膠接工藝在裝配過程中的應(yīng)用分析及發(fā)展

沈正悅

（上海飛機制造有限公司，上海 200436）

1 膠接工藝的特點及應(yīng)用

1.1 膠接工藝介紹

膠接工藝按結(jié)構(gòu)可分為鈑金件膠接、蜂窩膠接和復(fù)合膠接3種，常應(yīng)用于機翼操縱面，尾翼結(jié)構(gòu)和發(fā)動機結(jié)構(gòu)等區(qū)域。

鈑金件膠接為平板膠接結(jié)構(gòu)，工藝簡單，多層平板膠接時注意控制氣泡及排氣，確保產(chǎn)品的膠接質(zhì)量。

蜂窩膠接有盆形、直角、楔形3種蜂窩結(jié)構(gòu)，在擾流板項目中用到蜂窩膠接楔形蜂窩結(jié)構(gòu)，裝配時需要考慮容差分配對膠接零件的影響。由于蜂窩芯高度對于梁、肋及緣條的膠層厚度影響較大，因此采用二次膠接的方法，可以減少裝配誤差及拒收情況。

復(fù)合膠接工藝包括膠鉚、膠螺、膠焊、復(fù)合材料膠接、纖維增強膠接，以膠接工藝為主。在前起落架艙門項目中用到膠鉚工藝。

膠接工藝以膠黏劑為主，利用了膠黏劑在零件連接面上所產(chǎn)生的結(jié)合力，將2個被黏物連接在一起，使兩者具有強力的黏結(jié)效果。

1.2 膠接工藝與鉚接工藝的特點

鉚接屬于機械連接，常見于飛機裝配。通過鉆孔，使用鉚接工具產(chǎn)生的軸向壓力，將鉚釘鐓粗變形并形成鐓頭，使2層或多層零件連接緊固在一起。

鉚釘具有質(zhì)量輕、強度高，容易加工的特點，并且鉚釘便于拆卸、材料成本低廉。但是，鉚接的不連續(xù)性導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，抗疲勞性差，制造過程容易產(chǎn)生蒙皮折皺。

對比鉚接，膠接零件與零件間應(yīng)力分布均勻。膠接組件具有良好的密封性、耐腐蝕性和抗疲勞性，可以大幅度減輕產(chǎn)品整體的質(zhì)量，適用于水密、氣密和油密結(jié)構(gòu)，還具有較好的絕緣和抗震性能，膠接面相對平整光滑，外觀更具流線形[1]。有研究表明，鋁合金薄板膠接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命比鉚接結(jié)構(gòu)高15倍，耐聲疲勞強度也優(yōu)于鉚接結(jié)構(gòu)。膠接加強筋比同類鉚接壁板提高抗壓強度約20%，膠層具有優(yōu)良的止裂性能。

1.3 膠接工藝背景與現(xiàn)狀

膠接技術(shù)在20世紀(jì)40 年代興起，具有無須開孔、應(yīng)力集中小、密封性好等突出優(yōu)點，在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。美國軍用飛機在50年代采用蜂窩膠接結(jié)構(gòu)，60年代改為無孔蜂窩結(jié)構(gòu)，60年代末膠接區(qū)域出現(xiàn)大量腐蝕、分層破壞，因此發(fā)現(xiàn)了膠接結(jié)構(gòu)強度性能離散性很大、易老化的致命弱點，并在空軍PABST （主承力膠接結(jié)構(gòu)技術(shù)）研究項目中得到了驗證。之后的20年中，美國建立了先進(jìn)膠接體系概念，包括選用先進(jìn)的膠黏劑及配套體系，采用適合膠接且耐久的金屬表面制備方法，使膠黏劑與零件表面形成耐久的結(jié)合面，同時還對膠接接頭采取嚴(yán)密的防護(hù)，預(yù)防環(huán)境腐蝕。通過研發(fā)耐腐蝕底膠、鋁合金表面陽極化處理、耐蝕的蜂窩芯以及嚴(yán)格的膠膜保護(hù)方法，波音、麥道飛機的膠接結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了15%，降低了20%的生產(chǎn)成本。

近30年間，國產(chǎn)高溫固化結(jié)構(gòu)膠黏劑的研制與應(yīng)用有了長足發(fā)展，基本上實現(xiàn)了與軍用預(yù)浸料、復(fù)合材料體系的配套，但是在民機領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于起步階段。民用飛機膠接構(gòu)件制造應(yīng)用于歐美一些主要飛機中，發(fā)展迅速，膠接工藝日益成熟，膠接件的安全性、可靠性及耐久性大幅度提高。波音公司從波音 707到最新的波音 787 都有上百平方米到上千平方米的膠接面積，其中波音737飛機有400m2面積使用了結(jié)構(gòu)膠膜和膠黏劑體系，747 飛機達(dá)到3200m2的面積。

2 波音項目膠接工藝

2.1 波音747前起落架艙門內(nèi)、外蒙皮膠鉚工藝

膠鉚工藝屬于膠接工藝中的復(fù)合膠接，以膠接工藝為主，可以視作膠接與鉚接的結(jié)合[3]。膠接件雖然具有高強度和抗疲勞性，但是目前的膠黏劑大多屬于有機高分子物質(zhì)，高低溫對其性能有較大影響。膠層在有光、熱以及部分有機溶劑的條件下容易老化并導(dǎo)致變脆或強度降低等，在膠接過后，膠接件容易分離且膠膜難以剝離。而采用膠鉚連接工藝，可以將鉚接和膠接兩者缺點相互彌補，取得更好的效果[4]。

2.2 膠鉚準(zhǔn)備工作

在使用膠鉚工藝前，要按照周邊環(huán)境的清潔和溫濕度要求，使膠鉚工藝無污染，準(zhǔn)備工作如下：1）準(zhǔn)備專用凈化間，包括空氣凈化機、溫濕度檢測儀，保證膠接過程無污染。2）膠接前，按規(guī)范要求對所有待膠接面進(jìn)行預(yù)裝配并檢查配合容差。配合面上的毛刺不應(yīng)超過0.00508cm，檢查零件以確保只需要輕微的手壓即能在所有待膠接表面上達(dá)到均勻接觸。3）記錄BMS5-101 II型膠膜貯存溫度及出庫時間，在10℃～40℃取出最多6次，最大暴露時間不超過240h。使用溫度高于32℃時，雙倍計算暴露時間；超過32℃的總計時間不得超過72h。4）對底膠零件返工，使用溫度范圍為10℃～32℃，最大累計暴露時間96h。對表面污染、標(biāo)記油墨或不暴露金屬基體的損傷，使用丁酮進(jìn)行2次溶劑清潔，使用底膠輕輕抹一層修補，補膠后至少空氣干燥30min。5）膠接時先清潔待膠接面，從待膠接面上移除黑色膠帶（防紫外線），使用甲乙酮（ASTM D740）潤濕的BMS15-5 A類揩布擦拭待膠接表面，然后在甲乙酮完全揮發(fā)前，立即用1塊清潔干燥的揩布擦干。及時更換污染的揩布，重復(fù)2次清潔過程。6）轉(zhuǎn)運車輛配備空調(diào)及溫度記錄儀，保證車內(nèi)溫度在20℃～30℃。膠接組件進(jìn)熱壓罐前負(fù)載熱電偶，記錄固化過程溫度變化?？刂乒袒纳郎厮俾屎徒禍厮俾?，可以控制膠黏劑反應(yīng)速度；減少膠接的內(nèi)應(yīng)力和組件變形。7）布置固化前的安放位置及朝向，標(biāo)注內(nèi)外蒙皮上下朝向，防止固化過程中膠膜受熱流出，滴到產(chǎn)品無保護(hù)區(qū)域。如圖1所示。

圖1 艙門固化布置圖

2.3 膠鉚工藝過程

在初次制造747前起落架艙門時，筆者參考波音之前的經(jīng)驗，先鋪貼外蒙皮膠膜，安裝鉚釘，再鋪貼內(nèi)蒙皮膠膜，安裝內(nèi)蒙皮抽芯釘，最后將艙門組件送入熱壓罐進(jìn)行高溫固化，完成整個膠鉚工藝。

完成膠鉚產(chǎn)品之后，筆者通過無損檢測技術(shù)檢測膠接的情況，結(jié)果顯示艙門存在脫黏現(xiàn)象，固化后的膠膜與連接的肋板脫離，邊緣處存在翹起，另外發(fā)現(xiàn)膠膜的厚度發(fā)生了變化，按照使用的膠膜厚度為250μm，膠膜厚度區(qū)間要求為50μm～500μm，高溫固化后出現(xiàn)部分薄部分厚，超出了規(guī)范要求（注：無損檢測是在不破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的前提下，利用熱、聲、光、磁等反應(yīng)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常區(qū)域產(chǎn)生的變化，來探測缺陷（圖2））。

圖2 示波器無損檢測數(shù)值分析示意圖

為了檢驗無損檢測結(jié)果，筆者對掃描問題區(qū)域標(biāo)記，采用破壞試驗驗證。

2.4 破壞試驗及失效分析

對脫黏區(qū)域進(jìn)行剝離試驗，對鉚釘周邊切片進(jìn)行金相試驗。剝離結(jié)果膠膜與膠接面只有一側(cè)結(jié)合，另外一側(cè)完全脫黏。切片的金相結(jié)果顯示，在鉚釘附件，膠膜厚度已小于要求區(qū)間最小值；鉚釘與鉚釘間隔區(qū)域較好，零件邊緣的配合間隙已達(dá)到區(qū)間最大值，從黑色區(qū)域判斷膠接面已出現(xiàn)脫黏，膠膜厚度只達(dá)到間隙的一半。通過破壞試驗和現(xiàn)場制造過程發(fā)現(xiàn)3個問題。

在鋪貼膠膜時，按規(guī)范要求，隔離棚內(nèi)膠膜控制溫度為10℃～40℃，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實際過程中，溫度20℃以下膠膜黏性不足，無法黏住零件膠接表面且容易產(chǎn)生氣泡。膠接的好壞取決于被膠接體與膠黏劑分子之間緊密接觸產(chǎn)生的吸附，這種物理吸附作用力包括分子間界面黏合力和體相內(nèi)聚力，膠接界面的空隙率越小，膠接強度越強，而這也是脫黏的主要原因。

金相試驗表明，蒙皮鉚接之后，鉚接產(chǎn)生的軸向壓力使周邊鈑金變形，膠鉚用到的框架零件均為鈑金件，厚度只有0.1016cm～0.1524cm，鉚接時的壓力極易使鉚釘周圍鈑金件變形，導(dǎo)致靠近鉚釘間隙小，遠(yuǎn)離鉚釘間隙大，膠膜在熱壓罐高溫作用下形成液體，流動過程中造成膠膜厚度不一致，形成脫黏。

膠鉚過程中，框架與蒙皮之間通過鉚釘連接，受力不均勻，同時框架是鈑金零件，所有翻邊不能保證與蒙皮間隙一致，而貼膠膜過程中全部使用一層膠膜，部分區(qū)域未能滿足膠膜填滿間隙的要求。

2.5 工藝方案設(shè)計及測試

問題分析后，為了避免鉚接對配合間隙的影響，決定將膠鉚的工藝流程改為先膠接固化再鉚接，利用固化后膠接組件剛性高的特點，消除鉚接造成的鈑金件變形影響。在高溫固化時，用穿心夾代替鉚釘，對膠接面進(jìn)行臨時緊固。為了驗證穿心夾是否能提供足夠的夾緊力，筆者做了試件評估，結(jié)果表明試驗件受力均勻且間隙符合要求（圖3）。

圖3 金相實驗檢查空隙

為了使膠接界面的空隙減小，提升被膠接體與膠黏劑分子之間的吸附力。工作人員在凈化間安裝空調(diào)，維持溫度在25℃，增加膠黏劑的吸附力。同時規(guī)定鋪貼時不能折疊、拉伸膠膜，去除卷入的氣泡，平穩(wěn)將膠膜按壓到位，不要夾裹空氣，允許對多片膠膜進(jìn)行對接或搭接，單搭接量不得超過1.27cm，任何部位的膠膜尺寸不得小于零件尺寸，這樣滿足了膠膜貼合面的間隙要求。工藝方案更改落實后，解決了膠膜脫黏問題。

3 膠接工藝性能分析及未來發(fā)展

通過747前起落架艙門蒙皮膠鉚工藝，對膠接工藝進(jìn)行分析。

3.1 影響膠接性能的因素

影響膠接性能的因素：1）固化溫度是關(guān)鍵，通過控制升溫、降溫速率，促使膠黏劑熔融，加快聚合反應(yīng)和固化速度，促使膠黏劑和膠接表面之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。溫度過高會引起膠層變化，內(nèi)聚強度下降，膠膜在固化過程中降解、分解和氧化，在受力載荷作用下蠕變破壞，而溫度過低會導(dǎo)致膠層變脆，材料膨脹不一產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力[5]。2）固化壓力及膠接表面貼合質(zhì)量。膠接內(nèi)應(yīng)力對膠接強度和耐久性影響很大，而內(nèi)應(yīng)力來源于固化時膠黏劑和零件接觸面膨脹收縮，受力不均，受熱不均都會加速膠接老化，降低膠接制件的使用壽命。3）膠接破壞與腐蝕。擾流板制造過程中，鉛極板上存在的銅銹來源于一些銅的附件（銅鉤、銅排），槽液中過多的銅可能會與零件在未通電的情況下發(fā)生置換反應(yīng)，造成污染。這種腐蝕的位置受加載速率、環(huán)境條件而改變。破壞常起始于構(gòu)件暴露的邊緣，例如貫穿膠層的鉚釘孔、螺栓孔的邊緣、接頭邊緣、壁板邊緣，之后逐步擴大。4）膠黏劑的選取。飛機使用的膠黏劑至少要與飛機同壽命，并對環(huán)境條件做壽命試驗，確定膠接結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性。同時，膠黏劑要包括材料相容性，工藝性和經(jīng)濟(jì)性，適用期和貯存期要長。5）膠接表面處理。波音項目的膠接零件表面都噴涂底膠及磷酸陽極化處理，在裝配前通過特定膠帶保護(hù)，防止紫外線直射。對于裝配過程中的磕碰傷、劃傷等，規(guī)定了在929.0304cm2上允許的最大補膠面積為1.6129cm2，返工部位距膠接面邊緣至少0.381cm，補膠面積不能超過總膠接面的2%這些要求，在允許的前提下修補表面缺陷。

3.2 膠接工藝的完善與發(fā)展

民機作為交通工具，想要穩(wěn)定發(fā)展，安全性和經(jīng)濟(jì)性將是重點。飛機輕量化是提升市場競爭力的重要途徑，輕量化主要通過輕金屬材料以及復(fù)合材料等提高整機質(zhì)量，減少油耗、排放，提升飛行速度、材料疲勞壽命。未來20年內(nèi)，國產(chǎn)民機將面臨產(chǎn)品安全性、降低生產(chǎn)成本以及批量化制造的難點，而國際主流機型采用的鋁鋰合金和碳纖維增強塑料（CFRP）將會逐漸應(yīng)用。與鉚接結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合膠接工藝減少金屬、復(fù)合材料的厚度，從而減輕重量。同時，機械連接接頭的不連續(xù)性導(dǎo)致連接點的局部應(yīng)力集中，容易使蒙皮產(chǎn)生皺折和凹坑，在拉伸載荷下強度降低，從而使構(gòu)件由于疲勞而過早失效，對于高質(zhì)量蒙皮而言是不可接受的。

為了提升復(fù)合膠接質(zhì)量，開拓新材料膠接技術(shù)和簡化膠接固化工藝將會是未來重點。膠黏劑目前種類繁多，有些性能優(yōu)異，但存在固化溫度難以把握、膠接前工藝準(zhǔn)備煩瑣等缺點。膠黏劑從最初的硝化纖維素類，酚醛類，再到環(huán)氧類，改性環(huán)氧類等。在不斷完善膠接體系的過程中，改善了操作性能，更加簡單方便。

4 結(jié)論

膠接作為一種先進(jìn)的連接裝配方式，未來將大量應(yīng)用于航空工業(yè)。而針對具體區(qū)域，采用何種膠接結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員要根據(jù)膠接材料的特點來確定蜂窩膠接，鈑金件膠接和復(fù)合膠接方案。為了確保膠接產(chǎn)品質(zhì)量，操作環(huán)境和熱壓罐設(shè)備十分重要，超聲波檢查和目視檢驗必須嚴(yán)格。隨著飛機先進(jìn)復(fù)合材料部位日益增多，復(fù)合材料膠接仍有許多技術(shù)難點等待解決，工程技術(shù)人員應(yīng)對膠接工藝有足夠的重視。