復合材料夾雜缺陷分析

(中航飛機股份有限公司 陜西 西安 710089)

一、序言

復合材料具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、導電及導熱性能優良的特點，其外形具有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種形狀的零件。且復合材料比重小，具有很高的比強復合材料技術越來越成熟，其優越的性能和低成本大大推動了復合材料在飛機上的廣泛使用。在空客項目A380飛機使用復合材料占有量達到25%。波音787飛機，其機身、機翼、發動機短艙、水平尾翼、垂尾尾翼、翼尖等均采用復合材料。我國正在研制的C919飛機大面積使用復合材料，比例達到18%。與此同時，新研制的渦輪支線飛機MA700，復合材料結構預計將占機體重量的15%，預計減重10%-15%。

現階段，超聲檢測是判定復合材料內部質量問題最有效的方式。超聲檢測可以檢測出復合材料制件內部的夾雜、分層、脫粘以及孔隙等缺陷。

二、復合材料夾雜缺陷超聲檢測分析

復合材料夾雜缺陷可通過超聲檢測中接觸式脈沖反射法和噴水穿透法檢測技術發現，顯示方式分為A掃描和C掃描，C掃描顯示圖像是通過零件上每一點A掃描波形經過數據處理形成的。

(一)接觸式脈沖反射法A掃描檢測夾雜缺陷分析

該方法是通過波形顯示判定夾雜缺陷的，波形表現形式未層間反射法升高，底波降低甚至消失。

(二)噴水穿透法C掃描檢測夾雜缺陷分析

該方法是通過零件上沒一點A掃描顯示波形經過數據處理后，形成的圖像。通過分析夾雜缺陷產生的原因可得出，夾雜類缺陷形狀一般較為規則，為三角形、正方形、長方形或者平行四邊形。如圖1、圖2所示。

圖1 長方形夾雜缺陷

圖2 鋸齒形夾雜缺陷

三、復合材料夾雜缺陷產生原因分析

復合材料零件均為一次成型或由多次組合而成。夾雜缺陷是指在鋪貼的過程中，將外來夾雜物參雜到零件內部而產生的一種缺陷。

一次成型零件夾雜缺陷產生的原因為：

(1)工作區域不整潔，在鋪貼的過程中，將外來夾雜物參雜到零件內部；

(2)操作人員工作不認真，在鋪貼的過程中，未將碳布的撕下層完成去掉，導致一部分撕下層留在了零件內部；

(3)碳布撕下層與碳布或工裝顏色相近，無法判斷是否將撕下層完成去掉；

(4)操作人員未按指令檢查每一層的鋪貼，確保外來夾雜物夾雜到零件內部；

(5)原材料本身帶有夾雜缺陷。

組合件零件夾雜缺陷產生的原因為：

(1)加工設備代入夾雜；

(2)操作人員操作技能低、經驗不足，未清理干凈次級零件進行膠接；

(3)工藝方法不成熟；

(4)生產環境不符合標準文件要求。

四、復合材料夾雜缺陷因素識別和分析

(一)一次成型零件夾雜缺陷識別和分析

表1 一次成型零件夾雜缺陷原因識別

通過上表分析，可以看出次級零件出現夾雜缺陷主要為碳布撕下層未完全去除，可以通過增加操作人員互檢等方式來杜絕上述問題發生。

(二)組合件零件夾雜缺陷識別和分析

通過魚刺圖分析產生該類型缺陷的原因。

圖3 夾雜缺陷原因分析魚刺圖

通過夾雜缺陷原因分析魚刺圖，以及與相關技術人員討論，經分析造成缺陷的主要原因是未對待膠接的次級零件進行完全清理，導致雜質代入組件。

(三)復合材料制件制造過程質量控制及改進措施

1.質量控制

復合材料制造是一個需要把控生產流程及制造環境的特殊過程。其基本的環節包括：工藝裝備的清潔及準備、原材料的準備、原材料的數控分切、零件鋪貼及壓實、真空袋的制作、固化、脫模、數控銑切、無損檢測、密封、噴錫、交檢等。在整個環節內，每道工序都需要嚴格監控其生環境及操作流程，生產過程及制造環境的控制同樣是產品質量控制的重要組成部分。對于夾雜缺陷來說，問題主要出現在零件鋪貼及壓實過程中。

零件的鋪貼是復合材料制造的核心環節之一。通過預浸料的逐層鋪貼，最終才能形成復合材料零(組)件實體。鋪層角度、鋪層位置、鋪層材料等的正確與否，直接決定了產品的最終質量。操作人員除按照激光投影系統的指引，逐層鋪貼預浸料之外，還需參考操作指令內的零(組)件鋪層表、關鍵鋪層示意圖、零(組)件特征點示意圖等防差錯信息，以保證鋪貼的正確性。

為減少產品夾雜缺陷，技術人員應依據產品的結構特點及原材料額工藝性能，逐層檢查鋪貼，防止外來物質及撕下層未完全撕下的情況。為保證操作人員嚴格按照指令要求進行生產，技術人員編制相關記錄表格，要求填寫每層鋪貼檢查情況。并要求質檢人員雜現場巡視，并隨機抽檢產品鋪層。

2.改進措施

(1)制造過程改進措施

在下料、投影程序、工裝結構，制造指令中增加防差錯設計，進一步明確操作要求，避免意外的出現，防止操作人員因不熟悉、不認真、理解錯誤等原因引起的夾雜缺陷，從而導致產品質量問題。

為保證產品質量的一致性，同時，確保所有制造環節過程受控，在零(組)件制造的整個環節內，必須加強過程控制，通過強制記錄中間數據、提高質保人員巡檢頻次、增加互檢環節等方式，提高過程控制的可靠性及產品質量的一致性。

在試驗件充分驗證的基礎上，依據零(組)件的制造流程，編制培訓教程，其內容包括工藝流程、工裝結構、技術細節、檢測方法等所有細節信息。確保所有操作人員在零(組)件制造前能夠充分了解制造要求，避免錯誤操作。

(2)人員培訓

所有操作人員在獨立制造零(組)件以前，需要進行模擬考核、實操驗證兩個階段的考試，以確保其能力達到了要求。在模擬考核階段，操作人員需要詳細描述零(組)件的工藝流程，設備的使用方法，具體的參數，測試的工具等所有相關信息。通過模擬考核的人員進入實操驗證階段，實操驗證是在已獲得資格的人員的監督下，連續完成3架份的零(組)件的制造，且產品質量滿足要求。經實操驗證合格的人員即獲得授權，可以單獨進行零(組)件的制造。但是，如果由人為原因導致產品質量不滿足要求，則失去資質，需重新按原流程獲取制造資質。為全面提升人員技能水平，確保操作人員熟練掌握新工藝、新設備、新材料的使用要點，定期開展專項培訓，針對特定設備、材料、工藝等深入討論，同步提升操作人員的理論素養及技術能力，適應新機型的研制要求。

五、結論

本文通過超聲檢測技術手段發現復合材料零件內部夾雜缺陷，利用質量控制與質量改進的理論知識，通過分析夾雜缺陷產生的原因，如何控制夾雜缺陷及質量改進措施等方式，進而盡量避免夾雜缺陷產生。