浅谈热调查工艺在飞机复合材料结构热粘接修理中的应用

刘爱平 林仁伟 吴璟玮

摘要：在深入解读民用飞机波音787、波音777、空客A380修理手册相关章节的基础上，结合飞机复合材料结构热粘接修理实例，分析了在复合材料结构热粘接修理中运用复合材料零件热调查工艺来保障碳纤维织物/热固性树脂等复合材料结构固化加热均匀性的方法。

关键词：热调查；复合材料结构；热粘接；加热均匀性；滞后时间

Keywords：thermal survey；composite structure；hot bonding；heat uniformity；lag time

0 引言

波音777、波音787、空客A380等民用飞机已广泛采用复合材料来设计飞机结构，复合材料结构的修理方法包括粘接修理（Bonded Repair）和螺栓连接修理（Bolted Repair）。运用碳纤维织物/热固性树脂增强塑料等设计的飞机承载复合材料结构在粘接修理时主要采用热粘接，而热粘接修理中涉及的加热工艺很复杂，其中固化加热均匀性是保障修理质量的关键。本文结合波音787复合材料零件修理、波音787大翼复合材料结构修理、波音777襟翼复合材料结构修理实例，分析了在碳纤维织物/热固性树脂等复合材料结构热粘接铺层修理中运用复合材料零件热调查工艺来保障固化加热均匀性的方法。

飞机复合材料结构热粘接修理实践表明，无论离位修理还是在位修理，要满足热粘接工艺的要求都较为复杂，热粘接工艺是否到位将影响复合材料结构修理后的力学强度和修理区域复合材料补强件恢复结构损失的承载能力，其中修理质量问题可能影响甚至危及飞行安全。新机型的出现带来了新的维修难题，也带动了新技术、新工艺的研发。飞机维修中因加热工艺不完善或运用不当导致的碳纤维织物/热固性树脂复合材料结构修理质量问题时有发生，如何实现固化加热均匀性是保障该类结构热粘接铺层修理的关键，这一需求促成了对新的加热工艺的探索，包括复合材料零件热调查工艺。早期的飞机修理手册中没有编写复合材料零件热调查工艺的内容，直到2014年波音787结构修理手册中才首次出现[1]，波音777结构修理手册中此工艺的编写是在2017年[2]，而在空客A380结构修理手册2020年的修订版中仍没有列出该工艺的单独主题。

飛机复合材料结构热粘接修理中用到的加热方法主要有热传导（如电热毯）、热辐射（如加热灯）、热对流（如加热枪）、烘箱和热压罐[3]，其中使用较多的是电热毯加热。本文仅分析热调查工艺在电热毯加热中的应用。

1 复合材料零件热调查工艺概述

维修人员在飞机复合材料结构热粘接日常修理中发现，即使按要求完成了真空袋封装、电热毯验证、热电偶验证等加热工艺，还是不能较好地保障修理区域固化加热均匀性。由此研发了复合材料零件热调查工艺。

复合材料零件热调查工艺是根据复合材料零件的修理区域构型（包括结构特点、材料特性、附加安装零件等），在实际修理前模拟工序要求，使用临时修理补片（Temporary Repair Patch）构建一个用于实际修理的加热构型。

热调查的核心任务是识别修理区域的热区域和冷区域，找到滞后时间以确定实际固化时间，记录修理过程中将固化温度调节到规定范围内的隔热、散热、辅助加热方法。滞后时间是指监控热电偶达到固化温度所需时间与控制热电偶达到固化温度所需时间的差值，其中监控热电偶安装在临时修理补片下部和上部，仅用于热调查，不用于实际修理；控制热电偶安装在修理区域周边，用于热调查和实际修理。热电偶的典型布局如图1所示。另外，热调查中还设置了观察热电偶，安装在温度敏感材料、较薄结构、铝合金零件、附加安装零件等位置，也用于实际修理。

波音787和777飞机修理手册建议下列情形需要执行热调查：

1）因修理区域各结构部位所处位置不同和传热性能不同以致不能得到均匀的加热温度时；

2）修理加热区域的底部有散热片时；

3）层压结构的厚度发生变化时；

4）蜂窝芯的密度发生变化时；

5）出现蜂窝夹心和层压板混合结构时（因蜂窝芯是隔热材料使得蜂窝芯上面的材料比层压板更热）；

6）350℉固化加热修理时（200℉以上固化加热的情况需要根据构型的复杂性决定是否执行热调查）。

2 复合材料零件热调查工艺应用方法

2.1 波音787复合材料零件热粘接修理中加热损伤实例分析

2014年3月，一架波音787飞机某复合材料零件在热粘接修理中发生过热损伤，在更换的蜂窝芯块和原结构蜂窝芯对接处发现蜂窝材料过热发黄、蜂窝芯切口附近区域的蒙皮分层和脱胶，如图2所示。

修理区域构型分析：损伤位于面板外端尖部内侧约20in，宽约16in，面板为碳纤维织布层压蒙皮/芳纶蜂窝夹心结构，损伤区域周边为宽约2.4in的层压板，被拆除后没有附加安装零件，去除损伤后的构型如图3所示。

根据波音工程技术电传和飞机结构修理手册，将该零件离位送车间修理，维修人员采用350℉固化碳纤维预浸料修理法修复面板的蜂窝芯和内表面蒙皮。

过热损伤主要原因分析：真空袋封装前没有严格执行电热毯的验证[4，5]，因而未能发现所使用的电热毯的电阻值、热均匀性不符合修理手册要求；当时该型飞机的结构修理手册还没有编写热调查工艺，因而在实际铺层修理前维修人员未找到较好的手册工艺来构建合理的加热构型，尤其是没有重点监控蜂窝芯切口附近区域的温度。

2.2 波音787大翼复合材料结构热粘接修理中热调查应用实例分析

2019年1月，维修人员需要对一架波音787飞机大翼上长桁区域复合材料结构执行修理工作，工作内容是检查和修理大翼上部蒙皮和长桁区域的脱胶[6]，见图4中阴影区域。

修理区域构型分析：修理位置所在的上部蒙皮面板是碳纤维织布的层压板，往下是翼展方向的碳纤维织布长桁、纵向的铝合金肋，下部蒙皮面板同时也是碳纤维织布的层压板，这三者通过热固性树脂共固化粘接成整体结构。

根据相关维修资料要求，采用235℉固化玻璃纤维预浸料修理法在位修理。维修人员在执行波音相应服务通告的附录E和附录G时[6]，发现当修理区域环境温度低于15℃时很难保障修理区域的加热均匀性，于是根据飞机结构修理手册对修理区域进行了热调查。

实际修理加热构型构建：以第6处修理位置为例，热调查发现主要原因是7号和8号铝合金翼肋传热、散热太快，通过对修理位置的翼肋区域进行隔热、辅助加热，最终达到了修理工艺要求。维修人员还发现当修理区域环境温度大于25℃时，翼肋温度容易高于190℉，需要在修理位置的翼肋区域散热以防止温度过高使铝合金翼肋热损伤。图5所示为维修人员热调查后构建的第6处修理位置的实际修理加热构型。修理区域上表面安装了10根控制热电偶，修理位置下部的7号和8号翼肋区域各设置了2根观察热电偶。热调查中得到的滞后时间约为40min。

2.3 波音777襟翼复合材料结构热粘接修理中热调查应用实例分析

2019年7月，一架波音777左边外侧襟翼复合材料结构发生损伤。

修理区域构型分析：上部面板的外表面蒙皮和蜂窝芯损伤距离襟翼内端约36in、后缘约4in。面板为碳纤维织布层压蒙皮/芳纶蜂窝夹心结构，损伤区域后缘为层压板，被拆除后没有附加安装零件，去除损伤后的构型如图6所示。损伤尺寸约长11in、宽6in。

根据波音工程技术电传和飞机结构修理手册[7]，襟翼离位送车间修理，分解损伤的襟翼上部面板，采用350℉固化碳纤维预浸料修理法修复蜂窝芯和外表面蒙皮，外表面蒙皮共计铺叠14层碳纤维织布，分开二次铺层固化。

實际修理加热构型构建：在蜂窝芯块安装前的热调查过程中发现，更换蜂窝芯块（热区域）的温度高于后缘层压板（冷区域）的温度，验证了蜂窝芯和层压板传热性能的差异。蜂窝芯的隔热、保温性能较好，在蜂窝芯切口邻近区域需要布置较多热电偶来控制温度，以预防该区域因过热导致分层和脱胶。维修人员构建的第二次铺层实际修理加热构型如图7所示，共设置了10根控制热电偶，其中2根位于均压板上面，还在修理区域内蒙皮的下部（外表面）设置了5根观察热电偶。热调查中得到的滞后时间约为20min。

3 结论

复合材料零件热调查工艺可用于指导飞机维修人员根据复合材料零件修理区域构型构建实际修理的加热构型，从而较好地解决了复合材料结构热粘接修理中固化加热均匀性问题，并可预防加热过程中对零件的过热损伤。该加热工艺对于飞机主承力复合材料结构的在位修理将非常重要，飞机维修人员在复合材料结构热粘接修理中正确运用该加热工艺方法，将有力提高飞机维修质量，保障飞机安全。

参考文献

[1] Boeing. Structural Repair Manual B787-81205-Z0210-00 [M]. B787-A-51-23-00-02A-030A-A，Nov 27/2020

[2] Boeing. Structural Repair Manual[M]. B777F SRM 51-20-15，Sep 15/2020

[3] SAE. ARP5144 Heat Application for Thermosetting Resin Curing [S]. April 2017

[4] Boeing. Structural Repair Manual B787-81205-Z0210-00 [M]. B787-A-51-23-00-01A-010A-A，Nov 27/2020

[5] Boeing.D6-56273 Qualification of Heat Blankets for Hot Bonding [S]. Aug 14/2015

[6] Boeing .Aircraft Service Bulletin B787-81205-SB570030-00 [Z]. Issue 001，Mar 17/2017

[7] Boeing. Structural Repair Manual[M]. B777F SRM51-70-05，Sep 15/2020

[8] Airbus. Structural Repair Manual[M]. A380-800 SRM Task 51-77-11-Descriptions，Dec 01/2020

作者简介

刘爱平，高级工程师，复合材料修理车间主任。

林仁伟，工程师，主要负责飞机复合材料现场结构修理。

吴璟玮，工程师，主要负责飞机复合材料现场结构修理。