波音737-NG鋁合金膠接技術(shù)

陳俊逸 深圳航空有限責任公司工程師

波音737-NG鋁合金膠接技術(shù)

陳俊逸 深圳航空有限責任公司工程師

本文主要向讀者介紹波音737-NG飛機上的鋁合金膠接技術(shù)，通過對本文的閱讀能讓讀者充分認識鋁合金膠接技術(shù)在波音737-NG系列飛機修理中的應用。并通過對其相關(guān)修理知識的介紹，讓讀者了解掌握該技術(shù)。

前言

飛機金屬結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)修理方法是鉚接、螺接、焊接和其他機械連接等方法，修理之前需要在受損的結(jié)構(gòu)上鉆孔或沖孔，削弱了零件了密封問題。零件承受負載時，孔的周圍會形成應力集中和應力分布不均。為了解決應力集中，若加厚材料，會引起結(jié)構(gòu)重量的增加，應力分布不均勻會降低結(jié)構(gòu)疲勞壽命。鉆孔的邊緣是人為的疲勞源，機械連接處有接觸腐蝕的危險，在周期性載荷作用下會發(fā)生松動，而鉚接和螺接往往費工費力費時。

隨著化學工業(yè)的發(fā)展，新的樹脂膠粘劑大量出現(xiàn)，金屬膠接技術(shù)的應用得到了迅速的發(fā)展。在航空方面，荷蘭Delft大學復合材料研究所率先使用結(jié)構(gòu)連接設計，而澳大利亞的Bak er教授成功用于軍機修理，至今已有30年的歷史，修理了大量的老齡飛機，在大型民航飛機L-1011的門框膠接修補項目方面，取得了F A A的適航證。

一、金屬膠接技術(shù)特點

膠接連接和修補方法，與鉚接、螺接、焊接等傳統(tǒng)連接和修補方法相比，具有獨特的優(yōu)點：

（1）無應力集中，抗疲勞性能好，在膠接結(jié)構(gòu)中，疲勞裂紋的擴展緩慢。

（2）膠接結(jié)構(gòu)重量輕，可省去大量的鉚釘、螺栓。因為沒有焊縫，不會起皺，表面光潔。

（3）膠接不僅提供了配合表面之間結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系，而且保證了密封。

（4）膠粘劑層對振動有阻尼作用，這就降低了噪聲載荷的等級。

（5）膠接結(jié)構(gòu)中沒有空穴和縫隙，不存留潮氣或其他腐蝕物質(zhì)，減少了腐蝕作用。

膠接技術(shù)雖然有很多優(yōu)點，也有其局限性，主要不足之處有：

（1）膠接的剝離強度較低，在使用環(huán)境下膠接劑的老化程度難于進行鑒定。

圖1

（2）膠接質(zhì)量因受多種因素的影響，它的NDT檢測手段還不夠完善。

時至今天，隨著使用和維護修理經(jīng)驗的大量積累，性能和檢驗手段的不斷完善，金屬膠接修補技術(shù)在波音飛機上早已廣泛應用。對于波音737NG飛機，在2006年出版的波音737NG系列飛機的SRM 51-70-10中更新了鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)的修理方法，放寬了用戶的損傷允許修理范圍。

B 737NG飛機上采用了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，分別用于翼尖、擾流板、前緣縫翼、內(nèi)外側(cè)襟翼的后緣楔形件等。鋁合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在傳遞表面夾板的壓力或張力載荷到其他受力結(jié)構(gòu)時，形成面內(nèi)橫向剪切，面內(nèi)扭轉(zhuǎn)扭剪和面內(nèi)拉伸與面內(nèi)壓縮載荷等。

二、鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)的膠接修理程序

采用膠接技術(shù)修理的關(guān)鍵是修補前的準備工作，可以參考結(jié)構(gòu)修理手冊中SRM 51-70-10進行。對鋁及鋁合金的待修表面，在確定了損傷范圍，去除了損傷區(qū)域，進行了表面清潔后，為使金屬膜層與粘接樹脂有較高的膠接強度，必須在粘接部位預先進行磷酸陽極化處理。在飛機上應用這種傳統(tǒng)的方法處理，一般采用局部磷酸陽極化處理方法——The Phosphoric A cid Con tainm en t System(PACS)和在此基礎上的改進方法。

波音公司在SRM中推薦采用H eatcon Com posite System進行熱補修理，與之配套H ea tcon公司還研發(fā)了一個配套的附件HCS2046-02表面處理儀，為飛機鋁合金結(jié)構(gòu)粘接之前做磷酸陽極化表面處理。HCS2046-02表面處理儀包括三部分：一、控制器：控制電路、電源、陽極化電壓、顯示及真空泵；二、流速控制器：由水、酸控制活門以及流速計組成；三、附件包：包括盛液瓶，導線，不銹鋼絲網(wǎng)，管接頭及各種軟管。

HCS2046-02表面處理儀的基本原理是讓12%的稀磷酸H3PO4（單位面積所需磷酸量是0.01升/平方英寸），從待處理表面緩緩流過，以待修鋁合金為陽極，不銹鋼絲網(wǎng)為陰極，加以9.5～10V直流電，在21～29°C下，陽極化20～25分鐘。如果修理平面帶有角度不是水平面或是下表面，這時可增加一個真空袋裝置，保證密封，防止帶有腐蝕性的磷酸溶液流出。

圖2

三、具體實施步驟

（一）預處理階段：

1.用溶劑清除干凈修理區(qū)域表面的灰塵、油和其他污染物。

圖3

2.通過使用褪漆劑或機械打磨的方法除去修理區(qū)域的漆層。

注意：PACS表面處理前必須將所有漆層清除干凈，否則將影響處理效果；使用褪漆劑時不允許褪漆劑流到膠接結(jié)構(gòu)中去。

3.使用MEK等溶劑清潔去除漆層后的修理表面。

4.用百潔布或能產(chǎn)生等同效果的工具修磨修理表面。

注意：用防酸膠帶保護非好修理區(qū)域，防止磷酸緊固件、蜂窩芯裂縫或其他無損傷區(qū)域，并作為標志圍在修理區(qū)四周。

圖4

5.清潔干凈后做目視水膜測試。

注意：水膜測試是指用不超過100°F（38℃）的水沖洗后，表面連續(xù)的水膜保持至少30秒。

6.檢驗表面連續(xù)的水膜（無水珠）是否能保持30秒，若不能，則重復3-6的步驟，直到符合標準為止。

7.水膜測試通過后立即進行陽極化處理。

（二）陽極化處理階段：

PACS系統(tǒng)必須正確安裝才能進行陽極化以及安全地處理磷酸。

1．調(diào)配磷酸。注意：磷酸具有腐蝕性，使用時應防止磷酸與皮膚、眼睛接觸，工作時應作好個人防護。如不慎接觸到磷酸，迅速用大量清水沖洗，然后進行治療。

2．在修理工作臺上鋪放塑料薄膜，以防止污染。

3．PACS系統(tǒng)要求進行鋪層，PACS表面處理儀連接導線。

4．確保做陽極化的鋁部件和磷酸溶液的溫度在79-85°F（21～29°C）之間。

5．將三通閥門打到磷酸對外供應位置，接通外部電源，開始進行陽極化。

6．當所有的酸流過真空袋，關(guān)上磷酸供應管，將三路閥門的凈水通路打開，沖洗表面至少5分鐘。

7．關(guān)閉電源，拆除鋪層。

8．迅速用水沖洗表面至少5分鐘。

9．讓處理過的表面在室溫下充分干燥，或者用低于160°F（71°C）的熱風將其烘干。處理后的工件表面不要用裸手直接觸碰，以防止污染已陽極化的表面。

10．檢查處理好的金屬表面的質(zhì)量。陽極化處理后的表面，在熒光燈或日光燈小角度的入射下，通過旋轉(zhuǎn)90度的偏振片可以看到連續(xù)變化的光，一般呈紫、黃或綠色的彩虹般的色澤。同時也可以通過使用歐姆表、紅外濾光片來檢查磷酸陽極化表面的質(zhì)量。

11．如果處理后的表面顏色劇烈變化，或有電燒蝕現(xiàn)象則陽極化處理不成功，許重新進行陽極化處理。

圖6

圖5

12．在24小時以內(nèi)對陽極化區(qū)域噴/刷底膠。

PA CS磷酸陽極化過程中為保證磷酸溶液流動，使用的儀器設備較多，如果將流動磷酸調(diào)制成半流動狀態(tài)，而電流仍能正常流動，則相對比較簡單，且操作方便。這種方法稱為PANTA（The Phosphoric A cid Non-Tank Anod izing）,要領(lǐng)是在磷酸溶液調(diào)配時加入黏稠劑，直到溶液變稠，成為膜片，將其貼在零件待修處表面，同樣通以直流電，進行陽極氧化。具體過程如下：

1．進行預處理，與PACS處理方法相同。

2．在工作區(qū)域鋪放塑料薄膜。

3．用鋁鉑帶、防酸膠帶、固態(tài)氟化乙丙烯（橡膠）或其他等同物料圍在待處理區(qū)域周圍，形成一個壩，防止磷酸溶液流出。

4．調(diào)配磷酸溶液。

5．可以在金屬表面倒調(diào)配好的磷酸溶液，也可以在金屬表面均勻的涂一層濃度為12%的膠狀磷酸或PR 50的涂層。（PR50膠狀磷酸混合物可以通過訂購獲得；或者將Cab-O-Si——一種研磨得很細的硅化物，加到1 2%的磷酸中，直到溶液變稠。）

6．在該鋪層上鋪設2～3層紗布，紗布必須比待陽極化表面大，至少向外延伸0.5英寸（13mm），然后加入磷酸溶液（或膠狀磷酸），確保浸透紗布。也可以事先把紗布完全浸泡在磷酸中，再放到待陽極化工件表面上。

7．放置一張不銹鋼絲網(wǎng)，可在其上再加一層完全浸透磷酸溶液（或膠狀磷酸）的紗布。但必須確保不銹鋼絲網(wǎng)不接觸到待陽極化的鋁件表面。

8．將不銹鋼絲網(wǎng)作為陰極，鋁件作為陽極。同時為了防止磷酸在通電時蒸發(fā)干，必須確保有足夠的磷酸保持極化表面的濕潤。

9．慢慢增加電壓（約每分鐘5V）直到在9.5～10V之間，保持10～12分鐘。值得注意的是電壓增加過快會使鋁件表面燒傷（高于20%）。

1 0．陽極化結(jié)束后，斷開電路，移去不銹鋼絲網(wǎng)和紗布。

1 1．立即用負離子水沖洗陽極化部件5分鐘。該步驟要求陽極化后到?jīng)_水的時間應控制在2.5分鐘以內(nèi)，并且不能擦拭陽極化表面，直接用負離子水沖洗。

12．讓沖洗完的陽極化部件在室溫下風干30分鐘，或在140-160°F下烘干。

13．檢查處理好的金屬表面的質(zhì)量。陽極化處理后的表面，在熒光燈或日光燈小角度的入射下，通過旋轉(zhuǎn)90度的偏振片可以看到連續(xù)變化的光，一般呈紫、黃或綠色的彩虹般的色澤。

1 4．如果陽極化效果不明顯，則重復4至13。

圖7

除了上述PACS和PANTA磷酸陽極化系統(tǒng)外，波音公司在2005年有關(guān)金屬結(jié)構(gòu)膠接修理的SL和以后的SRM手冊中提出了Boegel(AC130)表面陽極化處理方法，適用于多種金屬結(jié)構(gòu)膠接修補預處理，能用于鋁、鈦和不銹鋼等金屬，而且無毒，對環(huán)境沒有污染。Boegel（AC130）具體處理步驟如下：

1．用MEK（甲基丙基甲酮）或丙酮清潔表面。

2．用百潔布Scotch Brite或180#砂紙（或更細的砂紙）打磨表面。

3．用干燥空氣或氮氣除去粉塵。

4．用M PK或丙酮清潔表面。

5．按制造商使用手冊的建議混合調(diào)配材料。用50m l的AC130溶液可以處理200平方英寸（1300平方厘米）的待修區(qū)域，可按此比例計算所需溶液量。調(diào)配好的溶液需放置30分鐘以后才能發(fā)揮作用，其有效期為10個小時。

6．用180#鋁砂紙和隨機軌跡砂磨器或靠模打磨器進行打磨，按規(guī)定方向打磨表面，每30分鐘換砂紙，并按與原來方向垂直方向打磨表面。打磨的目的在于去除金屬表面的氧化層。

7．確保修理表面以及邊緣均打磨干凈后，換上新的砂紙，按任意方向打磨整個表面。

8．做目視檢查，檢查表面是否完全打磨干凈；如果達不到則重新打磨。

9．用吸塵器除去粉塵，保持表面清潔。

10．確保在打磨結(jié)束后30分鐘內(nèi)涂上AC 130溶液，以免表面氧化。

11．用鋁鉑帶、固態(tài)FEP（氟化乙丙烯（橡膠））或其他合適材料圍在損傷區(qū)域周圍，將機械緊固件及其他區(qū)域隔離開，防止污染。

12．確保AC 130及待修件表面溫度在50-100°F（10-38°C）之間。

1 3．用干凈、非金屬的毛刷或噴霧器將AC 130溶液施涂到膠接表面。保證膠接表面完全浸透在溶液中至少2分鐘。

1 4．檢查濕潤表面是否與水膜測試結(jié)構(gòu)相似，即表面連續(xù)的溶液薄膜保持至少30秒鐘。如不能，則需重新進行清潔、打磨、處理等步驟。

15．如果檢查通過，則排出剩余溶液。如果縫隙等地方還有少量溶液，可用過濾的干燥空氣吹干，或用浸有AC 130溶液的粗棉布吸去。

16．讓部件在室溫下表面干燥至少60分鐘，或在不超過160°F（71°C）溫度下烘干。

17．檢查處理好的表面是否干燥，有無灰塵、指印或其他污染物。用吸塵器除去灰塵。如果表面還有其他無法用吸塵器除去的污物，則重新進行清潔、打磨、施涂AC130的步驟。

18．立即噴/刷底膠進行膠接修理；如不立即施涂底膠，可用真空袋薄膜或沒上蠟的紙保護待膠接的表面。

19．在施涂AC130溶液24小時內(nèi)，必須噴涂BMS5-89，Ty pe II型底膠進行膠接修理。

（三）膠接修復損傷區(qū)域

1．膠接樹脂膠膜選用

波音公司明確規(guī)定任何航空器使用及承修單位必須使用滿足波音特定材料QPL（Qualified Products List）規(guī)范的航空材料。在波音737NG系列飛機金屬膠接修理中用到的樹脂是滿足BMS5-101 II型和BMS5-137 II型制造標準的樹脂及樹脂膠膜。其中，BMS5-101 II型樹脂膠膜僅適用于250°F（121°C）溫度制造部件的250°F（121°C）膠接修理；BMS5-137 II型可用于350°F（177°C）溫度制造部件的310°F（154°C）限時修理及350°F（177°C）的永久性修理。在使用這兩種標準的樹脂時必須配合使用BM S5-12 1位置定向纖維，它們的鋪設需嚴格按照波音SRM手冊的具體施工要求進行，否則將嚴重影響最終膠接質(zhì)量。

2．膠接固化

完成一個符合膠接表面要求的陽極化處理程序及選擇適合的膠接樹脂后，最后的步驟就是將修補片膠接固化到損傷區(qū)域。膠接修理的固化過程采用標準的熱膠接設備，即熱壓罐、真空袋和加熱毯，完成一個固化周期需要幾個步驟：真空壓緊、加溫、固化和降溫。固化周期的長短由所用粘接膠膜和樹脂決定，同時必須嚴格按照波音SRM修理手冊提供的參數(shù)完成整套加溫固化程序。其中，在固化周期中的冷壓緊用以在加溫前壓緊粘接膠膜和經(jīng)磷酸陽極化處理的鋁合金修補片，去除積聚的空氣。熱壓緊是用來在膠膜變成熔融狀態(tài)后壓緊鋪層，這將保證高質(zhì)量的粘接效果。真空袋和加熱毯的安裝方式大同小異，其安裝的方法需滿足修理區(qū)域的實際情況和SRM手冊上對各種損傷類型的具體要求。

圖8

結(jié)語

由于金屬膠接結(jié)構(gòu)與復合材料結(jié)構(gòu)相比，同樣具有比強度、比剛度高、重量輕和耐疲勞等特點，采用耐久膠接結(jié)構(gòu)還克服了金屬結(jié)構(gòu)易腐蝕的不足，合理設計的膠接結(jié)構(gòu)幾乎可以與復合材料結(jié)構(gòu)取得相近的減重效果。而另一方面，膠接結(jié)構(gòu)卻具有技術(shù)更成熟、生產(chǎn)條件更現(xiàn)成、制造成本更低等優(yōu)勢，金屬膠接結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)大面積連接而減少(或取消)緊固件等一系列優(yōu)點，已被廣泛用于飛機結(jié)構(gòu)，特別是次承力結(jié)構(gòu)上和舵面操控系統(tǒng)。國外從20世紀40年代起開始飛機上應用金屬膠接結(jié)構(gòu)，膠接技術(shù)得到了很大的發(fā)展，至今金屬膠接結(jié)構(gòu)已成為飛機機體的重要結(jié)構(gòu)形式，金屬膠接技術(shù)已成為航空三大連接技術(shù)之一，并在其可靠性及耐久性方面取得了重要突破；但對用于飛機主承力結(jié)構(gòu)尚受到相當?shù)南拗?，也是未來金屬膠接技術(shù)攻堅的發(fā)展方向。金屬膠接技術(shù)在我國也是先從航空工業(yè)開始應用和發(fā)展的。航空結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)的應用研究始于20世紀中期。50年代末，北京航空學院曾在其研制的“北京一號”小型飛機上應用了若干項金屬膠接零件，先進膠接技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)上得到了較廣泛的應用。就維護修理技術(shù)而言，質(zhì)量及成本從來就是永恒的主題，創(chuàng)新則是不斷發(fā)展的動力。而相應的維護修理技術(shù)也亟待在專業(yè)維修人員中普及和提高。

[1]波音737NG系列飛機SRM.結(jié)構(gòu)修理手冊

[2]波音737NG系列飛機SOPM.標準施工手冊

[3]波音737NG系列飛機NDT.無損探傷手冊

[4]航空器結(jié)構(gòu)修理.民航部件項目培訓教材編寫組出版

[5]飛機結(jié)構(gòu)維修理論與技術(shù).香港慧文國際出版有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.091