蜂窩夾層結構件的損傷修理工藝研究

魏江雄

（凌云科技集團有限責任公司，湖北 當陽 444100）

蜂窩夾層結構是由兩個表面很薄的面板，中間夾以蜂窩夾芯材料組合而成的一種夾層結構復合材料。目前，常見的蜂窩夾層結構多由內外層面板、蜂窩芯、加強邊框等零部件膠合而成，面板可以是纖維織物、鋁合金板、塑料板等；蜂窩芯可以是鋁合金材料也可以是芳綸紙材料；面板和蜂窩芯之間采用膠膜粘接；蜂窩芯之間及蜂窩芯和加強邊框之間采用膠膜或發泡膠拼接；為防止進水，所有對縫處及工藝孔洞均用密封膠密封。蜂窩夾層結構根據結構形式不同可以分為A 夾層、C 夾層及多夾層結構。

隨著飛機的輕量化成為飛機設計時的重要考量要素，加之蜂窩夾層結構本身具有強度高、質量輕、透波率好的特點，蜂窩夾層結構復合材料在航空航天領域的使用比例大幅提升。波音737、空客A320 系列飛機的雷達罩[1-2]、內部裝飾板均采用了蜂窩夾層結構形式。

1 蜂窩夾層結構零部件的損傷形式

蜂窩夾層結構零部件在制造、裝配、地面停放及裝機使用過程中，由于維護工藝不當、飛行載荷、工具墜落、雷擊、鳥撞和冰雹、地面沙石打擊等原因，易造成各種損傷。按照損傷類型和損傷產生的部位進行分類，蜂窩夾層結構產品的損傷形式可分為以下幾類。

1.1 面板輕微損傷

面板輕微損傷主要包括面板的劃傷、擦傷、表面漆層龜裂、表面輕微凹陷和壓坑。這類損傷對產品的總體強度影響較小，通常只需將損傷部位面板蒙皮打磨后涂膠修補。

1.2 表面凹陷

這類損傷通常是由于飛機受到鳥、工裝梯架撞擊或遭遇惡劣的冰雹天氣，造成蜂窩夾層結構面板受到沖擊載荷作用而形成較為明顯的凹坑，此類損傷通常會造成蜂窩芯的塌陷，對產品結構強度有一定的影響，修理時除更換面板外還需對塌陷的蜂窩芯進行修復。

1.3 脫膠

這類損傷指的是面板與面板之間或面板與蜂窩芯之間出現剝離，引起面板脫粘的原因主要是飛機服役時間長造成的膠粘劑老化、蜂窩芯格內部受潮、進水。脫粘損傷一般不會引起產品外觀的明顯變化，需借助專門的故檢工具如膠木錘或啄木鳥敲擊儀輔助檢查，脫粘處擴展到一定程度后會對損傷部位強度造成較大影響，修補時需挖除面板蒙皮后重新膠接。

1.4 腐蝕、穿孔

這類損傷多發生在以鋁合金作為面板材料的蜂窩夾層結構產品中，隨著飛機使用年限的增加，面板將發生腐蝕、穿孔現象。這類損傷修理時先去除腐蝕和穿孔部位的蒙皮，再檢查內部蜂窩芯可否留用，如蜂窩芯可繼續留用，則保留原蜂窩芯，制作補片進行修補；如蜂窩芯腐蝕或損傷不再具有原狀態承載能力，須挖除相應區域的蜂窩芯后再制作補片進行修補。

1.5 穿透性損傷

這類損傷是指產品受到鳥撞或雷擊后，面板和蜂窩芯兩側均出現穿孔損傷，穿透性損傷對產品結構強度影響很大，修理后需對產品強度進行評估并經檢驗后方可確定能否繼續裝機使用。

2 蜂窩夾層結構產品的修理工藝

2.1 蜂窩夾層結構修理的一般要求

蜂窩夾層結構產品的修理需建立在以下原則之上。

（1）修理區域的強度需與原結構強度相當；修理中使用的材料應與原產品制造使用的材料盡量相同或使用經批準的代用材料，修補區域的織物材料、鋪層方向、蜂窩芯方向應與原結構一致，所選用蜂窩芯材料的密度應不小于、邊長應不大于原蜂窩芯材料，蜂窩芯的高度應不小于原蜂窩芯。

（2）為保證飛機外表面氣動特性，修理后應盡可能避免修補后的補片凸出原機外部蒙皮，修補后需對補片表面和邊緣做光順處理。

（3）產品修理打磨過程中不能損傷未修補區的纖維織物或鋁合金表面，打磨時鋁合金蒙皮上露出金屬光澤的地方應涂刷阿羅丁和鋅黃底漆進行防腐處理。

（4）有透波性能要求的產品，例如氣象雷達罩，在修理時應按原漆層厚度和牌號進行表面漆層的噴涂，不允許在產品表面刮涂膩子，以免對原產品的透波性能造成損失。

2.2 蜂窩夾層結構修理的一般步驟

飛機蜂窩夾層結構修理的目的是恢復產品的外形完整性的同時，保證產品裝機使用能滿足其剩余壽命周期要求，即恢復飛機結構的完整性和安全性。蜂窩夾層結構的修理工藝因損傷類別、材料以及使用環境的不同存在一定的差異，為了保證修理質量，產品修理過程必須按照一定的操作規程選擇恰當的修理方法進行。一般而言，蜂窩夾層結構的修理過程包括損傷區域確定→評估損傷區域→設計修理方案→準備修理材料、設備→修理實施→損傷區域修理后的檢測等環節。各個環節的具體要求和方法如下：

（1）確定損傷區域：確定損傷區域的過程即發現故障、確定故障范圍及損傷程度的過程；可以通過目視檢查、敲擊檢查以及超聲A 掃、超聲C 掃、聲振、X 射線檢測等方法來確定損傷區域。

（2）評估損傷區域：該過程需要結合產品的修理容限[3]，判斷損傷屬于允許損傷、可修理損傷還是不可修理損傷。如圖1 所示，其中Xa 為需修理和不需修理的臨界值，Xb 為能修與不能修的臨界值，如果實際損傷尺寸X0Xb，則屬于不可修理損傷，該類型損傷是不允許修理或可以修理但修理不如換件經濟的損傷，對于這類損傷需要對損傷產品進行報廢更換。

圖1 損傷評估示意圖

（3）設計修理方案：查詢產品結構修理手冊或修理工藝規程，根據評估損傷區域情況，選擇合適的修理工藝。當前，蜂窩夾層結構修理的主要方法有注膠打螺塞修理、再制造修理、熱挖補修理、濕法鋪貼修理等方法。

（4）準備修理材料、設備：根據修理方案，維修人員完成修理用預浸料、膠膜、蜂窩芯格等修理器材的領用；準備好熱補儀、真空泵等專用修理設備。

（5）修理實施：維修人員按照修理方案完成產品的修復。

（6）損傷區域修理后的檢測：采用無損檢測方法對損傷修理區域的修理質量進行驗收，損傷區域經過修理后應無脫粘、分層、積水等故障現象。

2.3 蜂窩夾層結構的故障檢查方法

故障檢查是確定損傷區域的重要途徑，蜂窩夾層結構件制品的故障檢查方法主要包括目視檢查法、敲擊法及無損檢測方法；常用的無損檢測方法又包括超聲波探傷及X射線探傷。

（1）目視檢查法：目視檢查法是檢查蜂窩夾層結構產品面板損傷程度的最主要方法，該方法主要針對一些易觀察且具有明顯損傷特點的部位進行目視檢測，包括表面涂層龜裂、表面劃傷、擦傷、腐蝕、穿孔等現象進行的外觀檢查。

（2）敲擊法：敲擊法是使用膠木錘（如圖2）或啄木鳥敲擊儀敲擊的方法尋找和確定面板與蜂窩芯、面板與面板剝離的尺寸。用膠木錘敲擊時應用錘背憑其自重對受檢部位輕輕敲擊，剝離部位會發出沉悶的敲擊聲。將面板聲音變化的每個點用記號筆作出標記，直到將這些點連起來劃出剝離區域范圍為止。

圖2 敲擊蜂窩結構用的膠木錘

（3）超聲波探傷：采取目視與敲擊相結合的方法可以對產品的內外面板損傷、面板與蜂窩夾芯脫粘、孔邊裂紋、分層、穿孔等故障進行檢查，確定損傷的范圍及程度，當故障檢查發現產品有損傷時或檢測人員對敲擊檢查的結果有疑異時，可對損傷區域進行超聲波探傷檢測。BONDMASTER 1000 是便攜式的超聲波探傷設備，使用時將探頭放在待檢測部位表面，設備通過發送和接收脈沖能量測量波幅和相位變化，以此來精確檢測面板與蜂窩芯的粘接情況。

（4）X 射線探傷：X 射線探傷機可用于檢測蜂窩芯格內部的積水情況。X 射線在穿透物體過程中會與物質發生相互作用，因吸收和散射的原因其強度會減弱。強度衰減程度取決于物質的衰減系數和射線在物質中穿透的厚度。蜂窩夾層結構產品內部積水的X 射線檢測正是利用了這一原理，由于水與空氣的衰減系數不同，如果蜂窩芯格存在局部積水，則該局部區域透過的射線強度就與周圍存在差異[4]，在膠片上會呈現出黑度的差異。

2.4 蜂窩夾層結構修理實例

2.4.1 面板輕微損傷的修理

面板的劃傷、擦傷及輕微凹坑，可以通過涂膠修復。具體方法如下：（1）先用300#砂紙打磨擦傷面，在擦傷區域周圍5 mm 寬度范圍內將擦傷深度打磨平并平滑過渡到主體材料上。（2）用丙酮清洗損傷區域。（3）用650 聚酰胺樹脂和6101 環氧樹脂按質量比1：1 混合后攪拌均勻，配制成環氧樹脂膠液。（4）將膠液涂到擦傷處，待膠液固化后用300#砂紙將凸起的膠瘤打磨至與周邊壁板齊平。

2.4.2 面板表面凹陷、腐蝕及單面穿孔的修理

對于面板表面出現凹陷、腐蝕及單面穿孔的故障，修理方法如下：（1）先對損傷區域做挖補，之后修整損傷。（2）制作補片。用玻璃纖維織物預浸料做補片，相鄰兩層補片的搭接量約為20～25 mm。（3）用丙酮清洗挖補區域，靜置15 min 后將膠膜和補片平鋪在挖補區，貼補片時補片之間應按照原織物鋪層角度交錯放置，最外面蓋上聚乙烯薄膜。（4）用熱補儀對該區域施加所需要的溫度和壓力，保溫一段時間待膠液固化后打磨掉膠瘤。

2.4.3 鋪層材料間脫粘的修理

修理鋪層材料間脫膠的方法是往脫膠區域注入新膠然后使其固化，具體方法如下：（1）先在脫膠區域鉆Φ2.1 mm的小孔若干，小孔應從脫膠區邊緣開始鉆，間距15～20 mm。（2）用650 聚酰胺樹脂和6101 環氧樹脂按質量比1∶1 混合后攪拌均勻，配制成環氧樹脂膠液。（3）用注射器或注膠槍注入配制好的環氧樹脂膠液，從一個孔注膠直到膠液從其他孔溢出為止。（4）用聚乙烯塑料薄膜蓋住注膠區域后對其加熱和加壓處理，待膠液固化后，用砂紙清除膠瘤。

2.4.4 面板與蜂窩芯脫粘的修理

面板與蜂窩芯脫粘的修理方法如下：（1）用敲擊法確定脫粘區域損傷邊界。（2）采用階梯打磨法去除損傷區域面板。（3）將蜂窩芯格上已固化的膠膜清除干凈，并用砂紙打磨露出新鮮蜂窩端面，用吸塵器將粉塵清理干凈。（4）用玻璃纖維織物預浸料做補片，相鄰兩層補片的搭接量約為20～25 mm。（5）用丙酮清洗挖補區域，靜置15 min 后將膠膜和補片平鋪在挖補區，貼補片時補片之間應按照原織物鋪層角度交錯放置，最外面蓋上聚乙烯薄膜。（6）用熱補儀對該區域施加所需要的溫度和壓力，保溫一段時間待膠液固化后打磨掉膠瘤。

2.4.5 蜂窩芯壓塌或穿透性損傷的修理

在飛機使用過程中蜂窩夾層結構產品由于受到鳥類撞擊或遭到銳器擊中，將出現蜂窩芯壓塌或蜂窩夾層結構的穿透性損傷。蜂窩夾層結構壓塌和穿孔的修復需要根據損傷區域尺寸和損傷類型的不同選取不同的修理方法，對于外層損傷深度小于2 mm 的擦傷以及小尺寸的脫粘，可根據損傷類型選取上述方法修理；對于大面積的壓塌和穿孔，則需要切除整個厚度的損傷區域，切口形狀一般為圓形或橢圓形，切口邊緣加工出一個斜面，按照切口的形狀在玻璃布、蜂窩原材料和膠膜上裁剪鋪層毛坯、蜂窩毛坯和膠膜，每層玻璃布四周應留搭接余量15～20 mm，用丙酮清洗切口部位后將膠膜、蜂窩芯和玻璃布依次放到切口處，最外面鋪上一層聚乙烯塑料薄膜后用熱補儀對該區域加熱，待膠液固化后，將凸起的膠瘤打磨至平整，如圖3 所示。

圖3 蜂窩芯壓塌的修理

2.4.6 蜂窩芯進水的修理

首先用X 射線探傷檢測的方法確定進水的蜂窩芯格，對于蜂窩夾層內部的水汽，可采用加溫烘干的方法進行排水、排潮，加熱溫度為60～70℃，保溫時間為8～12 h。若蜂窩夾層內部水汽過多，通過加溫烘干無法排除時，可采用鉆孔法對該區域所有蜂窩芯內表面面板鉆Φ2.1 mm 小孔后用注射器抽除水分，再用加溫烘干的方法進行處理。處理完畢用SY-37 環氧樹脂對針眼進行密封。

3 蜂窩夾層結構產品的維護建議

蜂窩夾層結構產品雖然具有較高的強度及剛度，但如果日常維護不當，極易出現損傷。為此，針對蜂窩夾層結構產品的日常維護提出以下建議。

（1）飛機上裝有蜂窩夾層結構產品的部位切忌踩踏，產品正常使用的情況下，表面會堆積灰塵、鳥糞等臟物，使用脫脂棉清除產品表面的灰塵及臟物，然后用脫脂棉蘸清水清洗干凈后自然晾干；若產品表面蘸有不易擦洗的油污，應用脫脂棉蘸中性洗滌劑擦洗干凈。（2）嚴禁使用干硬的抹布擦除蜂窩夾層結構產品表面灰塵，嚴禁用蘸有腐蝕性溶劑的抹布擦洗產品表面，嚴禁化學試劑、溶劑、洗滌劑接觸產品表面涂層。（3）定期對蜂窩夾層結構產品進行檢查，對于單處損傷總面積小于4 cm2的損傷處，允許短期內（3 個月內）飛行，但應經常檢查損傷情況；若損傷區域面積變大，則應按照維修方法及時排除，防止故障（脫粘、腐蝕、裂紋等）繼續擴展。（4）具有透波性能要求的產品（如氣象雷達罩、ESM 天線罩等）表面出現損傷需修理時，禁止刮膩子修補，以免降低產品的透波性能。（5）飛機需要長期停放時，蜂窩夾層結構產品外表面應罩上保護套，如遇到雨天，雨后應打開保護套進行通風晾曬，防止雨水長期浸泡損傷漆層。（6）蜂窩夾層結構產品拆卸、安裝時，應輕拿輕放，避免產品發生碰撞、壓傷和劃傷表面漆層，產品轉運時應放在專用拖車或托架上，產品存放時應放置在陰涼干燥并遠離熱源的場所。

4 結論

本文論述了蜂窩夾層結構產品的損傷形式、列舉了幾種修理工藝、提出了蜂窩夾層結構產品的維護建議。本文所列舉的修理工藝能夠滿足實際修理需要，具備可操作性，可以有效幫助內場復合材料維修人員和外場機務人員快速有效發現和判斷蜂窩夾層結構產品的故障，根據故障情況制定修理方案，選擇合適的修理方法將故障排除，能夠有效減少飛機的外場停放時間。