沈正悅

（上海飛機制造有限公司，上海 200436）

1 膠接工藝的特點及應(yīng)用

1.1 膠接工藝介紹

膠接工藝按結(jié)構(gòu)可分為鈑金件膠接、蜂窩膠接和復(fù)合膠接3種，常應(yīng)用于機翼操縱面，尾翼結(jié)構(gòu)和發(fā)動機結(jié)構(gòu)等區(qū)域。

鈑金件膠接為平板膠接結(jié)構(gòu)，工藝簡單，多層平板膠接時注意控制氣泡及排氣，確保產(chǎn)品的膠接質(zhì)量。

蜂窩膠接有盆形、直角、楔形3種蜂窩結(jié)構(gòu)，在擾流板項目中用到蜂窩膠接楔形蜂窩結(jié)構(gòu)，裝配時需要考慮容差分配對膠接零件的影響。由于蜂窩芯高度對于梁、肋及緣條的膠層厚度影響較大，因此采用二次膠接的方法，可以減少裝配誤差及拒收情況。

復(fù)合膠接工藝包括膠鉚、膠螺、膠焊、復(fù)合材料膠接、纖維增強膠接，以膠接工藝為主。在前起落架艙門項目中用到膠鉚工藝。

膠接工藝以膠黏劑為主，利用了膠黏劑在零件連接面上所產(chǎn)生的結(jié)合力，將2個被黏物連接在一起，使兩者具有強力的黏結(jié)效果。

1.2 膠接工藝與鉚接工藝的特點

鉚接屬于機械連接，常見于飛機裝配。通過鉆孔，使用鉚接工具產(chǎn)生的軸向壓力，將鉚釘鐓粗變形并形成鐓頭，使2層或多層零件連接緊固在一起。

鉚釘具有質(zhì)量輕、強度高，容易加工的特點，并且鉚釘便于拆卸、材料成本低廉。但是，鉚接的不連續(xù)性導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，抗疲勞性差，制造過程容易產(chǎn)生蒙皮折皺。

對比鉚接，膠接零件與零件間應(yīng)力分布均勻。膠接組件具有良好的密封性、耐腐蝕性和抗疲勞性，可以大幅度減輕產(chǎn)品整體的質(zhì)量，適用于水密、氣密和油密結(jié)構(gòu)，還具有較好的絕緣和抗震性能，膠接面相對平整光滑，外觀更具流線形[1]。有研究表明，鋁合金薄板膠接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命比鉚接結(jié)構(gòu)高15倍，耐聲疲勞強度也優(yōu)于鉚接結(jié)構(gòu)。膠接加強筋比同類鉚接壁板提高抗壓強度約20%，膠層具有優(yōu)良的止裂性能。

1.3 膠接工藝背景與現(xiàn)狀

膠接技術(shù)在20世紀(jì)40 年代興起，具有無須開孔、應(yīng)力集中小、密封性好等突出優(yōu)點，在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。美國軍用飛機在50年代采用蜂窩膠接結(jié)構(gòu)，60年代改為無孔蜂窩結(jié)構(gòu)，60年代末膠接區(qū)域出現(xiàn)大量腐蝕、分層破壞，因此發(fā)現(xiàn)了膠接結(jié)構(gòu)強度性能離散性很大、易老化的致命弱點，并在空軍PABST （主承力膠接結(jié)構(gòu)技術(shù)）研究項目中得到了驗證。之后的20年中，美國建立了先進膠接體系概念，包括選用先進的膠黏劑及配套體系，采用適合膠接且耐久的金屬表面制備方法，使膠黏劑與零件表面形成耐久的結(jié)合面，同時還對膠接接頭采取嚴(yán)密的防護，預(yù)防環(huán)境腐蝕。通過研發(fā)耐腐蝕底膠、鋁合金表面陽極化處理、耐蝕的蜂窩芯以及嚴(yán)格的膠膜保護方法，波音、麥道飛機的膠接結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了15%，降低了20%的生產(chǎn)成本。

近30年間，國產(chǎn)高溫固化結(jié)構(gòu)膠黏劑的研制與應(yīng)用有了長足發(fā)展，基本上實現(xiàn)了與軍用預(yù)浸料、復(fù)合材料體系的配套，但是在民機領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于起步階段。民用飛機膠接構(gòu)件制造應(yīng)用于歐美一些主要飛機中，發(fā)展迅速，膠接工藝日益成熟，膠接件的安全性、可靠性及耐久性大幅度提高。波音公司從波音 707到最新的波音 787 都有上百平方米到上千平方米的膠接面積，其中波音737飛機有400m2面積使用了結(jié)構(gòu)膠膜和膠黏劑體系，747 飛機達到3200m2的面積。

2 波音項目膠接工藝

2.1 波音747前起落架艙門內(nèi)、外蒙皮膠鉚工藝

膠鉚工藝屬于膠接工藝中的復(fù)合膠接，以膠接工藝為主，可以視作膠接與鉚接的結(jié)合[3]。膠接件雖然具有高強度和抗疲勞性，但是目前的膠黏劑大多屬于有機高分子物質(zhì)，高低溫對其性能有較大影響。膠層在有光、熱以及部分有機溶劑的條件下容易老化并導(dǎo)致變脆或強度降低等，在膠接過后，膠接件容易分離且膠膜難以剝離。而采用膠鉚連接工藝，可以將鉚接和膠接兩者缺點相互彌補，取得更好的效果[4]。

2.2 膠鉚準(zhǔn)備工作

在使用膠鉚工藝前，要按照周邊環(huán)境的清潔和溫濕度要求，使膠鉚工藝無污染，準(zhǔn)備工作如下：1）準(zhǔn)備專用凈化間，包括空氣凈化機、溫濕度檢測儀，保證膠接過程無污染。2）膠接前，按規(guī)范要求對所有待膠接面進行預(yù)裝配并檢查配合容差。配合面上的毛刺不應(yīng)超過0.00508cm，檢查零件以確保只需要輕微的手壓即能在所有待膠接表面上達到均勻接觸。3）記錄BMS5-101 II型膠膜貯存溫度及出庫時間，在10℃～40℃取出最多6次，最大暴露時間不超過240h。使用溫度高于32℃時，雙倍計算暴露時間；超過32℃的總計時間不得超過72h。4）對底膠零件返工，使用溫度范圍為10℃～32℃，最大累計暴露時間96h。對表面污染、標(biāo)記油墨或不暴露金屬基體的損傷，使用丁酮進行2次溶劑清潔，使用底膠輕輕抹一層修補，補膠后至少空氣干燥30min。5）膠接時先清潔待膠接面，從待膠接面上移除黑色膠帶（防紫外線），使用甲乙酮（ASTM D740）潤濕的BMS15-5 A類揩布擦拭待膠接表面，然后在甲乙酮完全揮發(fā)前，立即用1塊清潔干燥的揩布擦干。及時更換污染的揩布，重復(fù)2次清潔過程。6）轉(zhuǎn)運車輛配備空調(diào)及溫度記錄儀，保證車內(nèi)溫度在20℃～30℃。膠接組件進熱壓罐前負(fù)載熱電偶，記錄固化過程溫度變化?？刂乒袒纳郎厮俾屎徒禍厮俾?，可以控制膠黏劑反應(yīng)速度；減少膠接的內(nèi)應(yīng)力和組件變形。7）布置固化前的安放位置及朝向，標(biāo)注內(nèi)外蒙皮上下朝向，防止固化過程中膠膜受熱流出，滴到產(chǎn)品無保護區(qū)域。如圖1所示。

圖1 艙門固化布置圖

2.3 膠鉚工藝過程

在初次制造747前起落架艙門時，筆者參考波音之前的經(jīng)驗，先鋪貼外蒙皮膠膜，安裝鉚釘，再鋪貼內(nèi)蒙皮膠膜，安裝內(nèi)蒙皮抽芯釘，最后將艙門組件送入熱壓罐進行高溫固化，完成整個膠鉚工藝。

完成膠鉚產(chǎn)品之后，筆者通過無損檢測技術(shù)檢測膠接的情況，結(jié)果顯示艙門存在脫黏現(xiàn)象，固化后的膠膜與連接的肋板脫離，邊緣處存在翹起，另外發(fā)現(xiàn)膠膜的厚度發(fā)生了變化，按照使用的膠膜厚度為250μm，膠膜厚度區(qū)間要求為50μm～500μm，高溫固化后出現(xiàn)部分薄部分厚，超出了規(guī)范要求（注：無損檢測是在不破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的前提下，利用熱、聲、光、磁等反應(yīng)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常區(qū)域產(chǎn)生的變化，來探測缺陷（圖2））。

圖2 示波器無損檢測數(shù)值分析示意圖

為了檢驗無損檢測結(jié)果，筆者對掃描問題區(qū)域標(biāo)記，采用破壞試驗驗證。

2.4 破壞試驗及失效分析

對脫黏區(qū)域進行剝離試驗，對鉚釘周邊切片進行金相試驗。剝離結(jié)果膠膜與膠接面只有一側(cè)結(jié)合，另外一側(cè)完全脫黏。切片的金相結(jié)果顯示，在鉚釘附件，膠膜厚度已小于要求區(qū)間最小值；鉚釘與鉚釘間隔區(qū)域較好，零件邊緣的配合間隙已達到區(qū)間最大值，從黑色區(qū)域判斷膠接面已出現(xiàn)脫黏，膠膜厚度只達到間隙的一半。通過破壞試驗和現(xiàn)場制造過程發(fā)現(xiàn)3個問題。

在鋪貼膠膜時，按規(guī)范要求，隔離棚內(nèi)膠膜控制溫度為10℃～40℃，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實際過程中，溫度20℃以下膠膜黏性不足，無法黏住零件膠接表面且容易產(chǎn)生氣泡。膠接的好壞取決于被膠接體與膠黏劑分子之間緊密接觸產(chǎn)生的吸附，這種物理吸附作用力包括分子間界面黏合力和體相內(nèi)聚力，膠接界面的空隙率越小，膠接強度越強，而這也是脫黏的主要原因。

金相試驗表明，蒙皮鉚接之后，鉚接產(chǎn)生的軸向壓力使周邊鈑金變形，膠鉚用到的框架零件均為鈑金件，厚度只有0.1016cm～0.1524cm，鉚接時的壓力極易使鉚釘周圍鈑金件變形，導(dǎo)致靠近鉚釘間隙小，遠(yuǎn)離鉚釘間隙大，膠膜在熱壓罐高溫作用下形成液體，流動過程中造成膠膜厚度不一致，形成脫黏。

膠鉚過程中，框架與蒙皮之間通過鉚釘連接，受力不均勻，同時框架是鈑金零件，所有翻邊不能保證與蒙皮間隙一致，而貼膠膜過程中全部使用一層膠膜，部分區(qū)域未能滿足膠膜填滿間隙的要求。

2.5 工藝方案設(shè)計及測試

問題分析后，為了避免鉚接對配合間隙的影響，決定將膠鉚的工藝流程改為先膠接固化再鉚接，利用固化后膠接組件剛性高的特點，消除鉚接造成的鈑金件變形影響。在高溫固化時，用穿心夾代替鉚釘，對膠接面進行臨時緊固。為了驗證穿心夾是否能提供足夠的夾緊力，筆者做了試件評估，結(jié)果表明試驗件受力均勻且間隙符合要求（圖3）。

圖3 金相實驗檢查空隙

為了使膠接界面的空隙減小，提升被膠接體與膠黏劑分子之間的吸附力。工作人員在凈化間安裝空調(diào)，維持溫度在25℃，增加膠黏劑的吸附力。同時規(guī)定鋪貼時不能折疊、拉伸膠膜，去除卷入的氣泡，平穩(wěn)將膠膜按壓到位，不要夾裹空氣，允許對多片膠膜進行對接或搭接，單搭接量不得超過1.27cm，任何部位的膠膜尺寸不得小于零件尺寸，這樣滿足了膠膜貼合面的間隙要求。工藝方案更改落實后，解決了膠膜脫黏問題。

3 膠接工藝性能分析及未來發(fā)展

通過747前起落架艙門蒙皮膠鉚工藝，對膠接工藝進行分析。

3.1 影響膠接性能的因素

影響膠接性能的因素：1）固化溫度是關(guān)鍵，通過控制升溫、降溫速率，促使膠黏劑熔融，加快聚合反應(yīng)和固化速度，促使膠黏劑和膠接表面之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。溫度過高會引起膠層變化，內(nèi)聚強度下降，膠膜在固化過程中降解、分解和氧化，在受力載荷作用下蠕變破壞，而溫度過低會導(dǎo)致膠層變脆，材料膨脹不一產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力[5]。2）固化壓力及膠接表面貼合質(zhì)量。膠接內(nèi)應(yīng)力對膠接強度和耐久性影響很大，而內(nèi)應(yīng)力來源于固化時膠黏劑和零件接觸面膨脹收縮，受力不均，受熱不均都會加速膠接老化，降低膠接制件的使用壽命。3）膠接破壞與腐蝕。擾流板制造過程中，鉛極板上存在的銅銹來源于一些銅的附件（銅鉤、銅排），槽液中過多的銅可能會與零件在未通電的情況下發(fā)生置換反應(yīng)，造成污染。這種腐蝕的位置受加載速率、環(huán)境條件而改變。破壞常起始于構(gòu)件暴露的邊緣，例如貫穿膠層的鉚釘孔、螺栓孔的邊緣、接頭邊緣、壁板邊緣，之后逐步擴大。4）膠黏劑的選取。飛機使用的膠黏劑至少要與飛機同壽命，并對環(huán)境條件做壽命試驗，確定膠接結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性。同時，膠黏劑要包括材料相容性，工藝性和經(jīng)濟性，適用期和貯存期要長。5）膠接表面處理。波音項目的膠接零件表面都噴涂底膠及磷酸陽極化處理，在裝配前通過特定膠帶保護，防止紫外線直射。對于裝配過程中的磕碰傷、劃傷等，規(guī)定了在929.0304cm2上允許的最大補膠面積為1.6129cm2，返工部位距膠接面邊緣至少0.381cm，補膠面積不能超過總膠接面的2%這些要求，在允許的前提下修補表面缺陷。

3.2 膠接工藝的完善與發(fā)展

民機作為交通工具，想要穩(wěn)定發(fā)展，安全性和經(jīng)濟性將是重點。飛機輕量化是提升市場競爭力的重要途徑，輕量化主要通過輕金屬材料以及復(fù)合材料等提高整機質(zhì)量，減少油耗、排放，提升飛行速度、材料疲勞壽命。未來20年內(nèi)，國產(chǎn)民機將面臨產(chǎn)品安全性、降低生產(chǎn)成本以及批量化制造的難點，而國際主流機型采用的鋁鋰合金和碳纖維增強塑料（CFRP）將會逐漸應(yīng)用。與鉚接結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合膠接工藝減少金屬、復(fù)合材料的厚度，從而減輕重量。同時，機械連接接頭的不連續(xù)性導(dǎo)致連接點的局部應(yīng)力集中，容易使蒙皮產(chǎn)生皺折和凹坑，在拉伸載荷下強度降低，從而使構(gòu)件由于疲勞而過早失效，對于高質(zhì)量蒙皮而言是不可接受的。

為了提升復(fù)合膠接質(zhì)量，開拓新材料膠接技術(shù)和簡化膠接固化工藝將會是未來重點。膠黏劑目前種類繁多，有些性能優(yōu)異，但存在固化溫度難以把握、膠接前工藝準(zhǔn)備煩瑣等缺點。膠黏劑從最初的硝化纖維素類，酚醛類，再到環(huán)氧類，改性環(huán)氧類等。在不斷完善膠接體系的過程中，改善了操作性能，更加簡單方便。

4 結(jié)論

膠接作為一種先進的連接裝配方式，未來將大量應(yīng)用于航空工業(yè)。而針對具體區(qū)域，采用何種膠接結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員要根據(jù)膠接材料的特點來確定蜂窩膠接，鈑金件膠接和復(fù)合膠接方案。為了確保膠接產(chǎn)品質(zhì)量，操作環(huán)境和熱壓罐設(shè)備十分重要，超聲波檢查和目視檢驗必須嚴(yán)格。隨著飛機先進復(fù)合材料部位日益增多，復(fù)合材料膠接仍有許多技術(shù)難點等待解決，工程技術(shù)人員應(yīng)對膠接工藝有足夠的重視。