淺談熱調查工藝在飛機復合材料結構熱粘接修理中的應用

劉愛平 林仁偉 吳璟瑋

摘要：在深入解讀民用飛機波音787、波音777、空客A380修理手冊相關章節的基礎上，結合飛機復合材料結構熱粘接修理實例，分析了在復合材料結構熱粘接修理中運用復合材料零件熱調查工藝來保障碳纖維織物/熱固性樹脂等復合材料結構固化加熱均勻性的方法。

關鍵詞：熱調查；復合材料結構；熱粘接；加熱均勻性；滯后時間

Keywords：thermal survey；composite structure；hot bonding；heat uniformity；lag time

0 引言

波音777、波音787、空客A380等民用飛機已廣泛采用復合材料來設計飛機結構，復合材料結構的修理方法包括粘接修理（Bonded Repair）和螺栓連接修理（Bolted Repair）。運用碳纖維織物/熱固性樹脂增強塑料等設計的飛機承載復合材料結構在粘接修理時主要采用熱粘接，而熱粘接修理中涉及的加熱工藝很復雜，其中固化加熱均勻性是保障修理質量的關鍵。本文結合波音787復合材料零件修理、波音787大翼復合材料結構修理、波音777襟翼復合材料結構修理實例，分析了在碳纖維織物/熱固性樹脂等復合材料結構熱粘接鋪層修理中運用復合材料零件熱調查工藝來保障固化加熱均勻性的方法。

飛機復合材料結構熱粘接修理實踐表明，無論離位修理還是在位修理，要滿足熱粘接工藝的要求都較為復雜，熱粘接工藝是否到位將影響復合材料結構修理后的力學強度和修理區域復合材料補強件恢復結構損失的承載能力，其中修理質量問題可能影響甚至危及飛行安全。新機型的出現帶來了新的維修難題，也帶動了新技術、新工藝的研發。飛機維修中因加熱工藝不完善或運用不當導致的碳纖維織物/熱固性樹脂復合材料結構修理質量問題時有發生，如何實現固化加熱均勻性是保障該類結構熱粘接鋪層修理的關鍵，這一需求促成了對新的加熱工藝的探索，包括復合材料零件熱調查工藝。早期的飛機修理手冊中沒有編寫復合材料零件熱調查工藝的內容，直到2014年波音787結構修理手冊中才首次出現[1]，波音777結構修理手冊中此工藝的編寫是在2017年[2]，而在空客A380結構修理手冊2020年的修訂版中仍沒有列出該工藝的單獨主題。

飛機復合材料結構熱粘接修理中用到的加熱方法主要有熱傳導（如電熱毯）、熱輻射（如加熱燈）、熱對流（如加熱槍）、烘箱和熱壓罐[3]，其中使用較多的是電熱毯加熱。本文僅分析熱調查工藝在電熱毯加熱中的應用。

1 復合材料零件熱調查工藝概述

維修人員在飛機復合材料結構熱粘接日常修理中發現，即使按要求完成了真空袋封裝、電熱毯驗證、熱電偶驗證等加熱工藝，還是不能較好地保障修理區域固化加熱均勻性。由此研發了復合材料零件熱調查工藝。

復合材料零件熱調查工藝是根據復合材料零件的修理區域構型（包括結構特點、材料特性、附加安裝零件等），在實際修理前模擬工序要求，使用臨時修理補片（Temporary Repair Patch）構建一個用于實際修理的加熱構型。

熱調查的核心任務是識別修理區域的熱區域和冷區域，找到滯后時間以確定實際固化時間，記錄修理過程中將固化溫度調節到規定范圍內的隔熱、散熱、輔助加熱方法。滯后時間是指監控熱電偶達到固化溫度所需時間與控制熱電偶達到固化溫度所需時間的差值，其中監控熱電偶安裝在臨時修理補片下部和上部，僅用于熱調查，不用于實際修理；控制熱電偶安裝在修理區域周邊，用于熱調查和實際修理。熱電偶的典型布局如圖1所示。另外，熱調查中還設置了觀察熱電偶，安裝在溫度敏感材料、較薄結構、鋁合金零件、附加安裝零件等位置，也用于實際修理。

波音787和777飛機修理手冊建議下列情形需要執行熱調查：

1）因修理區域各結構部位所處位置不同和傳熱性能不同以致不能得到均勻的加熱溫度時；

2）修理加熱區域的底部有散熱片時；

3）層壓結構的厚度發生變化時；

4）蜂窩芯的密度發生變化時；

5）出現蜂窩夾心和層壓板混合結構時（因蜂窩芯是隔熱材料使得蜂窩芯上面的材料比層壓板更熱）；

6）350℉固化加熱修理時（200℉以上固化加熱的情況需要根據構型的復雜性決定是否執行熱調查）。

2 復合材料零件熱調查工藝應用方法

2.1 波音787復合材料零件熱粘接修理中加熱損傷實例分析

2014年3月，一架波音787飛機某復合材料零件在熱粘接修理中發生過熱損傷，在更換的蜂窩芯塊和原結構蜂窩芯對接處發現蜂窩材料過熱發黃、蜂窩芯切口附近區域的蒙皮分層和脫膠，如圖2所示。

修理區域構型分析：損傷位于面板外端尖部內側約20in，寬約16in，面板為碳纖維織布層壓蒙皮/芳綸蜂窩夾心結構，損傷區域周邊為寬約2.4in的層壓板，被拆除后沒有附加安裝零件，去除損傷后的構型如圖3所示。

根據波音工程技術電傳和飛機結構修理手冊，將該零件離位送車間修理，維修人員采用350℉固化碳纖維預浸料修理法修復面板的蜂窩芯和內表面蒙皮。

過熱損傷主要原因分析：真空袋封裝前沒有嚴格執行電熱毯的驗證[4，5]，因而未能發現所使用的電熱毯的電阻值、熱均勻性不符合修理手冊要求；當時該型飛機的結構修理手冊還沒有編寫熱調查工藝，因而在實際鋪層修理前維修人員未找到較好的手冊工藝來構建合理的加熱構型，尤其是沒有重點監控蜂窩芯切口附近區域的溫度。

2.2 波音787大翼復合材料結構熱粘接修理中熱調查應用實例分析

2019年1月，維修人員需要對一架波音787飛機大翼上長桁區域復合材料結構執行修理工作，工作內容是檢查和修理大翼上部蒙皮和長桁區域的脫膠[6]，見圖4中陰影區域。

修理區域構型分析：修理位置所在的上部蒙皮面板是碳纖維織布的層壓板，往下是翼展方向的碳纖維織布長桁、縱向的鋁合金肋，下部蒙皮面板同時也是碳纖維織布的層壓板，這三者通過熱固性樹脂共固化粘接成整體結構。

根據相關維修資料要求，采用235℉固化玻璃纖維預浸料修理法在位修理。維修人員在執行波音相應服務通告的附錄E和附錄G時[6]，發現當修理區域環境溫度低于15℃時很難保障修理區域的加熱均勻性，于是根據飛機結構修理手冊對修理區域進行了熱調查。

實際修理加熱構型構建：以第6處修理位置為例，熱調查發現主要原因是7號和8號鋁合金翼肋傳熱、散熱太快，通過對修理位置的翼肋區域進行隔熱、輔助加熱，最終達到了修理工藝要求。維修人員還發現當修理區域環境溫度大于25℃時，翼肋溫度容易高于190℉，需要在修理位置的翼肋區域散熱以防止溫度過高使鋁合金翼肋熱損傷。圖5所示為維修人員熱調查后構建的第6處修理位置的實際修理加熱構型。修理區域上表面安裝了10根控制熱電偶，修理位置下部的7號和8號翼肋區域各設置了2根觀察熱電偶。熱調查中得到的滯后時間約為40min。

2.3 波音777襟翼復合材料結構熱粘接修理中熱調查應用實例分析

2019年7月，一架波音777左邊外側襟翼復合材料結構發生損傷。

修理區域構型分析：上部面板的外表面蒙皮和蜂窩芯損傷距離襟翼內端約36in、后緣約4in。面板為碳纖維織布層壓蒙皮/芳綸蜂窩夾心結構，損傷區域后緣為層壓板，被拆除后沒有附加安裝零件，去除損傷后的構型如圖6所示。損傷尺寸約長11in、寬6in。

根據波音工程技術電傳和飛機結構修理手冊[7]，襟翼離位送車間修理，分解損傷的襟翼上部面板，采用350℉固化碳纖維預浸料修理法修復蜂窩芯和外表面蒙皮，外表面蒙皮共計鋪疊14層碳纖維織布，分開二次鋪層固化。

實際修理加熱構型構建：在蜂窩芯塊安裝前的熱調查過程中發現，更換蜂窩芯塊（熱區域）的溫度高于后緣層壓板（冷區域）的溫度，驗證了蜂窩芯和層壓板傳熱性能的差異。蜂窩芯的隔熱、保溫性能較好，在蜂窩芯切口鄰近區域需要布置較多熱電偶來控制溫度，以預防該區域因過熱導致分層和脫膠。維修人員構建的第二次鋪層實際修理加熱構型如圖7所示，共設置了10根控制熱電偶，其中2根位于均壓板上面，還在修理區域內蒙皮的下部（外表面）設置了5根觀察熱電偶。熱調查中得到的滯后時間約為20min。

3 結論

復合材料零件熱調查工藝可用于指導飛機維修人員根據復合材料零件修理區域構型構建實際修理的加熱構型，從而較好地解決了復合材料結構熱粘接修理中固化加熱均勻性問題，并可預防加熱過程中對零件的過熱損傷。該加熱工藝對于飛機主承力復合材料結構的在位修理將非常重要，飛機維修人員在復合材料結構熱粘接修理中正確運用該加熱工藝方法，將有力提高飛機維修質量，保障飛機安全。

參考文獻

[1] Boeing. Structural Repair Manual B787-81205-Z0210-00 [M]. B787-A-51-23-00-02A-030A-A，Nov 27/2020

[2] Boeing. Structural Repair Manual[M]. B777F SRM 51-20-15，Sep 15/2020

[3] SAE. ARP5144 Heat Application for Thermosetting Resin Curing [S]. April 2017

[4] Boeing. Structural Repair Manual B787-81205-Z0210-00 [M]. B787-A-51-23-00-01A-010A-A，Nov 27/2020

[5] Boeing.D6-56273 Qualification of Heat Blankets for Hot Bonding [S]. Aug 14/2015

[6] Boeing .Aircraft Service Bulletin B787-81205-SB570030-00 [Z]. Issue 001，Mar 17/2017

[7] Boeing. Structural Repair Manual[M]. B777F SRM51-70-05，Sep 15/2020

[8] Airbus. Structural Repair Manual[M]. A380-800 SRM Task 51-77-11-Descriptions，Dec 01/2020

作者簡介

劉愛平，高級工程師，復合材料修理車間主任。

林仁偉，工程師，主要負責飛機復合材料現場結構修理。

吳璟瑋，工程師，主要負責飛機復合材料現場結構修理。