某型散熱器裂紋問題分析及改進(jìn)

馬棟

（中航西安飛機工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,陜西 西安 710089)

翅片式空氣散熱器廣泛應(yīng)用于飛機引氣預(yù)冷系統(tǒng)中，其工作原理為通過高溫引氣與低溫引氣間的熱量交換，將高溫引氣出口溫度調(diào)節(jié)到規(guī)定范圍內(nèi)，供下游用氣系統(tǒng)使用。散熱器的熱交換是冷熱邊流體通過分離他們的隔板（一次傳熱面）及翅片（二次傳熱面）與流體之間的熱傳導(dǎo)來進(jìn)行的，最終使得高溫流體的熱量傳向低溫流體，達(dá)到降低高溫流體溫度的目的。發(fā)動機高壓級引氣壓力及溫度均較高，對空氣散熱器強度設(shè)計提出了較高要求。同時，空氣散熱器一般安裝于發(fā)動機短艙區(qū)域，振動載荷尤其顯著，導(dǎo)致散熱器故障頻出[1-2]。本文通過斷口分析及仿真分析，對裂紋原因進(jìn)行了定位，并通過試驗驗證了故障原因的準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 問題現(xiàn)象及定位

散熱器主要由芯子組件、熱邊進(jìn)口組件，熱邊出口組件及冷邊端蓋組件組成。其中芯子組件為板翅式結(jié)構(gòu)，采用真空釬焊焊接，其余零組件為鈑金件、機加件，產(chǎn)品總成采用氬弧焊焊接而成。通過對故障件的故障情況統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，開裂部位均位于熱邊進(jìn)、出口端蓋與芯子組件連接板焊接的焊趾部位，且裂紋部位均為熱邊進(jìn)出口端蓋的短邊。對故障件產(chǎn)品的冷、熱邊管嘴尺寸進(jìn)行了測量，產(chǎn)品冷邊進(jìn)出口尺寸滿足產(chǎn)品圖樣要求，未發(fā)生明顯變形，而熱邊進(jìn)出口管嘴總長尺寸與產(chǎn)品圖樣對比，尺寸增長了4.8mm～10.5mm。

為明確散熱器故障原因，對散熱器加工工藝過程及焊接參數(shù)進(jìn)行了復(fù)查。散熱器共30 道加工工序，主要工藝方法有氬弧焊、真空釬焊、激光切割、超聲波清洗等，未涉及新工藝及新方法，復(fù)查無問題。復(fù)查了故障產(chǎn)品的氬弧焊焊接電流，均不存在問題。從故障件開裂部位取樣，并進(jìn)行了失效分析，散熱器裂紋斷口圖見圖1。從圖中可以看出源區(qū)未見明顯冶金和焊接缺陷及原材料缺陷，且斷口表面較平緩，起伏不大，綜合分析認(rèn)為散熱器開裂性質(zhì)為疲勞開裂[3]，且斷口中存在較大瞬斷區(qū)，表明散熱器疲勞開裂與受到相對較大應(yīng)力作用有關(guān)[4]。

圖1 散熱器裂紋斷口圖

2 問題機理分析

為驗證散熱器熱邊進(jìn)出口端蓋強度是否滿足要求，對散熱器端蓋強度進(jìn)行了校核，在散熱器工作壓力的基礎(chǔ)上，考慮1.4 的溫度系數(shù)，確定最終校核壓力。對散熱器熱邊進(jìn)出口端蓋進(jìn)行計算，網(wǎng)格模型如圖2(a)所示，計算結(jié)果如圖2(b)所示。此時端蓋最大應(yīng)力位于焊接部位長邊中心位置，最大應(yīng)力約521MPa，大于材料的屈服強度275MPa（1Cr18Ni9Ti 抗拉強度610MPa, 屈服強度275MPa），仿真結(jié)果表明散熱器強度不能滿足要求。

圖2 交變壓力載荷下散熱器應(yīng)力云圖

表1 壓力交變試驗結(jié)果

為分析試驗室試驗結(jié)果與外場故障部位不一致的情況，對試驗室壓力交變試驗件與裝機件的載荷條件進(jìn)行了對比。試驗室進(jìn)行壓力交變試驗時，端蓋接管處無支撐，為自由狀態(tài)，而裝機件會受到管路提供的軸向支撐。同時，試驗室進(jìn)行壓力交變試驗時，端蓋接管處被試驗堵頭封閉，試驗堵頭承受的壓力載荷將對端蓋接管施加一個沿徑向的拉力。初步分析以上差異導(dǎo)致試驗室內(nèi)壓力交變試驗件受載情況比外場故障產(chǎn)品惡劣。

因只對熱邊端蓋進(jìn)行計算，三個模型均進(jìn)行了簡化，僅保留端蓋部分和一部分芯體，根據(jù)以上分析結(jié)論，試驗件約束條件為固定底面，而裝機件約束條件為固定底面及接管處。裝機件熱邊端蓋最大應(yīng)力為490MPa,位于端蓋的短邊，大于材料的屈服強度275MPa，不滿足產(chǎn)品使用要求，計算結(jié)果與外場故障情況一致，斷裂部位均為短邊。試驗件端蓋最大應(yīng)力521MPa 位于長邊焊縫中心位置，大于材料的屈服強度275MPa。端蓋的短邊最大應(yīng)力為463.35MPa，位于焊接部位，大于材料的屈服強度275MPa。因此產(chǎn)品長邊和短邊均不滿足要求。

根據(jù)上述計算結(jié)果，產(chǎn)品熱邊進(jìn)出口端蓋存在強度不足，由于試驗室壓力交變約束條件與裝機產(chǎn)品存在差異，因此在故障復(fù)現(xiàn)時，出現(xiàn)長邊和短邊裂兩種裂紋模式，與外場均為短邊裂的情況不一致。因此試驗室壓力交變試驗結(jié)構(gòu)可看做產(chǎn)品的故障復(fù)現(xiàn)。

通過對散熱器罩體結(jié)構(gòu)分析，端蓋總高度為39mm，端蓋與芯體連接部分尺寸較大，導(dǎo)致端蓋整體呈扁平狀，且方體到管嘴的過渡急劇，未設(shè)置圓弧過渡，導(dǎo)致該處存在應(yīng)力集中。綜上所述，散熱器由于端蓋高度較小，風(fēng)道面積大導(dǎo)致端蓋成扁平狀，且設(shè)計之初未對端蓋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)力集中導(dǎo)致端蓋承壓能力較差，強度不足導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

3 改進(jìn)措施分析及驗證

因為散熱器改進(jìn)過程中需保證機上接口不發(fā)生變化、重量不能超重，同時需保證產(chǎn)品散熱性能不發(fā)生更改。因此，從更改材料及優(yōu)化結(jié)構(gòu)兩方面制定散熱器的改進(jìn)方案如下：

3.1 芯子組件除冷熱邊翅片結(jié)構(gòu)及材料不發(fā)生更改外，冷、熱邊封條，中隔板，側(cè)板均更改為高溫合金，結(jié)構(gòu)及尺寸不變，在確保產(chǎn)品散熱性能不發(fā)生更改的前提下提高產(chǎn)品強度；

3.2 熱邊進(jìn)口端蓋材料由不銹鋼更改為高溫合金,厚度由2mm 更改為2.5mm，對端蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高產(chǎn)品承壓能力具體如圖3(a)及(b)所示[5]；

圖3 散熱器改進(jìn)示意圖（a 為改進(jìn)前，b 為改進(jìn)后）

3.3 冷邊進(jìn)出口端蓋尺寸及結(jié)構(gòu)不變，材料由不銹鋼更改為高溫合金。

散熱器冷熱邊翅片結(jié)構(gòu)及材料均與改進(jìn)前保持一致，中隔板材料由1Cr18Ni9Ti 不銹鋼更改為GH625 高溫合金。不銹鋼與高溫合金材料屬性對比見表2。由表2可知，高溫合金在提高強度的同時，導(dǎo)熱系數(shù)與不銹鋼一致，經(jīng)計算散熱器換熱性能未發(fā)生更改。

表2 不銹鋼及高溫合金材料屬性對比

對改進(jìn)后散熱器建立簡化幾何模型如圖4(a)所示，計算結(jié)果如圖4(b)所示，焊縫處最大應(yīng)力348MPa，小于高溫合金的屈服極限392MPa，滿足強度要求。

圖4 改進(jìn)后散熱器幾何模型及應(yīng)力云圖

為驗證散熱器改進(jìn)方案的有效性，對改進(jìn)后散熱器進(jìn)行了氣密試驗、耐壓試驗、振動試驗、壓力循環(huán)試驗、爆破試驗等試驗。試驗結(jié)果表明，改進(jìn)措施可行，未出現(xiàn)裂紋問題。

結(jié)束語

本文通過更換散熱器材料及優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)，提高了散熱器強度，有效解決了散熱器裂紋問題。該問題的發(fā)生，說明在散熱器設(shè)計過程中要充分考慮到其面臨的高溫高壓復(fù)雜工況，選用高強度材料，同時迎風(fēng)面到管嘴部分要盡量圓滑過渡，避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)。