飞机腹鳍复合材料结构胶接技术优化研究

陈争新

（海装西安局，四川 成都610091）

腹鳍是某型飞机的主要复材部件之一，它是由复合材料面板、骨架零件和Nomex 蜂窝芯组成的复杂夹层结构。其成型方法一直为：胶接夹具→零件准备→校验→修切→清洗→铺贴胶膜→组装封袋→进罐胶接→脱模→送测。其主要特点是：a.双面胶接，即蜂窝芯骨架零件与左右面板同时胶接成型（共固化技术）；b.胶膜铺贴采用常温封袋压实；c.胶接时所有的定位钉全部安装。但为了解决飞机起飞和降落过程腹鳍擦地受损问题，对整个腹鳍进行了更改即加大了长宽，如图1，从而导致腹鳍的刚性和内应力分布发生了改变，使其胶接难度增大[1]。对更改后的腹鳍在采用原来的技术进行胶接时，连续出现了板- 芯脱粘问题，严重地影响了飞机的研制进度(如图1)。为此，我们从分析板- 芯脱粘的主要影响因素入手，筛选了试验方案，进行大量的工艺试验，分析统计试验结果和数据，对胶接方式、面板除湿、蜂窝芯处理、胶膜铺贴、定位方式和工艺参数进行了优化[2]。该技术用于腹鳍的生产，彻底地解决了腹鳍板- 芯脱粘故障，实现了该产品的批量合格交付。

图1 某型飞机腹鳍外形更改简图

1 脱粘原因分析

分析腹鳍板——芯脱粘原因，我们主要集中在以下几点：a.结构改变就改变了零件的刚度和零件的内应力分布，胶接后存在较大的内应力；b.蜂窝芯的高度收缩影响了零件间的配合；c.面板吸潮；d.胶膜铺贴工艺差；e.胶粘剂的挥发份影响胶接质量；f.工艺参数不尽合理；g.定位钉约束了面板与蜂窝芯在胶接过程中的贴合状态。

2 试验结果与讨论

2.1 熨斗温度及溶剂对板- 芯胶接质量的影响

测试熨斗温度对胶接质量的影响，包括对胶接性能的影响。

测试清洗界面所用溶剂对胶接质量影响。

根据试验结果，我们得到以下经验:a.对于现行工艺方法，熨斗的使用只要温度控制在65℃以下，即手可以长时间接触，不会对胶膜及胶接质量造成影响。b.溶剂清洗面板和蜂窝芯后只要充分晾干，不会对胶接质量造成影响。

2.2 蜂窝芯的纵向收缩试验

由于腹鳍所使用的蜂窝芯容重偏低，我们怀疑它的浸胶和蜂窝芯的树脂固化程度不够。导致在结构胶接时，蜂窝芯的高度收缩影响零件间的配合。为测试具体的收缩数据，我们按腹鳍胶接的技术条件进行了蜂窝芯的收缩试验。测取在蜂窝芯的同一点的固化前和固化后的高度数据。结果表明蜂窝芯的高度收缩量竟达2%。

针对这一试验结果，我们采取了以下措施:a.对于已经铣切好的蜂窝芯，在预装状态下在热压罐内对蜂窝芯进行加温处理，提高蜂窝芯树脂的固化程度，增加蜂窝芯的刚度，减少蜂窝芯在胶接过程的高度收缩。但此过程会对蜂窝芯的轮廓外形有影响；b.对于未进行铣切的蜂窝芯毛坯，则在铣切前对蜂窝芯在烘箱内进行热稳定预处理。c.在这一方面，我们认为要控制蜂窝芯的变形程度，蜂窝芯的制造技术必须有所提高。

2.3 面板吸潮试验

由于面板制造与零件胶接的时间间隔较长。面板在存放过程中如果不进行密封保存，在湿度高的地区，零件的吸潮非常严重，影响板芯的胶接质量。于是我们设计了面板的除湿试验，将面板在110℃的温度下烘烤2h，比较烘烤前后的重量，结果表明，面板的吸潮率为0.6%。针对这一情况，我们采取胶接组装时铺贴胶膜前对面板进行除湿处理，且采取措施防止再次吸潮。

2.4 胶膜的铺贴方式

从板芯脱粘的破坏件分析，脱粘发生在胶膜与面板之间。因此，我们怀疑胶膜与面板的黏着力不够，铺贴性差。比较两种铺贴方式: 铺贴胶膜后冷封压和铺贴胶膜后的热封压。分别制作板芯试验件进行性能测试。结果证实: 进行热封压的铺贴方式优于冷封压的铺贴方式，而且热封压便于操作。

2.5 定位方式

由于蜂窝芯在高度方向上有收缩，而且蜂窝芯不是等高度，腹鳍的外形有一定的型面，因此在胶接过程中，过多的定位钉会约束面板的自由伸展，影响面板与蜂窝芯的贴合状态，取消部分定位钉进行试验，结果表明面板位置确实有所伸展，这说明假设是成立的。

2.6 单面胶接试验

腹鳍结构的改变，改变了零件的刚度和零件的内应力分布，试制批双面胶接不利于胶接应力的释放，因此我们试验了单面胶接方式: 即蜂窝芯、骨架零件先与左面板预胶接，然后再与右面板胶接。这样，应力在两次单面胶接过程中逐次释放。并且观察板- 芯胶接试块和腹鳍胶接件板- 芯脱粘处的破坏截面。发现胶膜在胶接过程中产生大量的气泡，即有小分子挥发份溢出。这一现象会影响胶接质量，采用单面胶接可以较好的排除溢出的气体。实践证明，单面胶接很好地解决了板- 芯脱粘的问题。

2.7 取消定位钉的必要性确认

单面胶接解决了板- 芯脱粘的问题后，但是工艺改为单面胶接后，没有定位钉的固定，工艺操作非常困难，而且预胶接脱模后胶接件变形量很大，因此考虑导致脱粘的根本原因，确认取消定位钉的必要性。于是试验尝试恢复定位钉，为了保险起见，可以采取一颗一颗地恢复，试验结果，直至全部恢复，均未出现板- 芯脱粘问题。这表明，改为单面胶接后，定位钉虽然会产生一定的应力，但不会引起板- 芯脱粘。鉴于以上试验，除湿是否必要也有待考察，但考虑到生产地区湿度较大，而且不除湿风险较大，因此保留了除湿处理。

2.8 优化措施

综合2.1～2.7 的结果，我们对腹鳍胶接工艺进行了以下优化:采用单面胶接，以缓解因结构的改变而出现的应力增加，而且有利于挥发份的排除；由于采用单面胶接，胶接的工艺参数进行了相应的调整和优化；针对蜂窝芯的纵向收缩，我们对蜂窝芯进行了预处理，减少胶接时蜂窝芯的纵向收缩量，以避免影响面板与蜂窝芯的配合；将面板在铺贴胶膜前进行除湿处理，且在铺贴胶膜后进行热封压，以提高胶接质量。

采用以上优化措施后，我们彻底消除了腹鳍板- 芯脱粘，连续生产了多件板- 芯合格的腹鳍胶接件。

3 结论

某型机腹鳍长宽比加大更改后采用原共固化胶接工艺过程中出现的板- 芯脱粘问题的原因可能是：零件的刚度和零件的内应力分布状态改变，胶接后存在较大的内应力；蜂窝芯的高度收缩影响了零件间的配合；面板吸潮；胶膜铺贴工艺差；胶粘剂的挥发份影响胶接质量；工艺参数不尽合理；定位钉约束了面板与蜂窝芯在胶接过程中的贴合状态。针对这些原因通过分析熨斗温度及溶剂对板- 芯胶接质量的影响，进行蜂窝芯的纵向收缩试验、面板吸潮试验、胶膜的铺贴方式试验、定位方式单面胶接试验、取消定位钉的必要性确认等，采用单面胶接二次固化、预处理蜂窝芯、面板除湿、采用热封压等措施对腹鳍的胶接工艺进行优化，解决了板- 芯脱粘问题，实现了产品的批量合格生产。