分液支路微堵可有效測試發現，該缺陷導致分液不均，影響空調制冷量約200 W、功率約3.7%、EER能效比約0.25。

表3 1.5匹空調制冷量一致性總體平衡

（3）換熱器銅管TP2M 9.52×0.6×18°（材質外徑×底壁厚×導角）內壁缺陷深度0.075 mm、長度0.5 mm疲勞壽命顯著影響，4.12 MPa脈沖試驗壽命僅3.2萬次，裂紋長度增加或深度變淺可靠性相應提升。

（4）測試發現空調油路堵塞導致回油異常，由于潤滑不當而導致高低壓腔內泄漏制冷量偏差或損失達到282.2 W，占總功率損失比例達到58.2%。

同時隨著內窺鏡技術的發展，工業內窺鏡在空調性能及可靠性控制領域發揮了越來越重要的作用，打破了傳統檢驗手段的諸多缺陷，提高了檢驗人員的工作效率，降低質量成本的同時使得對空調性能、可靠性的控制更加快捷、有效。