二氧化碳壓縮機殼體與接線端子電阻焊工藝的改進

鄒 仲

(華域三電汽車空調有限公司，上海 201201)

往復式活塞二氧化碳壓縮機的運行壓力約為10 MPa，而采用傳統制冷劑的壓縮機的運行壓力一般為0.6～3.0 MPa[1]，所以二氧化碳壓縮機殼體與接線端子焊接后，與傳統的冷媒壓縮機相比，焊縫承受的壓力更高。二氧化碳壓縮機殼體的壁厚達7 mm，殼體呈圓桶形，焊接時大電流在焊縫處轉化成焊接熱，使殼體與接線端子熔合。同時，為防止焊接熱引起接線端子絕緣玻璃體破損變形，宜采用能瞬間釋放大電流的電容儲能式焊接技術，焊接電極的弧面直接貼合在殼體的外緣，焊接時間短，焊接電流大。

1 概況

焊接設備為日本日昭電機制造的電容儲能式焊機，額定容量40 kVA，額定輸出27 400 J，最大電極壓力30 000 N。設備外接MIYACHI公司的電流監控儀，實時監測并反饋焊接電流，確保焊接設備的電流符合工藝要求。殼體材料為熱軋鋼板，焊接接線端子的區域在其外圓面。接線端子材料為10鋼。根據殼體與端子的壁厚，為了達到具有足夠強度的焊接熔深，焊接輸出電流控制在100～110 kA，焊接時的電極壓力控制在50～60 kN。

焊接工藝流程如圖1所示：將接線端子、殼體依次放置在下電極上；啟動設備，上電極下移壓住殼體開始焊接；焊接后上電極復位，取出成品。

圖1 組裝在一起的殼體、端子和焊接設備的示意圖(a)及其外觀(b)Fig.1 Schematic (a) and macrograph (b) of assemblage of shell, terminal and welding equipment

2 失效形式

公司內部統計結果表明，焊接不良的殼體與端子主要表現為焊縫有漏孔，如圖2所示。

圖2 焊縫泄漏示意圖Fig.2 Illustration of the weld leakage

為對不良焊縫進行分析，用油壓拉升試驗機將端子反向頂出，觀察焊縫的缺口，從而精確判斷焊縫的漏點位置，如圖3所示。

圖3 殼體焊縫缺口示意圖Fig.3 Schematic of incompact weld of the shell

觀察不良品焊縫的漏點發現，同批次零件焊縫的泄漏有兩種特征：一種為殼體上的泄漏點有規律地出現在固定區域；另一種為殼體上的泄漏點出現在任意位置，如圖4所示。

圖4 殼體焊縫泄漏點示意圖Fig.4 Illustration of leakage points in weld of the shell

根據焊接原理，為獲得良好的焊接質量，電極應充分貼合殼體，焊接電極與被焊接件如不充分貼合，可能產生大電流，不能完全、均勻地到達焊縫，從而焊接區域不同部位的焊接熱不均勻，局部電流低，導致個別點的虛焊，形成泄漏[2-3]。設備放電不完全，或完全放電但沒有全部到達焊縫，是造成焊接缺陷的最主要原因。

采用壓敏紙可方便地檢測殼體與電極的貼合程度。根據焊接的壓力和電極的尺寸測算焊接的壓強。根據公式P焊接=F焊接/S電極接觸(式中焊接壓力由設備氣缸力得出為23 kN，電極接觸區域的面積為5.5×10-4m2)，得出焊接時電極與殼體接觸區域的實際壓強P為41.8 MPa。采用日本富士公司的“Prescale膠片”作為壓敏紙，根據壓強范圍選用中壓系列(10～50 MPa)壓敏紙測試。

測試時，將殼體與端子安放在下電極上，壓敏紙平鋪在電極與殼體接觸處，關閉焊接電源，在設備不放電的狀態下啟動，氣缸將電極下壓，使壓敏紙緊貼殼體，形成紅色感壓區域，顏色的深淺表示壓強的大小。

生產中用壓敏紙測得的殼體與電極接觸良好的壓敏成像和有虛接觸的成像分別如圖5和圖6所示。

圖5 殼體與電極接觸良好的壓印Fig.5 Marks representing full contact between the electrode and shell

圖6 殼體與電極接觸不良的壓印Fig.6 Marks representing insufficient contact between the electrode and shell

由于焊接設備用MIYACHI監控，確保了焊接放電完全，因此焊接電極與殼體的貼合是影響焊接質量的主要因素。下面對相互關聯的零件、焊接設備和焊接工藝逐一進行研究分析。

(1)零件

二氧化碳壓縮機殼體壁較厚，焊接面為圓弧形，其側面是接線端子孔。殼體材料為熱軋鋼板，通過一次拉伸成型。

焊接時，殼體的圓弧面需與電極的圓弧面匹配，故對殼體外圓的平整度要求很高。但殼體拉伸成型后不再修整加工，所以不同殼體外圓的平整度有一定偏差。

對壓敏良好和不良的殼體分別用直尺對與電極接觸的區域進行直線度測量，發現壓敏不良處的殼體焊接處呈現出可見的不平整現象，而壓敏良好的殼體則沒有這種現象。同時外緣起伏處恰好是壓敏不良處，如圖7所示。

圖7 表面不平整與平整的殼體Fig.7 Shells having flat and irregular surface

殼體的不平整表面導致電極與殼體接觸處出現間隙，從而焊縫產生漏孔，漏孔的出現有一定的隨機性。

(2)焊接設備

焊接設備包括導柱和導套。應確保焊接電極在下壓行程中保持良好的垂直度和穩定性。但是焊接電極是易耗品，需根據焊接次數和表面狀態經常更換。電極是金加工件，安裝至焊接設備上后，曾發現安裝后的上、下電極中心線有不重合的情況，導致焊接后焊縫泄漏，而且焊縫泄漏區域比較集中地出現在殼體孔的某一片區域。

從圖8可以看出，殼體安置在下電極，如上、下電極安裝后中心重合，則電極的弧形面下壓后能較好地貼合殼體；如上、下電極安裝后偏心，即中心線偏移，在偏移處的一側將產生空隙，造成電極與殼體接觸不良，導致虛焊。漏孔的位置與電極偏心的方向之間有一定的規律性。

圖8 上下電極同心度正常與異常的對比Fig.8 Upper and lower electrodes having normal and abnormal concentricities

(3)焊接技術

日常生產中常有偶發性焊接不良的現象，這除了與電極與殼體不完全貼合有關外，還與焊接電極的表面狀態有關。如圖9所示，如果殼體接線端子孔的孔口有殘留的金屬毛刺，上電極下壓時會被一并壓在殼體表面，形成凸點，焊接時會在該凸點處分流更多的電流，使焊接電流不均勻，而焊縫的其余部位能量不足，造成局部虛焊[4-5]。

圖9 殼體孔口毛刺對電極的損傷Fig.9 Damage of the electrode resulting from burr at the shell orifice

根據對上述焊接不良品的分析可得出：殼體與電極的貼合，焊接設備上下電極的同心度和電極的表面狀態是影響焊接質量的3大重要因素。

3 改進措施

3.1 殼體

殼體的焊接面為與電極貼合的區域，焊接時保證這一區域的完全貼合是關鍵。根據圖7所示的殼體表面不平整情況確定殼體外圓的驗收標準。對與電極接觸的區域增加直線度要求。通過對比良品與不良品的尺寸，規定在50 mm(長)×50 mm(寬)區域內，平行于中心線(基準H)方向的任意直線段的直線度應在0.05以下，如圖10所示。在拉伸工藝方面，嚴格規定一次拉伸成型，以便同時確保直線度和殼體壁厚均勻。

圖10 殼體與電極接觸區域的直線度要求Fig.10 Straightness requirements in area of contact of the shell with the electrode

3.2 焊接設備

為了避免因電極更換等因素導致上、下電極偏心，確保在焊接過程中上、下電極同心，電極安裝后用對中夾具驗證同心度，如圖11所示。將對中夾具分別套入上、下電極中，然后調試電極的同心度。如果對中夾具能完全匹配，則同心度符合要求，隨后將電極固定。

圖11 上下電極對中夾具Fig.11 Fixture making upper and lower electrodes to become concentric

3.3 焊接技術

對不同批次的殼體進行檢測時發現，端子孔周邊的毛刺具有一定的隨機性，這可能與加工刀具等因素有關。為確保孔口無毛刺，殼體在金加工后增加了一道孔口去毛刺工序[7-8]。

此外，規定在每焊接2 000件時，用金相砂紙清除氧化皮，保持電極表面潔凈。

4 結論

通過對二氧化碳壓縮機殼體與接線端子的電阻焊質量進行分析，確認了殼體焊接區域的平整度、上下電極的安裝精度、殼體與電極的表面狀態是影響焊接質量的主要因素。在此基礎上，制定了增加殼體直線度要求、確認上下電極同心度、保持殼體與電極焊接區域潔凈的改進措施。

將這些對應措施標準化并應用于生產后，殼體與接線端子的焊接質量明顯提高，焊縫泄漏發生率大幅度減少，基本杜絕了批量性的不良品，獲得了良好的經濟效益。