某雷達(dá)風(fēng)機(jī)組件防護(hù)設(shè)計(jì)改進(jìn)

孫艮芝

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

某型雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)采用數(shù)字陣列技術(shù)，對射頻收發(fā)單元、本振功分單元、分布式頻率源和電源模塊等功能電路，進(jìn)行一體化整合設(shè)計(jì)。其數(shù)字陣列模塊(DAM)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)，若風(fēng)機(jī)組件故障，裝備開機(jī)時(shí)DAM裝放箱內(nèi)大量熱量得不到很好傳遞，溫度升高，將破壞固態(tài)器件正常使用環(huán)境，使器件工作參數(shù)發(fā)生質(zhì)的變化，長期處于超極限疲憊狀態(tài)工作，會(huì)造成低效、損壞的情況。

本文針對雷達(dá)在海洋環(huán)境中使用時(shí)，多站監(jiān)控顯示DAM溫度異常，陣面通電檢查，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)組件批量報(bào)故障問題，進(jìn)行深入細(xì)致的分析和研究，找到問題癥結(jié)，通過設(shè)計(jì)與工藝等改進(jìn)，在系統(tǒng)可靠防護(hù)上取得了良好的效果。

1 故障情況

DAM風(fēng)機(jī)組件中的軸流風(fēng)機(jī)，通過電源連接器給其供電，額定電壓為24 V直流電，額定電流為810 mA。影響該風(fēng)機(jī)組件正常工作的主要有電源連接器和軸流風(fēng)機(jī)的防護(hù)設(shè)計(jì)，以及使用過程中過濾網(wǎng)的維護(hù)等。

1.1 線纜裝接和軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況

現(xiàn)場將風(fēng)機(jī)組件從DAM機(jī)箱中拆卸下，用手拉扯線纜檢查線纜裝接情況，通電檢查軸流風(fēng)機(jī)正常工作情況，具體如下所述。

1.1.1 陣面通電軸流風(fēng)機(jī)都異常

用手輕碰2根電源線，芯線與插芯分離，芯線與插芯都有明顯的腐蝕或放電燒蝕現(xiàn)象。零線無問題，如圖1所示。對于組件中的軸流風(fēng)機(jī)，通過萬用表通電檢查可知，有的都不工作，有的部分不工作，有的都正常工作。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)都異常連接器和插芯

1.1.2 陣面通電軸流風(fēng)機(jī)部分異常

用手輕碰2根電源線，一根芯線與插芯分離，另一根芯線與插芯不分離，輕碰即分離的芯線和插芯腐蝕或放電燒蝕嚴(yán)重；用力拉扯不分離的電源線，有的芯線與插芯不分離，有的分離，拉扯可分離的芯線與插芯有明顯腐蝕或放電燒蝕現(xiàn)象。零線無問題，如圖2所示。對于組件中的軸流風(fēng)機(jī)，通過萬用表通電檢查可知，有的不工作，有的都正常工作。

圖2 軸流風(fēng)機(jī)部分異常連接器和插芯

1.1.3 陣面通電軸流風(fēng)機(jī)都正常

當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)都正常時(shí)，存在3種情況：

a.線纜裝接不可靠，用手拉扯電源線，芯線與插芯分離，芯線與插芯都有明顯的腐蝕現(xiàn)象。

b.線纜裝接可靠，用手拉扯電源線，芯線與插芯不分離，但插芯已有較明顯的腐蝕現(xiàn)象。

c.線纜裝接可靠，芯線與插芯不分離，芯線與插芯都未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 軸流風(fēng)機(jī)都正常連接器和插芯

1.2 軸流風(fēng)機(jī)腐蝕情況

檢查故障軸流風(fēng)機(jī)中的板級(jí)電路，發(fā)現(xiàn)其中的板級(jí)電路器件安裝面存在器件焊點(diǎn)腐蝕問題。腐蝕嚴(yán)重的器件用手輕輕劃剝就直接從焊盤上脫落，個(gè)別有打火現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 軸流風(fēng)機(jī)板級(jí)電路器件安裝面腐蝕

2 故障排查及分析

2.1 電源連接器腐蝕

2.1.1 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是金屬接觸到離子導(dǎo)電介質(zhì)(電解質(zhì))而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，比較活潑的金屬原子失去電子而被氧化腐蝕，反應(yīng)過程中有電流產(chǎn)生。產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕必須具備4個(gè)要素: 電解質(zhì)、陽極、陰極和電流通道[1]。4個(gè)必要條件同時(shí)具備，就會(huì)發(fā)生腐蝕。

鹽霧是懸浮的氯化物和微小液滴組成的分散系統(tǒng)。其中，氯化物是一種強(qiáng)電解質(zhì)，大大增強(qiáng)金屬表面液膜的導(dǎo)電性，促進(jìn)電化學(xué)腐蝕[2]。氯離子(CI-)有較小的離子半徑(1.82×10-4μm)，穿透力很強(qiáng)，可以進(jìn)入各細(xì)小的縫隙，高溫作用下，鹽霧以氣態(tài)形式存在，溫度降低時(shí)則會(huì)在所依附的表面形成一層連續(xù)的電解液膜。研究表明金屬表面液膜厚度與大氣腐蝕速度關(guān)系為：液膜厚度小于0.01 μm時(shí)，腐蝕速率很小；當(dāng)液膜厚度增大到1 μm時(shí)，腐蝕速率最大，為薄液膜下的腐蝕；液膜厚度繼續(xù)增大時(shí)，腐蝕速率下降，為厚液膜下的腐蝕，最后與溶液中的腐蝕類似[3]。

2.1.2 連接器密封設(shè)計(jì)

該風(fēng)機(jī)組件所使用的J599連接器裝線，采用壓接成形，連接器尾部未灌封密封膠加護(hù)套。在半開放環(huán)境中使用，工作狀態(tài)時(shí)尾部向上，原密封設(shè)計(jì)為一孔配一線，實(shí)際為一孔配兩線設(shè)計(jì)(圖5)，造成封線體上的密封孔變形，線纜與線纜、線纜與封線體間有間隙，加之其封線體上端有凹槽，易積潮積水，并通過間隙往下沉積，形成更強(qiáng)電解質(zhì)的腐蝕導(dǎo)電溶液。

圖5 連接器密封設(shè)計(jì)失效

2.1.3 插芯鍍層分析

該電源連接器存在異種金屬，其插芯為銅基鍍金件。鍍金層本身是不會(huì)發(fā)生腐蝕的。但因鍍金層受成本和機(jī)械性能限制，厚度低于2.5 μm[4]，存在孔隙，底部的銅基會(huì)形成陽極，而鍍金屬層就形成陰極；用鍍層分析儀對問題電源連接器的插芯進(jìn)行鍍層分析，發(fā)現(xiàn)其鍍金層不滿足設(shè)計(jì)要求，厚度低于2.5 μm，且未進(jìn)行防腐處理，沒有中間鍍鎳層(防護(hù)鍍層)，不能滿足銅合金鍍金工藝對零件的可靠性設(shè)計(jì)要求。

最后，由于鍍金層、界面、銅基材和電解質(zhì)都具有導(dǎo)電性，電流通道便形成了，就會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，破壞了芯線和插芯的鍍層和基材，失去保護(hù)作用。同時(shí)，高溫會(huì)加速電化學(xué)腐蝕[5]。當(dāng)電流通過時(shí)會(huì)使電接觸部位被腐蝕斷裂，導(dǎo)致短路，并伴隨放電打火現(xiàn)象，甚至引起打火、短路致金屬導(dǎo)線斷裂、元器件失效或無法正常工作。在放電打火時(shí)如果瞬間電流超過了軸流風(fēng)機(jī)的額定電流，就會(huì)造成風(fēng)機(jī)失效。

2.2 軸流風(fēng)機(jī)腐蝕

2.2.1 軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型

該軸流風(fēng)機(jī)為市購進(jìn)口產(chǎn)品，從其說明書可以看出，該風(fēng)機(jī)的防鹽霧標(biāo)準(zhǔn)的參照標(biāo)準(zhǔn)為EN60068-2-52，對應(yīng)國標(biāo)GB/T 2423.18—2012，即5%氯化鈉，嚴(yán)酷等級(jí)為3級(jí)，可以防鹽霧試驗(yàn)循環(huán)時(shí)間72 h，為工業(yè)級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)要求。此風(fēng)機(jī)通常作為在含鹽大氣與干燥大氣之間頻繁交替作用的產(chǎn)品，如汽車及其零部件，但不滿足雷達(dá)電子裝備海洋環(huán)境可靠使用要求。

2.2.2 板線電路防護(hù)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)中的板級(jí)電路未在密閉的環(huán)境使用；板級(jí)電路防護(hù)設(shè)計(jì)方面，器件安裝面未發(fā)現(xiàn)三防漆膜；板級(jí)電路背面只焊接了1個(gè)電阻和3根線纜，且3根線纜焊點(diǎn)處都已進(jìn)行膠密封處理，實(shí)物未出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的問題(圖6a)；電機(jī)中的繞組線采用漆包線外加包裹一層透明保護(hù)膠帶，具有防護(hù)功能，實(shí)物也未出現(xiàn)腐蝕問題(圖6b)。

圖6 軸流風(fēng)機(jī)板級(jí)電路器件安裝面腐蝕

3 解決方案

根據(jù)以上排故分析，主要從密封和三防設(shè)計(jì)等方面開展產(chǎn)品防護(hù)改進(jìn)。

3.1 電源連接器密封防護(hù)改進(jìn)

完善風(fēng)機(jī)組件防護(hù)設(shè)計(jì)，增加對電源連接器密封處理。

703硅橡膠具有良好的耐冷水性好，耐溫稍低，粘接力好，且流動(dòng)性較好。改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)采用3M膠帶，依托電纜組件插座體，制作簡易封裝模具，再用703硅橡膠對連接器芯線與連接器封線體之間較小的間隙進(jìn)行密封處理，填充縫隙阻止電解液進(jìn)入。以保證該電源連接器插芯在一個(gè)密封環(huán)境使用，有效避免水氣等腐蝕介質(zhì)進(jìn)入而形成易腐蝕環(huán)境，切斷電化腐蝕發(fā)生的動(dòng)力學(xué)鏈，從源頭上消除鹽霧等介質(zhì)進(jìn)入連接器，進(jìn)而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，甚至放電燒蝕的問題。

3.2 軸流風(fēng)機(jī)防護(hù)改進(jìn)

軸流風(fēng)機(jī)中的板級(jí)電路不是在密閉的環(huán)境使用。如圖7所示，風(fēng)機(jī)頁與機(jī)架間采用卡簧、墊片和彈簧保證安裝，而電機(jī)與機(jī)架間鉚壓成形，為半可拆卸安裝。對于在半拆卸狀態(tài)下開展板級(jí)電路三防改進(jìn)，如采用噴涂的方式進(jìn)三防改進(jìn)，需要用3M膠帶等保護(hù)電機(jī)，且電機(jī)下面的部分板級(jí)電路存在噴涂死角，故無法進(jìn)行三防處理。改進(jìn)的防護(hù)工藝中，明確采用毛筆刷三防清漆，以盡可能全面地對板級(jí)電路器件安裝面進(jìn)行無死角防護(hù)處理；電路背面改進(jìn)條件受限，加之不是防護(hù)重點(diǎn)，只對電阻焊接重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行局部刷涂處理，最后復(fù)原通電檢查軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，切實(shí)提升產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

圖7 軸流風(fēng)機(jī)半可拆卸

三防漆選用的是TS01-3聚氨酯清漆，其是由異氰酸脂加成物、改性醇酸樹脂、助劑和有機(jī)溶劑等制成的雙組份漆，漆膜堅(jiān)硬、耐磨、附著力強(qiáng)、豐滿光亮，具有優(yōu)良的耐水、耐潮和耐腐蝕性[6]。

3.3 其他改進(jìn)

防塵網(wǎng)積塵及腐蝕情況對風(fēng)機(jī)組件的最終散熱效果影響顯著，檢查報(bào)故風(fēng)機(jī)組件中的過濾網(wǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在銹斷和積塵絮較多的問題，如圖8所示。

圖8 過濾網(wǎng)銹蝕及積塵絮

3.3.1 防塵網(wǎng)材料優(yōu)選

304不銹鋼是按照美國標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)出來的一種不銹鋼(相當(dāng)于0Cr19Ni9)，是一種通用的奧氏體鉻-鎳不銹鋼，含鉻19%，含鎳8～10%，具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能，耐高溫方面也比較好，一般使用溫度極限小于650 ℃。

過濾網(wǎng)設(shè)計(jì)材料選型原為20目不銹鋼絲網(wǎng)，沒有的具體牌號(hào)要求。外協(xié)單位從成本控制出發(fā)，選用一般用于室內(nèi)裝潢使用的市購201不銹鋼，不能滿足惡劣環(huán)境可靠使用的要求。改進(jìn)時(shí)，考慮到過濾網(wǎng)對材料的強(qiáng)度、剛性、韌性和抗疲勞性等力學(xué)性能要求不高，故材料直接優(yōu)選為防護(hù)性能優(yōu)越的304不銹鋼材料，加工完成后要求進(jìn)行鈍化處理，提升其耐腐蝕性。

3.3.2 維護(hù)改進(jìn)

維護(hù)與保養(yǎng)，是確保雷達(dá)系統(tǒng)始終處于良好的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能、預(yù)防事故、減少故障、延長其使用壽命的基本措施。但因該風(fēng)機(jī)組件現(xiàn)場維護(hù)需要裝備停機(jī)天線倒，且防塵網(wǎng)拆除、復(fù)原安裝維護(hù)周期長，使用過程中，存在未按要求進(jìn)行處理，造成過濾網(wǎng)積灰層較厚、斷絲數(shù)超過10%的問題，影響風(fēng)機(jī)的通風(fēng)散熱性能。

改進(jìn)細(xì)化維護(hù)要求，將原來風(fēng)機(jī)組件年維護(hù)要求改為月維護(hù)，定期檢查過濾網(wǎng)上積塵和腐蝕情況，通電檢查軸流風(fēng)機(jī)是否正常工作。

4 效果驗(yàn)證

以上改進(jìn)在所有已經(jīng)架設(shè)的裝備上進(jìn)行了復(fù)制，后期使用過程中軸流風(fēng)機(jī)和防塵網(wǎng)銹蝕問題都未再出現(xiàn)。但因電源連接器密封處理距離裝配投入使用有一定的時(shí)間，存在上述陣面通電2個(gè)軸流風(fēng)機(jī)都正常，但芯線與插芯有腐蝕現(xiàn)象且未發(fā)現(xiàn)的問題，造成個(gè)別雷達(dá)站在連接器密封后期又出現(xiàn)了風(fēng)機(jī)組件報(bào)故障問題。現(xiàn)場查看實(shí)物，有的連接器插芯已銹斷在插座安裝孔內(nèi)。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代產(chǎn)品防護(hù)技術(shù)已從單一的防護(hù)工藝，發(fā)展成為電路、結(jié)構(gòu)、材料和工藝緊密相關(guān)而四位一體的綜合性技術(shù)，需要參與電子產(chǎn)品研制、采購、生產(chǎn)、使用和維護(hù)等方面的人員配合, 而且要貫穿裝備全壽命周期。故對某雷達(dá)風(fēng)機(jī)組件防護(hù)進(jìn)行改進(jìn)研究，并說明產(chǎn)品的防護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

a.在結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)方面，以材料物理性能、設(shè)計(jì)限制、加工特性、安全性、防護(hù)和費(fèi)用為依據(jù)，科學(xué)選取材料；考慮不良的結(jié)構(gòu)形式是一種先天性缺陷，很難在以后彌補(bǔ)，而小孔、縫隙、尖銳棱角和積水處最易腐蝕，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不會(huì)積水藏灰，避免縫隙尖角等問題。

b.在工藝防護(hù)設(shè)計(jì)方面，需要充分考慮工藝實(shí)施的可行性、經(jīng)濟(jì)性和全面性，兼顧貨架產(chǎn)品外購及其自身特點(diǎn)，開展簡單、緊湊、可靠的改進(jìn)完善。

通過現(xiàn)場使用驗(yàn)證，說明本方案的改進(jìn)切實(shí)有效。而對風(fēng)機(jī)組件雖然工作正常但電源連接器已存在腐蝕隱患的情況，考慮改進(jìn)周期和成本，直接密封處理，這會(huì)造成后期個(gè)別雷達(dá)站問題重復(fù)發(fā)生，為本方案不足之處。