某型空氣散熱器故障分析及再制造新探

李永彬

（國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖 241007）

某型空氣散熱器故障分析及再制造新探

李永彬

（國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖 241007）

在修理某系列飛機時，經常發現某型空氣散熱器存在各種漏氣故障。為節約裝備修理成本，提升裝備修理能力，著重介紹了某型空氣散熱器各種故障模式及其形成原因，并探討了激光焊接在其特殊修理中的應用。

散熱器;故障分析;激光焊接;特殊修理;再制造

空氣散熱器是空調系統中冷卻系統的一部分，某型空氣散熱器實現從發動機壓氣機引出熱空氣的第一級冷卻，主要由換熱管、管板、殼體等部分組成，屬于蜂窩狀結構。這種蜂窩狀結構在一定程度上決定了散熱器的故障形式，如焊縫開裂、內蓋裂紋、換熱管和管板間出現微裂紋、導管出現微細孔等。針對上述故障形式，我們分析了故障原因，建立了其再制造性的評價模型，選取了可靠的修復手段，成功完成了散熱器的特殊修理。

1 散熱器傳熱原理和組成

某型空氣散熱器由一個殼體和包含許多管子的管束所構成，冷、熱空氣之間通過換熱管管壁進行換熱。［1］散熱器傳熱基本方程如下：

其中：Q——總散熱量

K——傳熱系數

A——傳熱管路表面積

ΔTm——平均傳熱溫差

1．1 換熱管

某型空氣散熱器共有3600多根薄壁換熱管，換熱管尺寸為Ф2×0．2mm、材料為1Cr18Ni9Ti。

常見換熱管的布置有等邊三角形、正方形、正方形斜轉45°等形式，如圖1所示。實踐證明按三角形布置時，在相同直徑的殼體內可排列更多的換熱管，以增加傳熱面積，某型空氣散熱器換熱管的布置就是等邊三角形。

圖1 換熱管的布排形式

通過式（1）可知，修理中不能過多地降低傳熱管路面積A，否則會影響總散熱量Q，降低散熱效率。散熱器技術條件規定，封堵換熱管的數量不應超過總管數的1%。

1．2 管板

管板是用來排布換熱管，將冷熱空氣分割開來的部件，它同時受到冷熱氣體溫差和壓力影響。承受高溫高壓氣體的散熱器對管板厚度的要求是矛盾的，增大管板厚度，可提高承壓能力，但會導致管板內部沿厚度方向的熱應力增大;減少管板厚度，可降低熱應力，但承壓力降低。工作中換熱管和管板連接處會產生較大熱應力，熱應力往往會導致管板和換熱管在連接處發生破壞。

1．3 換熱管和管板連接形式

換熱管端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。某型空氣散熱器的換熱管和固定管板之間采用釬焊的方式連接。

2 散熱器故障分析

產品的故障形式在一定程度上取決于產品結構和產品的工作狀況，現將其故障類型羅列出來，為后續的修理奠定基礎。

散熱器的典型故障有：焊縫開裂、內蓋裂紋、外蓋壓傷、換熱管和管板間出現微裂紋、導管出現微細孔等，［2］常見故障模式具體見圖2。

圖2 某型空氣散熱器簡圖

故障一：外蓋四周焊縫部位漏氣

外蓋四周焊縫部位漏氣原因主要是散熱器工作時，從發動機引入的高溫高壓熱空氣，空氣溫度可達600℃，這種高溫氣體持續地作用在外蓋上，使外蓋承受很大的熱應力，致使外蓋四周焊縫的最薄弱部位開裂。

故障二：管板與換熱管間不固定密封

①換熱管與管板連接處采用釬焊，釬焊是利用熔點比被焊材料熔點低的金屬作釬料，經過加熱使釬料熔化，靠毛細管作用將釬料吸入到接頭接觸面的間隙內，潤濕被焊金屬表面，使液相與固相之間相互擴散而形成釬焊接頭。釬焊接頭的強度一般比較低，耐熱能力較差。焊接時管板與換熱管中可能存在殘余熱應力與應力集中，在工作時易引起應力腐蝕與疲勞。

②某型空氣散熱器安裝在飛機振動比較強烈的部位，工作中產生高頻振動致使固定管板和換熱管之間出現間隙并逐漸產生相互摩擦，進一步加劇更大間隙的產生，使散熱器冷熱路空氣起不到密封隔離的要求。

故障三：換熱管斷裂

上述故障二進一步發展的結果就是換熱管斷裂。出現斷管，會嚴重影響散熱效率，導致整個空調系統工作不正常，不符合修理工藝要求。

3 某型空氣散熱器可再制造性評價模型

以某型空氣散熱器為例，簡要介紹其可再制造性的評價過程。［3］

圖3 某型空氣散熱器可再制造性評價模型

3．1 技術性模型

某型空氣散熱器的再制造過程一般包括：線切割、邊角打磨、找漏、堵漏、裝配定位和激光焊接修復。這6個工藝過程間存在重疊現象，為避免重疊，使其成為相互獨立的幾個方面。以便于評判，將6個工藝過程歸類為3個獨立過程，即拆卸、質量保證和修復。圖3中的各指數計算如下：

其中，μgh為更換（部件）指數;nkrepl為零件替換數;nk為零件數;p1為零件替換概率。當p1=0．02、nkrepl=0時μgh=0．98。

其中，μqg為切割指數;nideal為理想零件數;tidealdiss為理想切割時間;tactuldiss為實際切割時間。當nideal= 4、tidealdiss=50min、tactuldiss=240min時，μqg=0．83。

其中，μdm為打磨指數;tidealclean為理想打磨清洗時間;tactulclean實際打磨清洗時間。當nideal=4、tidealclean=3min、tactulclean=15 min時，μdm=0．8。

其中，μzp為裝配指數;tidealassembly為理想裝配時間; tactulassembly為實際裝配時間。當nideal=4、tidealassembly=40 min、tactulassembly=200min時，μzp=0．8。

其中，μhj為修復指數;nhj為修復件數目;n為零件數。當nhj=1、n=4、P3=0．97時，μhj=0．73。

其中，μzl為找漏指數;nzltest為找漏檢測次數; tidealtest理想找漏檢測時間;tactultest實際找漏檢測時間。當nzltest=2、tidealtest=90 min、tactultest=200 min時，μzl=0．9。

其中，μdl為堵漏指數;ndltest為堵漏檢測次數;tidealplug為理想堵漏時間;tactulplug為實際堵漏時間。當ndltest=10、tidealplug=5 min、tactulplug=70 min時，μdl=0．71。

上述各指數得到后，經計算便可得到3個獨立的指數μcx=0．82、μzb=0．82、μxf=0．76，技術性指數μT可由下式計算：

其中，wj為權重;μj分別為上述3種指數。將上式代入求得μT=0．76。

3．2 經濟性模型

技術性指數是0與1之間的數，反映技術上的可行度，而在經濟上只考慮可行與不可行，我們可以用0～1分布函數表示，即經濟性指數：

某型空氣散熱器的總價值為42（折舊后為30）萬元人民幣，而其修復成本僅為1．4萬元人民幣。可知：μe=1，再制造性指數μr=μT×μe=0．76。

這個結果表明某型空氣散熱器具有良好的再制造性，可為航空裝備的修理節約成本。

4 特殊修復手段選擇

針對某型空氣散熱器的各種故障，修理過程中需要進行風險識別、選擇合理修復手段、對可行性做出簡單評估。該產品修理中的風險點主要有：①焊縫的開裂;②焊接的熱影響區;③線切割精度;④換熱管與管板間的釬焊料易被熔化產生次生故障;⑤散熱器的找漏堵漏不徹底。

4．1 修復手段選擇

表1列出了幾種焊接工藝方法的特性，為修復手段的選取提供參照。

表1 幾種焊接工藝對比

4．2 可行性分析

換熱管材料為1Cr18Ni9Ti、線膨脹系數為α=17．9 ×10－6K－1，紫銅焊料線膨脹系數α=17．5×10－6K－1。若換熱管斷裂，則需在換熱管內插入Ф1．6mm的不銹鋼絲，然后采用激光焊接技術將其密封;若換熱管與管板之間不密封（釬焊失效）時，則通過氬弧焊技術并采用紫銅焊料將其封堵。

散熱器工作時熱氣端承受0．93MPa的干燥壓縮熱空氣（600℃），其堵頭的承壓力為：F堵頭=π×

內蓋尺寸為220mm×250mm的方蓋，壁厚為2mm，在1．0 MPa的氣壓下，內蓋受力F內蓋=P×S=1．0× 220×250=55000 N。

內蓋材料（1Cr18Ni9Ti）在600℃時，σb=300 MPa。內蓋和殼體間采用激光焊接，資料表明激光焊接的焊縫強度可達原基體強度的70%以上。［4］估算安全系數滿足殼體強度要求。

縱觀上述分析，選擇激光焊接對某型空氣散熱器進行修復。［5］修復過程中只要能充分考慮各種風險點，選擇合適的激光功率密度、激光脈沖頻率、激光脈沖寬度、焊接速度等工藝參數，對焊接的熱影響區及熱應力、夾具定位精度、找漏堵漏試驗等進行控制，就完全可以對其進行成功修復。

5 修復流程及修復驗證

5．1 修理流程

某型空氣散熱器在實際修理中的第一步就是要進行密封性試驗，確定其故障狀態。密封性試驗需從熱空氣端和冷空氣端分別進行（圖2），密封性試驗不合格就進行如下圖4所述操作，圖中的內蓋、外蓋、半蓋等部位可參照圖2。

圖4 某型空氣散熱器特殊修理流程圖

5．2 修復驗證

試驗表明采用熔點在1083℃（高于散熱器熱氣端600℃）的紫銅焊料對換熱管和管板間的漏氣部位進行氬弧焊封堵，滿足了焊料流動性及熔點范圍的要求。

內蓋、半蓋、外蓋選用激光焊接，焊接參數為電流160A、脈沖寬度16ms、脈沖頻率4Hz。目視觀察修復后的散熱器，焊縫狹窄均勻、平整、美觀，焊縫兩側處于固態的母材沒有發生明顯的組織和性能變化;通過工藝要求的參數進行密封性試驗，結果符合要求，已通過了工廠技術鑒定，且裝機后性能良好。

6 結論

文章對某型空氣散熱器的故障模式進行了分析，建立了其可再制造性的評價模型，并且成功完成了某型空氣散熱器特殊修理（再制造）工作。這不僅探索了一條散熱器特殊修理的新思路，解決了散熱器未到壽而漏氣報廢的問題，而且提升了裝備修理能力，縮短了裝備修理周期，節約了裝備修理成本，具有重要的經濟和軍事效益。

［1］鄭津洋，董其伍，桑芝富．過程裝備設計［M］．北京：化學工業出版社，2006．

［2］汪文舉．航空技術裝備外場修理［M］．北京：國防工業出版社，2002．

［3］張國慶，荊學東，浦耿強．產品可再制造性評價方法［J］．上海交通大學學報，2005，（9）．

［4］徐濱士，劉世參．表面工程新技術［M］．北京：國防工業出版社，2002．

［5］徐濱士．再制造工程及其表面工程關鍵技術［J］．中國表面工程，2004，（6）．

［編校：鄧桂萍］

Fault Analysis of Some Type of Air Radiator and a New Exploration of Remanufacture

LIYongbin
（State－owned WuHu Machinery Factory，Wuhu Anhui 241007）

During themaintenance of a such－and such a series of fighter aircrafts，it is often found various leakage fault exist in some type of air radiator．In order to save repair cost and enhance the equipmentmaintenance ability，this paper introduces various failure modes of a type of air radiator and the causes of faults formation，and discusses the application of laser welding in special repair．

radiator;fault analysis;laser welding;special repair;remanufacture

TU832．2+3

A

1671－9654（2012）02－031－05

2012－05－03

李永彬（1984－），男，山東青島人，助理工程師，工學碩士，研究方向為特殊修理（再制造）。