民用飞机铝合金蜂窝结构件的超手册修理

【摘 要】本文给出了民用飞机铝合金蜂窝结构件超手册修理的典型方案,并针对特殊情况处理和需要注意的问题进行了阐述,以期帮助飞机结构工程师更加方便地编写相应的修理方案,从而缩短飞机停场时间,提高飞机的利用率,为航空公司创造更多的效益.

【关 键 词】民用飞机；蜂窝结构；超手册修理

RepairofAluminumHoneybStructureDamageBeyondManualLimitonCivilAircraft

ZＨＡＯＷei－yanYＩＮＹun－xinWａｎｇDe－chao

(Taikoo(shandong)AircraftEngineeringCo.,Ltd.,JinanShandong250107,China)

【Abstract】TypicalrepairschemeisillustratedinhereforaluminumHoneybstructuredamagebeyondmanuallimitoncivilaircraft,specialconditiondispositionsandgeneralrequirementsarealsodiscussed.Theaimistohelpaircraftstructureengineertoeasilydevelopindividualrepairscheme,toreducetheaircraftongroundtimeandimprovetheutilizationrateoftheplane,hencetheairlinescangainmoreeconomicbenefit.

【Keywords】Civilaircraft,Aluminumhoneybstructure,Damagebeyondmanuallimit

铝合金蜂窝结构具有质轻、高温强度好、耐热、耐腐蚀、吸能减震等性能,因此在民用飞机上得到广泛的应用,包括主操纵面在内的一些重要部件都是使用铝合金蜂窝制作.但是民用飞机长期在各种恶劣气候环境中使用,铝合金结构部件不可避免地会产生诸如脱胶、吸水、腐蚀、离层等缺陷,甚至遭受外物损伤.

飞机制造商对铝合金蜂窝构件的修理有严格的限制,对于737系列飞机,通常允许修复的损伤不能超过200平方英寸.然而目前常规的一些无损检查方法如敲击法、超声检测或者X射线检测等不易发现铝合金结构部件上粘接力下降、内部蜂窝腐蚀等隐形缺陷,当这些隐形缺陷发展到目视可见时,实际损伤面积常常会远远超出结构修理手册中允许的最大修理面积.由于备件昂贵,航空公司一般不可能有备件,往往导致飞机因缺件而停场修理一周以上,给航空公司造成了很大的经济损失.如果能正确而迅速地修复损伤超标的部件,将大大减少飞机停场时间,提高飞机的利用率,增加航空公司的经济效益.

1铝合金蜂窝结构损伤成因分析

粘接力下降、内部蜂窝腐蚀等隐形缺陷发展到目视可见损伤时,飞机的飞行循环一般在20000以上,飞行寿命在10年以上.铝蜂窝结构部件由于使用时间较长,在恶劣的环境条件下,铝合金蒙皮和金属蜂窝之间的粘合层性能老化,甚至脱粘离层,但是蒙皮和蜂窝仍然接触在一起,宏观上无法发现脱胶.此时如果有水分进入内部,在飞机的起降过程中,内部的水会循环经历高空结冰膨胀-地面融化复原这一过程,会加速这一进程,导致更大面积的脱胶,蜂窝芯也会逐渐腐蚀.

2铝合金蜂窝结构损伤典型修理方案

以图1所示后缘襟翼损伤为例,此损伤最初表现为下表面的大面积离层,敲击检查下蒙皮离层区域时会发出沉闷的声音.切除离层的下蒙皮后,发现内部进水,蜂窝腐蚀.下蒙皮和蜂窝的粘结强度变弱.实际上,如果仅凭目测,很难判断蒙皮和蜂窝的粘结是否依然良好.但是目前无损检测也没有有效的方法可以判定蒙皮和蜂窝的粘结强度变弱.可行的方法是切除明显的损伤区域后,然后在损伤区域四周使用钳子尝试拉起蒙皮,如果蒙皮和蜂窝的粘结强度变弱,则蒙皮可以很容易地拉起而蜂窝不会损伤；如果需要很大的力量才能拉起蒙皮,并且蒙皮拉起后蜂窝损伤,则表明蒙皮和蜂窝粘合良好.另外仔细观察蜂窝的状态,如果蜂窝呈现出暗淡的灰白色,则表明蜂窝有腐蚀,此类蜂窝也必须去除.全部损失去除后,再用钳子尝试拉起蜂窝,观察蜂窝和对侧蒙皮的粘合是否良好,按需去除损伤,直到全部损伤完全去除,蒙皮和蜂窝粘合良好.

一般地,铝合金蜂窝构件损伤后的修理方法是[1]：切除所有损坏的蜂窝芯和蒙皮,并换上新的蜂窝芯和蒙皮,用修理拼接片将新蒙皮和原有蒙皮拼接起来.为确保修理不会对飞机的飞行性能和安全造成不利影响,使修理后的铝合金蜂窝结构件的力学性能基本恢复到原设计水平,在修理时必须严格保证影响铝合金蜂窝件力学性能各参数符合修理的要求.

修理使用的蒙皮、粘接剂（胶膜）在厚度、强度以及蜂窝芯的密度等方面尽可能与原件相同.需要注意的是,由于现在使用的蜂窝芯均是无孔蜂窝,而粘接胶膜有时候使用基体偏置的单面胶膜（OST),因此如果使用OST胶膜,必须用胶膜的干面（mat面）与蜂窝芯相贴合以利于蜂窝芯中的空气在固化前顺利排除,以减少固化后粘接界面因空气存在而可能产生的孔隙.另外,如果修理时使用定位透气织物（符合BMS5-121标准）,则可以增加固化过程中空气的通透率,减少固化粘结界面的孔隙率,但是需要注意OST胶膜的湿面（tacky）与定位织物相贴合.

修理件（修理蒙皮、蜂窝芯、拼接片）和修理区域的蒙皮及蜂窝芯表面必须先清洁,以彻底清除表面的油污及其他污物,然后再阳极化处理所有粘接表面.阳极化不仅能提高铝合金的抗腐蚀能力,而且用磷酸阳极化处理过的表面会形成厚度适中、孔径较大的多孔氧化膜,便于粘接剂的渗入,形成良好的粘附,因此铝合金粘接件通常都采用磷酸阳极化.阳极化表面对粘附力有较大的影响,因此在阳极化施工过程中必须严格控制阳极化处理时间、电压以及槽液浓度等使其符合工艺要求,处理过的表面还要防止被污染.由于磷酸阳极化对环境有一定的污染,出于环境保护的要求,3M公司已经开发出一种可以替代磷酸阳极化的表面处理方法(BoegelAC130)[2].

粘接胶膜需在一定的温度下固化,固化温度应根据使用的胶膜类型确定.特别是对于修理面积较大的部件,注意保证加温区域温度的均性,防止由于固化温度不均匀导致的部件内应力甚至变形.因此进行较大面积的修理时,尽可能选用能保证部件受热均匀的设备如热压罐.固化过程中需通过抽真空、施加外力等方法施加一定的压力使修理件具有所需的外形,保证粘接胶膜固化厚度适当,并排除粘接胶膜中的空气及其他挥发物,使粘接胶膜与粘接表面形成良好的粘结力.特别是压力对粘接胶膜的厚度有着重要影响,为了保证修理质量,在加温固化前往往采用“试片检验膜”的方法来预测粘接剂的厚度,因此需要多次对压力进行调整甚至在某些区域施加机械压力以使粘接胶膜的固化厚度满足要求,根据波音公司的建议,一些损伤面积较大图3内部加强片下面较小蜂窝损伤的修理小

的修理,压力最好在45Psi以上[3].

当部件的损伤区域大、切除量多时,部件的刚度将受到较大的削弱而容易变形,修理时需用模具和夹具进行支撑、固定和维形.模具和夹具对修理件的外形影响较大,因此需充分考虑到它们在固化过程中可能对修理件造成的影响：模具/夹具的材料最好与修理件相同,避免因材料热膨胀系数不同导致部件与模具夹具变形不一致,产生变形或内应力.模具夹具应具有良好的传热散热方式,使其热容量尽可能小,避免在升温降温过程中因模具夹具导致的修理件温度分布不均匀.当然模具夹具还应有良好的刚性以保证修理件具有较精确的外形.

蜂窝件的重心改变与重量分布有关,为防止重心改变,在修理过程中尽量避免能导致重量变化的操作,如用过多填充剂填蜂窝芯、蜂窝芯密度的改变等.某些对重心有要求的部件如飞机的主飞行操纵面修理后必须重新配平.

2.1典型修理基本步骤（以737-300后襟翼的修理为例,如图2）

１）拆除修理区域内的紧固件以便接近.

２）从梁的位置开始,向着后缘以垂直梁的方向切除损伤区域的上下蒙皮,确保从梁到蜂窝结构后缘边缘的切口要垂直于梁.

３）去除损伤的蜂窝.注意蜂窝切口和蒙皮切口必须至少错开1.5英寸.

４）确保所有损伤已经被去除,并且蒙皮和蜂窝的粘接良好,强度完全保留.

５）参考原始生产图纸,使用和原上下蒙皮材料完全相同的包铝板制作上蒙皮更换件（-1）和下蒙皮更换件（-2）,参看图2.

６）参考结构修理手册拆除并更换损伤的蜂窝部分.

７）参考结构修理手册,使用和上下蒙皮相同的铝合金,但是厚度加大一级的包铝板制作一个3英寸宽的上蒙皮外部修理拼接片（-3）和下蒙皮外部修理拼接片（-4）,参看图2.

８）参考结构修理手册的通用步骤[1],分两步进行修理：

（１）首先进行下蒙皮和蜂窝芯的更换,此时蜂窝芯不需要打磨,其平整的表面与下蒙皮的平直表面可以进行良好的粘合.

（２）下蒙皮和蜂窝芯固化完成后,打磨蜂窝芯上表面,使之与原有的蜂窝芯上表面曲面一致.

（３）然后进行上蒙皮的更换.

２．２特殊情况的处理

１）缝翼蜂窝件内部加强片下面的蜂窝损伤,尺寸较小,如图3所示.

此种情况下不需要切除加强片,由于加强片下蜂窝损伤尺寸较小,在更换损伤的蜂窝时,在蒙皮和内部加强片上轻微施力,使更换的蜂窝和胶膜能够塞入加强片下的区域.其余步骤同2.1.

２）缝翼蜂窝件内部加强片下面的蜂窝损伤,尺寸较大,如图4和图5所示.

此种情况下,更换的蜂窝无法有效地塞入加强片下面,因此需要切除损伤蜂窝之上的加强片,修理方法有两种：蒙皮拼接修理法和蒙皮搭接修理法.

（１）蒙皮拼接修理法

如图4所示,切除损伤蜂窝区域上部的内部加强片,使用新的蜂窝和加强片更换原有的蜂窝和加强片,注意替换蜂窝表面和原有蜂窝表面平齐.表面蒙皮使用拼接法更换,拼接处外部再加一个外部拼接加强片,外部拼接加强片要超出蒙皮切口至少1.5”,超出原有加强片切口至少3.0”.此种方法适用于蒙皮切口和内部加强片切口错开至少1.5”的损伤情况.

（２）蒙皮搭接修理法

如图5所示,切除损伤蜂窝区域上部的内部加强片,使用新的蜂窝和加强片更换原有的蜂窝和加强片,注意替换蜂窝表面和原有蒙皮表面平齐,同时内部加强片上部需要额外增加一个和原有蒙皮厚度一致的垫片.表面蒙皮使用搭接法更换,厚度与原蒙皮厚度一致.此外需要在蒙皮表面再添加一个外部加强连接片,与蒙皮/内部加强片切口左右保持至少3”的距离.此种方法适用于蒙皮切口和蜂窝以及内部加强片切口一致的损伤情况.

图4内部加强片下面蜂窝损伤的拼接修理

３修理过程中的注意事项

（1）确保任何损伤的蜂窝以及粘结强度变弱的蒙皮已经被去除,并且剩余蒙皮和蜂窝的粘接强度良好.

（2）任何蒙皮或蜂窝切口必须至少距任何原有加强片边缘至少1.5英寸.蜂窝切口和蒙皮切口必须至少错开1.5英寸.

（3）确保拼接和搭接中心线距部件上主要接头中心线至少3英寸.

（4）使用磷酸阳极化方法（PANTA或PACS0对修理件和修理区域进行表面处理,也可以使用BoegelAC-130表面处理液对粘合表面进行处理,但是不能使用氢氟酸/阿洛丁处理,氢氟酸处理一般只适应于临时性修理.推荐使用Boegel(AC-130),更加环保,并且方便快捷.

图5内部加强片下面蜂窝损伤的搭接修理

（5）修理蜂窝必须是使用磷酸阳极化处理过的蜂窝,这种蜂窝经过了阳极化处理,抗腐蚀性能得到很大提高.

（6）修理面积较大时,建议使用定位透气织物（BMS5-121）以确保粘合胶膜固化前其内部空气能够顺利排出,减少粘合界面的空隙率,增加粘合强度.

（7）蒙皮和蜂窝粘合时使用2层厚度为Grade10的胶膜,金属蒙皮和金属蒙皮粘合时使用1层胶膜即可,这是因为由于蜂窝孔的存在,蒙皮和蜂窝的结合面仅限于蜂窝壁和蒙皮的接触面,面积很小,并且部分粘合胶膜在加热固化的过程中流失,必须保证足够的粘合剂填充蜂窝壁和蒙皮的接触面.

（8）真空加压固化时必须确保真空袋覆盖区域要超出电热毯加热区域至少3英寸.

（9）新蒙皮和蜂窝之间的结合面厚度以及修理拼接片和蒙皮之间的结合面厚度保证在0.002英寸和0.020英寸之间.为了达到这一要求,需要参考波音技术规范BAC5514使用试片进行“检验膜”试验[3],确定粘合厚度符合要求,并且金属和金属之间以及金属和蜂窝之间粘合良好.

（10）固化完成后,使用无损检测的方法（一般是敲击检查）确定修理区域和修理周围3英寸之内区域的蒙皮/蒙皮以及蒙皮/蜂窝之间粘合良好.

（11）如果需要,可以使用合适的夹具或者夹持设备支撑保护部件,确保部件保持原有轮廓不变形.

本文提供的典型修理步骤能够帮助结构工程师根据现有的自身条件快速而准确地制定铝合金蜂窝件的修理方案,并报相关的OEM制造厂家批准.从而可以有效地减少与厂家来往信息传递的次数,缩短修理方案的批准时间,减少飞机停场维修时间,帮助航空公司提高飞机的利用率.

【参考文献】

［1］737-300StructuralRepairManualD6-37635[Z].Rev103,10Mar2014.

［2］TechnicaldatasheetAC-130,February2012[Z].

［3］COMMONBONDINGREQUIREMENTORSTRUCTURALADHESIVES,BOEINGPROCESSSPECIFICATIONBAC5514,REV.AP,10Sep1999[Z].

［责任编辑：刘帅］