民用飛機鋁合金蜂窩結構件的超手冊修理

趙偉巖 殷允信 王德超

【摘要】本文給出了民用飛機鋁合金蜂窩結構件超手冊修理的典型方案，并針對特殊情況處理和需要注意的問題進行了闡述，以期幫助飛機結構工程師更加方便地編寫相應的修理方案，從而縮短飛機停場時間，提高飛機的利用率，為航空公司創造更多的效益。

【關鍵詞】民用飛機；蜂窩結構；超手冊修理

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

鋁合金蜂窩結構具有質輕、高溫強度好、耐熱、耐腐蝕、吸能減震等性能，因此在民用飛機上得到廣泛的應用，包括主操縱面在內的一些重要部件都是使用鋁合金蜂窩制作。但是民用飛機長期在各種惡劣氣候環境中使用，鋁合金結構部件不可避免地會產生諸如脫膠、吸水、腐蝕、離層等缺陷，甚至遭受外物損傷。

飛機制造商對鋁合金蜂窩構件的修理有嚴格的限制，對于737系列飛機，通常允許修復的損傷不能超過200平方英寸。然而目前常規的一些無損檢查方法如敲擊法、超聲檢測或者X射線檢測等不易發現鋁合金結構部件上粘接力下降、內部蜂窩腐蝕等隱形缺陷，當這些隱形缺陷發展到目視可見時，實際損傷面積常常會遠遠超出結構修理手冊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，往往導致飛機因缺件而停場修理一周以上，給航空公司造成了很大的經濟損失。如果能正確而迅速地修復損傷超標的部件，將大大減少飛機停場時間，提高飛機的利用率，增加航空公司的經濟效益。

1鋁合金蜂窩結構損傷成因分析

粘接力下降、內部蜂窩腐蝕等隱形缺陷發展到目視可見損傷時，飛機的飛行循環一般在20000以上，飛行壽命在10年以上。鋁蜂窩結構部件由于使用時間較長，在惡劣的環境條件下，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，宏觀上無法發現脫膠。此時如果有水分進入內部，在飛機的起降過程中，內部的水會循環經歷高空結冰膨脹-地面融化復原這一過程，會加速這一進程，導致更大面積的脫膠，蜂窩芯也會逐漸腐蝕。

2鋁合金蜂窩結構損傷典型修理方案

以圖1所示后緣襟翼損傷為例，此損傷最初表現為下表面的大面積離層，敲擊檢查下蒙皮離層區域時會發出沉悶的聲音。切除離層的下蒙皮后，發現內部進水，蜂窩腐蝕。下蒙皮和蜂窩的粘結強度變弱。實際上，如果僅憑目測，很難判斷蒙皮和蜂窩的粘結是否依然良好。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強度變弱。可行的方法是切除明顯的損傷區域后，然后在損傷區域四周使用鉗子嘗試拉起蒙皮，如果蒙皮和蜂窩的粘結強度變弱，則蒙皮可以很容易地拉起而蜂窩不會損傷；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。另外仔細觀察蜂窩的狀態，如果蜂窩呈現出暗淡的灰白色，則表明蜂窩有腐蝕，此類蜂窩也必須去除。全部損失去除后，再用鉗子嘗試拉起蜂窩，觀察蜂窩和對側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。為確保修理不會對飛機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構件的力學性能基本恢復到原設計水平，在修理時必須嚴格保證影響鋁合金蜂窩件力學性能各參數符合修理的要求。

修理使用的蒙皮、粘接劑（膠膜）在厚度、強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，由于現在使用的蜂窩芯均是無孔蜂窩，而粘接膠膜有時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生的孔隙。另外，如果修理時使用定位透氣織物（符合BMS5-121標準），則可以增加固化過程中空氣的通透率，減少固化粘結界面的孔隙率，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。陽極化表面對粘附力有較大的影響，因此在陽極化施工過程中必須嚴格控制陽極化處理時間、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。由于磷酸陽極化對環境有一定的污染，出于環境保護的要求，3M公司已經開發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，固化溫度應根據使用的膠膜類型確定。特別是對于修理面積較大的部件，注意保證加溫區域溫度的均勻性，防止由于固化溫度不均勻導致的部件內應力甚至變形。因此進行較大面積的修理時，盡可能選用能保證部件受熱均勻的設備如熱壓罐。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，并排除粘接膠膜中的空氣及其他揮發物，使粘接膠膜與粘接表面形成良好的粘結力。特別是壓力對粘接膠膜的厚度有著重要影響，為了保證修理質量，在加溫固化前往往采用“試片檢驗膜”的方法來預測粘接劑的厚度，因此需要多次對壓力進行調整甚至在某些區域施加機械壓力以使粘接膠膜的固化厚度滿足要求，根據波音公司的建議，一些損傷面積較大圖3內部加強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]。

當部件的損傷區域大、切除量多時，部件的剛度將受到較大的削弱而容易變形，修理時需用模具和夾具進行支撐、固定和維形。模具和夾具對修理件的外形影響較大，因此需充分考慮到它們在固化過程中可能對修理件造成的影響：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不同導致部件與模具夾具變形不一致，產生變形或內應力。模具夾具應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致的修理件溫度分布不均勻。當然模具夾具還應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，為防止重心改變，在修理過程中盡量避免能導致重量變化的操作，如用過多填充劑填蜂窩芯、蜂窩芯密度的改變等。某些對重心有要求的部件如飛機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）拆除修理區域內的緊固件以便接近。

２）從梁的位置開始，向著后緣以垂直梁的方向切除損傷區域的上下蒙皮，確保從梁到蜂窩結構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開1.5英寸。

４）確保所有損傷已經被去除，并且蒙皮和蜂窩的粘接良好，強度完全保留。

５）參考原始生產圖紙，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）參考結構修理手冊拆除并更換損傷的蜂窩部分。

７）參考結構修理手冊，使用和上下蒙皮相同的鋁合金，但是厚度加大一級的包鋁板制作一個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）參考結構修理手冊的通用步驟[1]，分兩步進行修理：

（１）首先進行下蒙皮和蜂窩芯的更換，此時蜂窩芯不需要打磨，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）然后進行上蒙皮的更換。

２．２特殊情況的處理

１）縫翼蜂窩件內部加強片下面的蜂窩損傷，尺寸較小，如圖3所示。

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

２）縫翼蜂窩件內部加強片下面的蜂窩損傷，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片下面，因此需要切除損傷蜂窩之上的加強片，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，切除損傷蜂窩區域上部的內部加強片，使用新的蜂窩和加強片更換原有的蜂窩和加強片，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外部拼接加強片，外部拼接加強片要超出蒙皮切口至少1.5”，超出原有加強片切口至少3.0”。此種方法適用于蒙皮切口和內部加強片切口錯開至少1.5”的損傷情況。

（２）蒙皮搭接修理法

如圖5所示，切除損傷蜂窩區域上部的內部加強片，使用新的蜂窩和加強片更換原有的蜂窩和加強片，注意替換蜂窩表面和原有蒙皮表面平齊，同時內部加強片上部需要額外增加一個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外部加強連接片，與蒙皮/內部加強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部加強片切口一致的損傷情況。

圖4內部加強片下面蜂窩損傷的拼接修理

３修理過程中的注意事項

（1）確保任何損傷的蜂窩以及粘結強度變弱的蒙皮已經被去除，并且剩余蒙皮和蜂窩的粘接強度良好。

（2）任何蒙皮或蜂窩切口必須至少距任何原有加強片邊緣至少1.5英寸。蜂窩切口和蒙皮切口必須至少錯開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對修理件和修理區域進行表面處理，也可以使用Boegel AC-130表面處理液對粘合表面進行處理，但是不能使用氫氟酸/阿洛丁處理，氫氟酸處理一般只適應于臨時性修理。推薦使用Boegel (AC-130)，更加環保，并且方便快捷。

圖5內部加強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，建議使用定位透氣織物（BMS5-121）以確保粘合膠膜固化前其內部空氣能夠順利排出，減少粘合界面的空隙率，增加粘合強度。

（7）蒙皮和蜂窩粘合時使用2層厚度為Grade 10的膠膜，金屬蒙皮和金屬蒙皮粘合時使用1層膠膜即可，這是因為由于蜂窩孔的存在，蒙皮和蜂窩的結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）真空加壓固化時必須確保真空袋覆蓋區域要超出電熱毯加熱區域至少3英寸。

（9）新蒙皮和蜂窩之間的結合面厚度以及修理拼接片和蒙皮之間的結合面厚度保證在0.002英寸和0.020英寸之間。為了達到這一要求，需要參考波音技術規范BAC5514使用試片進行“檢驗膜”試驗[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）確定修理區域和修理周圍3英寸之內區域的蒙皮/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備支撐保護部件，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構工程師根據現有的自身條件快速而準確地制定鋁合金蜂窩件的修理方案，并報相關的OEM制造廠家批準。從而可以有效地減少與廠家來往信息傳遞的次數，縮短修理方案的批準時間，減少飛機停場維修時間，幫助航空公司提高飛機的利用率。

【參考文獻】

［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].

［責任編輯：劉帥］