一种基于健康监控技术的复合材料胶接修理金属结构方法

技术领域

本发明涉及金属结构修理技术领域，具体为一种基于健康监控技术的复合材料胶接修理金属结构方法。

背景技术

现役飞机结构为满足轻质高强的要求，大量使用铝合金结构，但飞机在服役过程中由于力学、热学等多耦合场作用，会在应力集中部位产生裂纹，如裂纹不及时修复，会严重影响飞机的安全服役。复合材料胶接修理技术作为一种新型工艺方法已在结构维修领域得到广泛应用。

例如：“中国专利CN202010732218.1一种解决飞机复杂金属型面结构裂纹的湿法胶接修理方法(公开日20201201)公开了一种采用复合材料织物浸润结构胶修复复杂型面金属结构裂纹损伤，该方法优点是针对特殊材料体系、复杂结构形式，传统机械连接无法满足正常排钉要求导致难以恢复金属结构强度使用要求，采用复合材料湿法胶接修理可以很好的贴合结构外形，同时弥补修理强度不足的缺陷，该方法的缺点是在结构长期使用过程中损伤结构会发生损伤扩展情况，而该类暂不能有效实施实时监控，对结构使用功能造成严重影响”。

中国专利CN200910011522.0老化飞机结构损伤的光纤智能复合材料修复与健康监测方法(公开日20091021)公开了一种利用光纤光栅传感器网络的智能复合材料搭接层板修复老化飞机结构损伤，以监测修复结构在服役过程中的应变状况，从而对修复结构完整性进行评估。该方法优点是通过复合材料补片嵌入光纤光栅传感器监测复合材料结构和金属结构。缺点是由于传感器为置入，采用502室温快速固化胶进行预先固定，再通过环氧胶共固化方式进行胶接，两种不同胶接剂体系会影响粘接质量，在高温、高压条件下，传感器灵敏度大打折扣，同时该专利未对传感器布置、传感器精度进行细致研究，会对结构使用过程中监测数据可靠性提出质疑。

发明内容

针对复合材料胶接修理金属损伤结构无法实现结构裂纹高精度、高灵敏度的实时监测的技术问题，本发明提出了一种基于健康监控技术的复合材料胶接修理金属结构方法。通过采用光纤光栅传感器置入复合材料补片与金属结构胶接界面技术，通过结合光纤传感器布置方向开展损伤结构二次表面处理；选取合适结构胶通过接触压、中低温进行固化胶进行解决。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于健康监控技术的复合材料胶接修理金属结构方法，包括以下步骤：

步骤(1)选取飞机典型金属结构裂纹，通过X光、着色探伤方式大致确定裂纹方向及长度；

步骤(2)根据选取金属结构特征，确定该部位结构厚度、材料体系，并根据刚度匹配原则，设计并制作复合材料预固化补片；

步骤(3)对金属结构损伤区域进行标记，同时做好周围区域防护，对损伤区域采用不高于100#砂纸进行初次打磨处理；

步骤(4)选取合适规格光纤光栅传感器，根据裂纹特征，确定光纤光栅传感器布置方向及间隔；

步骤(5)根据光纤光栅传感器布置方案，采用刻刀辅助高速气钻在金属表面进行二次刻槽处理，并用砂纸打磨处理；

步骤(6)对复合材料预固化补片采用300#砂纸进行打磨处理，同时对金属结构表面与复合材料之间的胶接界面采用丙酮溶剂进行清洗、烘干；

步骤(7)将光纤光栅传感器按布置方案进行铺设，做好保护套防护，传感器伸出区域采用胶带进行固定，确保光纤光栅不弯曲且不发生偏移；

步骤(8)在复合材料表面刮涂J-349结构胶，并固定粘接；

步骤(9)连接光纤光栅采集系统，对信号进行测试，确保连接良好；

步骤(10)组装机械加压工装，连接热电偶检测加热温度，并采用热风机加热热补仪辅助控温，加热；

步骤(11)对固化后修理区域进行后处理，对信号进行测试，同加热固化前对比，确保其数据可靠。

优选地，步骤(3)中打磨方向为在垂直裂纹方向自左向右打磨，露出表面金属光泽为宜，后平行于裂纹方向自左向右打磨，出现明显打磨纹理为宜，最后沿45°方向进行打磨，出现明显打磨纹理为宜。

优选地，步骤(4)中选取耐120°温度的多点光纤光栅传感器。

优选地，步骤(4)中光纤光栅传感器布置方向为垂直裂纹方向布置，间隔为5mm。

优选地，步骤(9)中光纤光栅采集系统包括对准损伤结构进行采集的环形器、与环形器连接的光源及光纤光栅解调模块、与光纤光栅解调模块连接的接受终端。

优选地，步骤(10)中机械加压工装包括支撑结构、设置在所述支撑结构底部的固定吸盘、与所述支撑结构螺纹连接的升降杆、设置在所述升降杆底部的压板、设置在所述升降杆顶部的旋钮。

优选地，步骤(10)中固化温度为80℃，保温3h。

优选地，步骤(11)中后处理包括拆卸加压工装、加热装置，处理边缘多余胶瘤。

优选地，步骤(11)中测试包括将试验件夹持疲劳试验机，由试验机自身的系统记录试件的拉力、位移、载荷参量；对于有传感器的试件采用光纤光栅解调仪记录传感器波长数据；在后期根据时间节点与材料试验机所记录的拉伸强度或光纤光栅解调仪所记录的光纤光栅波长数据进行一一对应，通过记录实验试件相对应的光纤光栅传感器监测点应力随拉伸时间变化，进而对比各个监测点应力随时间的变化情况。

本发明的有益效果是：

本发明通过提供一种基于健康监控技术的复合材料胶接修理金属结构方法，与传统修理工艺方法相比，具备以下优点：一是实现损伤结构实时监控，对裂纹扩展信息掌握，避免造成不可挽救的后果；二是在传统表面预处理的基础上，结合传感器布置对修理界面进行二次处理，增强表面机械咬合力，控制胶层厚度的同时，防止传感器出现偏移；三是通过合理选择修理用胶粘剂及加压方法，避免出现传感器灵敏度由于环境外加载荷因素而降低的问题；四是通过传感器外加保护套，可以适应严苛服役环境，可靠性高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为典型金属结构裂纹示意图；

图2为金属结构损伤区打磨示意图；

图3为光纤光栅传感器排列示意图；

图4为金属表面上的划槽示意图；

图5为光纤光栅采集系统的结构连接图；

图6为机械加压工装的结构连接图；

图7为固化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。

一种基于健康监控技术的复合材料胶接修理金属结构方法，包括以下步骤：

步骤(1)选取飞机典型金属结构裂纹，通过X光、着色探伤方式大致确定裂纹方向及长度。如图1所示，为典型金属结构裂纹示意图。

步骤(2)根据选取金属结构特征，确定该部位结构厚度、材料体系，并根据刚度匹配原则，设计并制作复合材料预固化补片。

步骤(3)对金属结构损伤区域进行标记，同时做好周围区域防护，对损伤区域采用不高于100#砂纸进行初次打磨处理。打磨方向如图2所示，垂直裂纹方向自左向右打磨，露出表面金属光泽为宜，后平行于裂纹方向自左向右打磨，出现明显打磨纹理为宜，最后沿45°方向进行打磨，出现明显打磨纹理为宜，过程中保持均匀力度。

步骤(4)选取合适规格光纤光栅传感器，在本示例中，取耐120°温度的多点光纤光栅传感器，根据裂纹特征，确定光纤光栅传感器布置方向及间隔。如图3所示，沿垂直裂纹方向进行布置，间隔为5mm；该过程避免光纤传感器进行弯折、压溃。

步骤(5)根据光纤光栅传感器布置方案，采用刻刀辅助高速气钻在金属表面进行二次刻槽处理，并用砂纸打磨处理。尺寸约0.5mm。切忌凹槽过深和存在尖角，进而增加机械咬合力同时防止光纤光栅传感器发生偏移，如图4所示。

步骤(6)对复合材料预固化补片采用300#砂纸进行打磨处理，同时对金属结构表面与复合材料之间的胶接界面采用丙酮溶剂进行清洗、烘干。

步骤(7)将光纤光栅传感器按布置方案进行铺设，做好保护套防护，传感器伸出区域采用胶带进行固定，确保光纤光栅不弯曲且不发生偏移。

步骤(8)在复合材料表面刮涂J-349结构胶，并固定粘接。

步骤(9)连接光纤光栅采集系统，对信号进行测试，确保连接良好。

如图5所示，所述光纤光栅采集系统包括对准损伤结构进行采集的环形器、与环形器连接的光源及光纤光栅解调模块、与光纤光栅解调模块连接的接受终端。

步骤(10)组装机械加压工装，连接热电偶检测加热温度，并采用热风机加热热补仪辅助控温，加热。

如图6所示，所述机械加压工装包括支撑结构、设置在所述支撑结构底部的固定吸盘、与所述支撑结构螺纹连接的升降杆、设置在所述升降杆底部的压板、设置在所述升降杆顶部的旋钮。J-349结构固化温度为80℃，保温3h。加压固化曲线如图7所示。

步骤(11)对固化后修理区域进行后处理，对信号进行测试，同加热固化前对比，确保其数据可靠。

步骤(11)中后处理包括拆卸加压工装、加热装置，处理边缘多余胶瘤。

步骤(11)中测试包括将试验件夹持疲劳试验机，由试验机自身的系统记录试件的拉力、位移、载荷参量；对于有传感器的试件采用光纤光栅解调仪记录传感器波长数据；在后期根据时间节点与材料试验机所记录的拉伸强度或光纤光栅解调仪所记录的光纤光栅波长数据进行一一对应，通过记录实验试件相对应的光纤光栅传感器监测点应力随拉伸时间变化，进而对比各个监测点应力随时间的变化情况。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。