蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的損傷修理工藝研究

魏江雄

（凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北 當(dāng)陽 444100）

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是由兩個表面很薄的面板，中間夾以蜂窩夾芯材料組合而成的一種夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。目前，常見的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)多由內(nèi)外層面板、蜂窩芯、加強(qiáng)邊框等零部件膠合而成，面板可以是纖維織物、鋁合金板、塑料板等；蜂窩芯可以是鋁合金材料也可以是芳綸紙材料；面板和蜂窩芯之間采用膠膜粘接；蜂窩芯之間及蜂窩芯和加強(qiáng)邊框之間采用膠膜或發(fā)泡膠拼接；為防止進(jìn)水，所有對縫處及工藝孔洞均用密封膠密封。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同可以分為A 夾層、C 夾層及多夾層結(jié)構(gòu)。

隨著飛機(jī)的輕量化成為飛機(jī)設(shè)計時的重要考量要素，加之蜂窩夾層結(jié)構(gòu)本身具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、透波率好的特點(diǎn)，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的使用比例大幅提升。波音737、空客A320 系列飛機(jī)的雷達(dá)罩[1-2]、內(nèi)部裝飾板均采用了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式。

1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)零部件的損傷形式

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)零部件在制造、裝配、地面停放及裝機(jī)使用過程中，由于維護(hù)工藝不當(dāng)、飛行載荷、工具墜落、雷擊、鳥撞和冰雹、地面沙石打擊等原因，易造成各種損傷。按照損傷類型和損傷產(chǎn)生的部位進(jìn)行分類，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的損傷形式可分為以下幾類。

1.1 面板輕微損傷

面板輕微損傷主要包括面板的劃傷、擦傷、表面漆層龜裂、表面輕微凹陷和壓坑。這類損傷對產(chǎn)品的總體強(qiáng)度影響較小，通常只需將損傷部位面板蒙皮打磨后涂膠修補(bǔ)。

1.2 表面凹陷

這類損傷通常是由于飛機(jī)受到鳥、工裝梯架撞擊或遭遇惡劣的冰雹天氣，造成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)面板受到?jīng)_擊載荷作用而形成較為明顯的凹坑，此類損傷通常會造成蜂窩芯的塌陷，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定的影響，修理時除更換面板外還需對塌陷的蜂窩芯進(jìn)行修復(fù)。

1.3 脫膠

這類損傷指的是面板與面板之間或面板與蜂窩芯之間出現(xiàn)剝離，引起面板脫粘的原因主要是飛機(jī)服役時間長造成的膠粘劑老化、蜂窩芯格內(nèi)部受潮、進(jìn)水。脫粘損傷一般不會引起產(chǎn)品外觀的明顯變化，需借助專門的故檢工具如膠木錘或啄木鳥敲擊儀輔助檢查，脫粘處擴(kuò)展到一定程度后會對損傷部位強(qiáng)度造成較大影響，修補(bǔ)時需挖除面板蒙皮后重新膠接。

1.4 腐蝕、穿孔

這類損傷多發(fā)生在以鋁合金作為面板材料的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，隨著飛機(jī)使用年限的增加，面板將發(fā)生腐蝕、穿孔現(xiàn)象。這類損傷修理時先去除腐蝕和穿孔部位的蒙皮，再檢查內(nèi)部蜂窩芯可否留用，如蜂窩芯可繼續(xù)留用，則保留原蜂窩芯，制作補(bǔ)片進(jìn)行修補(bǔ)；如蜂窩芯腐蝕或損傷不再具有原狀態(tài)承載能力，須挖除相應(yīng)區(qū)域的蜂窩芯后再制作補(bǔ)片進(jìn)行修補(bǔ)。

1.5 穿透性損傷

這類損傷是指產(chǎn)品受到鳥撞或雷擊后，面板和蜂窩芯兩側(cè)均出現(xiàn)穿孔損傷，穿透性損傷對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很大，修理后需對產(chǎn)品強(qiáng)度進(jìn)行評估并經(jīng)檢驗后方可確定能否繼續(xù)裝機(jī)使用。

2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的修理工藝

2.1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)修理的一般要求

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的修理需建立在以下原則之上。

（1）修理區(qū)域的強(qiáng)度需與原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相當(dāng)；修理中使用的材料應(yīng)與原產(chǎn)品制造使用的材料盡量相同或使用經(jīng)批準(zhǔn)的代用材料，修補(bǔ)區(qū)域的織物材料、鋪層方向、蜂窩芯方向應(yīng)與原結(jié)構(gòu)一致，所選用蜂窩芯材料的密度應(yīng)不小于、邊長應(yīng)不大于原蜂窩芯材料，蜂窩芯的高度應(yīng)不小于原蜂窩芯。

（2）為保證飛機(jī)外表面氣動特性，修理后應(yīng)盡可能避免修補(bǔ)后的補(bǔ)片凸出原機(jī)外部蒙皮，修補(bǔ)后需對補(bǔ)片表面和邊緣做光順處理。

（3）產(chǎn)品修理打磨過程中不能損傷未修補(bǔ)區(qū)的纖維織物或鋁合金表面，打磨時鋁合金蒙皮上露出金屬光澤的地方應(yīng)涂刷阿羅丁和鋅黃底漆進(jìn)行防腐處理。

（4）有透波性能要求的產(chǎn)品，例如氣象雷達(dá)罩，在修理時應(yīng)按原漆層厚度和牌號進(jìn)行表面漆層的噴涂，不允許在產(chǎn)品表面刮涂膩?zhàn)樱悦鈱υa(chǎn)品的透波性能造成損失。

2.2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)修理的一般步驟

飛機(jī)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)修理的目的是恢復(fù)產(chǎn)品的外形完整性的同時，保證產(chǎn)品裝機(jī)使用能滿足其剩余壽命周期要求，即恢復(fù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性和安全性。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的修理工藝因損傷類別、材料以及使用環(huán)境的不同存在一定的差異，為了保證修理質(zhì)量，產(chǎn)品修理過程必須按照一定的操作規(guī)程選擇恰當(dāng)?shù)男蘩矸椒ㄟM(jìn)行。一般而言，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的修理過程包括損傷區(qū)域確定→評估損傷區(qū)域→設(shè)計修理方案→準(zhǔn)備修理材料、設(shè)備→修理實(shí)施→損傷區(qū)域修理后的檢測等環(huán)節(jié)。各個環(huán)節(jié)的具體要求和方法如下：

（1）確定損傷區(qū)域：確定損傷區(qū)域的過程即發(fā)現(xiàn)故障、確定故障范圍及損傷程度的過程；可以通過目視檢查、敲擊檢查以及超聲A 掃、超聲C 掃、聲振、X 射線檢測等方法來確定損傷區(qū)域。

（2）評估損傷區(qū)域：該過程需要結(jié)合產(chǎn)品的修理容限[3]，判斷損傷屬于允許損傷、可修理損傷還是不可修理損傷。如圖1 所示，其中Xa 為需修理和不需修理的臨界值，Xb 為能修與不能修的臨界值，如果實(shí)際損傷尺寸X0Xb，則屬于不可修理損傷，該類型損傷是不允許修理或可以修理但修理不如換件經(jīng)濟(jì)的損傷，對于這類損傷需要對損傷產(chǎn)品進(jìn)行報廢更換。

圖1 損傷評估示意圖

（3）設(shè)計修理方案：查詢產(chǎn)品結(jié)構(gòu)修理手冊或修理工藝規(guī)程，根據(jù)評估損傷區(qū)域情況，選擇合適的修理工藝。當(dāng)前，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)修理的主要方法有注膠打螺塞修理、再制造修理、熱挖補(bǔ)修理、濕法鋪貼修理等方法。

（4）準(zhǔn)備修理材料、設(shè)備：根據(jù)修理方案，維修人員完成修理用預(yù)浸料、膠膜、蜂窩芯格等修理器材的領(lǐng)用；準(zhǔn)備好熱補(bǔ)儀、真空泵等專用修理設(shè)備。

（5）修理實(shí)施：維修人員按照修理方案完成產(chǎn)品的修復(fù)。

（6）損傷區(qū)域修理后的檢測：采用無損檢測方法對損傷修理區(qū)域的修理質(zhì)量進(jìn)行驗收，損傷區(qū)域經(jīng)過修理后應(yīng)無脫粘、分層、積水等故障現(xiàn)象。

2.3 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的故障檢查方法

故障檢查是確定損傷區(qū)域的重要途徑，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件制品的故障檢查方法主要包括目視檢查法、敲擊法及無損檢測方法；常用的無損檢測方法又包括超聲波探傷及X射線探傷。

（1）目視檢查法：目視檢查法是檢查蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品面板損傷程度的最主要方法，該方法主要針對一些易觀察且具有明顯損傷特點(diǎn)的部位進(jìn)行目視檢測，包括表面涂層龜裂、表面劃傷、擦傷、腐蝕、穿孔等現(xiàn)象進(jìn)行的外觀檢查。

（2）敲擊法：敲擊法是使用膠木錘（如圖2）或啄木鳥敲擊儀敲擊的方法尋找和確定面板與蜂窩芯、面板與面板剝離的尺寸。用膠木錘敲擊時應(yīng)用錘背憑其自重對受檢部位輕輕敲擊，剝離部位會發(fā)出沉悶的敲擊聲。將面板聲音變化的每個點(diǎn)用記號筆作出標(biāo)記，直到將這些點(diǎn)連起來劃出剝離區(qū)域范圍為止。

圖2 敲擊蜂窩結(jié)構(gòu)用的膠木錘

（3）超聲波探傷：采取目視與敲擊相結(jié)合的方法可以對產(chǎn)品的內(nèi)外面板損傷、面板與蜂窩夾芯脫粘、孔邊裂紋、分層、穿孔等故障進(jìn)行檢查，確定損傷的范圍及程度，當(dāng)故障檢查發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品有損傷時或檢測人員對敲擊檢查的結(jié)果有疑異時，可對損傷區(qū)域進(jìn)行超聲波探傷檢測。BONDMASTER 1000 是便攜式的超聲波探傷設(shè)備，使用時將探頭放在待檢測部位表面，設(shè)備通過發(fā)送和接收脈沖能量測量波幅和相位變化，以此來精確檢測面板與蜂窩芯的粘接情況。

（4）X 射線探傷：X 射線探傷機(jī)可用于檢測蜂窩芯格內(nèi)部的積水情況。X 射線在穿透物體過程中會與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射的原因其強(qiáng)度會減弱。強(qiáng)度衰減程度取決于物質(zhì)的衰減系數(shù)和射線在物質(zhì)中穿透的厚度。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品內(nèi)部積水的X 射線檢測正是利用了這一原理，由于水與空氣的衰減系數(shù)不同，如果蜂窩芯格存在局部積水，則該局部區(qū)域透過的射線強(qiáng)度就與周圍存在差異[4]，在膠片上會呈現(xiàn)出黑度的差異。

2.4 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)修理實(shí)例

2.4.1 面板輕微損傷的修理

面板的劃傷、擦傷及輕微凹坑，可以通過涂膠修復(fù)。具體方法如下：（1）先用300#砂紙打磨擦傷面，在擦傷區(qū)域周圍5 mm 寬度范圍內(nèi)將擦傷深度打磨平并平滑過渡到主體材料上。（2）用丙酮清洗損傷區(qū)域。（3）用650 聚酰胺樹脂和6101 環(huán)氧樹脂按質(zhì)量比1：1 混合后攪拌均勻，配制成環(huán)氧樹脂膠液。（4）將膠液涂到擦傷處，待膠液固化后用300#砂紙將凸起的膠瘤打磨至與周邊壁板齊平。

2.4.2 面板表面凹陷、腐蝕及單面穿孔的修理

對于面板表面出現(xiàn)凹陷、腐蝕及單面穿孔的故障，修理方法如下：（1）先對損傷區(qū)域做挖補(bǔ)，之后修整損傷。（2）制作補(bǔ)片。用玻璃纖維織物預(yù)浸料做補(bǔ)片，相鄰兩層補(bǔ)片的搭接量約為20～25 mm。（3）用丙酮清洗挖補(bǔ)區(qū)域，靜置15 min 后將膠膜和補(bǔ)片平鋪在挖補(bǔ)區(qū)，貼補(bǔ)片時補(bǔ)片之間應(yīng)按照原織物鋪層角度交錯放置，最外面蓋上聚乙烯薄膜。（4）用熱補(bǔ)儀對該區(qū)域施加所需要的溫度和壓力，保溫一段時間待膠液固化后打磨掉膠瘤。

2.4.3 鋪層材料間脫粘的修理

修理鋪層材料間脫膠的方法是往脫膠區(qū)域注入新膠然后使其固化，具體方法如下：（1）先在脫膠區(qū)域鉆Φ2.1 mm的小孔若干，小孔應(yīng)從脫膠區(qū)邊緣開始鉆，間距15～20 mm。（2）用650 聚酰胺樹脂和6101 環(huán)氧樹脂按質(zhì)量比1∶1 混合后攪拌均勻，配制成環(huán)氧樹脂膠液。（3）用注射器或注膠槍注入配制好的環(huán)氧樹脂膠液，從一個孔注膠直到膠液從其他孔溢出為止。（4）用聚乙烯塑料薄膜蓋住注膠區(qū)域后對其加熱和加壓處理，待膠液固化后，用砂紙清除膠瘤。

2.4.4 面板與蜂窩芯脫粘的修理

面板與蜂窩芯脫粘的修理方法如下：（1）用敲擊法確定脫粘區(qū)域損傷邊界。（2）采用階梯打磨法去除損傷區(qū)域面板。（3）將蜂窩芯格上已固化的膠膜清除干凈，并用砂紙打磨露出新鮮蜂窩端面，用吸塵器將粉塵清理干凈。（4）用玻璃纖維織物預(yù)浸料做補(bǔ)片，相鄰兩層補(bǔ)片的搭接量約為20～25 mm。（5）用丙酮清洗挖補(bǔ)區(qū)域，靜置15 min 后將膠膜和補(bǔ)片平鋪在挖補(bǔ)區(qū)，貼補(bǔ)片時補(bǔ)片之間應(yīng)按照原織物鋪層角度交錯放置，最外面蓋上聚乙烯薄膜。（6）用熱補(bǔ)儀對該區(qū)域施加所需要的溫度和壓力，保溫一段時間待膠液固化后打磨掉膠瘤。

2.4.5 蜂窩芯壓塌或穿透性損傷的修理

在飛機(jī)使用過程中蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品由于受到鳥類撞擊或遭到銳器擊中，將出現(xiàn)蜂窩芯壓塌或蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的穿透性損傷。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)壓塌和穿孔的修復(fù)需要根據(jù)損傷區(qū)域尺寸和損傷類型的不同選取不同的修理方法，對于外層損傷深度小于2 mm 的擦傷以及小尺寸的脫粘，可根據(jù)損傷類型選取上述方法修理；對于大面積的壓塌和穿孔，則需要切除整個厚度的損傷區(qū)域，切口形狀一般為圓形或橢圓形，切口邊緣加工出一個斜面，按照切口的形狀在玻璃布、蜂窩原材料和膠膜上裁剪鋪層毛坯、蜂窩毛坯和膠膜，每層玻璃布四周應(yīng)留搭接余量15～20 mm，用丙酮清洗切口部位后將膠膜、蜂窩芯和玻璃布依次放到切口處，最外面鋪上一層聚乙烯塑料薄膜后用熱補(bǔ)儀對該區(qū)域加熱，待膠液固化后，將凸起的膠瘤打磨至平整，如圖3 所示。

圖3 蜂窩芯壓塌的修理

2.4.6 蜂窩芯進(jìn)水的修理

首先用X 射線探傷檢測的方法確定進(jìn)水的蜂窩芯格，對于蜂窩夾層內(nèi)部的水汽，可采用加溫烘干的方法進(jìn)行排水、排潮，加熱溫度為60～70℃，保溫時間為8～12 h。若蜂窩夾層內(nèi)部水汽過多，通過加溫烘干無法排除時，可采用鉆孔法對該區(qū)域所有蜂窩芯內(nèi)表面面板鉆Φ2.1 mm 小孔后用注射器抽除水分，再用加溫烘干的方法進(jìn)行處理。處理完畢用SY-37 環(huán)氧樹脂對針眼進(jìn)行密封。

3 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的維護(hù)建議

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品雖然具有較高的強(qiáng)度及剛度，但如果日常維護(hù)不當(dāng)，極易出現(xiàn)損傷。為此，針對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的日常維護(hù)提出以下建議。

（1）飛機(jī)上裝有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的部位切忌踩踏，產(chǎn)品正常使用的情況下，表面會堆積灰塵、鳥糞等臟物，使用脫脂棉清除產(chǎn)品表面的灰塵及臟物，然后用脫脂棉蘸清水清洗干凈后自然晾干；若產(chǎn)品表面蘸有不易擦洗的油污，應(yīng)用脫脂棉蘸中性洗滌劑擦洗干凈。（2）嚴(yán)禁使用干硬的抹布擦除蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品表面灰塵，嚴(yán)禁用蘸有腐蝕性溶劑的抹布擦洗產(chǎn)品表面，嚴(yán)禁化學(xué)試劑、溶劑、洗滌劑接觸產(chǎn)品表面涂層。（3）定期對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行檢查，對于單處損傷總面積小于4 cm2的損傷處，允許短期內(nèi)（3 個月內(nèi)）飛行，但應(yīng)經(jīng)常檢查損傷情況；若損傷區(qū)域面積變大，則應(yīng)按照維修方法及時排除，防止故障（脫粘、腐蝕、裂紋等）繼續(xù)擴(kuò)展。（4）具有透波性能要求的產(chǎn)品（如氣象雷達(dá)罩、ESM 天線罩等）表面出現(xiàn)損傷需修理時，禁止刮膩?zhàn)有扪a(bǔ)，以免降低產(chǎn)品的透波性能。（5）飛機(jī)需要長期停放時，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品外表面應(yīng)罩上保護(hù)套，如遇到雨天，雨后應(yīng)打開保護(hù)套進(jìn)行通風(fēng)晾曬，防止雨水長期浸泡損傷漆層。（6）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品拆卸、安裝時，應(yīng)輕拿輕放，避免產(chǎn)品發(fā)生碰撞、壓傷和劃傷表面漆層，產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)時應(yīng)放在專用拖車或托架上，產(chǎn)品存放時應(yīng)放置在陰涼干燥并遠(yuǎn)離熱源的場所。

4 結(jié)論

本文論述了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的損傷形式、列舉了幾種修理工藝、提出了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的維護(hù)建議。本文所列舉的修理工藝能夠滿足實(shí)際修理需要，具備可操作性，可以有效幫助內(nèi)場復(fù)合材料維修人員和外場機(jī)務(wù)人員快速有效發(fā)現(xiàn)和判斷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的故障，根據(jù)故障情況制定修理方案，選擇合適的修理方法將故障排除，能夠有效減少飛機(jī)的外場停放時間。