复合材料胶接技术及其在某型飞机垂尾翼盒上的应用

高 翔，郭蕊娜，刘 佳

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

随着航空制造技术的发展， 复合材料胶接工艺得到了日益广泛的应用。 利用胶接的连接形式取代传统的铆接、螺接等机械连接，可以减轻结构重量，使部件型面平整光滑，改善疲劳强度，并且具有良好的抗化学腐蚀能力和缩短生产周期。 飞机设计员在复合材料部件设计上也已经开始广泛应用这种连接技术。 目前，胶接工艺在航空产品中应用越来越多，它对于航空器质量和性能方面的提高起到了重要作用， 已经成为了复合材料航空制造中不可缺少的工艺技术。 某型飞机属于三代飞机的范畴，其中复合材料垂尾翼盒为多墙式结构，采用胶接连接形式，目前正进入工程化批生产阶段。 通过该型飞机复合材料胶接连接工程化制造的实践表明， 胶接工艺是一种较为理想的复合材料结构装配方式； 胶接质量和性能好坏与很多影响因素有关， 制定工程制造方案需要对这些影响因素进行深入了解后才能确定， 并在应用过程中不断优化。 本文从复合材料胶接技术特点、胶接基本原理出发,通过该型飞机垂尾翼盒胶接工艺实现， 详细阐述了复合材料胶接工艺方案的实施方法和胶接技术要点。

1 复合材料胶接特点

复合材料胶接是利用聚合物材料作为胶黏剂将已固化的复合材料件或金属件与其它已固化的复合材料件、蜂窝芯、泡沫芯或金属件进行胶接连接，它具有以下优点：

1）与机械连接相比， 胶接连接提供了更加均匀一致的应力分布， 避免了因紧固件连接而引起的应力集中。 如图1所示，胶接与机械连接相比，其接合处的应力分布能更加均匀一致的传过连接区。 因此使用胶接比使用紧固件的机械连接， 其结构疲劳寿命会更长， 并能使结构具有更高的抗振动和阻尼的能力。 与各向同性的金属材料相比，各向异性的复合材料层间剪切更敏感， 特别是单向的复合材料经过机械加工（钻孔）时会受到较严重损伤和弱化，且缺口敏感性更强，不允许出现应力集中现象。 利用胶接连接不仅可承受高载荷，而且能使应力有效分散。

2）避免使用连接紧固件可使机构重量减重和降低制造成本。

3）胶接连接能够使制件表面非常光顺， 具有整体的密封性连接会产生最小的疲劳裂纹扩展敏感度。 用胶接将异性材料装配可以实现二者电绝缘，预防与金属胶接时产生的电偶腐蚀。

4）与铆接、螺栓等机械连接相比，胶接产生了遍布整个胶接区的硬化效果， 而铆接和电焊则仅在局部点产生硬化。 胶接产生的连接区硬化相比机械连接，可以提高30%～100%的抗弯强度。

图1 机械连接与胶接连接的载荷分布比较[1]

工程中对于较薄复合材料结构连接， 通常优先采用胶接方案。 这是因为采用螺栓或铆接等机械连接，其连接点承载应力会非常大，易超过材料的许用应力；或者只能通过加大机械连接件数量进行分载，而使得结构重量增加。 另外，实践还表明：薄的复合材料结构连接件， 因其载荷路径传递非常明确而优先采用胶接连接， 厚的结构件因其载荷路径复杂而多选用机械连接[2]。

2 复合材料胶接基本原则

在胶接结构中， 其中一个零件上的载荷通过整个粘接层传递到另一个零件上。 载荷传递的有效性与胶接性能有很大关系[3]。 因此，设计在确定胶接形式后必须对胶粘剂材料进行选择， 在制造阶段也必须经过有效的胶接界面处理和胶粘剂施用、 固化使胶接件达到最佳的性能。

2.1 胶接剂

目前， 应用于飞机部件结构胶接最常用的胶粘剂是环氧树脂基胶粘剂。 这类胶粘剂也是复合材料部件结构胶接首选材料。 环氧树脂具有很强的粘接强度和耐久性，可在很广温度范围和环境下使用。 另外， 环氧树脂胶粘剂可制备成单组份或双组份胶粘系统，也可制成胶膜和胶液两类胶粘系统，还可按施工和使用要求制备常温固化和加温固化胶粘系统。这就可很好的提供工程实际应用。 在施工和固化期间，环氧树脂胶粘剂因具有较少或没有挥发物质、低的收缩率以及非常好的化学稳定性， 而使其具有良好的工艺性能。

飞机复合材料胶接结构件用胶粘剂通常选择环氧胶膜作为胶粘剂，与液态或粘态胶粘剂相比，这类胶膜贴在隔离纸（或塑料薄膜）上更省空间，便于操作、保存和放置。

2.2 胶接表面处理

不少学者对粘接机理进行了大量的研究,目前主要有吸附理论、静电理论和扩散理论。 然而对于什么是导致胶粘性能最优却有着公认的观点。 粘接表面的粗糙度非常重要， 粗糙的表面意味着更大的表面积可以使液态胶粘剂渗入和粘附。 另外，为了使表面粘附更为有效， 应使胶粘剂与被胶物表面能很好的润湿，这就要求粘接面清洁，并注意胶粘剂的粘度以及粘接的表面张力。 对于复合材料结构件的胶接表面，复合材料通常要进行机械打磨或喷砂，金属零件需进行阳极化、喷砂或酸洗等化学处理，夹层零件则应采用机械打磨。

2.3 复合材料结构件的胶合

所谓胶合， 就是在待胶接物的胶接面涂敷胶粘层后，将被粘表面贴合在一起的操作方法。 为了获得理想的胶接性能，胶合应排除夹杂空气、胶接件紧密接触、胶合面位置对准和胶粘剂层固化粘接。 无论是对于复合材料的板-板胶接，还是板-芯胶接，通常都采用过程抽真空加温加压， 并利用定位工装来实现胶接固化。

3 复合材料垂尾翼盒胶接工艺实施

某型飞机垂尾翼盒是整体化多墙式、 薄翼型的复合材料混合型结构形式，它是由翼盒左右蒙皮、多墙、前缘区的Nomex蜂窝、玻璃钢前缘条及前后端封口隔板组合胶接而成，主体复合材料为CCF300/改性NY9200。 其各零件和结构示意如图2、图3所示,绿色区为胶接区。 由于垂尾翼盒内部零件多，零件与面板的胶接面足够大， 因此垂尾翼盒的复合材料零件连接装配方法选择胶接。 其结构胶粘剂采用加温固化胶膜SY-14胶膜，通过各个零件组装后加温固化而成为翼盒组合件，图4为胶接工艺程序。

图2 某型飞机复合材料垂尾翼盒各零件

图3 某型飞机复合材料垂尾翼盒示意

3.1 胶接前准备

针对该型飞机垂尾翼盒的胶接装配工艺流程，首先应做好胶接前的待胶接件的外形容差检查、胶粘剂以及装配工装的准备工作：

1）收集垂尾翼盒的零件， 对各零件进行外形容差检验，确定零件是否符合胶接装配要求。 对于经机械加工的蜂窝特别应注意其在待胶接期的存放方式和环境，防止变形和受潮。

图4 胶接工艺过程流程

2）检查所用胶粘剂的入厂复验信息， 确保本身的性能质量。 检查胶膜是否在材料商所推荐的贮存环境下保存；若需从冷藏环境下取出时，需要使胶膜在密封条件下达到室温后才能使用。

3）开工前应保证胶膜铺贴环境干燥和洁净，这是因为胶膜作为胶粘剂暴露在空气中易吸收水汽，并在加温固化过程中释放而导致胶接内部产生气泡和空隙。 同样空气净化程度不够，尘埃也会进入胶层而导致胶接强度下降。 因此，应特别注意湿度和尘埃环境对胶接的影响。

4）对产品胶接装配模具进行准备。 因为完成该型飞机垂尾翼盒胶接装配模、 固化成型模是同一模具， 并且上、 下模板同时也是垂尾翼盒蒙皮的成型模。 因此在开工前，各部件必须具备与模具配合精度准确，定位基准合理可行，以保证产品外形和零件的相互位置能够满足设计要求。

3.2 胶接预装配校验

预装配校验是指正式胶接装配之前的一次不用胶粘剂而用校验膜代替的模拟装配。 其目的在于检查胶接零件的相互配合情况， 并制定出胶接装配定位基准及需要进行表面加工或间隙补偿的部位。 在预装配过程中发现的零件尺寸及配合间隙等问题，必须在表面制备前予以排除。 由于复合材料制件不像金属零件那样易于校形， 因而对那些超差严重的零件应当更换。 对于间隙偏大的零件，经设计部门同意可采取增加胶层或增加补偿垫片而不更换零件。在该型飞机垂尾翼盒预装配校验时采用了最为常用的校验膜，一种乙烯基塑料膜，在预装配过程中加热加压使其固化；然后通过分解，检查校验膜的厚度测算装配间隙。 图5即为校验膜的使用简图。

图5 垂尾翼盒预装校验膜使用示意图

3.3 胶接前蜂窝处理

胶接前应按装配校验结果对蜂窝进行处理，这包括可能存在修切、清洁，以及装配时的边缘固定。修切一般发生在蜂窝尺寸容差超过胶接装配要求时的一种修理方法，可使用刀片、铲刀或锯条等进行边缘修理，使用砂纸进行外形修理。 修理后必须进行再次预装检测。 在胶接前蜂窝芯的胶接面，长期放置或修理后的蜂窝件应进行清洁， 达到无目视可见的污染物、杂质、灰尘或加工碎屑。 清洁可以使用吸尘器或压缩空气去除可见灰尘然后用丙酮清洗。 符合要求的蜂窝芯与复合材料组件组装后， 在贴胶膜前应填充发泡胶进行与复合材料零件的边缘固定， 见图6。 边缘固定既可以填充蜂窝边缘增加刚度，也可以实现与零件边缘的胶接固定， 从而避免因蜂窝滑移而造成部件变形。

图6 蜂窝发泡胶边缘固定

3.4 胶接表面制备

胶接表面制备的好坏将直接关系到复合材料部件的胶接质量，尤其会影响胶接结构使用耐久性，因而必须高度重视，严格按工艺文件要求实施。

复合材料成型的工艺中，为使制件易于脱模，通常采取喷涂含硅脱模剂或铺贴脱模布作为隔离措施。 实践证明，无论采取何种措施，都会使复合材料表面受到一定程度的“污染”而不利于胶接质量，其中以喷涂脱模剂的影响甚为严重。 因此对于该型垂尾翼盒需胶接的各复合材料零件， 成型时的胶接面为贴膜面没有采用脱模剂，而使用了脱模布。 成型后的零件在胶接前必须进行表面清洗处理， 以确保复合材料制品的胶接质量。 对于该型飞机垂尾翼盒这类碳/环氧复合材料胶接件， 其表面处理采用了砂纸打磨后再用丙酮清洗，这样既保证了表面清洁无硅、无油，又使胶接面具有一定的粗糙度。

3.5 铺贴胶膜与胶接装配

在零件表面制备好之后进行的胶接装配： 首先铺贴胶膜、然后在胶接固化模具上进行胶接装配。 单层胶膜只能保证最小的粘接层厚度， 即胶膜固定厚度， 因此在实践铺贴中根据预装配阶段的间隙校验情况，适当的增加胶膜层数进行间隙补偿。 对于蒙皮与蜂窝的胶接，铺设胶膜前，应根据校验膜结果将蜂窝芯边缘处及有下陷区域分别填充发泡胶， 这么做既可提高蜂窝边缘刚性，对蜂窝进行固持，还可补偿蜂窝与蒙皮配合超差间隙。 在胶膜铺贴前通常使用剪刀、刀片等工具手工按胶接尺寸进行裁剪下料，然后铺贴在胶接连接区。 根据实践经验，铺贴胶膜的操作过程应特别注意下列几点：

1）为了提高胶接质量， 可以在贴胶膜前先在零件待胶接面上涂覆底胶。 如在该型飞机垂尾翼盒胶接工艺中， 用专用稀释剂将胶膜稀释后涂覆零件表面； 然后进行预热使溶剂挥发后再铺贴胶膜可很好的改善了胶接质量。

2）铺贴胶膜的时候应特别注意防止在胶膜和胶接面产生气泡，必要时需用尖针或刀片戳破气泡，排出空气。

3）胶膜需要拼接时应严格控制拼接宽度， 对接宽度一般应小于2mm。

4）为了使胶接零件能相互预粘， 使其各个零件胶接装配位置固定准确， 可采用局部预热或烘箱预热的方法使胶膜铺贴时具有适宜的自粘性。

胶膜铺贴好后进行胶接装配时可以利用预装配时制出的工艺定位孔定位； 也可以借助于专用胶接工装来定位 （利用工装上刻出的相应零件位置刻线），以保证胶接零件互相位置的准确性。 在特殊情况下，还可以采用压敏胶带进行辅助定位。 使用工装并结合上述各中定位方法， 不仅可以使各个零件装配准确性更高，而且可以确保胶接后的部件外形，较多的应用在飞机复合材料机翼和尾翼部件上。 图7所描绘的为该型飞机复合材料垂尾翼盒胶接装配工装截面示意。

图7 某型飞机复合材料垂尾翼盒胶接装配工装

这种上下合模的模内胶接装配形式应特别注意对各零组件的外形容差检验和预装校验过程。 如，墙的凸缘开挡偏小，则在模具外形固定的情况下，胶接间隙就会偏大，容易产生疏松；若凸缘开档偏大，就会存在模具的强行压制而产生应力， 出模后部件就会变形；或者因为墙翘曲变形，使得胶接间隙同时存在偏大和干涉， 在强行胶接装配后就会同时产生疏松和应力变形。

胶接装配的方案还要特别注意后期胶接固化中的热变形。 由于复合材料热胀冷缩效应与胶接所用工装模具材料的热膨胀系数上的显著差异等原因，胶接过程中必然存在一定的残余应力， 脱模后就会产生变形。 若不解决或不降低热变形的影响会使胶接连接质量下降或产品外形变形。 如在该型飞机研制期，发现垂尾翼盒胶接后，“工字型”墙从模具中取出后，因热变形，凸缘会顺着纤维的铺贴方向产生如图8所示的向内收缩现象。 变形后的墙的凸缘与蒙皮间产生了较大间隙，从而造成脱胶或疏松。 通过采用将墙的芯模外形在高度方向适当缩小，并在芯模上、下两个面各铺贴一层具有一定厚度的膨胀橡胶板（见图9）的胶接装配方式和固化后降低降温速率可以解决这一问题。 这是因为在胶接固化时，随温度的升高， 膨胀橡胶板发生膨胀对凸缘区施压而使的各个墙零件与蒙皮很好的贴合，且可减少应力集中；同时，膨胀橡胶板的膨胀消除芯模、胶接成型模及零件在高度方向所产生的偏差积累； 降低降温速率则可缓慢消除固化时产生的内应力， 可最终使垂尾翼盒胶接质量和外形质量较好的改善。

3.6 胶接固化

图8 墙凸缘收缩示意

图9 芯模铺贴膨胀橡胶板示意

胶接固化成型过程是在一定温度和压力条件下胶粘剂充分胶联， 使胶接零件复合成为具有一定强度、刚度及足够韧性的一整体结构连接工艺过程。 理论上讲胶接固化时只应施压接触压力， 使胶粘剂刚好流动并浸润胶接表面。 但在该型飞机垂尾翼盒实际固化过程中，不可避免产生较高的压力，而使部分胶粘剂在胶缝的边缘被挤出，出现均匀的溢胶面（见图10）。 对于板-板胶接的周边出现溢胶区，对于层板与蜂窝的胶接， 在蜂窝芯上下面板胶接端面沿着蜂窝格形成胶瘤。 这种均匀的溢胶通常是允许存在的。

图10 胶接固化产生的胶瘤

胶接固化通常采用热压法固化工艺， 其优点是通用性好、温度均匀、加压均匀、胶接质量易于保证。热压罐胶接固化成型的四要素是：真空度、压力、温度和时间。 通常的热压罐胶接固化系统是使用真空袋法见图11 a所示。 而该型飞机垂尾翼盒采用模内热压罐胶接， 这种方法是将真空袋密封改为模具周围密封，然后模内抽真空通过热压法固化，见图11 b所示。 该型飞机垂尾翼盒采用的胶接固化工艺曲线见图12所示。

图11 热压罐胶接固化系统图

图12 热压罐胶接固化工艺曲线

在热压罐中胶接固化，加压是靠充气来实现的。所以， 必须将胶接装配好的胶接构件连同固化模具一起置于真空状态， 通过抽真空 （真空度应大于0.095MP），使内部形成负压。 抽真空的目的，除了使胶接零件加上压力外， 还可以排除固化成型过程中的低分子挥发物，以保证胶接件的质量。

固化温度、 压力和保温时间的工艺参数选定主要取决于所选用的胶粘剂， 以及胶接件的相互配合情况和构件的类型等。 对于那些胶接零件刚性大和配合情况较差的，应取较大的固化压力。 对于具有蜂窝夹层胶接结构件， 应视蜂窝芯子的材料和规格等选取相应的固化压力， 如图12所示的该型飞机垂尾翼盒胶接工艺曲线，其压力控制为2MPa左右。在胶接固化过程中必须严格控制升降速率， 降温速率一般保持在≤2℃/min，胶接部件出罐温度应在60℃以下。

4 复合材料胶接质量控制

复合材料胶接质量控制主要有工序检验、 随炉试样性能检测和无损检测及外形测量等三个方面[4]。工序检验是质量控制中最有效、最根本的途径，是整个胶接成型工艺过程中一种主动控制内容。 在工序检验中，应对包括胶接零件状态、胶粘剂性能复验项目、 涂胶或敷贴胶膜的质量检查； 另外还有对预装配、胶接装配和固化成型等的控制。 随炉试样测试是一种破坏性检验，是随胶接零件一起同批次原材料、同批制造人员、 按相同工艺参数制作的破坏性检查试样； 是验证胶接制品各项性能是否符合设计部门的技术要求的重要依据之一。 胶接零件的外形测量是根据设计图样要求进行直接测量， 或依据检验型架对一些图样要求的特殊测量部进行测量。 除了随炉试样判断胶接情况， 还必须经过无损检测对整个胶接面的粘实和内部结合情况进行检查。 用何种无损检测手段根据其结构形式而定。 一般对复合材料面板与蜂窝芯子的胶接采用用声阻法、X光或激光全息摄影无损检测；对复合材料与金属胶接、复合材料间胶接通常用射频超声检测、超声C扫描检测方法。

另外复合材料的胶接质量控制还包括对胶接操作环境的控制和热压设备的控制。 复合材料胶接对环境的温、湿度，净化程度有严格的要求，必须保证胶接表面干燥、 无尘以及胶粘剂材料的工艺性和性能。 热压设备保证胶接固化在稳定环境下反应，这就要对热压设备运行过程监控。

5 结语

通过本文内容的叙述， 我们不难看出复合材料胶接作为一种先进的连接装配方式可以在飞机垂尾翼盒上应用。 是否采用胶接结构，设计人员要依据其特点，结合工艺技术部门意见来确定。 工艺技术人员在进行复合材料胶接工艺方案确定的时候， 应特别注意胶粘剂的选择、部件结构连接形式、工装优化设计、零组件的结构特点和容差分析、表面处理、胶接组装方式确定和预装配校验、以及固化参数选择等。为了确保胶接产品质量， 应保证操作环境和热压设备运行稳定；工序过程检验必须严格；并且应根据实际情况进行随炉试片检查验证以及无损测试。

随着飞机应用先进复合材料部位日益增多，一些复合材料结构胶接连接工艺仍有许多技术难点，如复合材料零件的固化热变形问题导致的容差分配和公差叠加不满足组装要求， 以及胶接质量和外形往往无法同时保证等问题。 工程技术人员应对胶接工艺有足够的重视，面对复杂结构，要对零件成型中的变形、胶接工装设计、容差分配等充分考虑。

[1]“ReduxBondingTechnology”,HexcelComposites,December2001.

[2]Campbell,F.C., “Secondary Adhesive Bonding of Polymer-Matrix Composites”,in ASM Handbook Vol.21 Composites,ASM International,2001.

[3]Campbell, F.C., “Aerospace Structural Materials”,Manufacturing Technology,2006.

[4]沃西源. 复合材料胶接连接[J]. 航天返回与遥感，1996.