CN105034414A - 用于修复分层复合结构的结构集成修复方法和系统工具装置 - Google Patents

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Abstract

一种修复复合结构中的受损孔的系统，其包含具有套筒的修复系统工具装置，该套筒被定尺寸以紧密地容纳在复合结构的孔中。该套筒具有用于容纳母本树脂的中心孔，和用于将母本树脂径向排出到孔中的孔口阵列。隔板密封中心孔并且覆盖隔板的真空袋被密封到复合结构的表面。真空袋中引入的真空提供压力差，用于将树脂从套筒中的孔口注入到从孔延伸的分层内。

Description

用于修复分层复合结构的结构集成修复方法和系统工具装置
技术领域
本公开的实施例大体涉及结构上修复复合结构中的孔周围的裂缝或分层，并且更具体地涉及采用具有开孔套筒的系统工具装置将母本树脂注入如裂缝或分层的装置和方法，该开孔套筒在密封的端凸缘之间具有用于树脂横向流动的孔口。
背景技术
采用复合材料制造大型结构(包括用于飞机、汽车、轮机和太空飞行器的结构)在许多应用中正迅速取代金属制造。由于材料的性质，在复合材料中钻孔受到挑战并且在钻孔过程期间损坏可以被引入邻近孔的复合材料中，所述损坏包括裂缝或分层。此类缺陷，在复合材料非破坏性检测过程期间如果未被获取，则可能作为潜在的故障起始部位或从分层提供潜在的湿气进入，这不利于复合结构的长期耐用性、寿命和损坏容限能力。此外，缺陷或分层损坏可能降低在孔中采用的紧固件系统或在孔中产生的接头的结构完整性。当前的修复技术需要移除邻近孔的大量的复合材料以消除任何裂缝或分层并且使用嵌接的补片或类似的修复技术来替换复合结构。此类修复昂贵且耗时。
因此，需要提供一种用于直接修复邻近一个或多个孔的对复合结构分层损坏的方法和合适的系统工具装置。
发明内容
示例性实施例提供一种用于修复复合结构中的受损孔的系统，该复合结构包含具有套筒的修复工具，该套筒被定尺寸以紧密地容纳在复合结构的孔中。套筒具有用于容纳母本树脂的中心孔和用于将母本树脂径向排出到孔中的相邻分层内的孔口阵列。隔板密封中心孔并且覆盖隔板的真空袋被密封到复合结构的表面。真空袋中引入的真空提供压力差，用于将树脂从套筒中的孔口注入到从孔延伸的分层内。
本文的实施例提供一种用于修复复合结构中的受损孔的方法，其中执行结构复合分层孔的非破坏性评估以评估损坏。具有多个孔口的修复工具套筒然后被插入受损分层孔内。预定量的母本硬树脂通过套筒中的中心孔被引入修复工具的套筒内。隔板被安装且被包装成施加真空。真空被施加在袋上以促使隔板与上凸缘密封接触，该上凸缘大体上维持套筒中的大气压力并且在真空下将层合件放置在孔周围，用于使树脂扩散通过套筒中的孔口。树脂通过毛细管作用被迫使进入孔内的层合件中的分层区域内。
附图说明
已经讨论的特征、功能和优点在本公开的各种实施例中能够被独立地实现或可以与另一些实施例相结合，所述另一些实施例的进一步细节参考下面的描述和附图能够了解。
图1A是复合结构上的钻孔操作的图示表示；
图1B是复合结构中的孔区域的剖视图，其中裂缝或分层根据图1A的钻孔操作已经发生；
图2是示出孔内的损坏的特征的流程图；
图3是示出由具有修复功效的示例性分布的分层尺寸引起的承载强度退化的曲线图；
图4是与可以引起损坏的现有嵌接修复相关联的区域中的示例性孔的表示；
图5A是当修复系统工具装置被插入复合结构中的孔内用于修复过程时，该修复系统工具装置的基本实施例的侧剖视图；
图5B是图5A的基本实施例的放大的详细局部剖视图；
图6是当修复系统工具装置被插入复合结构中的孔内用于修复过程时，该修复系统工具装置的一般实施例的局部剖视图；
图7是图6示出的修复工具的实施例的详细剖视图；
图8是具有被安装用于树脂扩散和固化的隔板和真空袋的修复工具的剖视图；
图9是针对应用的修复工具的第二实施例的详细剖视图，其中到复合结构的两侧的入口不可用；
图10是在嵌接区域中应用工具的详细剖视图；
图11是具有被安装用于树脂扩散和固化的隔板和真空袋的、在嵌接区域中的修复工具的剖视图；
图12是复合结构中的修复孔的透视剖视图；以及
图13A和图13B是示出本文公开的实施例的操作的流程图。
具体实施方式
本文描述的实施例提供一种具有修复系统工具装置的集成加工修复方法/过程，从而实现复杂的复合孔的修复，该复杂的复合孔具有在结构复合紧固件受损孔中产生的多个分层、基体裂缝或开裂(本文中一般指分层)，这是由于使用不锐利的钻头或使用不正确的切割速度的不当的钻孔或在工厂快加工环境内使用不正确的钻头刃的不准确地钻孔所引起的。该集成树脂注入修复方法采用具有细长的开放的钛套筒的修复系统工具装置并带有延伸通过套筒的多个注入孔口或管，该细长的开放的钛套筒在每端具有凸缘，所述多个注入孔口或管在由包装邻近被修复的孔的复合结构的真空引起的大约1个大气压的压力差下用于树脂横向流入分层孔或其它受损孔表面。
修复系统工具装置通过首先将注入/注射套筒安装在具有损坏分层表面的间隙孔中而被采用。树脂被引入套筒内，该套筒然后使用隔板来密封和包装。真空被施加于袋，通过所述真空引起层合件中的压力差，从而导致树脂穿过通过套筒侧壁的孔口或管被注入受损区域中。集成的场内树脂注入方法使用相关联的修复系统工具装置来修复结构局部静强度、损坏容限和耐疲劳性达到150％极限载荷而无排斥的缺陷。
参考附图，图1A提供使用钻头12在复合结构10上钻孔操作的表示。如果钻头12未充分地锐利或钻孔操作的进给/速度不正确，在复合结构中的诸如裂缝或分层14的缺陷可以从孔16的表面延伸发生，如图1B表示的限定为y＝yb的y轴线的一段作为该图中的例子，并且其中zdelam表示层合结构10的厚度内的缺陷的竖直维度并且Ldelam表示延伸到层合结构10内的缺陷的长度或深度。当确定此类缺陷时，(一个或多个)缺陷的性质和区域的特征如图2所示的流动顺序所表示的一样而被实现。受损孔16周围的区域18如步骤(a)所示被确定并且区域几何形状在尺寸上的特点在于具有横向轴线x、y和竖直轴线z的平面中的坐标系，其中具有如步骤(b)所示的用于非破坏性检测(NDI)的模板。诸如真正的传输超声波(TTU)的NDI被用在受损孔上，用于确定如步骤(c)表示的损坏的位置、长度和深度。如阴影区所示的分层(层片)的长度被分段，用于横向长度y，如步骤(d)所示，其中具有从b＝1到n示出的各种分段y＝yb，和竖直位置z(如图1B所示)用于预定的横向树脂注入的校准。
在结构上，如果损坏未被有效地修复，由于它减小50％的结构强度，所以复合层合件强度的退化在忽略载荷下一定会造成具有多个分层的孔损坏的钻孔操作存在。结构层合件的凹口(分层损坏)强度通常使用特征长度来计算，该特征长度捕获应力集中的区域中的载荷再分布。分层、基体裂缝或开裂或类似缺陷的存在将改变载荷再分布以及结构的自由边应力，并且因此减小结构强度。因此，为不存在分层(损坏)的孔确立特征长度将不用于不表征损害的(一个或多个)受损孔。通过引入注入分层内的母体树脂(层合结构中的相同的树脂或与原始树脂等同的树脂)并且因此修复受损复合结构，可以消除极其昂贵的嵌接补片和相关联的耗时修复过程。确定分层尺寸和其穿过层合件厚度的位置对特征长度的影响，如图3理论上示出的在指定的边界20的情况下的承载强度对分层尺寸，其中超过边界20将发生导致分层延伸的子层合件弯曲。第一强度退化曲线z3/H,22，示出针对没有树脂修复的分层损坏的相对承载强度。强度退化曲线z2/H,24，示出针对在浅损坏中注入树脂修复的改善的强度，而强度退化曲线z1/H,26，示出针对具有深损坏的注入树脂修复值的改善的强度。
如先前指出的，本实施例和方法也可以被用于区域中的孔，其中在该区域的孔中已经修复了先前存在的嵌接补片，如图4所示。如先前描述的，嵌接补片修复通过移除缺陷物(嵌接槽)周围的相对大量的层合件并且然后使用层合补片来填充嵌接槽而实现。复合结构10可以具有根据相对于与结构10相关联的x、y坐标所示出的现有修复的嵌接区域28。多个孔30可以存在，其渗透通过嵌接槽中的补片的粘结线32。粘结线32基于嵌接槽的深度而在深度(z维度)上变化并且可以延伸通过如截面(a)所示的针对固定孔30a在结构10中的复合层合件的中心部分或通过如截面(b)所示的针对另一些孔30b、30c在复合层合件中的周边层。本文描述的实施例和过程独立于嵌接粘结线深度而适用于受损孔且可以在初始加工过程中被采用或可以用于在现场维修或修复期间产生的或确定的受损孔。
图5A和图5B示出修复系统工具装置33的基本结构。系统工具装置33包括包含孔口36的套筒34。套筒34从上凸缘35延伸，该上凸缘接触孔16周围的结构10。管37可以被插入通过确定的孔，用于将树脂引入由NDI确定的分层内。管37可以延伸超过套筒34的外表面以提供来自孔16的内表面的最小间隙82而不需要整个套筒具有提供如图5B详述的最小间隙的直径。在示例性的实施例中，来自0.25英寸直径的孔的表面的管37的间隙将大约为0.006英寸或更小，如图5A和图5B所示。阵列中的孔口36的竖直空间允许多个分层14或如图1B所示在z方向隔开的其它缺陷在将树脂单次注入通过邻近每个分层的孔口中而被修复。系统工具装置33的旋转可以被完成，用于利用如由NDI确定的分层或缺陷的x和y位置定向孔口。不需要用于特定修复的系统工具装置中的孔口可以使用塞子38来密封。螺纹下凸缘39被采用以使系统工具装置33与复合结构10接合，并且O型环60可以被采用，用于将上凸缘35和下凸缘39密封到结构10，如关于一般实施例将更详细描述的。
图6和图7示出定位用于引导复合结构10中的孔42的修复的修复系统工具装置40的一般实施例(为了使其它细节清楚，未示出结构10的各层或各分层)。若干分层或裂缝44从孔42的表面延伸到结构内。正如基本实施例，系统工具装置40包含从上凸缘48延伸的套筒46。对于示例性的实施例，套筒和上凸缘是钛。套筒被定尺寸以被紧密地容纳在孔42内并且延伸通过复合结构10的表面之间的孔。中心孔50存在于上凸缘48和套筒46中。孔口阵列可以是从孔50径向延伸通过套筒46的管或孔道/穿孔(perforation)52。如先前关于基本实施例所描述的，孔道52可以被单独地堵塞以留下与由NDI检测确定的缺陷的位置相匹配的阵列，其中树脂在修复过程期间将被引入该阵列。如将在随后详细描述的，树脂被引入孔50内，用于通过孔道52排出以注入孔42周围的受损层合件内。孔道52可以是一般几何体阵列或可以以预定的模式被安排以实现相邻裂缝或分层44的树脂的最大化引入。孔道的尺寸将基于被引入的母本树脂的粘度而被确定并且孔道可以具有任何需要的直径。在示例性的实施例中，采用0.01到0.1英寸的直径。对于示出的实施例，闭合的下凸缘54被采用以密封套筒46。下凸缘54与密封件的耦接可以通过容纳在下凸缘中的配套螺纹孔58内的套筒46上的螺纹56而被实现。弹性O型环60被接合在上凸缘和下凸缘之间并且复合结构10的上表面和下表面将系统工具装置40密封到结构。十六(烷)基醇润滑剂或类似的涂层可以被施加到套筒以帮助套筒插入孔内并且减小树脂对套筒的粘附。
母本树脂通过使用注射器或合适的配件被引入孔50内以使用适量的树脂来填充套筒46。如图8所示，隔板62然后放置在密封孔50的上凸缘48上方。标准真空袋64然后被覆盖在隔板62上方并且在边缘处利用带条66密封到复合结构10的表面。连接到真空源70的标准真空配件68可以被采用以将袋64抽成真空。袋64的引入的真空密封抵靠上凸缘48的隔板62并且在树脂锉状套筒46和结构10的复合层合件之间提供压力差，从而引起树脂从套筒扩散通过孔道52并且进入裂缝或分层44。裂缝或分层的尺寸通常引起毛细管作用，以带走树脂。在示例性的实施例中，采用2小时的真空树脂固化。
图9示出的对于应用的修复系统工具装置72的替代实施例，其中可以不存在到结构10的一侧的入口。修复系统工具装置72采用具有如现有实施例中的延伸套筒76的上凸缘74。然而，在上凸缘74的相对端处利用端板78密封套筒76以阻止下凸缘密封套筒的必要性。上凸缘74和结构10的表面之间的O型环60仍被采用，并且当如先前所描述的利用隔板覆盖上凸缘和孔50，以及将密封袋抽成真空时，上凸缘74将压缩O型环60以实现密封。
图10和图11示出在嵌接修复区域中具有孔42的修复系统工具装置40的详细用途，其中嵌接粘合线32过渡通过结构10的层合件。如图11所示，真空袋64可以被定尺寸以在嵌接修复区域上方延伸。
在所描述的实施例的每一个中，在完成固化阶段之后，释放真空，袋和隔板被移除并且修复系统工具装置40、72从结构移除，该结构从孔42抽出套筒。如图12所示，孔42周围的修复区域将包括使用母本树脂填充的裂缝或分层44’和存在于套筒和孔之间的间隙的树脂蒙皮或桶80。孔42的再整修可以通过将树脂桶80扩大到期望的孔直径而被实现。扩大对树脂桶80的厚度的限制防止对邻近孔的表面的复合层合件的任何附加损坏。
图13A和图13B示出使用本文描述的修复系统工具装置的实施例，修复复合结构中的受损孔的方法。对于受损孔，执行结构复合分层孔的非破坏性评估以评估损坏(步骤1302)。基于非破坏性评估，钛套筒或修复系统工具装置中的孔口阵列被选择，用于与孔中的分层对齐，未包括在选择的阵列中的套筒中的孔口可以被堵塞并且使用十六(烷)基醇润滑剂来处理修复系统工具装置的集成钛套筒，以便用于安装(步骤1304)。利用上O型环密封件，套筒被插入受损分层孔，其中上O型环密封件环绕套筒并且邻接上凸缘(步骤1306)。下O型环密封件和配套凸缘被装配在套筒上并且被绷紧以避免树脂的渗漏(步骤1308)。在无入口可用于复合结构的第二侧的实施例中，采用密封的套筒。预定量的母本树脂通过上凸缘和套筒中的中心孔被引入修复系统工具装置的集成钛套筒(步骤1310)。隔板被安装在打开的上凸缘上方并且被包装施加的真空(步骤1312)，并且被施加在袋上的真空促使隔板与上凸缘密封接触，该上凸缘大体上维持套筒中的大气压力并且在真空下将层合件放置在孔周围，用于使树脂扩散通过套筒中的孔道(步骤1314)。毛细管作用迫使树脂进入孔周围的层合件中的分层内(步骤1316)。受损区域在真空下被允许固化2小时(步骤1318)，在此之后，然后修复区域被拆包，移除隔板(步骤1320)，并且然后可以从孔撤回修复系统工具装置套筒(步骤1322)。修复的孔被扩大以移除过量的树脂并且产生最终的容限孔尺寸(步骤1324)。紧固件然后被安装到修复的孔内以继续生产(步骤1326)。限定的修复过程通过减小总结构重量来提供优于现有技术—嵌接修复的显著优点，从而允许基于燃料使用的减少的运行成本。
进一步地，本公开包含根据下面条款的实施例：
1.一种修复复合结构中的受损孔的系统，所述系统包含：
修复系统工具装置，其具有套筒，该套筒被定尺寸以紧密地容纳在复合结构的孔中，所述套筒具有用于容纳母本树脂的中心孔和用于将母本树脂径向排出到孔中的相邻分层中的选定的孔口阵列；
隔板，其密封中心孔；
真空袋，其覆盖隔板并且被密封到复合结构的表面，其中真空袋中引入的真空提供压力差，用于将树脂从套筒中的孔口注入到从孔延伸的分层内。
2.根据条款1所述的修复复合结构中的受损孔的系统，其中修复系统工具装置进一步包含上凸缘，套筒从该上凸缘延伸。
3.根据条款2所述的修复复合结构中的受损孔的系统，进一步包含密封件，其邻近上凸缘容纳在套筒周围，所述密封件在孔周围接合结构的上表面。
4.根据条款3所述的修复复合结构中的受损孔的系统，其中套筒的中心孔相对上凸缘被密封。
5.根据条款3所述的修复复合结构中的受损孔的系统，进一步包含相对上凸缘接合套筒的下凸缘，和密封件，该密封件邻近下凸缘容纳在套筒周围，所述密封件在孔周围接合结构的下表面。
6.根据条款5所述的修复复合结构中的受损孔的系统，其中套筒包含容纳在下凸缘的配套螺纹孔中的螺纹端。
7.根据条款1所述的修复复合结构中的受损孔的系统，其中孔口阵列中的每个孔具有0.01和0.1英寸之间的直径。
8.根据条款1所述的修复复合结构中的受损孔的系统，其中套筒是钛。
9.根据条款1所述的修复复合结构中的受损孔的系统，其中管被插在选定阵列的孔口中，所述管延伸超过套筒的外表面。
10.根据条款1所述的修复复合结构中的受损孔的系统，其中塞子被插除了选定的阵列之外的孔口中。
11.一种修复复合结构中的受损孔的方法，所述方法包含：
执行结构复合分层孔的非破坏性评估以评估损坏；
将具有多个孔口的套筒的修复系统工具装置插入受损分层孔内；
将预定量的母本硬树脂通过套筒中的中心孔引入修复系统工具装置的套筒内；
安装隔板并且包装施加的真空；
将真空施加在袋上以促使隔板与上凸缘密封接触，该上凸缘大体上维持套筒中的大气压力并且在真空下将层合件放置在孔周围，用于使树脂扩散通过套筒中的孔；以及
通过毛细管作用迫使树脂进入围绕孔的层合件中的分层内。
12.根据条款11所述的方法，进一步包含使用十六(烷)基醇润滑剂来处理修复系统工具装置的套筒，用于安装。
13.根据条款11所述的方法，进一步利用邻接上凸缘的上O型环密封件环绕套筒。
14.根据条款13所述的方法，进一步包含：
将下O型环密封件装配在套筒上；
将配套凸缘接合到套筒上；以及
绷紧配套凸缘以避免树脂的渗漏。
15.根据条款11所述的方法，进一步包含在真空下固化受损区域。
16.根据条款15所述的方法，进一步包含：
拆包修复的区域；
移除隔板；以及
从孔撤回修复系统工具装置的套筒。
17.根据条款16所述的方法，进一步包含：当修复孔时扩大孔以移除过量的树脂并且产生最终的容限孔尺寸。
18.根据条款17所述的方法，进一步包含：将紧固件安装到修复的孔内以继续生产。
19.根据条款11所述的方法，进一步包含：选择孔口阵列以与非破坏性评估中确定的分层对齐。
20.根据条款19所述的方法，进一步包含：堵塞除了选定的阵列之外的孔口。
根据专利状况所需，现已详细描述本公开的各种实施例，本领域技术人员将认识到对本文公开的具体实施例的修改和替换。此类修改在如下面的权利要求所限定的本公开的范围和意图内。

Claims (15)

1.一种修复复合结构(10)中的受损孔的系统，所述系统包含：
修复系统工具装置(33)，其具有套筒(34)，该套筒被定尺寸以紧密地容纳在复合结构的孔(16)中，所述套筒具有用于容纳母本树脂的中心孔(50)和用于将所述母本树脂径向排出到所述孔中的相邻分层(44)中的选定的阵列的孔口(36)；
隔板(62)，其密封所述中心孔；
真空袋(68)，其覆盖所述隔板并且被密封到所述复合结构的表面，其中所述真空袋中引入的真空提供压力差，用于将树脂从所述套筒中的所述孔口注入到从所述孔延伸的分层内。
2.根据权利要求1所述的修复复合结构(10)中的受损孔的系统，其中所述修复系统工具装置(33)进一步包含上凸缘(48)，所述套筒(34)从所述上凸缘(48)延伸；以及，进一步包含密封件(60)，所述密封件(60)邻近所述上凸缘容纳在所述套筒周围，所述密封件在所述孔(16)周围接合所述结构(10)的上表面。
3.根据权利要求2所述的修复复合结构(10)中的受损孔的系统，其中所述套筒(34)的所述中心孔(50)相对所述上凸缘(48)被密封；以及，进一步包含相对所述上凸缘接合所述套筒的下凸缘(39)，和密封件(60)，所述密封件(60)邻近所述下凸缘容纳在所述套筒周围，所述密封件接在所述孔周围接合所述结构的下表面。
4.根据权利要求3所述的修复复合结构(10)中的受损孔的系统，其中所述套筒(34)包含容纳在所述下凸缘(39)的配套螺纹孔(58)中的螺纹端。
5.根据前述权利要求中任一项所述的修复复合结构(10)中的受损孔的系统，其中所述孔口阵列中的所述每个孔口(36)具有0.01和0.1英寸之间的直径。
6.根据权利要求1所述的修复复合结构(10)中的受损孔的系统，其中所述套筒(34)是钛。
7.根据权利要求1所述的修复复合结构(10)中的受损孔的系统，其中管(37)被插在所述选定的阵列的孔口(36)中，所述管延伸超过所述套筒的外表面；以及，其中塞子(38)被插入除了所述选定的阵列之外的孔口中。
8.一种修复复合结构(10)中的受损孔的方法，所述方法包含：
执行结构复合分层孔(16)的非破坏性评估以评估损坏；
将具有多个孔口(36)的套筒(34)的修复系统工具装置(33)插入所述受损分层孔内；
将预定量的母本硬树脂通过所述套筒中的中心孔(50)引入所述修复系统工具装置的所述套筒(34)内；
安装隔板(62)并且包装施加的真空；
将真空施加在所述袋(68)上以促使所述隔板与上凸缘(35)密封接触，所述上凸缘(35)大体上维持所述套筒中的大气压力并且在真空下将母本树脂放置在所述孔周围，用于使所述树脂扩散通过所述套筒中的所述孔口(36)；以及
通过毛细管作用迫使所述树脂进入所述孔周围的所述层合件中的所述分层内。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包含使用十六(烷)基醇润滑剂处理所述修复系统工具装置(33)的所述套筒(34)，用于安装。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的方法，进一步包含利用邻接上凸缘(35)的上O型环密封件(60)环绕所述套筒(34)。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包含：
将下O型环密封件(60)装配在所述套筒(34)上；
将配套凸缘(54)接合到所述套筒上；以及
绷紧所述配套凸缘以避免树脂的渗漏。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包含：
在真空下固化受损区域；
拆包修复的区域；
移除所述隔板(62)；
从所述孔(16)撤回所述修复系统工具装置(33)的套筒(34)；以及
当修复孔(16)时扩大孔(16)以移除过量的树脂并且产生最终的容限孔尺寸。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包含：将紧固件安装到所述修复的孔(16)内以继续生产。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包含：选择孔口的阵列以与所述非破坏性评估中确定的分层(44)对齐。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包含：堵塞除了所述选定的阵列之外的孔口(36)。
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