复合材料部件二次胶接弱胶接问题研究

复合材料部件二次胶接弱胶接问题研究

甘春诚1,边晓艳2,郑伟铭1,朱凤1

1.哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨  150060

2.哈尔滨哈飞空客复合材料制造中心有限公司 黑龙江哈尔滨 150060

摘要：直升机涵道垂尾现已采用全复合材料结构设计，通过胶膜二次胶接入炉固化，但在胶接过程中经常发生弱胶接问题，目前的研究中对于复合材料装配出现弱胶接的问题，并无有效的判据，对于弱胶接与部件性能影响的大小无法通过数据给出验证，现有超声波扫描仪仅能通过超声波衰减程度进行判定是否合格，无法观测内部胶接质量情况；导致一旦出现弱胶接缺陷，却给不出后续的处理依据，延误生产进度的同时，可能导致产品的报废，因此对弱胶接问题进行研究，给出发生弱胶接问题后有效的处理依据是本文研究的重点。

关键词：复合材料；二次胶接；弱胶接；处理依据

1.概述

复合材料因具有高比强度、高比刚度、可设计性强等优势[1-2]在航空领域应用日益广泛；目前在直升机机体结构已大面积采用树脂基复合材料进行设计、制造。

涵道垂尾各零件间通过使用中温结构胶膜Redux312.5和Redux312L在120℃下入炉二次胶接固化进行装配成型，但在装配结束后，进行超声波探伤中发现，零件胶接位置经常发生弱胶接甚至脱粘现象；而通过目前的无损检测技术仅能判定缺陷是否存在，无法具体量化弱胶接问题发生后对整个涵道垂尾的性能影响程度，导致一旦出现大面积弱胶接问题，无有效的判据，严重情况可能导致整个涵道垂尾报废。

为解决弱胶接缺陷问题对复合材料部件胶接装配质量的影响，通过理论分析与试验验证结合的方法，对弱胶接进行研究，从而给出发生弱胶接后有效的处理依据。

2.弱胶接问题调研

2.1缺陷描述

某型机涵道垂尾共需两次入炉固化成型：第一次为内部肋与涵道右蒙皮通过胶膜二次胶接，第二次进行涵道左蒙皮的二次胶接入炉固化；加压方式为每隔30mm均布的弹簧销进行加压。

完成最后一道胶接程序后，通过超声波A扫检测发现，蒙皮骨架之间出现大范围弱胶接现象。对同炉次的随炉试片进行检测发现同样存在弱胶接缺陷。

根据超声波A扫结果，涵道左蒙皮胶接结果分为三类：

（1）无缺陷：超声波无衰减，位置在蒙皮与内环、后部肋之间；

（2）轻度缺陷：超声波衰减不明显，分贝值在6-12db，位置在蒙皮与套管肋等；

（3）严重缺陷：超声波衰减明显，分贝值在18-24db，位置在蒙皮与前梁等。

2.2故障原因清查

（1）胶接用胶膜清查

该型机涵道胶接用胶膜为Redux312.5胶膜（厚度0.25mm）及Redux312L胶膜（厚度0.125mm）。

未验证涵道左蒙皮所用胶膜性能，设计了三组胶接试片：加压方式和固化方式同原垂尾

I.层压板间使用1层Redux312.5胶膜胶接；

II.层压板间使用1层Redux312L胶膜胶接；

III.层压板间使用1层Redux312.5胶膜+1层312L胶膜胶接；

最终试片出炉后，进行超声波A扫检测，扫描结果均合格 。

（2）固化参数清查

涵道垂尾胶膜固化参数为根据结构所用材料独立设计的固化参数，未在其它型号上应用过。

（3）加压方式清查

涵道垂尾二次胶接采用弹簧销加压，加压方式更加稳定；不同区域加压形式略有不同，如与左蒙皮与内环除弹簧销外，还用均压板加压，因此蒙皮与内环间未出现弱胶接可能与此有关。

（4）理化力学试验结果

涵道左蒙皮出现弱胶接问题，对随炉试片进行了力学剪切试验，理论要求剪切强度≥12MPa。

最终对发生弱胶接的试片测得最小剪切强度为16.3MPa，平均剪切强度为18.1MPa；满足理论设计要求。

但为了表明弱胶接试片与完好试片的强度差距，同时对完好试片进行力学剪切试验，试片的最小剪切强度为20.8MPa，平均剪切强度为21.8MPa。

弱胶接试片平均剪切强度为完好试片的83%。

（5）胶接位置外观观察

对完好试片和弱胶接试片胶接位置处外观进行了观察，如下图1所示，

I.弱胶接试片胶膜位置处胶液分布不均匀，有明显孔隙，表面胶膜载体铺敷不牢。

II.完好试片胶膜位置处胶液分布均与，无明显孔隙，表面胶膜载体铺敷牢固。

（a）弱胶接试片                    （b）完好试片

图1：胶接试片外观质量

2.3弱胶接原因分析

通过对故障进行清查，发现胶膜未超期，工人按标准工艺指令进行操作施工，所用机器设备并无变化因此这几项不是发生弱胶接的原因；而胶接固化参数在该型机涵道垂尾胶接中首次应用，未进行固化参数的合理性验证，因此固化参数是出现弱胶接的可能性原因之一；同时左蒙皮与内环间未出现弱胶接，而与内环处除弹簧销加压外有均压板，因此加压方式也可能是产生弱胶接的原因之一。

因此为改进弱胶接现象，可通过对固化参数和加压方式进行优化来降低弱胶接频次。

2.4弱胶接影响分析

由对试片的力学剪切试验结果可知，弱胶接试片的剪切强度值满足理论设计要求，且超出理论要求（12MPa）50%以上。

但相对于完好试片，弱胶接试片的剪切强度值仅为完好试片的83%，在胶接性能上还是有一定差距；因此对于超声波检测结果中严重缺陷需进行一定的修理。

3.弱胶接故障处理

对于弱胶接和脱粘问题，常规的修理方法为对缺陷处进行注胶和打钉修理，其中注胶修理对结构本身无破坏，而打钉修理会影响复合材料的完整性并降低疲劳性能，通常先采用注胶法进行修理。

因此对该架次涵道垂尾选择三个点位进行了注胶修理，注胶过程中发现胶液很难流入，结束注胶后进一步超声波扫描发现三点仍存在弱胶接问题。

通过对弱胶接调研可知，弱胶接故障对整体胶接性能影响不大，能够保证理论设计的强度要求，因此针对涵道垂尾弱胶接问题，给出的最终处理方案如下：

（1）轻度缺陷：衰减分贝值在6-12db的区域，同意原样超差使用，无需进行修理；

（2）严重缺陷：衰减分贝值在18-24db的区域，首先进行注胶修理，当注胶效果不理想时，对故障区域每隔25～30mm之间打一个销钉进行铆接加强。

4.结论

通过对某型直升机涵道垂尾结构二次胶接弱胶接缺陷的分析，从理论研究到试验处理等方面，获得了弱胶接对性能的影响大小，弱胶接发生的可能原因，并针对弱胶接缺陷给出了行之有效的处理方法和处理依据，为后续复合材料部件二次胶接出现弱胶接缺陷提供了理论支撑。

参考文献：

[1]顾善群,张代军.碳纤维/双马树脂复合材料抗高速冲击性能[J].材料工程,2021,49(11):73-82.

[2]程健男,徐福泉.树脂基复合材料在直升机的应用及其制造技术[J].航空科学技术,2021,32(01):109-110.