民用飛機(jī)鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)件的超手冊(cè)修理

趙偉巖 殷允信 王德超

【摘要】本文給出了民用飛機(jī)鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)件超手冊(cè)修理的典型方案，并針對(duì)特殊情況處理和需要注意的問題進(jìn)行了闡述，以期幫助飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程師更加方便地編寫相應(yīng)的修理方案，從而縮短飛機(jī)停場時(shí)間，提高飛機(jī)的利用率，為航空公司創(chuàng)造更多的效益。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；蜂窩結(jié)構(gòu)；超手冊(cè)修理

Repair of Aluminum Honeycomb Structure Damage Beyond Manual Limit on Civil Aircraft

ZＨＡＯ Ｗei－yanYＩＮ Ｙun－xinWａｎｇ De－chao

(Taikoo (shandong) Aircraft Engineering Co., Ltd., Jinan Shandong 250107, China)

【Abstract】Typical repair scheme is illustrated in here for aluminum Honeycomb structure damage beyond manual limit on civil aircraft, special condition dispositions and general requirements are also discussed. The aim is to help aircraft structure engineer to easily develop individual repair scheme, to reduce the aircraft on ground time and improve the utilization rate of the plane, hence the airlines can gain more economic benefit.

【Key words】Civil aircraft; Aluminum honeycomb structure; Damage beyond manual limit

鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕、高溫強(qiáng)度好、耐熱、耐腐蝕、吸能減震等性能，因此在民用飛機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用，包括主操縱面在內(nèi)的一些重要部件都是使用鋁合金蜂窩制作。但是民用飛機(jī)長期在各種惡劣氣候環(huán)境中使用，鋁合金結(jié)構(gòu)部件不可避免地會(huì)產(chǎn)生諸如脫膠、吸水、腐蝕、離層等缺陷，甚至遭受外物損傷。

飛機(jī)制造商對(duì)鋁合金蜂窩構(gòu)件的修理有嚴(yán)格的限制，對(duì)于737系列飛機(jī)，通常允許修復(fù)的損傷不能超過200平方英寸。然而目前常規(guī)的一些無損檢查方法如敲擊法、超聲檢測或者X射線檢測等不易發(fā)現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)部件上粘接力下降、內(nèi)部蜂窩腐蝕等隱形缺陷，當(dāng)這些隱形缺陷發(fā)展到目視可見時(shí)，實(shí)際損傷面積常常會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)中允許的最大修理面積。由于備件昂貴，航空公司一般不可能有備件，往往導(dǎo)致飛機(jī)因缺件而停場修理一周以上，給航空公司造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。如果能正確而迅速地修復(fù)損傷超標(biāo)的部件，將大大減少飛機(jī)停場時(shí)間，提高飛機(jī)的利用率，增加航空公司的經(jīng)濟(jì)效益。

1鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)損傷成因分析

粘接力下降、內(nèi)部蜂窩腐蝕等隱形缺陷發(fā)展到目視可見損傷時(shí)，飛機(jī)的飛行循環(huán)一般在20000以上，飛行壽命在10年以上。鋁蜂窩結(jié)構(gòu)部件由于使用時(shí)間較長，在惡劣的環(huán)境條件下，鋁合金蒙皮和金屬蜂窩之間的粘合層性能老化，甚至脫粘離層，但是蒙皮和蜂窩仍然接觸在一起，宏觀上無法發(fā)現(xiàn)脫膠。此時(shí)如果有水分進(jìn)入內(nèi)部，在飛機(jī)的起降過程中，內(nèi)部的水會(huì)循環(huán)經(jīng)歷高空結(jié)冰膨脹-地面融化復(fù)原這一過程，會(huì)加速這一進(jìn)程，導(dǎo)致更大面積的脫膠，蜂窩芯也會(huì)逐漸腐蝕。

2鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)損傷典型修理方案

以圖1所示后緣襟翼損傷為例，此損傷最初表現(xiàn)為下表面的大面積離層，敲擊檢查下蒙皮離層區(qū)域時(shí)會(huì)發(fā)出沉悶的聲音。切除離層的下蒙皮后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部進(jìn)水，蜂窩腐蝕。下蒙皮和蜂窩的粘結(jié)強(qiáng)度變?nèi)酢?shí)際上，如果僅憑目測，很難判斷蒙皮和蜂窩的粘結(jié)是否依然良好。但是目前無損檢測也沒有有效的方法可以判定蒙皮和蜂窩的粘結(jié)強(qiáng)度變?nèi)??？尚械姆椒ㄊ乔谐黠@的損傷區(qū)域后，然后在損傷區(qū)域四周使用鉗子嘗試?yán)鹈善?，如果蒙皮和蜂窩的粘結(jié)強(qiáng)度變?nèi)酰瑒t蒙皮可以很容易地拉起而蜂窩不會(huì)損傷；如果需要很大的力量才能拉起蒙皮，并且蒙皮拉起后蜂窩損傷，則表明蒙皮和蜂窩粘合良好。另外仔細(xì)觀察蜂窩的狀態(tài)，如果蜂窩呈現(xiàn)出暗淡的灰白色，則表明蜂窩有腐蝕，此類蜂窩也必須去除。全部損失去除后，再用鉗子嘗試?yán)鸱涓C，觀察蜂窩和對(duì)側(cè)蒙皮的粘合是否良好，按需去除損傷，直到全部損傷完全去除，蒙皮和蜂窩粘合良好。

一般地，鋁合金蜂窩構(gòu)件損傷后的修理方法是[1]：切除所有損壞的蜂窩芯和蒙皮，并換上新的蜂窩芯和蒙皮，用修理拼接片將新蒙皮和原有蒙皮拼接起來。為確保修理不會(huì)對(duì)飛機(jī)的飛行性能和安全造成不利影響，使修理后的鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能基本恢復(fù)到原設(shè)計(jì)水平，在修理時(shí)必須嚴(yán)格保證影響鋁合金蜂窩件力學(xué)性能各參數(shù)符合修理的要求。

修理使用的蒙皮、粘接劑（膠膜）在厚度、強(qiáng)度以及蜂窩芯的密度等方面盡可能與原件相同。需要注意的是，由于現(xiàn)在使用的蜂窩芯均是無孔蜂窩，而粘接膠膜有時(shí)候使用基體偏置的單面膠膜（OST )，因此如果使用OST膠膜，必須用膠膜的干面（mat面）與蜂窩芯相貼合以利于蜂窩芯中的空氣在固化前順利排除，以減少固化后粘接界面因空氣存在而可能產(chǎn)生的孔隙。另外，如果修理時(shí)使用定位透氣織物（符合BMS5-121標(biāo)準(zhǔn)），則可以增加固化過程中空氣的通透率，減少固化粘結(jié)界面的孔隙率，但是需要注意OST膠膜的濕面（tacky）與定位織物相貼合。

修理件（修理蒙皮、蜂窩芯、拼接片）和修理區(qū)域的蒙皮及蜂窩芯表面必須先清潔，以徹底清除表面的油污及其他污物，然后再陽極化處理所有粘接表面。陽極化不僅能提高鋁合金的抗腐蝕能力，而且用磷酸陽極化處理過的表面會(huì)形成厚度適中、孔徑較大的多孔氧化膜，便于粘接劑的滲入，形成良好的粘附，因此鋁合金粘接件通常都采用磷酸陽極化。陽極化表面對(duì)粘附力有較大的影響，因此在陽極化施工過程中必須嚴(yán)格控制陽極化處理時(shí)間、電壓以及槽液濃度等使其符合工藝要求，處理過的表面還要防止被污染。由于磷酸陽極化對(duì)環(huán)境有一定的污染，出于環(huán)境保護(hù)的要求，3M公司已經(jīng)開發(fā)出一種可以替代磷酸陽極化的表面處理方法(Boegel AC130)[2]。

粘接膠膜需在一定的溫度下固化，固化溫度應(yīng)根據(jù)使用的膠膜類型確定。特別是對(duì)于修理面積較大的部件，注意保證加溫區(qū)域溫度的均勻性，防止由于固化溫度不均勻?qū)е碌牟考?nèi)應(yīng)力甚至變形。因此進(jìn)行較大面積的修理時(shí)，盡可能選用能保證部件受熱均勻的設(shè)備如熱壓罐。固化過程中需通過抽真空、施加外力等方法施加一定的壓力使修理件具有所需的外形，保證粘接膠膜固化厚度適當(dāng)，并排除粘接膠膜中的空氣及其他揮發(fā)物，使粘接膠膜與粘接表面形成良好的粘結(jié)力。特別是壓力對(duì)粘接膠膜的厚度有著重要影響，為了保證修理質(zhì)量，在加溫固化前往往采用“試片檢驗(yàn)?zāi)ぁ钡姆椒▉眍A(yù)測粘接劑的厚度，因此需要多次對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)整甚至在某些區(qū)域施加機(jī)械壓力以使粘接膠膜的固化厚度滿足要求，根據(jù)波音公司的建議，一些損傷面積較大圖3內(nèi)部加強(qiáng)片下面較小蜂窩損傷的修理小

的修理，壓力最好在 45Psi以上[3]。

當(dāng)部件的損傷區(qū)域大、切除量多時(shí)，部件的剛度將受到較大的削弱而容易變形，修理時(shí)需用模具和夾具進(jìn)行支撐、固定和維形。模具和夾具對(duì)修理件的外形影響較大，因此需充分考慮到它們?cè)诠袒^程中可能對(duì)修理件造成的影響：模具/夾具的材料最好與修理件相同，避免因材料熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致部件與模具夾具變形不一致，產(chǎn)生變形或內(nèi)應(yīng)力。模具夾具應(yīng)具有良好的傳熱散熱方式，使其熱容量盡可能小，避免在升溫降溫過程中因模具夾具導(dǎo)致的修理件溫度分布不均勻。當(dāng)然模具夾具還應(yīng)有良好的剛性以保證修理件具有較精確的外形。

蜂窩件的重心改變與重量分布有關(guān)，為防止重心改變，在修理過程中盡量避免能導(dǎo)致重量變化的操作，如用過多填充劑填蜂窩芯、蜂窩芯密度的改變等。某些對(duì)重心有要求的部件如飛機(jī)的主飛行操縱面修理后必須重新配平。

2.1典型修理基本步驟（以737-300后襟翼的修理為例，如圖2）

１）拆除修理區(qū)域內(nèi)的緊固件以便接近。

２）從梁的位置開始，向著后緣以垂直梁的方向切除損傷區(qū)域的上下蒙皮，確保從梁到蜂窩結(jié)構(gòu)后緣邊緣的切口要垂直于梁。

３）去除損傷的蜂窩。注意蜂窩切口和蒙皮切口必須至少錯(cuò)開1.5英寸。

４）確保所有損傷已經(jīng)被去除，并且蒙皮和蜂窩的粘接良好，強(qiáng)度完全保留。

５）參考原始生產(chǎn)圖紙，使用和原上下蒙皮材料完全相同的包鋁板制作上蒙皮更換件（-1）和下蒙皮更換件（-2），參看圖2。

６）參考結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)拆除并更換損傷的蜂窩部分。

７）參考結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)，使用和上下蒙皮相同的鋁合金，但是厚度加大一級(jí)的包鋁板制作一個(gè)3英寸寬的上蒙皮外部修理拼接片（-3）和下蒙皮外部修理拼接片（-4），參看圖2。

８）參考結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)的通用步驟[1]，分兩步進(jìn)行修理：

（１）首先進(jìn)行下蒙皮和蜂窩芯的更換，此時(shí)蜂窩芯不需要打磨，其平整的表面與下蒙皮的平直表面可以進(jìn)行良好的粘合。

（２）下蒙皮和蜂窩芯固化完成后，打磨蜂窩芯上表面，使之與原有的蜂窩芯上表面曲面一致。

（３）然后進(jìn)行上蒙皮的更換。

２．２特殊情況的處理

１）縫翼蜂窩件內(nèi)部加強(qiáng)片下面的蜂窩損傷，尺寸較小，如圖3所示。

此種情況下不需要切除加強(qiáng)片，由于加強(qiáng)片下蜂窩損傷尺寸較小，在更換損傷的蜂窩時(shí)，在蒙皮和內(nèi)部加強(qiáng)片上輕微施力，使更換的蜂窩和膠膜能夠塞入加強(qiáng)片下的區(qū)域。其余步驟同2.1。

２）縫翼蜂窩件內(nèi)部加強(qiáng)片下面的蜂窩損傷，尺寸較大，如圖4和圖5所示。

此種情況下，更換的蜂窩無法有效地塞入加強(qiáng)片下面，因此需要切除損傷蜂窩之上的加強(qiáng)片，修理方法有兩種：蒙皮拼接修理法和蒙皮搭接修理法。

（１）蒙皮拼接修理法

如圖4所示，切除損傷蜂窩區(qū)域上部的內(nèi)部加強(qiáng)片，使用新的蜂窩和加強(qiáng)片更換原有的蜂窩和加強(qiáng)片，注意替換蜂窩表面和原有蜂窩表面平齊。表面蒙皮使用拼接法更換，拼接處外部再加一個(gè)外部拼接加強(qiáng)片，外部拼接加強(qiáng)片要超出蒙皮切口至少1.5”，超出原有加強(qiáng)片切口至少3.0”。此種方法適用于蒙皮切口和內(nèi)部加強(qiáng)片切口錯(cuò)開至少1.5”的損傷情況。

（２）蒙皮搭接修理法

如圖5所示，切除損傷蜂窩區(qū)域上部的內(nèi)部加強(qiáng)片，使用新的蜂窩和加強(qiáng)片更換原有的蜂窩和加強(qiáng)片，注意替換蜂窩表面和原有蒙皮表面平齊，同時(shí)內(nèi)部加強(qiáng)片上部需要額外增加一個(gè)和原有蒙皮厚度一致的墊片。表面蒙皮使用搭接法更換，厚度與原蒙皮厚度一致。此外需要在蒙皮表面再添加一個(gè)外部加強(qiáng)連接片，與蒙皮/內(nèi)部加強(qiáng)片切口左右保持至少3”的距離。此種方法適用于蒙皮切口和蜂窩以及內(nèi)部加強(qiáng)片切口一致的損傷情況。

圖4內(nèi)部加強(qiáng)片下面蜂窩損傷的拼接修理

３修理過程中的注意事項(xiàng)

（1）確保任何損傷的蜂窩以及粘結(jié)強(qiáng)度變?nèi)醯拿善ひ呀?jīng)被去除，并且剩余蒙皮和蜂窩的粘接強(qiáng)度良好。

（2）任何蒙皮或蜂窩切口必須至少距任何原有加強(qiáng)片邊緣至少1.5英寸。蜂窩切口和蒙皮切口必須至少錯(cuò)開1.5英寸。

（3）確保拼接和搭接中心線距部件上主要接頭中心線至少 3英寸。

（4）使用磷酸陽極化方法（PANTA或PACS0對(duì)修理件和修理區(qū)域進(jìn)行表面處理，也可以使用Boegel AC-130表面處理液對(duì)粘合表面進(jìn)行處理，但是不能使用氫氟酸/阿洛丁處理，氫氟酸處理一般只適應(yīng)于臨時(shí)性修理。推薦使用Boegel (AC-130)，更加環(huán)保，并且方便快捷。

圖5內(nèi)部加強(qiáng)片下面蜂窩損傷的搭接修理

（5）修理蜂窩必須是使用磷酸陽極化處理過的蜂窩，這種蜂窩經(jīng)過了陽極化處理，抗腐蝕性能得到很大提高。

（6）修理面積較大時(shí)，建議使用定位透氣織物（BMS5-121）以確保粘合膠膜固化前其內(nèi)部空氣能夠順利排出，減少粘合界面的空隙率，增加粘合強(qiáng)度。

（7）蒙皮和蜂窩粘合時(shí)使用2層厚度為Grade 10的膠膜，金屬蒙皮和金屬蒙皮粘合時(shí)使用1層膠膜即可，這是因?yàn)橛捎诜涓C孔的存在，蒙皮和蜂窩的結(jié)合面僅限于蜂窩壁和蒙皮的接觸面，面積很小，并且部分粘合膠膜在加熱固化的過程中流失，必須保證足夠的粘合劑填充蜂窩壁和蒙皮的接觸面。

（8）真空加壓固化時(shí)必須確保真空袋覆蓋區(qū)域要超出電熱毯加熱區(qū)域至少3英寸。

（9）新蒙皮和蜂窩之間的結(jié)合面厚度以及修理拼接片和蒙皮之間的結(jié)合面厚度保證在0.002英寸和0.020英寸之間。為了達(dá)到這一要求，需要參考波音技術(shù)規(guī)范BAC5514使用試片進(jìn)行“檢驗(yàn)?zāi)ぁ痹囼?yàn)[3]，確定粘合厚度符合要求，并且金屬和金屬之間以及金屬和蜂窩之間粘合良好。

（10）固化完成后，使用無損檢測的方法（一般是敲擊檢查）確定修理區(qū)域和修理周圍3英寸之內(nèi)區(qū)域的蒙皮/蒙皮以及蒙皮/蜂窩之間粘合良好。

（11）如果需要，可以使用合適的夾具或者夾持設(shè)備支撐保護(hù)部件，確保部件保持原有輪廓不變形。

本文提供的典型修理步驟能夠幫助結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)現(xiàn)有的自身?xiàng)l件快速而準(zhǔn)確地制定鋁合金蜂窩件的修理方案，并報(bào)相關(guān)的OEM制造廠家批準(zhǔn)。從而可以有效地減少與廠家來往信息傳遞的次數(shù)，縮短修理方案的批準(zhǔn)時(shí)間，減少飛機(jī)停場維修時(shí)間，幫助航空公司提高飛機(jī)的利用率。

【參考文獻(xiàn)】

［1］737-300 Structural Repair Manual D6-37635[Z].Rev 103,10 Mar 2014.

［2］Technical datasheet AC-130, February 2012[Z].

［3］COMMON BONDING REQUIREMENTS FOR STRUCTURAL ADHESIVES,BOEING PROCESS SPECIFICATION BAC5514,REV.AP,10 Sep 1999[Z].

［責(zé)任編輯：劉帥］