復合材料楔形蜂窩結構二次膠接技術研究

張旭艷

摘 要：大型復合材料采用整體成型可以減少零件、緊固件的數量，從而達到減重目的，同時也可有效降低成本，在飛機結構上普遍應用。本文介紹了復合材料楔形蜂窩結構件的研制過程，闡述了二次膠接的成型方法在楔形蜂窩夾層結構組件中的應用以及二次膠接過程中易見的無損質量問題，通過工藝試驗驗證了固化壓力提升、優化尾緣處泡沫膠的填充范圍及放置壓力墊的工藝方法改進對擾流板二次膠接質量有較好的改善。

關鍵詞：復合材料 二次膠接 缺陷 蜂窩夾層 楔形

中圖分類號：V25 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0016-03

夾層結構復合材料通常采用先進復合材料做面板，以蜂窩芯和泡沫為夾芯膠接而成。夾層結構復合材料具有高剛度/重量比的高效率結構，在飛機結構上普遍應用。大型復合材料采用整體成型可以減少零件、緊固件的數量，從而達到減重目的，同時也可有效降低成本。共固化、共膠接、二次膠接技術是復合材料整體成型最基本的方法，更是發揮復合材料減重、降低制造成本的主要技術途徑。二次膠接技術是已固化了的不同的復合材料制件通過膠粘劑再次固化膠接的過程[1]，其間僅有的化學或熱的反應是膠粘劑的固化，這也是整體成型中要用到的技術[2]。

選取某型機復合材料擾流板作為典型結構，該組件蜂窩芯型面復雜，次級零件較多，通過二次膠接工藝方案成型。在成型工藝過程中，膠接質量是影響產品質量穩定的重要因素。本文研究了該結構組件在二次膠接過程中常見的缺陷，并針對缺陷制訂了相應的解決措施，且得到了較好驗證?？偨Y了二次膠接質量控制途徑，對楔形蜂窩夾層結構組件的制造工藝及質量控制有參考意義。

1 正文

1.1 典型結構件的結構特點及制造流程

1.1.1 結構特點

單塊組件包括復合材料上下蒙皮、內外梁、全高度芳綸紙蜂窩芯、內外側角片、擋塊和墊板組成，尺寸約2300mm×1100mm，整體呈楔形，其組成圖如圖1所示。

其中，上蒙皮與蜂窩芯接觸面有加強區，加強區以中部U型開口區為中心呈臺階分布；下蒙皮與蜂窩芯接觸面為光滑面，外表面帶加強區，加強區以U型開口區為中心呈臺階分布；內外段梁外側為包角結構，裝配區有加強層；蜂窩芯為楔形結構，厚度由2～100mm變化不等，與下蒙皮接觸面為光滑面，呈雙曲結構；與上蒙皮接觸面帶下限，下限以U型開口區為中心呈臺階狀分布。

1.1.2 模具方案

由于上下蒙皮帶有加強型面，且下蒙皮呈雙曲結構，考慮到復合材料與金屬的熱膨脹系數不同，如果采用常規金屬模具，蒙皮固化變形比較嚴重，而Invar合金（又稱殷鋼）材料熱膨脹系數與金屬模具相當，采用Invar合金材料制作蒙皮模具，對控制蒙皮固化變形會起到積極作用。Invar合金材料的機械性能如表1所示[3]。

上、下蒙皮成型模和組件二次膠接夾具采用Invar合金材料，其中上蒙皮和組件二次膠接合用一套工裝，其他零件使用鋼制工裝。圖2為膠接夾具數模。

1.1.3 制造流程

上下蒙皮、內外段梁帶余量數控下料、激光投影、單獨固化成型，零件成型后按成型模上鉆模位置鉆制定位孔，定位孔位置與二次膠接夾具上定位銷的位置協調。蜂窩芯通過數控銑切方式加工。內外側角片、擋塊、墊板零件成型后，修整到凈尺寸，參與二次膠接。制造工藝流程如圖3、圖4所示。

1.2 組件膠接內部質量

1.2.1 內部無損缺陷種類

成型后的組件內部容易發生以下無損缺陷：板-芯脫粘、板-板脫粘、孔隙密集。經對各批次組件進行統計，這3類缺陷發生的位置相對比較集中。其中，1#區域常見缺陷為板-板區脫粘，2#區域常見缺陷為板-芯區脫粘，3#區域常見缺陷為孔隙密集。擾流板常見缺陷位置分布如圖5所示。

1.2.2 原因分析

經分析，我們認為造成無損脫粘缺陷的主要原因有兩點：（1）蜂窩芯的銑切方案不合理，專用銑具出現變形，導致銑切完畢后，蜂窩芯型面局部超差；（2）2#區域組件型面局部變化劇烈，固化過程中，此處固化壓力不足，造成無損缺陷產生。

針對尾緣孔隙密集缺陷，我們分析產生該缺陷的主要原因為：（1）尾緣處蜂窩芯很薄，只有約2mm，便從板-芯區過渡至板-板區，泡沫膠的填充量及填充位置可能對孔隙的產生有影響；（2）尾緣部位，下蒙皮帶雙曲型面，傳壓均勻性不足。

1.3 工藝改進試驗

在原工藝方案、模具方案不變的前提下，為了提升組件的二次膠接質量，我們根據脫粘缺陷的原因分析對組件膠接過程采取了針對性的措施，進行了工藝改進試驗。

（1）提升固化壓力。

針對組件外形局部變化劇烈，壓力不足的問題，將組件的固化壓力由0.20MPa±0.035MPa，提升為0.22MPa±0.035MPa。通過提升整體固化壓力，保證外形局部變化劇烈處壓力滿足膠接要求。

（2）優化泡沫膠填充范圍。

針對尾緣處易出現孔隙超差的問題，優化泡沫膠的填充范圍，降低泡沫膠填充寬度，由約35mm改為約30mm，并且，將鋪貼區域向蜂窩芯方向移動約5mm，將部分泡沫膠放置在蜂窩芯上表面。

（3） 放置壓力墊。

針對尾緣處易出現孔隙超差的問題，制袋時，在此處放置1層壓力墊airpad（未固化），起到均勻傳導壓力的作用。

（4）改進蜂窩芯銑切方案。

針對蜂窩芯在銑切過程中頻繁出現型面超差的問題，數控技術人員重新制定了蜂窩芯銑切方案，并申請了新的銑切夾具。

1.4 工藝改進效果評估

經過上述工藝改進試驗，出現無損缺陷的組件數量、發生概率明顯降低，參見圖9可以看出在工藝改進試驗后無損不合格率呈下降并穩定趨勢，擾流板組件二次膠接質量有了很好的改善。

2 結論（結束語）和建議

（1）擾流板組件典型結構為楔形制件，組裝完成后下蒙皮與上蒙皮形成封閉結構將蜂窩芯包裹在內，二次膠接中僅有的化學或熱的反應是膠粘劑的固化，固化過程中是否存在揮發性氣體造成零組件板-芯脫粘還需進一步驗證；封閉的結構對熱能及氣體的流動路徑也造成一定的阻礙，或對擾流板膠接質量有較大影響。

（2）組合膠接時，充分考慮固化壓力對蜂窩芯的影響、膠粘劑性能的發揮，經試驗0.22MPa±0.035 MPa的固化壓力對擾流板典型結構組件膠接效果較佳。

（3）楔形蜂窩芯在尾緣處高度為2mm，膠接時要用發泡膠和預浸料碳布將2mm臺階過渡，該區域為板-芯和板-板過渡區、發泡膠和膠膜補償交接區，容易發生孔隙密集缺陷；優化尾緣處泡沫膠的填充范圍及放置壓力墊的工藝方法對尾緣孔隙密集缺陷有很好的改善。

參考文獻

[1] 段正才，郭紹華，冉安國. 蜂窩夾層結構二次膠接技術研究[A].第17屆全國復合材料學術會議論文[C].2012.

[2] 陳紹杰.淺談復合材料的整體成型技術[J].高科技纖維與應用，2005（2）：6-9.

[3] 常海峰，梁憲珠，李黎.復合材料前機身典型結構整體成型[J].航空制造技術，2009（S1）：48-52.