复合材料胶接结构技术问题及合格审定考虑

白　尨，刘月平

（1.中国航空综合技术研究所，北京100028；2.中国南方航空工业（集团）有限公司，湖南株洲412002）

复合材料胶接结构技术问题及合格审定考虑

白尨1，刘月平2

（1.中国航空综合技术研究所，北京100028；2.中国南方航空工业（集团）有限公司，湖南株洲412002）

复合材料胶接结构因其工艺复杂和环境敏感等不利因素，给其适航性工作带来很多问题。根据复合材料胶接技术现状和工业部门成熟的工程经验，分析了复合材料胶接结构适航性工作中涉及的主要技术问题（包括材料和工艺的鉴定与控制、技术设计与结构验证、制造、修理、使用经验等），和合格审定考虑（包括设计和构造、结构验证、生产、持续适航、其它问题等），为其适航性工作提供了相应指南。

复合材料；胶接结构；适航要求；技术问题；合格审定考虑

1　引言

随着复合材料胶接技术的不断发展，胶接结构广泛应用于民用飞机的制造和维修中。如经常采用复合材料胶接结构替代金属胶接结构，包括夹芯蒙皮壁板、附件和主接头等［1］。相比于传统的机械紧固件，胶接结构在抗腐蚀性、密封性、强度、密度等方面具有明显优点。但随着民用飞机上复合材料胶接结构使用得越来越普遍，暴露的问题也越来越多，如工艺复杂、环境敏感等，给飞机的安全运行带来了很大影响。为此，各国适航规章都对胶接结构提出了适航要求，如FAR 23.573“结构的损伤容限和疲劳评定”、FAR 23.605“制造方法”等。

胶接结构的复杂技术要求政府机构和飞机制造工业方结合其胶接结构工程经验和技术见解，指导其设计、制造和维修，从而获得共同的安全利益。1999年，美国联邦航空管理局（FAA）与其他政府部门、工业界和研究机构一起，发起了复合材料的安全性和合格审定研究（CSCI），形成了一些指南资料，如《材料鉴定和等效方法》等。2004年，FAA对胶接结构的制造和修理进行了研究，并发布了一系列研究报告，如DOT/FAA/AR-05/13《飞机胶接接头和结构的工业技术评估》等。

本文在上述成果的基础上，结合复合材料胶接技术现况和工业部门成熟的工程经验，对复合材料胶接结构适航性工作中相关的技术问题和合格审定考虑进行了分析。

2　复合材料胶接结构主要技术问题

胶接结构的关键技术问题很复杂，与很多因素相关［2］。胶接材料与工艺应当满足结构完整性和耐久性鉴定标准，并在随后的生产和维修中也能得到满足。设计胶接结构、附件或修理零件时，应当确定载荷路径和局部应力分布，保证其满足载荷和环境要求，且性能不随时间有明显降低。制造和修理中，应制定胶接程序，进行过程控制、文件化管理和人员培训，确保生产可靠性。因此，复合材料胶接结构适航性工作中，应涉及材料和工艺的鉴定与控制、技术设计与结构验证、制造、修理、使用经验等技术问题。

2.1材料和工艺的鉴定与控制

胶接结构材料和工艺的鉴定与控制中，主要技术问题有：

·在验证胶接材料和工艺的刚度、强度、耐久性和可靠性之前，应确定胶接工艺和选择兼容性基底、胶接剂及辅助材料。

·通过鉴定试验评估结构性能、环境影响和耐久性，并确定加工公差、材料搬运和储存限制，以及质量管理监控的关键特性和工艺参数。胶接结构在使用过程中出现的大部分问题，源于无效的鉴定和生产时不充分的质量管理［3］。

·在选择胶接剂和基底材料时，应当考虑胶接接头的设计构型、载荷要求、制造工艺约束、环境条件、化学腐蚀预防能力，并确定最大使用温度时的强度性能降低。

·确定胶接制造程序，并测试基底、胶接剂和工艺间的兼容性。

·一些最重要的工艺步骤与基底的存储、搬运和表面准备有关。特定基底和胶接剂材料，应有特殊的存储、搬运和表面准备程序。

·胶接剂固化是胶接工艺的另一重要方面。胶接面与胶接剂接触，要有足够的压力和温度来完成固化。固化循环应包含加温加压的顺序、速率和保持时间。

·鉴定胶接材料和工艺以表征实际使用的材料和工艺，如采用试验鉴定胶接结构的化学、物理、工艺和机械性能。鉴定试验应当有足够的材料批次、独立的胶接工艺和重复试验次数。

·飞机中使用的基底材料在胶接加工之前应当进行鉴定。由于胶接剂与基底接触面的复杂性（与材料兼容性、表面处理、固化等多个变量相关），应对材料的不同组合进行独立的胶接工艺鉴定。

·工业界通常采用物理、化学和机械试验，来鉴定胶接剂材料和胶接工艺。物理和化学试验用于控制表面准备、胶接剂混合、黏性及固化性能（如密度、固化程度和玻璃态温度）。胶接接头机械试验通过测试搭接剪切刚度、强度，来鉴定胶接剂和胶接工艺。

·剪切试验虽然对材料特性描述和设计有用，但是当胶接结构工艺不好时，其不能提供可靠的耐久性和性能随环境退化测量。这是因为在加工过程中即使未形成胶接或形成少量胶接，胶接表面在机械互锁的作用下依然有充分的静剪切强度和刚度，此时可通过剥离试验进行可靠的测量和评估。

·机械试验中出现胶接剂失效不可接受，应在下一个鉴定试验前，解决引起胶接剂失效的材料或工艺问题。

·采用材料规范控制与胶接工艺密切相关的基底、胶接剂和其他材料。材料规范应包含鉴定要求和验收试验要求。

·确定造成材料变化的因素，并进行记录。通过批准的程序来判断材料变化大小，并确定是否需要等效试验验证或重新鉴定。

·通常采用工艺规范来控制胶接。工艺规范不仅包含了基底的存储和搬运要求，还规定了胶接工作区域的清洁度和环境控制要求。采用严格的工艺来控制胶接制造的关键步骤，包括表面准备、胶接剂混合和使用、胶接层厚度公差、固化周期和胶接后检查。

·过程控制方法（包括过程检查和试验）是保证胶接剂胶接质量的最可靠方法。鉴定试验中，过程控制试验用于探测需要解决的胶接剂失效。如果不能用无损检测方法探测弱胶接或胶接剂失效时，则过程检验和试验非常重要。

·控制工艺的更改应进行记录。如果变化较小，可用等效采样试验进行验证；如果变化较大，则需重新鉴定。

2.2技术设计与结构验证

胶接结构技术设计与结构验证中，主要技术问题有：

·胶接结构和附件的设计应保证其能转移剪切力。若胶接应力分布中出现局部剥离力，则在结构细节设计上应尽力降低此种应力。胶接接头或附件的应力分布和强度，与基底的几何尺寸（如厚度、斜度角度）、胶接层厚度、胶接搭接长度、层板铺放或纤维架构有关。此外，还应重点考虑热膨胀与基底材料刚度方向不同而造成的残余应力。

·许多胶接接头和附件采用破损安全设计。根据胶接连接机理，接头或附件设计时只假定胶接传力。

·工业界采用的胶接接头或附件的分析方法，包括原始模型分析、简单二维分析和软件工具分析。原始模型把剪切力和其他载荷转换为平均剪应力，虽然用很保守的设计值计算胶接接头能力，但是要求在结构验证中对特定设计细节进行大量测试。简单分析和软件工具都可预测局部剪应力、剥离应力分布，便于优化胶接接头设计参数。

·设计时采用足够的搭接长度，以保证塑性变形时不危及胶接的整体性或累积损伤。此外，搭接长度应能承受胶接剂塑性变形的所有载荷，且弹性层远离接头尾部以实现抗蠕变。

·提供设计准则、分析和试验数据，以便能及时处理在车间发现的制造缺陷和在外场发现的使用损伤。

·胶接接头和附件的修理工作包括很多相同的程序和工艺。典型的胶接修理需要考虑补丁的几何尺寸、切口角度和胶接层厚度，以及胶接补丁与基底部分之间的铺层、刚度和热膨胀特性不一致引起的残余应力。

·工厂和外场维修使用的材料、条件和工艺经常不同，需要用积木式方法分别验证。对试验人员进行培训，使其能识别胶接剂失效。积木式试验中发现胶接剂失效不可接受。

·胶接工艺的鉴定通常采用加速试验的方法，该试验应能表征胶接长期暴露的环境，包括温度、湿度和使用中可能遇到的其他流体。

·按生产工艺制造的大尺寸部件的静强度、疲劳和损伤容限，可采用大尺寸试验进行验证。积木式分析和试验虽可确定结构细节、损伤、缺陷和修理的影响，但成形结构的设计和制造特性（包含接头、切口、损伤、修理、载荷）依然需要采用大尺寸试验进行最终验证。

·采用大尺寸试验（利用小尺寸试验得出的过载系数），来说明潮湿和温度的性能退化。

2.3制造

胶接结构制造相关的主要技术问题有：

·采用新的胶接制造设施和制造工艺时，需进行制造试验以加深对结构细节的了解，保证胶接结构能可靠生产。对于新设计，应进行结构细节确定和制造试验的迭代。

·采用专门的设施和程序来管理和控制材料及主要的胶接工艺步骤。该技术问题与清洁度、环境条件、存储、材料寿命、过程记录、人员培训和维护相关。前面讨论的材料管理，可保证批次间的一致性。工厂程序和记录可管理未固化材料的存储条件、货架寿命、搬运等，保证其满足相关规范要求。采用无尘设施和无尘管理程序来管理胶接装配环境、设备、工装及人员，控制所有污染源。控制胶接过程所用的消耗性材料，防止污染，避免胶接过程中发生变化。设施、设备和工装的维护，应保证胶接结构重复生产所需的清洁度、材料和工艺控制。

·表面准备是胶接最重要的工艺步骤。金属材料和复合材料基底的表面准备技术有本质的不同。一些表面准备工艺控制方法包括目视检查、偏振光检查、水裂纹检查、化学分析和机械试验等。表面一旦准备好后，应当在规定时间内胶接，否则需重新准备。通过经鉴定的基底表面准备工艺形成的基底表面结构和化学特性，在生产时不能变化。

·胶接装配时需考虑几何特性、装配和时间等问题。装配时，应控制固化尺寸公差和变形。由于胶接厚度影响局部胶接应力分布和强度，因此采用过程检查进行监控。装配夹具和装配程序可用来评估胶接前间隙，加工辅助工具可用来评估某些胶接过程需要的紧密度容限。最小胶接厚度可用不同类型的隔离物控制（如麻布、玻璃珠、小气球等）。整个装配过程中，装配夹具的公差应予以监控和保持。

·应控制胶接结构固化，保证胶接剂正确湿润基底表面，并将表面温度保持在能形成预期使用性能的温度下，而不发生过热。固化周期内不同阶段的热传导、胶接面接触压力和胶接剂特性等，会综合影响结构各点的最终胶接状态。因此，需通过过程质量控制来局部控制固化周期和避免过热，并且固化工装和胶接期间控制结构温度的设备应进行管理和维护。用于过程控制的程序需要验证，并定期校准。

·胶接的制造质量管理通常包括过程控制和胶接后检查。

·胶接结构的无损检测，是证明已实现适当胶接的必要方法，可确定脱胶、多孔、夹杂异物的位置，但不能可靠地发现弱胶接。弱胶接应通过过程检查有效控制。同时，表面准备、胶接剂混合、胶接装配和固化等需要过程质量控制。

·加工缺陷需要相应的处理程序，设计资料和结构验证可支持该项工作。

·应对车间内的胶接结构技术人员和质量人员进行培训，保证接剂失效及其原因能被正确识别和纠正。每个结构的使用材料、工艺步骤、质量检查都需要记录。如果在车间或外场发现弱胶接或脱胶，而不能追踪到特定批次或制造错误，则表明该胶接工艺不可靠。

2.4修理

胶接结构修理相关的主要技术问题有：

·胶接修理与其制造有很多相同的设计考虑。对于胶接修理所用的胶接剂和补丁材料，应对其设计和工艺进行验证。若车间和外场试验采用不同的材料、设计和工艺，应分别验证。

·积木式方法包含了胶接修理结构验证所需的分析和试验数据，不仅为维修文件提供了坚实的基础，而且还为以前未涉及损伤的修理提供支持，不必再进行大尺寸试验。此外，应记录允许的损伤、缺陷和胶接修理限制。

·维修车间程序和记录可以管理未固化材料的存储条件、货架寿命和搬运等，保证其满足相关规范要求。通过控制程序管理胶接维修环境、设备、工装及技术人员，以避免污染。胶接中用到的所有消耗性材料也需要进行控制，以避免污染和胶接工艺步骤更改。同时，进行材料和工艺控制，并保证车间设施及工装的清洁度，使得胶接修理可接受。

·关键工艺步骤与特定的损伤和结构细节有关。维修文件应考虑在飞机上进行胶接结构修理带来的问题。复合材料基底损伤移除形成的切口面应在公差范围内，且胶接面表面准备应满足要求。

·外场使用中，复合材料或芯材料吸入潮气或其他液体，可能在固化时引起胶接问题。因此，需要制定清除污染、潮气和其他液体的程序，保证结构修理部位出现的水、油和液压液等得到清除。

·应当特别注意胶接修理的固化（包括加热和加压方法）。加热方法不同、结构零件不同、相邻系统不同、是否对飞机进行修理等因素，使得胶接修理固化的热传导问题复杂。整个修理表面需进行过程测量和控制，以保证适当的加热率和固化温度保持时间。

·应避免因修理或附件结构过热引起的结构损伤或性能退化。在适当位置放置热电偶或其他热测量装置，监控胶接修理固化期间的最低和最高温度，对于过程控制非常重要。

·胶接的修理质量管理通常包括过程控制和胶接后检查。

·修理错误和加工缺陷需要相应的处理程序，设计资料和结构验证可支持该项工作。

·需培训胶接维修工序中涉及的每个技术人员和检查人员，以保证胶接失效及其原因应能被正确识别和纠正。应记录胶接维修中使用的材料、工艺步骤和质量检查等。如果在车间或外场发现弱胶接或脱胶，而不能追踪到特定批次或制造错误，则表明该胶接工艺不可靠。

2.5使用经验

胶接结构使用经验相关的主要技术问题有：

·胶接结构和修理的使用经验，可用于证明可靠的胶接结构工艺是否正确执行。完整的生产和修理记录对追踪问题原因非常重要。

·胶接结构和修理在服役期内的监控（包括选择的无损检测和退役飞机的分解检查），可以为鉴定和过程控制中的加速试验结果与真实服役暴露情况建立联系提供数据。

3　复合材料胶接结构合格审定考虑

民用航空器中，成功的胶接结构应满足相应的适航性要求［4］。美国联邦航空条例（FAR）中对胶接结构有但不限于以下要求：

（1）FAR 21部G分部“生产许可证”部分［5］

·FAR 21.139“质量管理”；

·FAR 21.143“质量管理资料要求：主结构”；

·FAR 21.147“质量管理系统的更改”。

（2）FAR 23部C分部“结构”部分［6］

·FAR 23.305“强度和变形”；

·FAR 23.307“结构证明”；

·FAR 23.573“结构的损伤容限和疲劳评估”；

·FAR 23.575“检查和其他程序”。

（3）FAR 23部D分部“设计和构造”部分

·FAR 23.601总则；

·FAR 23.603材料控制；

·FAR 23.605制造方法；

·FAR 23.609结构保护；

·FAR 23.613材料强度性能与设计值；

·FAR 23.865飞行控制、发动机安装和其他飞行结构的防火。

（4）FAR 23部G分部“使用限制和信息”部分·FAR 23.1529“持续适航说明资料”；

·FAR 43《维护、预防性维护、重构和改装》。

由此可见，复合材料胶接结构合格审定考虑，应包括设计和构造、结构验证、生产、持续适航及其他问题。

3.1设计和构造

胶接结构设计和构造中主要合格审定考虑为：

·影响胶接结构性能的设计和工艺细节通常包含在型号设计资料中，并在生产中控制。根据FAR 23.601要求，每个有问题的、与使用安全相关的设计细节，应进行试验来证明其适用性。

·应通过试验鉴定新材料和新制造方法。鉴定试验应考虑环境影响，如温度和湿度。根据鉴定试验结果，确定材料和工艺控制要求。材料规范应控制胶接结构所用的胶接剂、基底和辅助材料。每个特定的胶接剂、基底和胶接工艺程序组合，都需要进行鉴定。

·FAR 23.605要求制造方法能生产一致的结构，并保证结构有充分的强度和耐久性。加速试验有助于探测与不良胶接工艺有关的弱胶接面。鉴定试验中若发现胶接剂失效，则表明材料不兼容和/或胶接工艺不充分。FAR 23.605明确要求给定的制造方法（如胶接、电焊或热处理）需按照批准的工艺规范执行。

·在确定鉴定资料时，明确材料和工艺之间的关系，有助于最小化所需的批次、过程运行数和试验重复数。如果鉴定试验不能充分表征胶接材料和工艺，则随后的控制要求也难于满足。

3.2结构验证

胶接结构的结构验证中主要合格审定考虑为：

·根据FAR 23.305、FAR 23.307，新设计和制造的胶接结构需要进行大尺寸试验来验证。通常，对于新设计结构的验证，积木式分析和试验方法可降低大尺寸试验数量，消除过载系数。如果经验（如飞机的衍生型）表明设计和制造细节可靠，积木式分析和方法也可替代大尺寸试验，作为结构的最终验证。

·胶接结构静强度验证的补充考虑因素，与特定的设计细节、填料方法、试验考虑相关。对于在积木分析或最终结构验证试验中发现的任何胶接剂失效，应进行识别、查找原因并纠正。在考虑所有环境影响和平均剪应力分析的情况下，如果用试样测出过载系数，则应对试样进行检查和评估，这是因为该试验没有考虑实时性能降低等。

·根据FAR 23.573，新设计和制造的胶接结构的损伤容限和疲劳需要大尺寸试验来验证。静强度验证和疲劳评估，主要针对车间质量管理或外场检查方法不能发现的制造异常和意外损伤。损伤容限评估主要针对外场可探测的偶然或环境损伤（从要求探测的小损伤到能在很少飞行次数中探测的严重损伤）。

·FAR 23.573（a）（5）对胶接结构有特殊要求，并提供3种方法来验证限制载荷能力。这些方法不是用于替代胶接工艺的鉴定要求和胶接结构质量管理要求。如，第一种方法破损安全不能充分保证机群飞机结构出现的胶接工艺不良等系统问题的安全性，因为破损安全主要针对偶然出现的局部胶接不良问题。第二种方法静力限制载荷验证试验不能验证弱胶接，因为弱胶接的验证需要时间和环境条件来暴露胶接接头强度的退化。第三种方法是用无损检测技术探测弱胶接，但是现在无损检测技术还不能完全保证生产产品的安全性。

3.3生产

胶接结构的生产中主要合格审定考虑为：

·质量管理对于胶接结构生产非常必要。生产设施控制胶接工艺的环境和清洁度，使之达到鉴定和结构验证试验所确定的水平。按照与材料和胶接鉴定工艺一致的规范来控制胶接剂和基底材料。此外，需制定正确的生产设施维护计划。

·工艺步骤、设备和工装是保证胶接结构完整性的关键点，应控制在规范或等效文件规定的公差范围内。生产公差应满足相关标准。制定生产设备和工装周期性维护计划。需要控制的关键工艺步骤通常包括，表面准备、配合件尺寸公差控制、胶接剂的混合与使用、胶接厚度和胶接固化。

·生产许可证持有人应当建立和保持胶接结构的质量管理系统。制造方法应当能可靠地生产具有充分强度和耐久性的结构。工艺控制和生产记录，应当记录关键特性、关键过程参数或能证明胶接过程正确的等效资料。质量管理体系变化时，局方需要进行评审。

·应制定制造缺陷和不符合项的处理程序。

3.4持续适航

胶接结构的持续适航中主要合格审定考虑为：

·胶接结构及其修理需要满足持续适航要求。对偶然损伤、环境影响和其他原因造成的损伤，需要进行检查和修理。复合材料和金属胶接结构损伤初步探测后，需要进行深入检查，以确定损伤程度是否需要修理。

·基于批准数据的维护手册中的检验和修理工艺步骤有众多优点。如果损伤超出了先前批准的范围，进行处置时需要制造商或适航部门介入，并且可能需要补充资料验证。使用中发现的任何脱胶（包括胶接剂失效），应报告制造商，并立即采取措施识别和纠正。记录修理、检查和返工等维护活动。

·质量管理是在车间或在飞机上进行的机体胶接结构修理的基础。胶接结构修理时的环境和清洁度需要控制，使之达到鉴定和结构验证所确定的水平。维修使用的胶接剂和基底材料需要根据批准的规范进行控制和鉴定。该规范包含储存、搬运、材料特性等要求。胶接需要的消耗性材料也需要控制，以保证胶接维修的完整性。

·修理工作首先是确定结构损伤程度，包括必要的检查和工艺处理。对于具体的修理工作，表面准备、胶接剂混合、修理材料的使用和胶接固化等工艺步骤应确定、适用和完整，且设备、工装和辅助设施适用于胶接修理工作。

·按批准的胶接修理程序，执行并记录过程控制和质量检查。质量管理应当明确修理过程中的化学活性胶接表面准备和加热速率、固化温度、保持时间等控制在外场存在的问题。

·对检验发现的不符合项和缺陷，需要相应的处置措施。返工和验收程序应基于批准的资料。

3.5其他问题

胶接结构的其他合格审定考虑为：

·在工业界各组织（如MIL-HDBK-17、SAE AMS-P17、SAECACRC、ASTM等）的帮助下，复合材料工程数据库、规范、指南、试验标准不断发展。在胶接结构研制、合格审定、生产和维护工作中鼓励使用这些资料。特定飞机结构使用特定资料进行验证时，需获得批准。

·胶接结构设计、生产和使用部门之间应协调工作。若潜在的胶接问题影响胶接安全和持续适航，则协调工作非常必要。鉴定或结构验证期间的胶接失效，可表明材料不兼容和/或胶接工艺不可靠。生产期间发现胶接失效时，应立即采取措施，查找原因，并将所有相关的零件和组件与之隔离。使用期间发现胶接失效，应立即采取措施，查找原因，将其与飞机隔离，进行检查和修理，并立即报告适航当局。适航当局依据推测的失效严重程度，决定是否停飞飞机。

·与设计、生产和维护相关的工程、技术、检验人员，应当基本了解胶接结构和修理相关的关键技术问题及工艺程序。培训车间人员，保证其正确执行给定的胶接结构工艺步骤和质量检验。培训维护人员，保证其正确执行特定胶接结构工艺步骤和质量检验。

4　结束语

本文分析了复合材料胶接结构中材料和工艺的鉴定与控制、技术设计和结构验证、制造、修理、使用经验等技术问题，阐述了复合材料胶接结构设计和构造、结构验证、生产、持续适航及其他问题的合格审定考虑，有助于工业方理解胶接结构关键技术问题和合格审定考虑，为胶接结构的适航性工作提供技术支持。

［1］Niu M C Y.Composite airframe structures［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2010.

［2］Gu S F.Joints for composites materials［M］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University Press，2011.

［3］FAA.AC 21-26，Quality control for the manufacture of com posite structures［S］.

［4］DOT/FAA/AR-96/111，Advanced certification methodology for composite structures［S］.

［5］FAA.FAR 21，Certification p rocedures for products and parts［S］.

［6］FAA.FAR 23，Airworthiness standards:normal，utility，acrobatic，and commuter category airplanes［S］.

Analysis on technical issuesand certification considerations of com posite bond structure

BAIMeng1，LIU Yue-ping2
（1.China Aero-Polytechnology Establishment，Beijing 100028，China；2.China National South Aviation Industry CD.LTD，Zhuzhou 412002，China）

The adverse issuesof composite bond structure，such as complex process and environmental sensitivity challenge the airworthiness work of boned structures.Based on the advanced technical research in bonded structures and successful engineering practices employed in the industry，the technical issues like material and process qualification and control，design development and structural demonstration，manufacturing and repair imp lementation and service experience，and certification considerations of design and construction，structure demonstration，manufacture and continued airworthiness in the bonded structures'airworthinesswork were analyzed so as to provide guidelines for the airworthinesswork of boned structures.

composite；bonded structure；airworthiness requirements；technical issues；certification considerations

白尨（1987-），男，陕西清涧人，硕士，从事适航性与安全性研究工作。

V214.7

A

1672-2620（2015）02-0057-06

2014-09-03；修回日期：2015-02-22