波音737-NG铝合金胶接技术

陈俊逸 深圳航空有限责任公司工程师

波音737-NG铝合金胶接技术

陈俊逸 深圳航空有限责任公司工程师

本文主要向读者介绍波音737-NG飞机上的铝合金胶接技术，通过对本文的阅读能让读者充分认识铝合金胶接技术在波音737-NG系列飞机修理中的应用。并通过对其相关修理知识的介绍，让读者了解掌握该技术。

前言

飞机金属结构的传统修理方法是铆接、螺接、焊接和其他机械连接等方法，修理之前需要在受损的结构上钻孔或冲孔，削弱了零件了密封问题。零件承受负载时，孔的周围会形成应力集中和应力分布不均。为了解决应力集中，若加厚材料，会引起结构重量的增加，应力分布不均匀会降低结构疲劳寿命。钻孔的边缘是人为的疲劳源，机械连接处有接触腐蚀的危险，在周期性载荷作用下会发生松动，而铆接和螺接往往费工费力费时。

随着化学工业的发展，新的树脂胶粘剂大量出现，金属胶接技术的应用得到了迅速的发展。在航空方面，荷兰Delft大学复合材料研究所率先使用结构连接设计，而澳大利亚的Bak er教授成功用于军机修理，至今已有30年的历史，修理了大量的老龄飞机，在大型民航飞机L-1011的门框胶接修补项目方面，取得了F A A的适航证。

一、金属胶接技术特点

胶接连接和修补方法，与铆接、螺接、焊接等传统连接和修补方法相比，具有独特的优点：

（1）无应力集中，抗疲劳性能好，在胶接结构中，疲劳裂纹的扩展缓慢。

（2）胶接结构重量轻，可省去大量的铆钉、螺栓。因为没有焊缝，不会起皱，表面光洁。

（3）胶接不仅提供了配合表面之间结构上的联系，而且保证了密封。

（4）胶粘剂层对振动有阻尼作用，这就降低了噪声载荷的等级。

（5）胶接结构中没有空穴和缝隙，不存留潮气或其他腐蚀物质，减少了腐蚀作用。

胶接技术虽然有很多优点，也有其局限性，主要不足之处有：

（1）胶接的剥离强度较低，在使用环境下胶接剂的老化程度难于进行鉴定。

图1

（2）胶接质量因受多种因素的影响，它的NDT检测手段还不够完善。

时至今天，随着使用和维护修理经验的大量积累，性能和检验手段的不断完善，金属胶接修补技术在波音飞机上早已广泛应用。对于波音737NG飞机，在2006年出版的波音737NG系列飞机的SRM 51-70-10中更新了铝合金蜂窝结构的修理方法，放宽了用户的损伤允许修理范围。

B 737NG飞机上采用了铝蜂窝夹层结构，分别用于翼尖、扰流板、前缘缝翼、内外侧襟翼的后缘楔形件等。铝合金蜂窝夹层结构在传递表面夹板的压力或张力载荷到其他受力结构时，形成面内横向剪切，面内扭转扭剪和面内拉伸与面内压缩载荷等。

二、铝合金蜂窝结构的胶接修理程序

采用胶接技术修理的关键是修补前的准备工作，可以参考结构修理手册中SRM 51-70-10进行。对铝及铝合金的待修表面，在确定了损伤范围，去除了损伤区域，进行了表面清洁后，为使金属膜层与粘接树脂有较高的胶接强度，必须在粘接部位预先进行磷酸阳极化处理。在飞机上应用这种传统的方法处理，一般采用局部磷酸阳极化处理方法——The Phosphoric A cid Con tainm en t System(PACS)和在此基础上的改进方法。

波音公司在SRM中推荐采用H eatcon Com posite System进行热补修理，与之配套H ea tcon公司还研发了一个配套的附件HCS2046-02表面处理仪，为飞机铝合金结构粘接之前做磷酸阳极化表面处理。HCS2046-02表面处理仪包括三部分：一、控制器：控制电路、电源、阳极化电压、显示及真空泵；二、流速控制器：由水、酸控制活门以及流速计组成；三、附件包：包括盛液瓶，导线，不锈钢丝网，管接头及各种软管。

HCS2046-02表面处理仪的基本原理是让12%的稀磷酸H3PO4（单位面积所需磷酸量是0.01升/平方英寸），从待处理表面缓缓流过，以待修铝合金为阳极，不锈钢丝网为阴极，加以9.5～10V直流电，在21～29°C下，阳极化20～25分钟。如果修理平面带有角度不是水平面或是下表面，这时可增加一个真空袋装置，保证密封，防止带有腐蚀性的磷酸溶液流出。

图2

三、具体实施步骤

（一）预处理阶段：

1.用溶剂清除干净修理区域表面的灰尘、油和其他污染物。

图3

2.通过使用褪漆剂或机械打磨的方法除去修理区域的漆层。

注意：PACS表面处理前必须将所有漆层清除干净，否则将影响处理效果；使用褪漆剂时不允许褪漆剂流到胶接结构中去。

3.使用MEK等溶剂清洁去除漆层后的修理表面。

4.用百洁布或能产生等同效果的工具修磨修理表面。

注意：用防酸胶带保护非好修理区域，防止磷酸紧固件、蜂窝芯裂缝或其他无损伤区域，并作为标志围在修理区四周。

图4

5.清洁干净后做目视水膜测试。

注意：水膜测试是指用不超过100°F（38℃）的水冲洗后，表面连续的水膜保持至少30秒。

6.检验表面连续的水膜（无水珠）是否能保持30秒，若不能，则重复3-6的步骤，直到符合标准为止。

7.水膜测试通过后立即进行阳极化处理。

（二）阳极化处理阶段：

PACS系统必须正确安装才能进行阳极化以及安全地处理磷酸。

1．调配磷酸。注意：磷酸具有腐蚀性，使用时应防止磷酸与皮肤、眼睛接触，工作时应作好个人防护。如不慎接触到磷酸，迅速用大量清水冲洗，然后进行治疗。

2．在修理工作台上铺放塑料薄膜，以防止污染。

3．PACS系统要求进行铺层，PACS表面处理仪连接导线。

4．确保做阳极化的铝部件和磷酸溶液的温度在79-85°F（21～29°C）之间。

5．将三通阀门打到磷酸对外供应位置，接通外部电源，开始进行阳极化。

6．当所有的酸流过真空袋，关上磷酸供应管，将三路阀门的净水通路打开，冲洗表面至少5分钟。

7．关闭电源，拆除铺层。

8．迅速用水冲洗表面至少5分钟。

9．让处理过的表面在室温下充分干燥，或者用低于160°F（71°C）的热风将其烘干。处理后的工件表面不要用裸手直接触碰，以防止污染已阳极化的表面。

10．检查处理好的金属表面的质量。阳极化处理后的表面，在荧光灯或日光灯小角度的入射下，通过旋转90度的偏振片可以看到连续变化的光，一般呈紫、黄或绿色的彩虹般的色泽。同时也可以通过使用欧姆表、红外滤光片来检查磷酸阳极化表面的质量。

11．如果处理后的表面颜色剧烈变化，或有电烧蚀现象则阳极化处理不成功，许重新进行阳极化处理。

图6

图5

12．在24小时以内对阳极化区域喷/刷底胶。

PA CS磷酸阳极化过程中为保证磷酸溶液流动，使用的仪器设备较多，如果将流动磷酸调制成半流动状态，而电流仍能正常流动，则相对比较简单，且操作方便。这种方法称为PANTA（The Phosphoric A cid Non-Tank Anod izing）,要领是在磷酸溶液调配时加入黏稠剂，直到溶液变稠，成为膜片，将其贴在零件待修处表面，同样通以直流电，进行阳极氧化。具体过程如下：

1．进行预处理，与PACS处理方法相同。

2．在工作区域铺放塑料薄膜。

3．用铝铂带、防酸胶带、固态氟化乙丙烯（橡胶）或其他等同物料围在待处理区域周围，形成一个坝，防止磷酸溶液流出。

4．调配磷酸溶液。

5．可以在金属表面倒调配好的磷酸溶液，也可以在金属表面均匀的涂一层浓度为12%的胶状磷酸或PR 50的涂层。（PR50胶状磷酸混合物可以通过订购获得；或者将Cab-O-Si——一种研磨得很细的硅化物，加到1 2%的磷酸中，直到溶液变稠。）

6．在该铺层上铺设2～3层纱布，纱布必须比待阳极化表面大，至少向外延伸0.5英寸（13mm），然后加入磷酸溶液（或胶状磷酸），确保浸透纱布。也可以事先把纱布完全浸泡在磷酸中，再放到待阳极化工件表面上。

7．放置一张不锈钢丝网，可在其上再加一层完全浸透磷酸溶液（或胶状磷酸）的纱布。但必须确保不锈钢丝网不接触到待阳极化的铝件表面。

8．将不锈钢丝网作为阴极，铝件作为阳极。同时为了防止磷酸在通电时蒸发干，必须确保有足够的磷酸保持极化表面的湿润。

9．慢慢增加电压（约每分钟5V）直到在9.5～10V之间，保持10～12分钟。值得注意的是电压增加过快会使铝件表面烧伤（高于20%）。

1 0．阳极化结束后，断开电路，移去不锈钢丝网和纱布。

1 1．立即用负离子水冲洗阳极化部件5分钟。该步骤要求阳极化后到冲水的时间应控制在2.5分钟以内，并且不能擦拭阳极化表面，直接用负离子水冲洗。

12．让冲洗完的阳极化部件在室温下风干30分钟，或在140-160°F下烘干。

13．检查处理好的金属表面的质量。阳极化处理后的表面，在荧光灯或日光灯小角度的入射下，通过旋转90度的偏振片可以看到连续变化的光，一般呈紫、黄或绿色的彩虹般的色泽。

1 4．如果阳极化效果不明显，则重复4至13。

图7

除了上述PACS和PANTA磷酸阳极化系统外，波音公司在2005年有关金属结构胶接修理的SL和以后的SRM手册中提出了Boegel(AC130)表面阳极化处理方法，适用于多种金属结构胶接修补预处理，能用于铝、钛和不锈钢等金属，而且无毒，对环境没有污染。Boegel（AC130）具体处理步骤如下：

1．用MEK（甲基丙基甲酮）或丙酮清洁表面。

2．用百洁布Scotch Brite或180#砂纸（或更细的砂纸）打磨表面。

3．用干燥空气或氮气除去粉尘。

4．用M PK或丙酮清洁表面。

5．按制造商使用手册的建议混合调配材料。用50m l的AC130溶液可以处理200平方英寸（1300平方厘米）的待修区域，可按此比例计算所需溶液量。调配好的溶液需放置30分钟以后才能发挥作用，其有效期为10个小时。

6．用180#铝砂纸和随机轨迹砂磨器或靠模打磨器进行打磨，按规定方向打磨表面，每30分钟换砂纸，并按与原来方向垂直方向打磨表面。打磨的目的在于去除金属表面的氧化层。

7．确保修理表面以及边缘均打磨干净后，换上新的砂纸，按任意方向打磨整个表面。

8．做目视检查，检查表面是否完全打磨干净；如果达不到则重新打磨。

9．用吸尘器除去粉尘，保持表面清洁。

10．确保在打磨结束后30分钟内涂上AC 130溶液，以免表面氧化。

11．用铝铂带、固态FEP（氟化乙丙烯（橡胶））或其他合适材料围在损伤区域周围，将机械紧固件及其他区域隔离开，防止污染。

12．确保AC 130及待修件表面温度在50-100°F（10-38°C）之间。

1 3．用干净、非金属的毛刷或喷雾器将AC 130溶液施涂到胶接表面。保证胶接表面完全浸透在溶液中至少2分钟。

1 4．检查湿润表面是否与水膜测试结构相似，即表面连续的溶液薄膜保持至少30秒钟。如不能，则需重新进行清洁、打磨、处理等步骤。

15．如果检查通过，则排出剩余溶液。如果缝隙等地方还有少量溶液，可用过滤的干燥空气吹干，或用浸有AC 130溶液的粗棉布吸去。

16．让部件在室温下表面干燥至少60分钟，或在不超过160°F（71°C）温度下烘干。

17．检查处理好的表面是否干燥，有无灰尘、指印或其他污染物。用吸尘器除去灰尘。如果表面还有其他无法用吸尘器除去的污物，则重新进行清洁、打磨、施涂AC130的步骤。

18．立即喷/刷底胶进行胶接修理；如不立即施涂底胶，可用真空袋薄膜或没上蜡的纸保护待胶接的表面。

19．在施涂AC130溶液24小时内，必须喷涂BMS5-89，Ty pe II型底胶进行胶接修理。

（三）胶接修复损伤区域

1．胶接树脂胶膜选用

波音公司明确规定任何航空器使用及承修单位必须使用满足波音特定材料QPL（Qualified Products List）规范的航空材料。在波音737NG系列飞机金属胶接修理中用到的树脂是满足BMS5-101 II型和BMS5-137 II型制造标准的树脂及树脂胶膜。其中，BMS5-101 II型树脂胶膜仅适用于250°F（121°C）温度制造部件的250°F（121°C）胶接修理；BMS5-137 II型可用于350°F（177°C）温度制造部件的310°F（154°C）限时修理及350°F（177°C）的永久性修理。在使用这两种标准的树脂时必须配合使用BM S5-12 1位置定向纤维，它们的铺设需严格按照波音SRM手册的具体施工要求进行，否则将严重影响最终胶接质量。

2．胶接固化

完成一个符合胶接表面要求的阳极化处理程序及选择适合的胶接树脂后，最后的步骤就是将修补片胶接固化到损伤区域。胶接修理的固化过程采用标准的热胶接设备，即热压罐、真空袋和加热毯，完成一个固化周期需要几个步骤：真空压紧、加温、固化和降温。固化周期的长短由所用粘接胶膜和树脂决定，同时必须严格按照波音SRM修理手册提供的参数完成整套加温固化程序。其中，在固化周期中的冷压紧用以在加温前压紧粘接胶膜和经磷酸阳极化处理的铝合金修补片，去除积聚的空气。热压紧是用来在胶膜变成熔融状态后压紧铺层，这将保证高质量的粘接效果。真空袋和加热毯的安装方式大同小异，其安装的方法需满足修理区域的实际情况和SRM手册上对各种损伤类型的具体要求。

图8

结语

由于金属胶接结构与复合材料结构相比，同样具有比强度、比刚度高、重量轻和耐疲劳等特点，采用耐久胶接结构还克服了金属结构易腐蚀的不足，合理设计的胶接结构几乎可以与复合材料结构取得相近的减重效果。而另一方面，胶接结构却具有技术更成熟、生产条件更现成、制造成本更低等优势，金属胶接结构可以实现大面积连接而减少(或取消)紧固件等一系列优点，已被广泛用于飞机结构，特别是次承力结构上和舵面操控系统。国外从20世纪40年代起开始飞机上应用金属胶接结构，胶接技术得到了很大的发展，至今金属胶接结构已成为飞机机体的重要结构形式，金属胶接技术已成为航空三大连接技术之一，并在其可靠性及耐久性方面取得了重要突破；但对用于飞机主承力结构尚受到相当的限制，也是未来金属胶接技术攻坚的发展方向。金属胶接技术在我国也是先从航空工业开始应用和发展的。航空结构胶接技术的应用研究始于20世纪中期。50年代末，北京航空学院曾在其研制的“北京一号”小型飞机上应用了若干项金属胶接零件，先进胶接技术在飞机结构上得到了较广泛的应用。就维护修理技术而言，质量及成本从来就是永恒的主题，创新则是不断发展的动力。而相应的维护修理技术也亟待在专业维修人员中普及和提高。

[1]波音737NG系列飞机SRM.结构修理手册

[2]波音737NG系列飞机SOPM.标准施工手册

[3]波音737NG系列飞机NDT.无损探伤手册

[4]航空器结构修理.民航部件项目培训教材编写组出版

[5]飞机结构维修理论与技术.香港慧文国际出版有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.091