某型空气散热器故障分析及再制造新探

李永彬

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖 241007）

某型空气散热器故障分析及再制造新探

李永彬

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖 241007）

在修理某系列飞机时，经常发现某型空气散热器存在各种漏气故障。为节约装备修理成本，提升装备修理能力，着重介绍了某型空气散热器各种故障模式及其形成原因，并探讨了激光焊接在其特殊修理中的应用。

散热器;故障分析;激光焊接;特殊修理;再制造

空气散热器是空调系统中冷却系统的一部分，某型空气散热器实现从发动机压气机引出热空气的第一级冷却，主要由换热管、管板、壳体等部分组成，属于蜂窝状结构。这种蜂窝状结构在一定程度上决定了散热器的故障形式，如焊缝开裂、内盖裂纹、换热管和管板间出现微裂纹、导管出现微细孔等。针对上述故障形式，我们分析了故障原因，建立了其再制造性的评价模型，选取了可靠的修复手段，成功完成了散热器的特殊修理。

1 散热器传热原理和组成

某型空气散热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热空气之间通过换热管管壁进行换热。［1］散热器传热基本方程如下：

其中：Q——总散热量

K——传热系数

A——传热管路表面积

ΔTm——平均传热温差

1．1 换热管

某型空气散热器共有3600多根薄壁换热管，换热管尺寸为Ф2×0．2mm、材料为1Cr18Ni9Ti。

常见换热管的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°等形式，如图1所示。实践证明按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列更多的换热管，以增加传热面积，某型空气散热器换热管的布置就是等边三角形。

图1 换热管的布排形式

通过式（1）可知，修理中不能过多地降低传热管路面积A，否则会影响总散热量Q，降低散热效率。散热器技术条件规定，封堵换热管的数量不应超过总管数的1%。

1．2 管板

管板是用来排布换热管，将冷热空气分割开来的部件，它同时受到冷热气体温差和压力影响。承受高温高压气体的散热器对管板厚度的要求是矛盾的，增大管板厚度，可提高承压能力，但会导致管板内部沿厚度方向的热应力增大;减少管板厚度，可降低热应力，但承压力降低。工作中换热管和管板连接处会产生较大热应力，热应力往往会导致管板和换热管在连接处发生破坏。

1．3 换热管和管板连接形式

换热管端部与管板的连接有焊接和胀接两种。某型空气散热器的换热管和固定管板之间采用钎焊的方式连接。

2 散热器故障分析

产品的故障形式在一定程度上取决于产品结构和产品的工作状况，现将其故障类型罗列出来，为后续的修理奠定基础。

散热器的典型故障有：焊缝开裂、内盖裂纹、外盖压伤、换热管和管板间出现微裂纹、导管出现微细孔等，［2］常见故障模式具体见图2。

图2 某型空气散热器简图

故障一：外盖四周焊缝部位漏气

外盖四周焊缝部位漏气原因主要是散热器工作时，从发动机引入的高温高压热空气，空气温度可达600℃，这种高温气体持续地作用在外盖上，使外盖承受很大的热应力，致使外盖四周焊缝的最薄弱部位开裂。

故障二：管板与换热管间不固定密封

①换热管与管板连接处采用钎焊，钎焊是利用熔点比被焊材料熔点低的金属作钎料，经过加热使钎料熔化，靠毛细管作用将钎料吸入到接头接触面的间隙内，润湿被焊金属表面，使液相与固相之间相互扩散而形成钎焊接头。钎焊接头的强度一般比较低，耐热能力较差。焊接时管板与换热管中可能存在残余热应力与应力集中，在工作时易引起应力腐蚀与疲劳。

②某型空气散热器安装在飞机振动比较强烈的部位，工作中产生高频振动致使固定管板和换热管之间出现间隙并逐渐产生相互摩擦，进一步加剧更大间隙的产生，使散热器冷热路空气起不到密封隔离的要求。

故障三：换热管断裂

上述故障二进一步发展的结果就是换热管断裂。出现断管，会严重影响散热效率，导致整个空调系统工作不正常，不符合修理工艺要求。

3 某型空气散热器可再制造性评价模型

以某型空气散热器为例，简要介绍其可再制造性的评价过程。［3］

图3 某型空气散热器可再制造性评价模型

3．1 技术性模型

某型空气散热器的再制造过程一般包括：线切割、边角打磨、找漏、堵漏、装配定位和激光焊接修复。这6个工艺过程间存在重叠现象，为避免重叠，使其成为相互独立的几个方面。以便于评判，将6个工艺过程归类为3个独立过程，即拆卸、质量保证和修复。图3中的各指数计算如下：

其中，μgh为更换（部件）指数;nkrepl为零件替换数;nk为零件数;p1为零件替换概率。当p1=0．02、nkrepl=0时μgh=0．98。

其中，μqg为切割指数;nideal为理想零件数;tidealdiss为理想切割时间;tactuldiss为实际切割时间。当nideal= 4、tidealdiss=50min、tactuldiss=240min时，μqg=0．83。

其中，μdm为打磨指数;tidealclean为理想打磨清洗时间;tactulclean实际打磨清洗时间。当nideal=4、tidealclean=3min、tactulclean=15 min时，μdm=0．8。

其中，μzp为装配指数;tidealassembly为理想装配时间; tactulassembly为实际装配时间。当nideal=4、tidealassembly=40 min、tactulassembly=200min时，μzp=0．8。

其中，μhj为修复指数;nhj为修复件数目;n为零件数。当nhj=1、n=4、P3=0．97时，μhj=0．73。

其中，μzl为找漏指数;nzltest为找漏检测次数; tidealtest理想找漏检测时间;tactultest实际找漏检测时间。当nzltest=2、tidealtest=90 min、tactultest=200 min时，μzl=0．9。

其中，μdl为堵漏指数;ndltest为堵漏检测次数;tidealplug为理想堵漏时间;tactulplug为实际堵漏时间。当ndltest=10、tidealplug=5 min、tactulplug=70 min时，μdl=0．71。

上述各指数得到后，经计算便可得到3个独立的指数μcx=0．82、μzb=0．82、μxf=0．76，技术性指数μT可由下式计算：

其中，wj为权重;μj分别为上述3种指数。将上式代入求得μT=0．76。

3．2 经济性模型

技术性指数是0与1之间的数，反映技术上的可行度，而在经济上只考虑可行与不可行，我们可以用0～1分布函数表示，即经济性指数：

某型空气散热器的总价值为42（折旧后为30）万元人民币，而其修复成本仅为1．4万元人民币。可知：μe=1，再制造性指数μr=μT×μe=0．76。

这个结果表明某型空气散热器具有良好的再制造性，可为航空装备的修理节约成本。

4 特殊修复手段选择

针对某型空气散热器的各种故障，修理过程中需要进行风险识别、选择合理修复手段、对可行性做出简单评估。该产品修理中的风险点主要有：①焊缝的开裂;②焊接的热影响区;③线切割精度;④换热管与管板间的钎焊料易被熔化产生次生故障;⑤散热器的找漏堵漏不彻底。

4．1 修复手段选择

表1列出了几种焊接工艺方法的特性，为修复手段的选取提供参照。

表1 几种焊接工艺对比

4．2 可行性分析

换热管材料为1Cr18Ni9Ti、线膨胀系数为α=17．9 ×10－6K－1，紫铜焊料线膨胀系数α=17．5×10－6K－1。若换热管断裂，则需在换热管内插入Ф1．6mm的不锈钢丝，然后采用激光焊接技术将其密封;若换热管与管板之间不密封（钎焊失效）时，则通过氩弧焊技术并采用紫铜焊料将其封堵。

散热器工作时热气端承受0．93MPa的干燥压缩热空气（600℃），其堵头的承压力为：F堵头=π×

内盖尺寸为220mm×250mm的方盖，壁厚为2mm，在1．0 MPa的气压下，内盖受力F内盖=P×S=1．0× 220×250=55000 N。

内盖材料（1Cr18Ni9Ti）在600℃时，σb=300 MPa。内盖和壳体间采用激光焊接，资料表明激光焊接的焊缝强度可达原基体强度的70%以上。［4］估算安全系数满足壳体强度要求。

纵观上述分析，选择激光焊接对某型空气散热器进行修复。［5］修复过程中只要能充分考虑各种风险点，选择合适的激光功率密度、激光脉冲频率、激光脉冲宽度、焊接速度等工艺参数，对焊接的热影响区及热应力、夹具定位精度、找漏堵漏试验等进行控制，就完全可以对其进行成功修复。

5 修复流程及修复验证

5．1 修理流程

某型空气散热器在实际修理中的第一步就是要进行密封性试验，确定其故障状态。密封性试验需从热空气端和冷空气端分别进行（图2），密封性试验不合格就进行如下图4所述操作，图中的内盖、外盖、半盖等部位可参照图2。

图4 某型空气散热器特殊修理流程图

5．2 修复验证

试验表明采用熔点在1083℃（高于散热器热气端600℃）的紫铜焊料对换热管和管板间的漏气部位进行氩弧焊封堵，满足了焊料流动性及熔点范围的要求。

内盖、半盖、外盖选用激光焊接，焊接参数为电流160A、脉冲宽度16ms、脉冲频率4Hz。目视观察修复后的散热器，焊缝狭窄均匀、平整、美观，焊缝两侧处于固态的母材没有发生明显的组织和性能变化;通过工艺要求的参数进行密封性试验，结果符合要求，已通过了工厂技术鉴定，且装机后性能良好。

6 结论

文章对某型空气散热器的故障模式进行了分析，建立了其可再制造性的评价模型，并且成功完成了某型空气散热器特殊修理（再制造）工作。这不仅探索了一条散热器特殊修理的新思路，解决了散热器未到寿而漏气报废的问题，而且提升了装备修理能力，缩短了装备修理周期，节约了装备修理成本，具有重要的经济和军事效益。

［1］郑津洋，董其伍，桑芝富．过程装备设计［M］．北京：化学工业出版社，2006．

［2］汪文举．航空技术装备外场修理［M］．北京：国防工业出版社，2002．

［3］张国庆，荆学东，浦耿强．产品可再制造性评价方法［J］．上海交通大学学报，2005，（9）．

［4］徐滨士，刘世参．表面工程新技术［M］．北京：国防工业出版社，2002．

［5］徐滨士．再制造工程及其表面工程关键技术［J］．中国表面工程，2004，（6）．

［编校：邓桂萍］

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，山东青岛人，助理工程师，工学硕士，研究方向为特殊修理（再制造）。