制冷渦旋式壓縮機焊點可靠性分析及結構優化

李俊超 殷岳云 徐艷芬 李小丹 許曉飛 朱 熠

（珠海凌達壓縮機有限公司 珠海 519100）

0 引言

近年來，隨著國內壓縮機研究技術提升，開始由家用轉子式壓縮機朝向商用渦旋式壓縮機技術延伸。在產品探索階段，我司自主研發的制冷渦旋式壓縮機產品，從手工樣機切換成設備生產線生產過程中，壓縮機可靠性測試出現上支架焊點批量泄漏，泄漏率較高，嚴重影響產品的開發推廣。產品可靠性異常對渦旋式壓縮機開發計劃產生的影響：（1）切換計劃受影響；（2）大巴空調項目推遲；（3）嚴重影響設備驗收進度；（4）新設備未能投入生產，設備折舊呆滯并且無經濟收益。因此，需要結合可靠性研究工程，對產品的工藝、結構進行優化探索，驗證出符合標準的可靠性壽命。

1 產品分析

1.1 渦旋壓縮機運行原理介紹

圖1 渦旋式壓縮機運行原理Fig.1 Operation Principle of scroll compressor

動渦旋盤（灰色）繞靜渦旋盤做圓周運動。動渦盤三個圓周運動后完成一個完整的壓縮過程。壓縮的過程是連續的：吸氣、壓縮、排氣同時進行，會產生振動或共振。在可靠性試驗過程中，壓縮機運轉時就會將產品中存在的缺陷激發出來，然后進行分析判斷，采取相應的措施予以排除解決。

1.2 焊點應力分析

產品結構如圖2 所示，承載壓縮機動靜渦盤的支撐零件（即上支架），需要通過焊接將其固定在壓縮機殼體上，焊接后會對產品產生靜態應力，并且集中在四個固定的焊點上。與此同時，壓縮機泵體實際動態運轉過程中，也會產生應力負荷，作用在上支架焊點上。

圖2 壓縮機焊點結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of compressor solder joint structure

表1 可靠性試驗數據Table 1 Reliability test data

通過對泄漏焊點的金相分析，結合拉伸機試驗合格的結構，確認焊點焊接強度無異常。但是，焊點內部出現較為一致性的裂痕，初步評估為壓縮機運轉時產生的振動應力導致撕裂，針對焊接撕裂問題進行如下的討論分析，得出4 條末端優化方向：（1）焊接參數異常；（2）焊點強度不足；（3）上支架與殼體間隙過大；（4）上支架焊點不合理。

圖3 焊點應力撕裂要因分析Fig.3 Cause analysis of stress tear in solder joint

2 可靠性改善方案驗證

2.1 焊點焊接質量優化

通過對焊點焊接設備進行參數優化，理論上可以加強支撐結構的牢固度，提高產品可靠性。通過線切割技術割開焊點，分別用金相顯微鏡、萬能顯微鏡對焊點焊接質量進行確認，確保熔深無異常、焊點無氣孔及裂紋情況的前提下，進行可靠性試驗驗證。與此同時，查看轉子式壓縮機的焊點強度質量標準，利用萬能試驗機（拉伸機）設備確認渦旋壓縮機上支架焊點強度已超過50kN，遠遠滿足相關標準。但是，焊接最優方案壓縮機焊點294 小時仍被撕裂，未能有效抵抗應力。因此，評估單單從焊接工藝上并不能解決可靠性異常的問題。

表2 焊接工藝參數優化表Table 2 Optimization table of welding process parameters

圖4 熔深實測Fig.4 Weld depth test

圖5 萬能顯微鏡實測Fig.5 Universal microscope test

圖6 金相顯微鏡實測Fig.6 Metalloscope test

圖7 萬能試驗機測試Fig.7 Universal testing machine test

2.2 產品工藝優化

根據焊點焊接質量，靜態的各項試驗分析，得出：焊點是由于壓縮機動態運行過程中，應力應變較大導致上支架焊點撕裂泄漏。因此，在產品工藝上，對比轉子式壓縮機類似排量機型的配合間隙，評估渦旋產品設計間隙較大，結合產品本身振動比轉子振動較大，間隙0.36～0.54mm 設計不合理；經過核查確認將配合間隙縮小至0.06～0.34mm。

表3 產品配合間隙表Table 3 Product fit clearance table

續表3 產品配合間隙表

圖8 上支架優化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幅度，減少內部焊流提高焊接質量；可靠性試驗情況：優化間隙方案壓縮機可靠性運行384小時焊點被撕裂，雖疊加焊接質量措施有改善，但仍無法滿足1000 小時要求。因此，綜合考慮產品4 個焊點的設計結構無法滿足可靠性試驗下的動態應力要求。

2.3 產品設計結構優化

通過產品有限元分析，以及結構設計模擬分析，對支撐結構增加強肋可以減少焊接波動對產品的影響，因此評估8 個焊點的焊接應力可增大至原方案的1.1 倍。項目成員提出三個方案，結合現有的設備及加工工藝，論證評估后確認采用方案三進行可靠性試驗。

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

圖10 可靠性建模結構分析Fig.10 Structural analysis of reliability modeling

表4 方案論證表Table 4 Proof of plan form

結合焊接參數優化、產品工藝配合間隙優化、以及增加焊點的方式，可靠性各項試驗滿足1000小時，經評估方案三為優化方案，焊點與上支架密封面安全距離達到21.77mm，焊孔與螺栓孔的安全余量達到2mm，確認為最終方案。

圖11 零部件變更優化Fig.11 Part change optimization

3 實施說明

3.1 可靠性工作的實施過程

項目成員秉承可靠性工作流程為主旨，首先內部通過FMEA 工具，識別出可靠性焊點泄漏的嚴重度高、頻度高，風險系數RPN 值超標必須進行改善。同時，結合運用QC 改善工具，從產品設計、焊接工藝角度進行細化分析研究，對焊接的質量進行線切割分析（金相分析、熔深分析），對產品的焊點結構進行可靠性建模，通過有限元分析工具模擬產品動態運行過程。提出涉及可靠性降額設計的方法，增加焊點數量的試驗方案，接著根據壓縮機產品可靠性驗收試驗及壽命試驗項目（高壓比連續、長期組合、高壓比斷續、低頻高壓差、缺油試驗等）進行驗證。最終，通過優化焊接工藝參數提高焊接強度，產品設計變更優化（由4 個焊點改為8 個焊點）減少可靠性運行中的應力，以及殼體與上支架配合間隙優化措施，測試可靠性各項目驗證合格。

3.2 結論與成果

項目實施后觀察1年有效，結論：產品可靠性滿足質量標準，項目可結項閉環。成果：該項目獲得了珠海凌達壓縮機有限公司創新科技進步獎，促使產品快速導入量產，打破國外渦旋壓縮機的持續壟斷的現狀。

4 結束語

（1）產品質量品質

累計47 臺壓縮機進行可靠性試驗，試驗1000小時后均未出現焊點泄漏。可靠性1000 小時為壓縮機十年的保障，改善后壓縮機4032 小時未出現焊點泄漏，改善后焊點強度最少可以提升二十年的壽命保障。為我司產品推廣延遲奠定了研究基準。

（2）在產品可靠性研究探索過程中，需要結合可靠性工程師手冊，通過理論的分析思路以及實際的驗證結構，不斷修正優化可靠性試驗方案，這樣才能使得產品精益求精。