胶接工艺在装配过程中的应用分析及发展

沈正悦

（上海飞机制造有限公司，上海 200436）

1 胶接工艺的特点及应用

1.1 胶接工艺介绍

胶接工艺按结构可分为钣金件胶接、蜂窝胶接和复合胶接3种，常应用于机翼操纵面，尾翼结构和发动机结构等区域。

钣金件胶接为平板胶接结构，工艺简单，多层平板胶接时注意控制气泡及排气，确保产品的胶接质量。

蜂窝胶接有盆形、直角、楔形3种蜂窝结构，在扰流板项目中用到蜂窝胶接楔形蜂窝结构，装配时需要考虑容差分配对胶接零件的影响。由于蜂窝芯高度对于梁、肋及缘条的胶层厚度影响较大，因此采用二次胶接的方法，可以减少装配误差及拒收情况。

复合胶接工艺包括胶铆、胶螺、胶焊、复合材料胶接、纤维增强胶接，以胶接工艺为主。在前起落架舱门项目中用到胶铆工艺。

胶接工艺以胶黏剂为主，利用了胶黏剂在零件连接面上所产生的结合力，将2个被黏物连接在一起，使两者具有强力的黏结效果。

1.2 胶接工艺与铆接工艺的特点

铆接属于机械连接，常见于飞机装配。通过钻孔，使用铆接工具产生的轴向压力，将铆钉镦粗变形并形成镦头，使2层或多层零件连接紧固在一起。

铆钉具有质量轻、强度高，容易加工的特点，并且铆钉便于拆卸、材料成本低廉。但是，铆接的不连续性导致局部应力集中，抗疲劳性差，制造过程容易产生蒙皮折皱。

对比铆接，胶接零件与零件间应力分布均匀。胶接组件具有良好的密封性、耐腐蚀性和抗疲劳性，可以大幅度减轻产品整体的质量，适用于水密、气密和油密结构，还具有较好的绝缘和抗震性能，胶接面相对平整光滑，外观更具流线形[1]。有研究表明，铝合金薄板胶接结构的疲劳寿命比铆接结构高15倍，耐声疲劳强度也优于铆接结构。胶接加强筋比同类铆接壁板提高抗压强度约20%，胶层具有优良的止裂性能。

1.3 胶接工艺背景与现状

胶接技术在20世纪40 年代兴起，具有无须开孔、应力集中小、密封性好等突出优点，在航空领域广泛应用[2]。美国军用飞机在50年代采用蜂窝胶接结构，60年代改为无孔蜂窝结构，60年代末胶接区域出现大量腐蚀、分层破坏，因此发现了胶接结构强度性能离散性很大、易老化的致命弱点，并在空军PABST （主承力胶接结构技术）研究项目中得到了验证。之后的20年中，美国建立了先进胶接体系概念，包括选用先进的胶黏剂及配套体系，采用适合胶接且耐久的金属表面制备方法，使胶黏剂与零件表面形成耐久的结合面，同时还对胶接接头采取严密的防护，预防环境腐蚀。通过研发耐腐蚀底胶、铝合金表面阳极化处理、耐蚀的蜂窝芯以及严格的胶膜保护方法，波音、麦道飞机的胶接结构质量减轻了15%，降低了20%的生产成本。

近30年间，国产高温固化结构胶黏剂的研制与应用有了长足发展，基本上实现了与军用预浸料、复合材料体系的配套，但是在民机领域的应用研究尚处于起步阶段。民用飞机胶接构件制造应用于欧美一些主要飞机中，发展迅速，胶接工艺日益成熟，胶接件的安全性、可靠性及耐久性大幅度提高。波音公司从波音 707到最新的波音 787 都有上百平方米到上千平方米的胶接面积，其中波音737飞机有400m2面积使用了结构胶膜和胶黏剂体系，747 飞机达到3200m2的面积。

2 波音项目胶接工艺

2.1 波音747前起落架舱门内、外蒙皮胶铆工艺

胶铆工艺属于胶接工艺中的复合胶接，以胶接工艺为主，可以视作胶接与铆接的结合[3]。胶接件虽然具有高强度和抗疲劳性，但是目前的胶黏剂大多属于有机高分子物质，高低温对其性能有较大影响。胶层在有光、热以及部分有机溶剂的条件下容易老化并导致变脆或强度降低等，在胶接过后，胶接件容易分离且胶膜难以剥离。而采用胶铆连接工艺，可以将铆接和胶接两者缺点相互弥补，取得更好的效果[4]。

2.2 胶铆准备工作

在使用胶铆工艺前，要按照周边环境的清洁和温湿度要求，使胶铆工艺无污染，准备工作如下：1）准备专用净化间，包括空气净化机、温湿度检测仪，保证胶接过程无污染。2）胶接前，按规范要求对所有待胶接面进行预装配并检查配合容差。配合面上的毛刺不应超过0.00508cm，检查零件以确保只需要轻微的手压即能在所有待胶接表面上达到均匀接触。3）记录BMS5-101 II型胶膜贮存温度及出库时间，在10℃～40℃取出最多6次，最大暴露时间不超过240h。使用温度高于32℃时，双倍计算暴露时间；超过32℃的总计时间不得超过72h。4）对底胶零件返工，使用温度范围为10℃～32℃，最大累计暴露时间96h。对表面污染、标记油墨或不暴露金属基体的损伤，使用丁酮进行2次溶剂清洁，使用底胶轻轻抹一层修补，补胶后至少空气干燥30min。5）胶接时先清洁待胶接面，从待胶接面上移除黑色胶带（防紫外线），使用甲乙酮（ASTM D740）润湿的BMS15-5 A类揩布擦拭待胶接表面，然后在甲乙酮完全挥发前，立即用1块清洁干燥的揩布擦干。及时更换污染的揩布，重复2次清洁过程。6）转运车辆配备空调及温度记录仪，保证车内温度在20℃～30℃。胶接组件进热压罐前负载热电偶，记录固化过程温度变化。控制固化的升温速率和降温速率，可以控制胶黏剂反应速度；减少胶接的内应力和组件变形。7）布置固化前的安放位置及朝向，标注内外蒙皮上下朝向，防止固化过程中胶膜受热流出，滴到产品无保护区域。如图1所示。

图1 舱门固化布置图

2.3 胶铆工艺过程

在初次制造747前起落架舱门时，笔者参考波音之前的经验，先铺贴外蒙皮胶膜，安装铆钉，再铺贴内蒙皮胶膜，安装内蒙皮抽芯钉，最后将舱门组件送入热压罐进行高温固化，完成整个胶铆工艺。

完成胶铆产品之后，笔者通过无损检测技术检测胶接的情况，结果显示舱门存在脱黏现象，固化后的胶膜与连接的肋板脱离，边缘处存在翘起，另外发现胶膜的厚度发生了变化，按照使用的胶膜厚度为250μm，胶膜厚度区间要求为50μm～500μm，高温固化后出现部分薄部分厚，超出了规范要求（注：无损检测是在不破坏产品结构的前提下，利用热、声、光、磁等反应在内部结构异常区域产生的变化，来探测缺陷（图2））。

图2 示波器无损检测数值分析示意图

为了检验无损检测结果，笔者对扫描问题区域标记，采用破坏试验验证。

2.4 破坏试验及失效分析

对脱黏区域进行剥离试验，对铆钉周边切片进行金相试验。剥离结果胶膜与胶接面只有一侧结合，另外一侧完全脱黏。切片的金相结果显示，在铆钉附件，胶膜厚度已小于要求区间最小值；铆钉与铆钉间隔区域较好，零件边缘的配合间隙已达到区间最大值，从黑色区域判断胶接面已出现脱黏，胶膜厚度只达到间隙的一半。通过破坏试验和现场制造过程发现3个问题。

在铺贴胶膜时，按规范要求，隔离棚内胶膜控制温度为10℃～40℃，结果发现实际过程中，温度20℃以下胶膜黏性不足，无法黏住零件胶接表面且容易产生气泡。胶接的好坏取决于被胶接体与胶黏剂分子之间紧密接触产生的吸附，这种物理吸附作用力包括分子间界面黏合力和体相内聚力，胶接界面的空隙率越小，胶接强度越强，而这也是脱黏的主要原因。

金相试验表明，蒙皮铆接之后，铆接产生的轴向压力使周边钣金变形，胶铆用到的框架零件均为钣金件，厚度只有0.1016cm～0.1524cm，铆接时的压力极易使铆钉周围钣金件变形，导致靠近铆钉间隙小，远离铆钉间隙大，胶膜在热压罐高温作用下形成液体，流动过程中造成胶膜厚度不一致，形成脱黏。

胶铆过程中，框架与蒙皮之间通过铆钉连接，受力不均匀，同时框架是钣金零件，所有翻边不能保证与蒙皮间隙一致，而贴胶膜过程中全部使用一层胶膜，部分区域未能满足胶膜填满间隙的要求。

2.5 工艺方案设计及测试

问题分析后，为了避免铆接对配合间隙的影响，决定将胶铆的工艺流程改为先胶接固化再铆接，利用固化后胶接组件刚性高的特点，消除铆接造成的钣金件变形影响。在高温固化时，用穿心夹代替铆钉，对胶接面进行临时紧固。为了验证穿心夹是否能提供足够的夹紧力，笔者做了试件评估，结果表明试验件受力均匀且间隙符合要求（图3）。

图3 金相实验检查空隙

为了使胶接界面的空隙减小，提升被胶接体与胶黏剂分子之间的吸附力。工作人员在净化间安装空调，维持温度在25℃，增加胶黏剂的吸附力。同时规定铺贴时不能折叠、拉伸胶膜，去除卷入的气泡，平稳将胶膜按压到位，不要夹裹空气，允许对多片胶膜进行对接或搭接，单搭接量不得超过1.27cm，任何部位的胶膜尺寸不得小于零件尺寸，这样满足了胶膜贴合面的间隙要求。工艺方案更改落实后，解决了胶膜脱黏问题。

3 胶接工艺性能分析及未来发展

通过747前起落架舱门蒙皮胶铆工艺，对胶接工艺进行分析。

3.1 影响胶接性能的因素

影响胶接性能的因素：1）固化温度是关键，通过控制升温、降温速率，促使胶黏剂熔融，加快聚合反应和固化速度，促使胶黏剂和胶接表面之间发生化学反应。温度过高会引起胶层变化，内聚强度下降，胶膜在固化过程中降解、分解和氧化，在受力载荷作用下蠕变破坏，而温度过低会导致胶层变脆，材料膨胀不一产生内应力[5]。2）固化压力及胶接表面贴合质量。胶接内应力对胶接强度和耐久性影响很大，而内应力来源于固化时胶黏剂和零件接触面膨胀收缩，受力不均，受热不均都会加速胶接老化，降低胶接制件的使用寿命。3）胶接破坏与腐蚀。扰流板制造过程中，铅极板上存在的铜锈来源于一些铜的附件（铜钩、铜排），槽液中过多的铜可能会与零件在未通电的情况下发生置换反应，造成污染。这种腐蚀的位置受加载速率、环境条件而改变。破坏常起始于构件暴露的边缘，例如贯穿胶层的铆钉孔、螺栓孔的边缘、接头边缘、壁板边缘，之后逐步扩大。4）胶黏剂的选取。飞机使用的胶黏剂至少要与飞机同寿命，并对环境条件做寿命试验，确定胶接结构件的稳定性。同时，胶黏剂要包括材料相容性，工艺性和经济性，适用期和贮存期要长。5）胶接表面处理。波音项目的胶接零件表面都喷涂底胶及磷酸阳极化处理，在装配前通过特定胶带保护，防止紫外线直射。对于装配过程中的磕碰伤、划伤等，规定了在929.0304cm2上允许的最大补胶面积为1.6129cm2，返工部位距胶接面边缘至少0.381cm，补胶面积不能超过总胶接面的2%这些要求，在允许的前提下修补表面缺陷。

3.2 胶接工艺的完善与发展

民机作为交通工具，想要稳定发展，安全性和经济性将是重点。飞机轻量化是提升市场竞争力的重要途径，轻量化主要通过轻金属材料以及复合材料等提高整机质量，减少油耗、排放，提升飞行速度、材料疲劳寿命。未来20年内，国产民机将面临产品安全性、降低生产成本以及批量化制造的难点，而国际主流机型采用的铝锂合金和碳纤维增强塑料（CFRP）将会逐渐应用。与铆接结构相比，复合胶接工艺减少金属、复合材料的厚度，从而减轻重量。同时，机械连接接头的不连续性导致连接点的局部应力集中，容易使蒙皮产生皱折和凹坑，在拉伸载荷下强度降低，从而使构件由于疲劳而过早失效，对于高质量蒙皮而言是不可接受的。

为了提升复合胶接质量，开拓新材料胶接技术和简化胶接固化工艺将会是未来重点。胶黏剂目前种类繁多，有些性能优异，但存在固化温度难以把握、胶接前工艺准备烦琐等缺点。胶黏剂从最初的硝化纤维素类，酚醛类，再到环氧类，改性环氧类等。在不断完善胶接体系的过程中，改善了操作性能，更加简单方便。

4 结论

胶接作为一种先进的连接装配方式，未来将大量应用于航空工业。而针对具体区域，采用何种胶接结构，设计人员要根据胶接材料的特点来确定蜂窝胶接，钣金件胶接和复合胶接方案。为了确保胶接产品质量，操作环境和热压罐设备十分重要，超声波检查和目视检验必须严格。随着飞机先进复合材料部位日益增多，复合材料胶接仍有许多技术难点等待解决，工程技术人员应对胶接工艺有足够的重视。