復合材料熱壓罐固化參數在線檢測技術研究

摘" 要：熱壓罐成型工藝是航空航天領域用復合材料構件的重要制備方法之一，熱壓罐固化參數符合性的判定是復合材料制件非常重要的檢驗項目。為快速準確地判定熱壓罐固化參數的符合性，該文提出一種復合材料熱壓罐固化參數在線檢測方法，通過設計熱壓罐固化過程結構化的關鍵工藝參數，建立熱壓罐固化參數的檢測模型，利用讀取數據采集模塊對固化過程參數數據進行采集并運行檢測模型，實現熱壓罐固化參數的在線檢測。

關鍵詞：復合材料；熱壓罐；固化參數；檢測模型；在線檢測

中圖分類號：TB33" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-0177-04

Abstract： The forming process of hot pressing tank is one of the important preparation methods of composite components used in aerospace field， and the determination of the conformance of curing parameters of hot pressing tank is a very important inspection item of composite parts. In order to determine the conformity of curing parameters of hot pressing tank quickly and accurately， an on-line detection method of curing parameters of composite hot pressing tank is proposed in this paper. The detection model of curing parameters of hot pressing tank is established， and the data acquisition module is used to collect the curing process parameters and run the detection model to realize the on-line detection of curing parameters of hot pressing tank.

Keywords： composite materials; hot pressing tank; curing parameters; detection model; on-line detection

先進樹脂基復合材料因具有高比強度、高比模量、可設計性強、耐腐蝕、抗疲勞和易于整體成型等優異的綜合性能，廣泛應用于航空航天等領域[1-3]。熱壓罐成型工藝是航空航天飛行器用復合材料的重要制備方法之一[4]。熱壓罐成型工藝就是將復合材料預浸料制成的毛胚使用真空袋密封在工裝模具上并抽真空后放入熱壓罐中，利用熱壓罐內部均勻溫度場和空氣壓力對預浸料疊層毛坯進行加熱、加壓、保溫、降溫和卸壓等過程，使其成為所需要的形狀和質量的成型工藝方法。要想得到合格的復合材料零件，就必須對固化過程中的參數（壓力、溫度、真空和時間等）進行監測[5]，以此得到升溫速率、降溫速率、恒溫時間、真空值和壓力值等，確保符合規范要求，典型的熱壓罐固化工藝曲線如圖1所示。

目前，復合材料熱壓罐固化參數的檢測仍采用傳統的記錄紙檢查法，過度依賴人工判斷的經驗，檢查效率低，易出錯。隨著復合材料零件在航空航天領域的廣泛應用，對檢測的效率及準確性提出了更高的要求。因此，本文提出一種復合材料熱壓罐固化參數在線檢測方法，通過設計熱壓罐固化過程結構化的關鍵工藝參數，建立熱壓罐固化參數的檢測模型，利用讀取數據采集模塊對固化過程參數數據進行采集并運行檢測模型，實現熱壓罐固化參數的在線檢測，提高檢測的效率及準確性。

1" 熱壓罐固化參數傳統檢測方法及存在的問題

1.1" 熱壓罐固化參數傳統檢測方法

當前，復合材料熱壓罐固化參數的符合性判定均是通過走紙記錄儀實時繪制的零件真空、壓力及溫度曲線圖來檢測。檢測步驟為：首先通過熱電偶曲線偏移正常固化溫度范圍來判定熱電偶失效；然后通過熱電偶、真空編號來確定對應的零件，依據熱電偶、真空的顏色分別查找對應的溫度、真空曲線，人工確定升溫、恒溫和降溫起始點，使用直尺在紙質曲線圖上直接測量出升溫時間、恒溫時間和降溫時間，從而計算出升溫速率、降溫速率；最后檢查曲線圖上的真空值和壓力值是否在工藝規范要求范圍內。如果所有檢查要求均合格，則判定復合材料熱壓罐固化過程符合要求。

1.2" 存在的問題

1.2.1" 難以準確識別零件與曲線的對應關系

復合材料熱壓罐固化一般采用多件進罐的方式，紙質走紙記錄上會有大量的溫度曲線。雖然曲線上不同熱電偶使用不同顏色予以區分，當熱電偶越多時，部分代表熱電偶的曲線顏色就越相似，辨識度降低，且大量曲線重合，難以通過熱電偶的顏色來準確辨別零件對應的溫度曲線，易造成誤判。如圖2所示。

1.2.2" 難以確定升溫、降溫和恒溫起始點

通過走紙記錄儀實時繪制的零件真空、壓力及溫度曲線圖來檢測的一個重要原則是依據紙質走紙記錄上的網格標尺來確定升溫、降溫和恒溫起始點，進而確定升溫速率、降溫速率和恒溫時間。紙質走紙記錄上的橫向時間參考線間距為25 mm，代表30 min，縱向溫度參考線間距為25 mm，代表3 ℃。目前溫度曲線上絕大部分升溫、降溫和恒溫起始點均在參考線間，檢驗無法準確判讀具體值，從而使升溫速率、降溫速率和恒溫時間計算出現偏差，導致誤判。如圖3所示。

2" 熱壓罐固化參數在線檢測技術

2.1" 熱壓罐固化過程結構化關鍵工藝參數的設計

為實現復合材料熱壓罐固化參數在線檢測，對固化工藝文件中的參數進行結構化設計，建立固化工藝參數校驗模型，統一驗收標準，消除工藝規范描述歧義導致的操作錯誤。設計的結構化工藝參數如下。

1）升溫階段參數：升溫階段初始溫度的最小值、升溫階段初始溫度的最大值、升溫階段結束溫度的最小值、升溫階段結束溫度的最大值、升溫階段速率要求的最小值和升溫階段速率要求的最大值。

2）恒溫階段參數：恒溫階段要求的最小溫度值、恒溫階段要求的最大溫度值、恒溫階段要求的最短時長和恒溫階段要求的最長時長。

3）降溫階段參數：降溫階段初始溫度的最小值、降溫階段初始溫度的最大值、降溫階段結束溫度的最小值、降溫階段結束溫度的最大值、降溫速率要求的最小值和降溫速率要求的最大值。

4）真空參數：真空度最小值、真空度最大值。

5）壓力參數：壓力最小值、壓力最大值。

2.2" 熱壓罐固化過程檢測模型的建立

從圖1可以看出，只要復合材料熱壓罐固化過程中真空值、壓力值、升溫速率、恒溫時長、降溫速率和各階段溫度值符合工藝規范要求，即可判斷復合材料固化過程合格。據此建立熱壓罐固化過程的檢測模型，檢測模型中需確定的關鍵數據見表1。具體的檢測模型如下。

2.2.1" 熱電偶失效準則

熱電偶每分鐘波動溫度值大于熱電偶波動允許溫度值δ（℃），則判定該熱電偶失效；如果在升溫階段或恒溫階段，（熱電偶溫度值-罐內空氣溫度值）大于熱電偶波動允許溫度值ζ（℃），則判定該熱電偶失效；如果在恒溫階段，熱電偶溫度值小于恒溫要求的最小溫度值（℃）或者熱電偶溫度值大于恒溫要求的最大溫度值（℃），則判斷該熱電偶失效。

2.2.2" 升溫階段

以熱電偶溫度達到或超過升溫階段初始溫度值作為每根熱電偶的升溫起始點T升s，升溫初始溫度的最小值小于等于T升s小于等于升溫初始溫度的最大值，以熱電偶溫度達到或超過恒溫階段最小溫度值作為每根熱電偶的升溫結束點T升e，升溫結束溫度的最小值小于等于T升e小于等于升溫結束溫度的最大值，采集對應的升溫起始時間t升s、升溫結束時間t升e，計算出升溫速率。如果升溫速率最小值小于f升小于升溫速率最大值，則升溫速率合格；如果f升小于升溫速率最小值或者f升大于升溫速率最大值，則升溫速率不合格。

升溫速率的計算公式為

f升=" 。（1）

2.2.3" 恒溫階段

以熱電偶溫度達到或超過恒溫階段最小溫度值作為每根熱電偶的恒溫起始點T恒s，恒溫要求的最小溫度值小于等于T恒s小于等于恒溫要求的最大溫度值，以熱電偶溫度低于恒溫階段最小溫度值作為每根熱電偶的恒溫結束點T恒e，恒溫要求的最小溫度值小于等于T恒e小于等于恒溫要求的最大溫度值，采集對應的恒溫起始時間t恒s、恒溫結束時間t恒e，計算出恒溫時長。如果恒溫最小時長小于H恒小于恒溫最大時長，則恒溫時長合格；如果H恒大于恒溫最大時長或者H恒小于恒溫最小時長，則恒溫時長不合格。

恒溫時長的計算公式為

H恒=t恒e-t恒s。（2）

2.2.4" 降溫階段

以熱電偶溫度低于恒溫階段最小溫度值作為每根熱電偶降溫起始點T降s，降溫初始溫度的最小值小于等于T降s小于等于降溫初始溫度的最大值，以熱電偶溫度低于降溫階段結束溫度值作為每根熱電偶降溫結束點T降e，降溫結束溫度的最小值小于等于T降e小于等于降溫結束溫度的最大值，采集對應的降溫起始時間t降s、降溫結束時間t降e，計算出降溫速率。如果降溫速率最小值小于f降小于降溫速率最大值，則降溫速率合格；如果f降小于降溫速率最小值或者f降大于降溫速率最大值，則降溫速率不合格。

降溫速率的計算公式為

f降= 。 （3）

2.2.5" 真空嘴真空值檢測

如果真空最小值小于真空嘴真空值小于真空最大值，則真空嘴真空值合格；如果真空嘴真空值小于真空最小值或者真空嘴真空值大于真空最大值，則真空嘴真空值不合格。

2.2.6" 壓力值檢測

如果壓力最小值小于罐內壓力值小于壓力最大值，則罐內壓力值合格；如果罐內壓力值小于壓力最小值或者罐內壓力值大于壓力最大值，則罐內壓力值不合格。

2.3" 熱壓罐固化參數在線檢測運行流程

首先讀取數據采集模塊存入數據庫的熱壓罐固化過程運行的溫度、壓力和真空參數，根據材料體系及參數化的工藝文件數據對固化過程的關鍵數據進行標注，得出運行的參數是否符合工藝文件要求，給出復合材料熱壓罐固化過程是否合格的結論。最后將每根熱電偶升溫階段速率f升（℃/min）、恒溫時長H恒（min）、降溫階段速率f降（℃/min）及真空嘴值、罐內壓力值詳細檢測信息及檢測結果存儲到數據庫中并實時推送查看頁面。運行流程如圖4所示。

具體步驟如下。

①讀取數據。從數據庫中讀取采集到的當前固化過程實時運行的溫度、壓力、真空參數，以及零件的工藝文件參數。②計算固化周期。根據工藝文件參數的要求，計算出當前產品固化過程的開始點和結束點時刻。③階段判定計算。根據工藝文件參數要求，將長周期的固化過程分解成升溫、降溫和恒溫各階段。④關鍵參數計算。對各階段的最高溫度、最低溫度、升溫速率或降溫速率或恒溫時長、壓力值及真空值等進行計算。⑤參數對比判斷。將計算得到的各關鍵數據與工藝文件要求的參數進行匹配比對，得到固化過程是否合格的結果。⑥結果輸出。將檢測的結果存入數據庫中進行保存，并輸出到前臺頁面進行展示。

2.4" 熱壓罐固化參數在線檢測實施效果

①為驗證熱壓罐固化參數在線檢測技術的有效性，在波音項目上進行了驗證，共對14罐固化數據進行了在線檢測，與傳統的記錄紙檢查法的檢測結果一致。單罐零件固化曲線采用傳統的記錄紙檢查法檢測用時約40 min，采用在線檢測系統用時約8 min，檢測效率提升80%。②根據驗證的效果，完成了覆蓋29項不同材料體系的固化工藝要求檢測模型的建立，發布了8份固化參數檢驗判定原則。共檢測9 423罐次16 922個零件，提升固化參數交檢效率90%。③根據在線檢測實時采集的數據，對發現的問題進行分析，促進工藝文件優化和改進6次。

3" 結論

本文通過設計熱壓罐固化過程結構化的關鍵工藝參數，建立熱壓罐固化參數的檢測模型，利用讀取數據采集模塊對固化過程參數數據進行采集并運行檢測模型，實現了熱壓罐固化參數的在線檢測，有效地提高了固化參數的檢測效率及準確性。后續針對新的材料體系，同步建立結構化的關鍵工藝參數和固化參數的檢測模型。

參考文獻：

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