某雷達風機組件防護設計改進

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)采用數字陣列技術，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，進行一體化整合設計。其數字陣列模塊(DAM)采用強迫風冷設計，若風機組件故障，裝備開機時DAM裝放箱內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，使器件工作參數發(fā)生質的變化，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)現風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，通過設計與工藝等改進，在系統(tǒng)可靠防護上取得了良好的效果。

1 故障情況

DAM風機組件中的軸流風機，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。影響該風機組件正常工作的主要有電源連接器和軸流風機的防護設計，以及使用過程中過濾網的維護等。

1.1 線纜裝接和軸流風機運轉情況

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

1.1.1 陣面通電軸流風機都異常

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象。零線無問題，如圖1所示。對于組件中的軸流風機，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 軸流風機都異常連接器和插芯

1.1.2 陣面通電軸流風機部分異常

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象。零線無問題，如圖2所示。對于組件中的軸流風機，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 軸流風機部分異常連接器和插芯

1.1.3 陣面通電軸流風機都正常

當軸流風機都正常時，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腐蝕現象，如圖3所示。

圖3 軸流風機都正常連接器和插芯

1.2 軸流風機腐蝕情況

檢查故障軸流風機中的板級電路，發(fā)現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，個別有打火現象，如圖4所示。

圖4 軸流風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 電化學腐蝕

電化學腐蝕是金屬接觸到離子導電介質(電解質)而發(fā)生電化學反應，比較活潑的金屬原子失去電子而被氧化腐蝕，反應過程中有電流產生。產生電化學腐蝕必須具備4個要素: 電解質、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，大大增強金屬表面液膜的導電性，促進電化學腐蝕[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系為：液膜厚度小于0.01 μm時，腐蝕速率很小；當液膜厚度增大到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 連接器密封設計

該風機組件所使用的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，原密封設計為一孔配一線，實際為一孔配兩線設計(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，形成更強電解質的腐蝕導電溶液。

圖5 連接器密封設計失效

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)現其鍍金層不滿足設計要求，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計要求。

最后，由于鍍金層、界面、銅基材和電解質都具有導電性，電流通道便形成了，就會發(fā)生電化學腐蝕，破壞了芯線和插芯的鍍層和基材，失去保護作用。同時，高溫會加速電化學腐蝕[5]。當電流通過時會使電接觸部位被腐蝕斷裂，導致短路，并伴隨放電打火現象，甚至引起打火、短路致金屬導線斷裂、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機的額定電流，就會造成風機失效。

2.2 軸流風機腐蝕

2.2.1 軸流風機設計選型

該軸流風機為市購進口產品，從其說明書可以看出，該風機的防鹽霧標準的參照標準為EN60068-2-52，對應國標GB/T 2423.18—2012，即5%氯化鈉，嚴酷等級為3級，可以防鹽霧試驗循環(huán)時間72 h，為工業(yè)級防護設計要求。此風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 板線電路防護設計

風機中的板級電路未在密閉的環(huán)境使用；板級電路防護設計方面，器件安裝面未發(fā)現三防漆膜；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，實物未出現嚴重腐蝕的問題(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，實物也未出現腐蝕問題(圖6b)。

圖6 軸流風機板級電路器件安裝面腐蝕

3 解決方案

根據以上排故分析，主要從密封和三防設計等方面開展產品防護改進。

3.1 電源連接器密封防護改進

完善風機組件防護設計，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進入而形成易腐蝕環(huán)境，切斷電化腐蝕發(fā)生的動力學鏈，從源頭上消除鹽霧等介質進入連接器，進而產生電化學腐蝕，甚至放電燒蝕的問題。

3.2 軸流風機防護改進

軸流風機中的板級電路不是在密閉的環(huán)境使用。如圖7所示，風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，最后復原通電檢查軸流風機運轉情況，切實提升產品的環(huán)境適應性和可靠性。

圖7 軸流風機半可拆卸

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

防塵網積塵及腐蝕情況對風機組件的最終散熱效果影響顯著，檢查報故風機組件中的過濾網時，發(fā)現存在銹斷和積塵絮較多的問題，如圖8所示。

圖8 過濾網銹蝕及積塵絮

3.3.1 防塵網材料優(yōu)選

304不銹鋼是按照美國標準生產出來的一種不銹鋼(相當于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 ℃。

過濾網設計材料選型原為20目不銹鋼絲網，沒有的具體牌號要求。外協單位從成本控制出發(fā)，選用一般用于室內裝潢使用的市購201不銹鋼，不能滿足惡劣環(huán)境可靠使用的要求。改進時，考慮到過濾網對材料的強度、剛性、韌性和抗疲勞性等力學性能要求不高，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)術技術性能、預防事故、減少故障、延長其使用壽命的基本措施。但因該風機組件現場維護需要裝備停機天線倒，且防塵網拆除、復原安裝維護周期長，使用過程中，存在未按要求進行處理，造成過濾網積灰層較厚、斷絲數超過10%的問題，影響風機的通風散熱性能。

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

4 效果驗證

以上改進在所有已經架設的裝備上進行了復制，后期使用過程中軸流風機和防塵網銹蝕問題都未再出現。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個軸流風機都正常，但芯線與插芯有腐蝕現象且未發(fā)現的問題，造成個別雷達站在連接器密封后期又出現了風機組件報故障問題?，F場查看實物，有的連接器插芯已銹斷在插座安裝孔內。

5 結束語

現代產品防護技術已從單一的防護工藝，發(fā)展成為電路、結構、材料和工藝緊密相關而四位一體的綜合性技術，需要參與電子產品研制、采購、生產、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。故對某雷達風機組件防護進行改進研究，并說明產品的防護設計，應做到以下幾點：

a.在結構防護設計方面，以材料物理性能、設計限制、加工特性、安全性、防護和費用為依據，科學選取材料；考慮不良的結構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，所以在結構設計時應考慮不會積水藏灰，避免縫隙尖角等問題。

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

通過現場使用驗證，說明本方案的改進切實有效。而對風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發(fā)生，為本方案不足之處。