波音737-NG鋁合金膠接技術(shù)

陳俊逸 深圳航空有限責(zé)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(zé)任公司工程師

本文主要向讀者介紹波音737-NG飛機(jī)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(rèn)識(shí)鋁合金膠接技術(shù)在波音737-NG系列飛機(jī)修理中的應(yīng)用。并通過對其相關(guān)修理知識(shí)的介紹，讓讀者了解掌握該技術(shù)。

前言

飛機(jī)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(jī)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(fù)載時(shí)，孔的周圍會(huì)形成應(yīng)力集中和應(yīng)力分布不均。為了解決應(yīng)力集中，若加厚材料，會(huì)引起結(jié)構(gòu)重量的增加，應(yīng)力分布不均勻會(huì)降低結(jié)構(gòu)疲勞壽命。鉆孔的邊緣是人為的疲勞源，機(jī)械連接處有接觸腐蝕的危險(xiǎn)，在周期性載荷作用下會(huì)發(fā)生松動(dòng)，而鉚接和螺接往往費(fèi)工費(fèi)力費(fèi)時(shí)。

隨著化學(xué)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(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。在航空方面，荷蘭Delft大學(xué)復(fù)合材料研究所率先使用結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)，而澳大利亞的Bak er教授成功用于軍機(jī)修理，至今已有30年的歷史，修理了大量的老齡飛機(jī)，在大型民航飛機(jī)L-1011的門框膠接修補(bǔ)項(xiàng)目方面，取得了F A A的適航證。

一、金屬膠接技術(shù)特點(diǎn)

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

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

（2）膠接結(jié)構(gòu)重量輕，可省去大量的鉚釘、螺栓。因?yàn)闆]有焊縫，不會(huì)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(dòng)有阻尼作用，這就降低了噪聲載荷的等級(jí)。

（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(diǎn)，也有其局限性，主要不足之處有：

（1）膠接的剝離強(qiáng)度較低，在使用環(huán)境下膠接劑的老化程度難于進(jìn)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(shí)至今天，隨著使用和維護(hù)修理經(jīng)驗(yàn)的大量積累，性能和檢驗(yàn)手段的不斷完善，金屬膠接修補(bǔ)技術(shù)在波音飛機(jī)上早已廣泛應(yīng)用。對于波音737NG飛機(jī)，在2006年出版的波音737NG系列飛機(jī)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(jī)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(shí)，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(bǔ)前的準(zhǔn)備工作，可以參考結(jié)構(gòu)修理手冊中SRM 51-70-10進(jìn)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(jìn)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(qiáng)度，必須在粘接部位預(yù)先進(jìn)行磷酸陽極化處理。在飛機(jī)上應(yīng)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(chǔ)上的改進(jìn)方法。

波音公司在SRM中推薦采用H eatcon Com posite System進(jìn)行熱補(bǔ)修理，與之配套H ea tcon公司還研發(fā)了一個(gè)配套的附件HCS2046-02表面處理儀，為飛機(jī)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(jì)組成；三、附件包：包括盛液瓶，導(dǎo)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(shí)可增加一個(gè)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(shí)施步驟

（一）預(yù)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(jī)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(shí)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(hù)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(biāo)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(yàn)表面連續(xù)的水膜（無水珠）是否能保持30秒，若不能，則重復(fù)3-6的步驟，直到符合標(biāo)準(zhǔn)為止。

7.水膜測試通過后立即進(jìn)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(jìn)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(shí)應(yīng)防止磷酸與皮膚、眼睛接觸，工作時(shí)應(yīng)作好個(gè)人防護(hù)。如不慎接觸到磷酸，迅速用大量清水沖洗，然后進(jìn)行治療。

2．在修理工作臺(tái)上鋪放塑料薄膜，以防止污染。

3．PACS系統(tǒng)要求進(jìn)行鋪層，PACS表面處理儀連接導(dǎo)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(yīng)位置，接通外部電源，開始進(jìn)行陽極化。

6．當(dāng)所有的酸流過真空袋，關(guān)上磷酸供應(yīng)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(fēng)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(shí)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(jìn)行陽極化處理。

圖6

圖5

12．在24小時(shí)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(dòng)，使用的儀器設(shè)備較多，如果將流動(dòng)磷酸調(diào)制成半流動(dòng)狀態(tài)，而電流仍能正常流動(dòng)，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(shí)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(jìn)行陽極氧化。具體過程如下：

1．進(jìn)行預(yù)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(gè)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(xì)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(shè)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(shí)為了防止磷酸在通電時(shí)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(huì)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(fù)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(shí)間應(yīng)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(fù)離子水沖洗。

12．讓沖洗完的陽極化部件在室溫下風(fēng)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(fù)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(bǔ)預(yù)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(xì)的砂紙）打磨表面。

3．用干燥空氣或氮?dú)獬シ蹓m。

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(jì)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(gè)小時(shí)。

6．用180#鋁砂紙和隨機(jī)軌跡砂磨器或靠模打磨器進(jìn)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(gè)表面。

8．做目視檢查，檢查表面是否完全打磨干凈；如果達(dá)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(jī)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(jìn)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(jìn)行清潔、打磨、施涂AC130的步驟。

18．立即噴/刷底膠進(jìn)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(hù)待膠接的表面。

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

（三）膠接修復(fù)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)修理及350°F（177°C）的永久性修理。在使用這兩種標(biāo)準(zhǔn)的樹脂時(shí)必須配合使用BM S5-12 1位置定向纖維，它們的鋪設(shè)需嚴(yán)格按照波音SRM手冊的具體施工要求進(jìn)行，否則將嚴(yán)重影響最終膠接質(zhì)量。

2．膠接固化

完成一個(gè)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(bǔ)片膠接固化到損傷區(qū)域。膠接修理的固化過程采用標(biāo)準(zhǔn)的熱膠接設(shè)備，即熱壓罐、真空袋和加熱毯，完成一個(gè)固化周期需要幾個(gè)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(shí)必須嚴(yán)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(bǔ)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(shí)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)相比，同樣具有比強(qiáng)度、比剛度高、重量輕和耐疲勞等特點(diǎn)，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(shè)計(jì)的膠接結(jié)構(gòu)幾乎可以與復(fù)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(shí)現(xiàn)大面積連接而減少(或取消)緊固件等一系列優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于飛機(jī)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(jì)40年代起開始飛機(jī)上應(yīng)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(jī)機(jī)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(jī)主承力結(jié)構(gòu)尚受到相當(dāng)?shù)南拗疲彩俏磥斫饘倌z接技術(shù)攻堅(jiān)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(yīng)用和發(fā)展的。航空結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)中期。50年代末，北京航空學(xué)院曾在其研制的“北京一號(hào)”小型飛機(jī)上應(yīng)用了若干項(xiàng)金屬膠接零件，先進(jìn)膠接技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上得到了較廣泛的應(yīng)用。就維護(hù)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(dòng)力。而相應(yīng)的維護(hù)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(jī)SRM.結(jié)構(gòu)修理手冊

[2]波音737NG系列飛機(jī)SOPM.標(biāo)準(zhǔn)施工手冊

[3]波音737NG系列飛機(jī)NDT.無損探傷手冊

[4]航空器結(jié)構(gòu)修理.民航部件項(xiàng)目培訓(xùn)教材編寫組出版

[5]飛機(jī)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