蜂窝夹层结构件的损伤修理工艺研究
2022-02-18魏江雄
魏江雄
（凌云科技集团有限责任公司，湖北 当阳 444100）
蜂窝夹层结构是由两个表面很薄的面板，中间夹以蜂窝夹芯材料组合而成的一种夹层结构复合材料。目前，常见的蜂窝夹层结构多由内外层面板、蜂窝芯、加强边框等零部件胶合而成，面板可以是纤维织物、铝合金板、塑料板等；蜂窝芯可以是铝合金材料也可以是芳纶纸材料；面板和蜂窝芯之间采用胶膜粘接；蜂窝芯之间及蜂窝芯和加强边框之间采用胶膜或发泡胶拼接；为防止进水，所有对缝处及工艺孔洞均用密封胶密封。蜂窝夹层结构根据结构形式不同可以分为A 夹层、C 夹层及多夹层结构。
随着飞机的轻量化成为飞机设计时的重要考量要素，加之蜂窝夹层结构本身具有强度高、质量轻、透波率好的特点，蜂窝夹层结构复合材料在航空航天领域的使用比例大幅提升。波音737、空客A320 系列飞机的雷达罩[1-2]、内部装饰板均采用了蜂窝夹层结构形式。
1 蜂窝夹层结构零部件的损伤形式
蜂窝夹层结构零部件在制造、装配、地面停放及装机使用过程中，由于维护工艺不当、飞行载荷、工具坠落、雷击、鸟撞和冰雹、地面沙石打击等原因，易造成各种损伤。按照损伤类型和损伤产生的部位进行分类，蜂窝夹层结构产品的损伤形式可分为以下几类。
1.1 面板轻微损伤
面板轻微损伤主要包括面板的划伤、擦伤、表面漆层龟裂、表面轻微凹陷和压坑。这类损伤对产品的总体强度影响较小，通常只需将损伤部位面板蒙皮打磨后涂胶修补。
1.2 表面凹陷
这类损伤通常是由于飞机受到鸟、工装梯架撞击或遭遇恶劣的冰雹天气，造成蜂窝夹层结构面板受到冲击载荷作用而形成较为明显的凹坑，此类损伤通常会造成蜂窝芯的塌陷，对产品结构强度有一定的影响，修理时除更换面板外还需对塌陷的蜂窝芯进行修复。
1.3 脱胶
这类损伤指的是面板与面板之间或面板与蜂窝芯之间出现剥离，引起面板脱粘的原因主要是飞机服役时间长造成的胶粘剂老化、蜂窝芯格内部受潮、进水。脱粘损伤一般不会引起产品外观的明显变化，需借助专门的故检工具如胶木锤或啄木鸟敲击仪辅助检查，脱粘处扩展到一定程度后会对损伤部位强度造成较大影响，修补时需挖除面板蒙皮后重新胶接。
1.4 腐蚀、穿孔
这类损伤多发生在以铝合金作为面板材料的蜂窝夹层结构产品中，随着飞机使用年限的增加，面板将发生腐蚀、穿孔现象。这类损伤修理时先去除腐蚀和穿孔部位的蒙皮，再检查内部蜂窝芯可否留用，如蜂窝芯可继续留用，则保留原蜂窝芯，制作补片进行修补；如蜂窝芯腐蚀或损伤不再具有原状态承载能力，须挖除相应区域的蜂窝芯后再制作补片进行修补。
1.5 穿透性损伤
这类损伤是指产品受到鸟撞或雷击后，面板和蜂窝芯两侧均出现穿孔损伤，穿透性损伤对产品结构强度影响很大，修理后需对产品强度进行评估并经检验后方可确定能否继续装机使用。
2 蜂窝夹层结构产品的修理工艺
2.1 蜂窝夹层结构修理的一般要求
蜂窝夹层结构产品的修理需建立在以下原则之上。
（1）修理区域的强度需与原结构强度相当；修理中使用的材料应与原产品制造使用的材料尽量相同或使用经批准的代用材料，修补区域的织物材料、铺层方向、蜂窝芯方向应与原结构一致，所选用蜂窝芯材料的密度应不小于、边长应不大于原蜂窝芯材料，蜂窝芯的高度应不小于原蜂窝芯。
（2）为保证飞机外表面气动特性，修理后应尽可能避免修补后的补片凸出原机外部蒙皮，修补后需对补片表面和边缘做光顺处理。
（3）产品修理打磨过程中不能损伤未修补区的纤维织物或铝合金表面，打磨时铝合金蒙皮上露出金属光泽的地方应涂刷阿罗丁和锌黄底漆进行防腐处理。
（4）有透波性能要求的产品，例如气象雷达罩，在修理时应按原漆层厚度和牌号进行表面漆层的喷涂，不允许在产品表面刮涂腻子，以免对原产品的透波性能造成损失。
2.2 蜂窝夹层结构修理的一般步骤
飞机蜂窝夹层结构修理的目的是恢复产品的外形完整性的同时，保证产品装机使用能满足其剩余寿命周期要求，即恢复飞机结构的完整性和安全性。蜂窝夹层结构的修理工艺因损伤类别、材料以及使用环境的不同存在一定的差异，为了保证修理质量，产品修理过程必须按照一定的操作规程选择恰当的修理方法进行。一般而言，蜂窝夹层结构的修理过程包括损伤区域确定→评估损伤区域→设计修理方案→准备修理材料、设备→修理实施→损伤区域修理后的检测等环节。各个环节的具体要求和方法如下：
（1）确定损伤区域：确定损伤区域的过程即发现故障、确定故障范围及损伤程度的过程；可以通过目视检查、敲击检查以及超声A 扫、超声C 扫、声振、X 射线检测等方法来确定损伤区域。
（2）评估损伤区域：该过程需要结合产品的修理容限[3]，判断损伤属于允许损伤、可修理损伤还是不可修理损伤。如图1 所示，其中Xa 为需修理和不需修理的临界值，Xb 为能修与不能修的临界值，如果实际损伤尺寸X0
图1 损伤评估示意图
（3）设计修理方案：查询产品结构修理手册或修理工艺规程，根据评估损伤区域情况，选择合适的修理工艺。当前，蜂窝夹层结构修理的主要方法有注胶打螺塞修理、再制造修理、热挖补修理、湿法铺贴修理等方法。
（4）准备修理材料、设备：根据修理方案，维修人员完成修理用预浸料、胶膜、蜂窝芯格等修理器材的领用；准备好热补仪、真空泵等专用修理设备。
（5）修理实施：维修人员按照修理方案完成产品的修复。
（6）损伤区域修理后的检测：采用无损检测方法对损伤修理区域的修理质量进行验收，损伤区域经过修理后应无脱粘、分层、积水等故障现象。
2.3 蜂窝夹层结构的故障检查方法
故障检查是确定损伤区域的重要途径，蜂窝夹层结构件制品的故障检查方法主要包括目视检查法、敲击法及无损检测方法；常用的无损检测方法又包括超声波探伤及X射线探伤。
（1）目视检查法：目视检查法是检查蜂窝夹层结构产品面板损伤程度的最主要方法，该方法主要针对一些易观察且具有明显损伤特点的部位进行目视检测，包括表面涂层龟裂、表面划伤、擦伤、腐蚀、穿孔等现象进行的外观检查。
（2）敲击法：敲击法是使用胶木锤（如图2）或啄木鸟敲击仪敲击的方法寻找和确定面板与蜂窝芯、面板与面板剥离的尺寸。用胶木锤敲击时应用锤背凭其自重对受检部位轻轻敲击，剥离部位会发出沉闷的敲击声。将面板声音变化的每个点用记号笔作出标记，直到将这些点连起来划出剥离区域范围为止。
图2 敲击蜂窝结构用的胶木锤
（3）超声波探伤：采取目视与敲击相结合的方法可以对产品的内外面板损伤、面板与蜂窝夹芯脱粘、孔边裂纹、分层、穿孔等故障进行检查，确定损伤的范围及程度，当故障检查发现产品有损伤时或检测人员对敲击检查的结果有疑异时，可对损伤区域进行超声波探伤检测。BONDMASTER 1000 是便携式的超声波探伤设备，使用时将探头放在待检测部位表面，设备通过发送和接收脉冲能量测量波幅和相位变化，以此来精确检测面板与蜂窝芯的粘接情况。
（4）X 射线探伤：X 射线探伤机可用于检测蜂窝芯格内部的积水情况。X 射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射的原因其强度会减弱。强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿透的厚度。蜂窝夹层结构产品内部积水的X 射线检测正是利用了这一原理，由于水与空气的衰减系数不同，如果蜂窝芯格存在局部积水，则该局部区域透过的射线强度就与周围存在差异[4]，在胶片上会呈现出黑度的差异。
2.4 蜂窝夹层结构修理实例
2.4.1 面板轻微损伤的修理
面板的划伤、擦伤及轻微凹坑，可以通过涂胶修复。具体方法如下：（1）先用300#砂纸打磨擦伤面，在擦伤区域周围5 mm 宽度范围内将擦伤深度打磨平并平滑过渡到主体材料上。（2）用丙酮清洗损伤区域。（3）用650 聚酰胺树脂和6101 环氧树脂按质量比1：1 混合后搅拌均匀，配制成环氧树脂胶液。（4）将胶液涂到擦伤处，待胶液固化后用300#砂纸将凸起的胶瘤打磨至与周边壁板齐平。
2.4.2 面板表面凹陷、腐蚀及单面穿孔的修理
对于面板表面出现凹陷、腐蚀及单面穿孔的故障，修理方法如下：（1）先对损伤区域做挖补，之后修整损伤。（2）制作补片。用玻璃纤维织物预浸料做补片，相邻两层补片的搭接量约为20～25 mm。（3）用丙酮清洗挖补区域，静置15 min 后将胶膜和补片平铺在挖补区，贴补片时补片之间应按照原织物铺层角度交错放置，最外面盖上聚乙烯薄膜。（4）用热补仪对该区域施加所需要的温度和压力，保温一段时间待胶液固化后打磨掉胶瘤。
2.4.3 铺层材料间脱粘的修理
修理铺层材料间脱胶的方法是往脱胶区域注入新胶然后使其固化，具体方法如下：（1）先在脱胶区域钻Φ2.1 mm的小孔若干，小孔应从脱胶区边缘开始钻，间距15～20 mm。（2）用650 聚酰胺树脂和6101 环氧树脂按质量比1∶1 混合后搅拌均匀，配制成环氧树脂胶液。（3）用注射器或注胶枪注入配制好的环氧树脂胶液，从一个孔注胶直到胶液从其他孔溢出为止。（4）用聚乙烯塑料薄膜盖住注胶区域后对其加热和加压处理，待胶液固化后，用砂纸清除胶瘤。
2.4.4 面板与蜂窝芯脱粘的修理
面板与蜂窝芯脱粘的修理方法如下：（1）用敲击法确定脱粘区域损伤边界。（2）采用阶梯打磨法去除损伤区域面板。（3）将蜂窝芯格上已固化的胶膜清除干净，并用砂纸打磨露出新鲜蜂窝端面，用吸尘器将粉尘清理干净。（4）用玻璃纤维织物预浸料做补片，相邻两层补片的搭接量约为20～25 mm。（5）用丙酮清洗挖补区域，静置15 min 后将胶膜和补片平铺在挖补区，贴补片时补片之间应按照原织物铺层角度交错放置，最外面盖上聚乙烯薄膜。（6）用热补仪对该区域施加所需要的温度和压力，保温一段时间待胶液固化后打磨掉胶瘤。
2.4.5 蜂窝芯压塌或穿透性损伤的修理
在飞机使用过程中蜂窝夹层结构产品由于受到鸟类撞击或遭到锐器击中，将出现蜂窝芯压塌或蜂窝夹层结构的穿透性损伤。蜂窝夹层结构压塌和穿孔的修复需要根据损伤区域尺寸和损伤类型的不同选取不同的修理方法，对于外层损伤深度小于2 mm 的擦伤以及小尺寸的脱粘，可根据损伤类型选取上述方法修理；对于大面积的压塌和穿孔，则需要切除整个厚度的损伤区域，切口形状一般为圆形或椭圆形，切口边缘加工出一个斜面，按照切口的形状在玻璃布、蜂窝原材料和胶膜上裁剪铺层毛坯、蜂窝毛坯和胶膜，每层玻璃布四周应留搭接余量15～20 mm，用丙酮清洗切口部位后将胶膜、蜂窝芯和玻璃布依次放到切口处，最外面铺上一层聚乙烯塑料薄膜后用热补仪对该区域加热，待胶液固化后，将凸起的胶瘤打磨至平整，如图3 所示。
图3 蜂窝芯压塌的修理
2.4.6 蜂窝芯进水的修理
首先用X 射线探伤检测的方法确定进水的蜂窝芯格，对于蜂窝夹层内部的水汽，可采用加温烘干的方法进行排水、排潮，加热温度为60～70℃，保温时间为8～12 h。若蜂窝夹层内部水汽过多，通过加温烘干无法排除时，可采用钻孔法对该区域所有蜂窝芯内表面面板钻Φ2.1 mm 小孔后用注射器抽除水分，再用加温烘干的方法进行处理。处理完毕用SY-37 环氧树脂对针眼进行密封。
3 蜂窝夹层结构产品的维护建议
蜂窝夹层结构产品虽然具有较高的强度及刚度，但如果日常维护不当，极易出现损伤。为此，针对蜂窝夹层结构产品的日常维护提出以下建议。
（1）飞机上装有蜂窝夹层结构产品的部位切忌踩踏，产品正常使用的情况下，表面会堆积灰尘、鸟粪等脏物，使用脱脂棉清除产品表面的灰尘及脏物，然后用脱脂棉蘸清水清洗干净后自然晾干；若产品表面蘸有不易擦洗的油污，应用脱脂棉蘸中性洗涤剂擦洗干净。（2）严禁使用干硬的抹布擦除蜂窝夹层结构产品表面灰尘，严禁用蘸有腐蚀性溶剂的抹布擦洗产品表面，严禁化学试剂、溶剂、洗涤剂接触产品表面涂层。（3）定期对蜂窝夹层结构产品进行检查，对于单处损伤总面积小于4 cm2的损伤处，允许短期内（3 个月内）飞行，但应经常检查损伤情况；若损伤区域面积变大，则应按照维修方法及时排除，防止故障（脱粘、腐蚀、裂纹等）继续扩展。（4）具有透波性能要求的产品（如气象雷达罩、ESM 天线罩等）表面出现损伤需修理时，禁止刮腻子修补，以免降低产品的透波性能。（5）飞机需要长期停放时，蜂窝夹层结构产品外表面应罩上保护套，如遇到雨天，雨后应打开保护套进行通风晾晒，防止雨水长期浸泡损伤漆层。（6）蜂窝夹层结构产品拆卸、安装时，应轻拿轻放，避免产品发生碰撞、压伤和划伤表面漆层，产品转运时应放在专用拖车或托架上，产品存放时应放置在阴凉干燥并远离热源的场所。
4 结论
本文论述了蜂窝夹层结构产品的损伤形式、列举了几种修理工艺、提出了蜂窝夹层结构产品的维护建议。本文所列举的修理工艺能够满足实际修理需要，具备可操作性，可以有效帮助内场复合材料维修人员和外场机务人员快速有效发现和判断蜂窝夹层结构产品的故障，根据故障情况制定修理方案，选择合适的修理方法将故障排除，能够有效减少飞机的外场停放时间。
