铝合金蒙皮光固化胶接修补疲劳性能实验研究

刘成武，魏东，李秋艳

（空军第一航空学院，河南 信阳 464000）

光固化胶接修补技术是一项节能、快捷的修补新技术。以LY-12 铝合金预制裂纹板为修补对象，分别用铆接和光固化胶接2 种方法进行修补，在疲劳实验机上进行疲劳寿命对比实验，考察光固化修补效果。采用等幅高频加载和按某型飞机机翼疲劳载荷谱加载2 种方法，对光固化胶接试件与等强度铆接试件进行拉伸疲劳对比实验。

1 试件

试件分为铝合金裂纹板、等强度铆接修补裂纹板、全宽度光固化复合材料补片胶接修补裂纹板和半宽度光固化复合材料补片胶接修补裂纹板4种类型。

1.1 制备铝合金裂纹板试件

选用厚度为2 mm的LY-12铝合金板，加工成尺寸为250 mm×100 mm×2 mm 的试件若干，用线切割机在试件中心切割出20 mm的人工预制裂纹。根据实验情况可考虑对端部进行加强，供实验时夹具夹持。试样如图1所示。

图1 铝合金裂纹板试样Fig.1 Specimen of aluminum alloy cracked plate

1.2 制备光固化修补试件

以上述制作的铝合金裂纹板试件为修补对象，以自制的光固化复合材料预浸料补片为修补材料，按以下步骤加工试样。

1）在裂纹板上划出修补范围并进行打磨和清洗[1]。

2）贴片。按需要的尺寸剪裁补片并将其贴补到待修表面（单面贴补），用滚筒轻轻碾压补片使之与铝板紧密贴合[2]。根据实验目的，分为全宽度光固化复合材料（补片尺寸为80 mm×100 mm×2 mm）和半宽度光固化复合材料（补片尺寸为60 mm×50 mm×2 mm）。

3）固化。用200 W 紫外光灯距离补片100 mm辐照8 min，即可[3]。

半宽度光固化修补试样如图2所示。全宽度光固化试样胶接宽度与裂纹板宽度一致，宽度为100 mm。

1.3 制备铆接修补试件

图2 半宽度光固化修补试样Fig.2 Specimen of half width light-cured bonding repair

以铝合金裂纹板试件为修补对象，采用同质LY-12 铝板作为补片，尺寸为50 mm×100 mm×2 mm，对裂纹板进行等强度单面铆接修补。距裂缝14 mm处沿铝板宽度方向均匀铆接2排铝质铆钉，铆钉间距为15 mm。试样如图3所示。

图3 等强度铆接修补试样Fig.3 Specimen of constant strength riveting repair

2 实验

在MTS810 静力/疲劳实验机上进行疲劳实验。分别进行等幅高频疲劳试验和按某机翼实际疲劳载荷谱加载实验。实验过程中用放大镜检测试件裂纹扩展情况，测量并记录裂纹扩展增量Δa。试件发生疲劳破坏时，记录疲劳破坏的寿命及破坏形式。

2.1 等幅高频疲劳实验

加速条件为：平均载荷12 kN；载荷幅值10 kN；试验频率121.5 Hz。

分别对光固化修补、铆接修补的铝合金裂纹板以及未修补的裂纹板进行疲劳对比实验。结果见表1。

表1 等幅高频疲劳对比实验结果Table 1 Experimental results of equal-amplitude high-frequency load spectrum

2.2 载荷谱疲劳实验

为尽可能模拟飞机实际载荷和变化规律，采用某型歼击飞机机翼疲劳载荷谱，选择该机翼下壁板蒙皮上应力水平最高部位应变值的1.5 倍作为本次实验应力谱，加载频率为10 Hz。对等强度铆接试件与光固化修补试件进行拉伸疲劳对比实验。结果如图4所示。

图4 半宽度光固化修补、全宽度光固化修补和金属铆接修补试样的疲劳破坏寿命比较Fig.4 Fatigue life comparison of half width light-cured bonding repair，all width light-cured bonding repair，and constant strength riveting repair

3 结果与讨论

3.1 等幅高频疲劳实验分析

从表1试件失效时的疲劳寿命（次）变化趋势可见：铆接修补比未修补高出61.83%，光固化修补比未修补高出119.08%，光固化修补较铆接修补高出35.37%。由于光固化胶接修补较铆接修补载荷分布均匀，因而疲劳寿命得以延长。

3.2 载荷谱疲劳实验分析

图4 为铆接修补、半宽度光固化修补和全宽度光固化修补试件疲劳寿命比较。结果显示：光固化修补试件疲劳寿命略高于铆接修补的疲劳寿命，全宽度光固化胶接修补疲劳寿命略高于半宽度光固化胶接修补试件疲劳寿命，全宽度光固化胶接修补疲劳寿命高出金属铆接9.00%。原因是光固化胶接修补时疲劳载荷较铆接更为均匀，使得裂纹扩展速率有所下降，疲劳寿命有所增加；全宽度光固化胶接修补较半宽度光固化胶接修补承载面积增大，疲劳应力水平有所降低，因而疲劳寿命有所延长。

4 结论

1）光固化胶接修补方法可以明显延缓疲劳裂纹的起始扩展。

2）光固化胶接修补疲劳性能优于等强度铆接修补，在等幅高频加载和按某型飞机机翼疲劳载荷谱加载2 种实验方法下，疲劳寿命分别延长了35.37%和9.00%。

3）全宽度光固化胶接修补优于半宽度胶接修补，使用时补片尺寸应尽量选取推荐值的上限。

[1]翟海潮，李印柏，林新松. 粘接与表面粘涂技术[M]. 北京：化学工业出版社，1993：50—68.

[2]欧阳国恩.复合材料实验指导书[M].武汉：武汉工业大学出版社，1997：24—32.

[3]王德海，江棂.紫外光固化材料理论与应用[M].北京：科学出版社，2001：86—159.