馬棟

（中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司,陜西 西安 710089)

翅片式空氣散熱器廣泛應用于飛機引氣預冷系統(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節(jié)到規(guī)定范圍內，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來進行的，最終使得高溫流體的熱量傳向低溫流體，達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，對裂紋原因進行了定位，并通過試驗驗證了故障原因的準確性，在此基礎上制定了相應的改進措施。

1 問題現(xiàn)象及定位

散熱器主要由芯子組件、熱邊進口組件，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構，采用真空釬焊焊接，其余零組件為鈑金件、機加件，產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、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出口端蓋的短邊。對故障件產品的冷、熱邊管嘴尺寸進行了測量，產品冷邊進出口尺寸滿足產品圖樣要求，未發(fā)生明顯變形，而熱邊進出口管嘴總長尺寸與產品圖樣對比，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)進行了復查。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，復查無問題。復查了故障產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，綜合分析認為散熱器開裂性質為疲勞開裂[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力作用有關[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出口端蓋強度是否滿足要求，對散熱器端蓋強度進行了校核，在散熱器工作壓力的基礎上，考慮1.4 的溫度系數(shù)，確定最終校核壓力。對散熱器熱邊進出口端蓋進行計算，網格模型如圖2(a)所示，計算結果如圖2(b)所示。此時端蓋最大應力位于焊接部位長邊中心位置，最大應力約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力云圖

表1 壓力交變試驗結果

為分析試驗室試驗結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行了對比。試驗室進行壓力交變試驗時，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致試驗室內壓力交變試驗件受載情況比外場故障產品惡劣。

因只對熱邊端蓋進行計算，三個模型均進行了簡化，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力為490MPa,位于端蓋的短邊，大于材料的屈服強度275MPa，不滿足產品使用要求，計算結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。端蓋的短邊最大應力為463.35MPa，位于焊接部位，大于材料的屈服強度275MPa。因此產品長邊和短邊均不滿足要求。

根據(jù)上述計算結果，產品熱邊進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品存在差異，因此在故障復現(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構可看做產品的故障復現(xiàn)。

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

3 改進措施分析及驗證

因為散熱器改進過程中需保證機上接口不發(fā)生變化、重量不能超重，同時需保證產品散熱性能不發(fā)生更改。因此，從更改材料及優(yōu)化結構兩方面制定散熱器的改進方案如下：

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

3.2 熱邊進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，對端蓋結構進行優(yōu)化，提高產品承壓能力具體如圖3(a)及(b)所示[5]；

圖3 散熱器改進示意圖（a 為改進前，b 為改進后）

3.3 冷邊進出口端蓋尺寸及結構不變，材料由不銹鋼更改為高溫合金。

散熱器冷熱邊翅片結構及材料均與改進前保持一致，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，導熱系數(shù)與不銹鋼一致，經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

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

圖4 改進后散熱器幾何模型及應力云圖

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

結束語

本文通過更換散熱器材料及優(yōu)化散熱器結構，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，說明在散熱器設計過程中要充分考慮到其面臨的高溫高壓復雜工況，選用高強度材料，同時迎風面到管嘴部分要盡量圓滑過渡，避免應力集中的出現(xiàn)。