孫艮芝

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

某型雷達收發(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，進行一體化整合設(shè)計。其數(shù)字陣列模塊(DAM)采用強迫風(fēng)冷設(shè)計，若風(fēng)機組件故障，裝備開機時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，會造成低效、損壞的情況。

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

1 故障情況

DAM風(fēng)機組件中的軸流風(fēng)機，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)機組件正常工作的主要有電源連接器和軸流風(fēng)機的防護設(shè)計，以及使用過程中過濾網(wǎng)的維護等。

1.1 線纜裝接和軸流風(fēng)機運轉(zhuǎn)情況

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

1.1.1 陣面通電軸流風(fēng)機都異常

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，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)機都異常連接器和插芯

1.1.2 陣面通電軸流風(fēng)機部分異常

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，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)機部分異常連接器和插芯

1.1.3 陣面通電軸流風(fēng)機都正常

當(dāng)軸流風(fēng)機都正常時，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)機都正常連接器和插芯

1.2 軸流風(fēng)機腐蝕情況

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

圖4 軸流風(fēng)機板級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個要素: 電解質(zhì)、陽極、陰極和電流通道[1]。4個必要條件同時具備，就會發(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，氯化物是一種強電解質(zhì)，大大增強金屬表面液膜的導(dǎo)電性，促進電化學(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，可以進入各細小的縫隙，高溫作用下，鹽霧以氣態(tài)形式存在，溫度降低時則會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，腐蝕速率很?。划?dāng)液膜厚度增大到1 μm時，腐蝕速率最大，為薄液膜下的腐蝕；液膜厚度繼續(xù)增大時，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

該風(fēng)機組件所使用的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套。在半開放環(huán)境中使用，工作狀態(tài)時尾部向上，原密封設(shè)計為一孔配一線，實際為一孔配兩線設(shè)計(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，形成更強電解質(zhì)的腐蝕導(dǎo)電溶液。

圖5 連接器密封設(shè)計失效

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。鍍金層本身是不會發(fā)生腐蝕的。但因鍍金層受成本和機械性能限制，厚度低于2.5 μm[4]，存在孔隙，底部的銅基會形成陽極，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行鍍層分析，發(fā)現(xiàn)其鍍金層不滿足設(shè)計要求，厚度低于2.5 μm，且未進行防腐處理，沒有中間鍍鎳層(防護鍍層)，不能滿足銅合金鍍金工藝對零件的可靠性設(shè)計要求。

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，失去保護作用。同時，高溫會加速電化學(xué)腐蝕[5]。當(dāng)電流通過時會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。在放電打火時如果瞬間電流超過了軸流風(fēng)機的額定電流，就會造成風(fēng)機失效。

2.2 軸流風(fēng)機腐蝕

2.2.1 軸流風(fēng)機設(shè)計選型

該軸流風(fēng)機為市購進口產(chǎn)品，從其說明書可以看出，該風(fēng)機的防鹽霧標(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)酷等級為3級，可以防鹽霧試驗循環(huán)時間72 h，為工業(yè)級防護設(shè)計要求。此風(fēng)機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，但不滿足雷達電子裝備海洋環(huán)境可靠使用要求。

2.2.2 板線電路防護設(shè)計

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

圖6 軸流風(fēng)機板級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)計等方面開展產(chǎn)品防護改進。

3.1 電源連接器密封防護改進

完善風(fēng)機組件防護設(shè)計，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，且流動性較好。改進工藝設(shè)計采用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行密封處理，填充縫隙阻止電解液進入。以保證該電源連接器插芯在一個密封環(huán)境使用，有效避免水氣等腐蝕介質(zhì)進入而形成易腐蝕環(huán)境，切斷電化腐蝕發(fā)生的動力學(xué)鏈，從源頭上消除鹽霧等介質(zhì)進入連接器，進而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，甚至放電燒蝕的問題。

3.2 軸流風(fēng)機防護改進

軸流風(fēng)機中的板級電路不是在密閉的環(huán)境使用。如圖7所示，風(fēng)機頁與機架間采用卡簧、墊片和彈簧保證安裝，而電機與機架間鉚壓成形，為半可拆卸安裝。對于在半拆卸狀態(tài)下開展板級電路三防改進，如采用噴涂的方式進三防改進，需要用3M膠帶等保護電機，且電機下面的部分板級電路存在噴涂死角，故無法進行三防處理。改進的防護工藝中，明確采用毛筆刷三防清漆，以盡可能全面地對板級電路器件安裝面進行無死角防護處理；電路背面改進條件受限，加之不是防護重點，只對電阻焊接重點區(qū)域進行局部刷涂處理，最后復(fù)原通電檢查軸流風(fēng)機運轉(zhuǎn)情況，切實提升產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

圖7 軸流風(fēng)機半可拆卸

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、助劑和有機溶劑等制成的雙組份漆，漆膜堅硬、耐磨、附著力強、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

防塵網(wǎng)積塵及腐蝕情況對風(fēng)機組件的最終散熱效果影響顯著，檢查報故風(fēng)機組件中的過濾網(wǎng)時，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)計材料選型原為20目不銹鋼絲網(wǎng)，沒有的具體牌號要求。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。改進時，考慮到過濾網(wǎng)對材料的強度、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)選為防護性能優(yōu)越的304不銹鋼材料，加工完成后要求進行鈍化處理，提升其耐腐蝕性。

3.3.2 維護改進

維護與保養(yǎng)，是確保雷達系統(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)機組件現(xiàn)場維護需要裝備停機天線倒，且防塵網(wǎng)拆除、復(fù)原安裝維護周期長，使用過程中，存在未按要求進行處理，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)機的通風(fēng)散熱性能。

改進細化維護要求，將原來風(fēng)機組件年維護要求改為月維護，定期檢查過濾網(wǎng)上積塵和腐蝕情況，通電檢查軸流風(fēng)機是否正常工作。

4 效果驗證

以上改進在所有已經(jīng)架設(shè)的裝備上進行了復(fù)制，后期使用過程中軸流風(fēng)機和防塵網(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間，存在上述陣面通電2個軸流風(fēng)機都正常，但芯線與插芯有腐蝕現(xiàn)象且未發(fā)現(xiàn)的問題，造成個別雷達站在連接器密封后期又出現(xiàn)了風(fēng)機組件報故障問題?，F(xiàn)場查看實物，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)品防護技術(shù)已從單一的防護工藝，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。故對某雷達風(fēng)機組件防護進行改進研究，并說明產(chǎn)品的防護設(shè)計，應(yīng)做到以下幾點：

a.在結(jié)構(gòu)防護設(shè)計方面，以材料物理性能、設(shè)計限制、加工特性、安全性、防護和費用為依據(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，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)計時應(yīng)考慮不會積水藏灰，避免縫隙尖角等問題。

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

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