复合材料楔形蜂窝结构二次胶接技术研究

张旭艳

摘 要：大型复合材料采用整体成型可以减少零件、紧固件的数量，从而达到减重目的，同时也可有效降低成本，在飞机结构上普遍应用。本文介绍了复合材料楔形蜂窝结构件的研制过程，阐述了二次胶接的成型方法在楔形蜂窝夹层结构组件中的应用以及二次胶接过程中易见的无损质量问题，通过工艺试验验证了固化压力提升、优化尾缘处泡沫胶的填充范围及放置压力垫的工艺方法改进对扰流板二次胶接质量有较好的改善。

关键词：复合材料 二次胶接 缺陷 蜂窝夹层 楔形

中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0016-03

夹层结构复合材料通常采用先进复合材料做面板，以蜂窝芯和泡沫为夹芯胶接而成。夹层结构复合材料具有高刚度/重量比的高效率结构，在飞机结构上普遍应用。大型复合材料采用整体成型可以减少零件、紧固件的数量，从而达到减重目的，同时也可有效降低成本。共固化、共胶接、二次胶接技术是复合材料整体成型最基本的方法，更是发挥复合材料减重、降低制造成本的主要技术途径。二次胶接技术是已固化了的不同的复合材料制件通过胶粘剂再次固化胶接的过程[1]，其间仅有的化学或热的反应是胶粘剂的固化，这也是整体成型中要用到的技术[2]。

选取某型机复合材料扰流板作为典型结构，该组件蜂窝芯型面复杂，次级零件较多，通过二次胶接工艺方案成型。在成型工艺过程中，胶接质量是影响产品质量稳定的重要因素。本文研究了该结构组件在二次胶接过程中常见的缺陷，并针对缺陷制订了相应的解决措施，且得到了较好验证。总结了二次胶接质量控制途径，对楔形蜂窝夹层结构组件的制造工艺及质量控制有参考意义。

1 正文

1.1 典型結构件的结构特点及制造流程

1.1.1 结构特点

单块组件包括复合材料上下蒙皮、内外梁、全高度芳纶纸蜂窝芯、内外侧角片、挡块和垫板组成，尺寸约2300mm×1100mm，整体呈楔形，其组成图如图1所示。

其中，上蒙皮与蜂窝芯接触面有加强区，加强区以中部U型开口区为中心呈台阶分布；下蒙皮与蜂窝芯接触面为光滑面，外表面带加强区，加强区以U型开口区为中心呈台阶分布；内外段梁外侧为包角结构，装配区有加强层；蜂窝芯为楔形结构，厚度由2～100mm变化不等，与下蒙皮接触面为光滑面，呈双曲结构；与上蒙皮接触面带下限，下限以U型开口区为中心呈台阶状分布。

1.1.2 模具方案

由于上下蒙皮带有加强型面，且下蒙皮呈双曲结构，考虑到复合材料与金属的热膨胀系数不同，如果采用常规金属模具，蒙皮固化变形比较严重，而Invar合金（又称殷钢）材料热膨胀系数与金属模具相当，采用Invar合金材料制作蒙皮模具，对控制蒙皮固化变形会起到积极作用。Invar合金材料的机械性能如表1所示[3]。

上、下蒙皮成型模和组件二次胶接夹具采用Invar合金材料，其中上蒙皮和组件二次胶接合用一套工装，其他零件使用钢制工装。图2为胶接夹具数模。

1.1.3 制造流程

上下蒙皮、内外段梁带余量数控下料、激光投影、单独固化成型，零件成型后按成型模上钻模位置钻制定位孔，定位孔位置与二次胶接夹具上定位销的位置协调。蜂窝芯通过数控铣切方式加工。内外侧角片、挡块、垫板零件成型后，修整到净尺寸，参与二次胶接。制造工艺流程如图3、图4所示。

1.2 组件胶接内部质量

1.2.1 内部无损缺陷种类

成型后的组件内部容易发生以下无损缺陷：板-芯脱粘、板-板脱粘、孔隙密集。经对各批次组件进行统计，这3类缺陷发生的位置相对比较集中。其中，1#区域常见缺陷为板-板区脱粘，2#区域常见缺陷为板-芯区脱粘，3#区域常见缺陷为孔隙密集。扰流板常见缺陷位置分布如图5所示。

1.2.2 原因分析

经分析，我们认为造成无损脱粘缺陷的主要原因有两点：（1）蜂窝芯的铣切方案不合理，专用铣具出现变形，导致铣切完毕后，蜂窝芯型面局部超差；（2）2#区域组件型面局部变化剧烈，固化过程中，此处固化压力不足，造成无损缺陷产生。

针对尾缘孔隙密集缺陷，我们分析产生该缺陷的主要原因为：（1）尾缘处蜂窝芯很薄，只有约2mm，便从板-芯区过渡至板-板区，泡沫胶的填充量及填充位置可能对孔隙的产生有影响；（2）尾缘部位，下蒙皮带双曲型面，传压均匀性不足。

1.3 工艺改进试验

在原工艺方案、模具方案不变的前提下，为了提升组件的二次胶接质量，我们根据脱粘缺陷的原因分析对组件胶接过程采取了针对性的措施，进行了工艺改进试验。

（1）提升固化压力。

针对组件外形局部变化剧烈，压力不足的问题，将组件的固化压力由0.20MPa±0.035MPa，提升为0.22MPa±0.035MPa。通过提升整体固化压力，保证外形局部变化剧烈处压力满足胶接要求。

（2）优化泡沫胶填充范围。

针对尾缘处易出现孔隙超差的问题，优化泡沫胶的填充范围，降低泡沫胶填充宽度，由约35mm改为约30mm，并且，将铺贴区域向蜂窝芯方向移动约5mm，将部分泡沫胶放置在蜂窝芯上表面。

（3） 放置压力垫。

针对尾缘处易出现孔隙超差的问题，制袋时，在此处放置1层压力垫airpad（未固化），起到均匀传导压力的作用。

（4）改进蜂窝芯铣切方案。

针对蜂窝芯在铣切过程中频繁出现型面超差的问题，数控技术人员重新制定了蜂窝芯铣切方案，并申请了新的铣切夹具。

1.4 工艺改进效果评估

经过上述工艺改进试验，出现无损缺陷的组件数量、发生概率明显降低，参见图9可以看出在工艺改进试验后无损不合格率呈下降并稳定趋势，扰流板组件二次胶接质量有了很好的改善。

2 结论（结束语）和建议

（1）扰流板组件典型结构为楔形制件，组装完成后下蒙皮与上蒙皮形成封闭结构将蜂窝芯包裹在内，二次胶接中仅有的化学或热的反应是胶粘剂的固化，固化过程中是否存在挥发性气体造成零组件板-芯脱粘还需进一步验证；封闭的结构对热能及气体的流动路径也造成一定的阻碍，或对扰流板胶接质量有较大影响。

（2）组合胶接时，充分考虑固化压力对蜂窝芯的影响、胶粘剂性能的发挥，经试验0.22MPa±0.035 MPa的固化压力对扰流板典型结构组件胶接效果较佳。

（3）楔形蜂窝芯在尾缘处高度为2mm，胶接时要用发泡胶和预浸料碳布将2mm台阶过渡，该区域为板-芯和板-板过渡区、发泡胶和胶膜补偿交接区，容易发生孔隙密集缺陷；优化尾缘处泡沫胶的填充范围及放置压力垫的工艺方法对尾缘孔隙密集缺陷有很好的改善。

参考文献

[1] 段正才，郭绍华，冉安国. 蜂窝夹层结构二次胶接技术研究[A].第17届全国复合材料学术会议论文[C].2012.

[2] 陈绍杰.浅谈复合材料的整体成型技术[J].高科技纤维与应用，2005（2）：6-9.

[3] 常海峰，梁宪珠，李黎.复合材料前机身典型结构整体成型[J].航空制造技术，2009（S1）：48-52.