牛芳芳

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089 )

設(shè)計(jì)制造不合理、維修保養(yǎng)不到位、疲勞與應(yīng)力腐蝕等各種因素的作用常會造成飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生穿孔、分層、破裂等損傷，這些損傷如不及時修理，將會導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生[1]。傳統(tǒng)的飛機(jī)金屬損傷結(jié)構(gòu)件修理方法是采用機(jī)械連接或者金屬補(bǔ)強(qiáng)板膠接修理，這類修理方法會由于緊固件而增加重量而且會產(chǎn)生新的應(yīng)力集中區(qū)，減少金屬結(jié)構(gòu)件的使用壽命[2]。為了滿足現(xiàn)代飛機(jī)對于材料高強(qiáng)輕質(zhì)的要求，采用復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修理技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的修理方法。復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修理技術(shù)是集材料科學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科為一體的綜合性應(yīng)用技術(shù)，該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用工作一直是復(fù)合材料設(shè)計(jì)與飛機(jī)維修者關(guān)注的熱點(diǎn)與努力的方向[3]。

1 金屬結(jié)構(gòu)件的常見損傷確定

1.1 金屬結(jié)構(gòu)件的損傷類型

損傷通常是在加工和使用過程中產(chǎn)生的，損傷主要有表面劃傷、裂紋、雷擊損傷、孔邊損傷和沖擊損傷等。理論上講，以上損傷都可以被修理[4]。

1.2 金屬結(jié)構(gòu)件損傷的檢測方法

在對金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行修理之前，必須對其損傷情況進(jìn)行檢查評估[5]。目前用于金屬結(jié)構(gòu)件損傷檢測方法主要有目視檢測法、敲擊法、超聲檢測、射線檢測、滲透檢測、渦流檢測、磁粉檢測等檢測方法。

目視檢測法是最基本的檢測方法，主要是利用肉眼或者放大鏡、內(nèi)窺鏡等進(jìn)行目視檢查，主要可以判斷表面比較明顯的裂紋、凹坑或者穿孔等，對于非常微小的或者內(nèi)部的缺陷很難通過目視法檢測出來。敲擊法是采用專用的敲擊錘輕輕敲擊被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面，通過辨聽敲擊聲音的變化來確定損傷，但仍是一種比較粗糙的檢驗(yàn)方法。如果對于較微小或者內(nèi)部的缺陷，必須通過無損檢測進(jìn)行檢查，一般使用超聲檢測、射線檢測及滲透檢測法。超聲檢測方法穿透能力強(qiáng)、靈敏度高，可檢測結(jié)構(gòu)件中的氣孔、熔合不良、裂紋和夾雜等缺陷，但對于裂紋缺陷，超聲檢測只能檢測垂直于聲束方向的裂紋[6]。射線檢測對體積型缺陷如氣孔、夾雜等較易檢出，檢測面積型缺陷如裂紋、未熔合等缺陷需注意射線的方向性。滲透檢測技術(shù)適用于表面較光滑的表面開口缺陷的檢測。因此，需要根據(jù)損傷的類型選取合適的檢測方法確定具體的損傷范圍。

2 金屬結(jié)構(gòu)件損傷的復(fù)合材料補(bǔ)片修理技術(shù)

2.1 復(fù)合材料補(bǔ)片修理工藝流程

金屬結(jié)構(gòu)件損傷的復(fù)合材料補(bǔ)片修理工藝實(shí)施首先是通過目視檢測及無損檢測方法確定損傷范圍，并用記號筆標(biāo)定修補(bǔ)區(qū)域；接著對損傷部位進(jìn)行表面處理，準(zhǔn)備復(fù)合材料補(bǔ)片材料、膠黏劑及相關(guān)輔助材料，按設(shè)計(jì)要求鋪放補(bǔ)片及膠膜并逐層壓實(shí)；然后封裝真空袋對安裝加熱單元進(jìn)行固化，而后進(jìn)行整修處理；最后進(jìn)行膠接修理質(zhì)量檢測。整個修理工藝流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修理工藝流程圖

2.2 復(fù)合材料補(bǔ)片修理工藝實(shí)施

2.2.1 確定損傷范圍

通過目視檢測、敲擊檢測及超聲檢測等無損檢測確定金屬構(gòu)件的損傷程度及損傷范圍，損傷確定后，在金屬構(gòu)件上用記號筆進(jìn)行標(biāo)記，便于后期準(zhǔn)確進(jìn)行補(bǔ)片貼補(bǔ)修理。

2.2.2 被修理結(jié)構(gòu)表面處理

為了獲得良好的修理表面，必須在復(fù)合材料補(bǔ)片修理前進(jìn)行表面處理。表面處理包括表面的脫脂清潔、表面打磨、表面化學(xué)處理等。

(1)表面清潔。用兩塊干凈的脫脂棉布或?qū)Ｓ貌潦眉垼瓷厦撝軇?，兩塊布相同方向前后跟隨，從一邊擦向另一邊，切忌反復(fù)一塊布擦或畫圓圈擦。脫脂溶劑可以選擇乙酸乙酯、丙酮、甲乙酮等，脫脂溶劑用量不能過大，并應(yīng)盡量不含水分，最好是化學(xué)試劑級[7]。

(2)表面打磨。為了獲得一定的表面粗糙度，要對待修理部位進(jìn)行打磨，一般用濕砂紙進(jìn)行打磨表面，最后用清潔擦布蘸取蒸餾水去除打磨殘留物。

(3)化學(xué)處理。對于修理要求比較高的表面或者特殊材料表面在脫脂和打磨后還需要進(jìn)行化學(xué)處理?；瘜W(xué)處理包括重鉻酸鈉-濃硫酸浸蝕法、FPL酸洗法、磷酸陽極化等方法，化學(xué)處理中需要注意的是化學(xué)處理液的配方、化學(xué)處理的時間和溫度。

2.2.3 補(bǔ)片材料的選擇及設(shè)計(jì)

補(bǔ)片材料一般要求強(qiáng)度高、剛性好，熱膨脹系數(shù)高，與金屬部件的熱匹配性好，能與膠黏劑的固化溫度相匹配，有利于降低膠接修理結(jié)構(gòu)中的殘余熱應(yīng)力，受溫度的影響應(yīng)該盡量小。國外多采用硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片，國內(nèi)多使用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料及玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片。文思維[8]選用硼/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片對含中心裂紋鋁合金厚板進(jìn)行了膠接修理獲得了良好的膠接效果。王躍然[9]選用碳/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修理鋁合金板，研究了其工藝參數(shù)及相關(guān)性能測試，結(jié)果表明獲得了良好的膠接效果。

補(bǔ)片形狀最佳選擇依次是多邊形、長方形。橢圓形、方形及圓形[10]。一般常用的是長方形、橢圓形及圓形，補(bǔ)片應(yīng)盡量長一點(diǎn)，且四周可以做成斜削的形狀，從而降低應(yīng)力，提高膠接強(qiáng)度。增加補(bǔ)片的厚度,可以提高結(jié)構(gòu)的修理效果，但膠層內(nèi)的最大剪切應(yīng)力也隨之提高，為了避免膠層發(fā)生脫膠，補(bǔ)片厚度要保持一定值，補(bǔ)片的纖維方向應(yīng)盡量同損傷修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的最大受力方向保持一致。

2.2.4 膠黏劑的選擇及準(zhǔn)備

金屬結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料補(bǔ)片修理工藝的成功與否，媒介膠黏劑起到了至關(guān)重要的作用。為了獲得良好的膠接效果，應(yīng)該選擇剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度均較高、耐腐蝕、耐老化及抗沖擊的結(jié)構(gòu)膠黏劑，一般要求膠黏劑應(yīng)于復(fù)合材料補(bǔ)片的固化溫度相匹配。膠黏劑一般采用膠膜形式，目前常用的有改性環(huán)氧膠(FM-73、AF-126、J-150、J-47)、酚醛-丁腈(J-147)等。對于液體膠黏劑要進(jìn)行配方配制，對于膠膜要按修補(bǔ)尺寸及形狀要求進(jìn)行裁剪。

2.2.5 鋪放補(bǔ)片材料及膠膜

首先根據(jù)修補(bǔ)部位的要求進(jìn)行下料即對于補(bǔ)片及膠膜進(jìn)行裁剪，接著在待修理部位均勻貼敷合適的膠膜，將手工剪裁的復(fù)合材料預(yù)浸料補(bǔ)片鋪放在膠層區(qū)，其余復(fù)合材料預(yù)浸料補(bǔ)片按鋪層設(shè)計(jì)要求鋪貼，每鋪貼2～3層預(yù)浸料補(bǔ)片，采用電熨斗控制適當(dāng)溫度擠壓鋪層，趕走層與層之間的氣泡[11]，而后在鋪設(shè)一層玻璃纖維預(yù)浸料作為加強(qiáng)層，在最外層再鋪一層膠膜。

2.2.6 真空袋封裝

復(fù)合材料補(bǔ)片鋪層完畢后，進(jìn)行真空袋封裝并放置加熱元件準(zhǔn)備固化。修理區(qū)鋪設(shè)有孔隔離膜、熱電偶、吸膠層、無孔分離膜、電熱毯、表面透氣布、真空袋，同時安裝抽真空吸氣管完成封裝。

2.2.7 固 化

固化制度包括固化的溫度、時間及壓力。根據(jù)預(yù)浸料補(bǔ)片及膠黏劑的固化要求設(shè)計(jì)合理的固化制度。為了消除高溫固化過程中預(yù)浸料和膠黏劑可能出現(xiàn)的暴聚現(xiàn)象，一般采用階梯式固化。

2.2.8 整修處理

完成固化后，拆除真空袋及加熱元件，對于修理區(qū)邊緣進(jìn)行打磨修整，并完成噴漆等后處理工作。

3 金屬結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料補(bǔ)片修理的質(zhì)量檢測

金屬結(jié)構(gòu)件損傷修理結(jié)束，一般首先采用目視法和敲擊法對于粘接修復(fù)質(zhì)量進(jìn)行初步質(zhì)量檢查，如若沒有明顯的脫膠、孔隙等缺陷，隨后采用超聲等無損檢測方法對于修理質(zhì)量進(jìn)行進(jìn)一步檢查，根據(jù)無損檢測的結(jié)果最終確定修復(fù)的效果。

4 結(jié) 語

金屬結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料補(bǔ)片修補(bǔ)技術(shù)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)修理技術(shù)，其中補(bǔ)片材料的選擇、結(jié)構(gòu)膠粘劑的選擇、復(fù)合材料補(bǔ)片鋪層設(shè)計(jì)、固化制度確定都是關(guān)鍵的工藝因素。為了獲得良好修理效果，關(guān)鍵工藝因素的控制是至關(guān)重要的。