CN1258247A - 对具有受损区的复合结构进行现场修理的装置及相应的方法 - Google Patents

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Abstract

为了对象飞行器结构这样的复合结构(10)进行现场修理,在受损区中加工一个凹槽(14),向里面放入一个没有聚合的复合工件(16),然后利用装置(18)在压力下使此复合工件(16)聚合,此装置包含有一摞平板(32),它们能使施加在复合工件上的压力增加。这样得到的修理看不出来,其机械性能接近原始结构的性能。

Description

对具有受损区的复合结构进 行现场修理的装置及相应方法
技术领域
本发明涉及的是一种设想用来对具有受损区的复合结构进行修理的装置，而不必把这种结构移动到修理的地方，而修理的地方与这种结构所处的位置是分开的。和本文下面一样，词组“复合结构”这里指的是一种由长纤维，例如由碳纤维或其他纤维组成的结构，这些纤维排列成重叠的桌布形或“片”形，并且在树脂基质中浸泡过。
本发明同时还涉及到使用这样的装置来修理复合结构的方法。
在把复合结构送到特定的车间以及把此结构送到高压釜中是不可能或这样会造成太大损失的任何情况中，都可以使用按照本发明的装置和方法。因而，按照本发明的这种装置和方法的一处优先使用就与修理用在飞行器上的复合结构有关。
技术现状
由复合材料可以得到很好控制的机械性能，与金属材料的性能相比拟，重量轻。此外，制造这种材料的技术不断经改进，既在工件的形状和尺寸方面，又在制造时间和成本方面。由于这些不同的理由，复合结构在飞行器中的份额不断上升。相对于金属结构来说，复合结构的缺点是受到冲击时仍较脆。因此，当复合结构被物体强烈地撞击时，在碰撞区就会产生不同程度的碎裂或裂开。由于飞行器中的复合结构所占份额的增加，因而导致对这种结构的修理技术的改进。
评估飞行器复合结构的修理质量必须考虑到两个判据，这就是修复区的外表和修复区中结构的机械性能。此外，重要的是这种修理应能在现场，在飞行器所处的场所直接进行，以便减少成本并把停飞时间限制到最少。后面这一限制实际上禁止使用高压釜。
由于受损区，假设，位于飞行器的外部，也就是说，在可以看到的区域，这条美学的判据就是一条重要判据。因而希望修复区的外观与复合结构受损前的区域的外观相仿，使得几乎看不出来。
另一方面，受损区的尺寸越是增加，就越能希望得到的机械性能更接近受损前复合结构一开始表现出的性能。
当受损区的尺寸小时，现在存在着某些器械，能对复合结构进行现场修理，这些器械中有的装置能在复合结构的受损区中加工一个阶梯形凹槽或斜面形凹槽，有的装置能用压固的方法使处在此凹槽中的复合工件发生聚合作用。
文献US-A-5 207 541和US-A-5 271 145涉及的就是加工装置。一般使用这样的装置能加工有圆形或椭圆形的凹槽。特别是如文献US-A-4 916 880和US-A-4 978 404所阐明的，还可以加工其他形状的凹槽。
在凹槽中这样加工的复合工件的形状与凹槽的形状是互补的。通常这种工件是由多层或多“片”长纤维织物以及没有聚合的树脂构成的。根据情况不同，此结构是预先浸泡了树脂的或开始就是干的。在后一种情况下，树脂可以以液体形式铺在每一层织物上，或以固体薄膜的形式夹在各层干织物之间。
通常，能使复合工件进行聚合和压固的装置主要包含有一个加热罩子，它能把树脂升温到聚合温度，还有一个气囊，它以密封的方式贴附在复合结构的表面上，围绕着复合工件。此气囊与外部真空源相连，以便向复合工件上施加压力。
在文献US-A-4 554 036所阐明的典型装置中，施加在复合工件上的压力非常小(例如，约1.5巴)。
使用这样的装置因而就能进行“化妆式”的修理，也就是说，重建复合结构原来的外观。由于其机械性能可能减少到其原始状态的结构所具有的性能的30％，所以在修复区内机械性能变得差多了。这种技术必须限制在修理尺寸小的损坏上。
当受损区比较大时，通常使用的做法是完全取出受损的复合结构，送到特定的车间去修理，这样的车间装备有高压釜，它能在满意的条件中在压力下进行聚合反应。
按照另一种已知的技术，通过在高压釜中模铸的方法，制造具有与上面受损区中凹槽的形状互补形状的复合工件。因此，在用粘贴的方法放置到凹槽中以前，在高压釜中对复合工件进行聚合和压固作用。特别是文献US-A-5 023 987阐明了这种技术。
这种技术明显的缺点是粘贴区中耐疲劳能力比较受限制，在航空工业中这尤其是一个严重缺点。为此，一般说来，是用象螺钉或铆钉这样互补的固定机构把述及的复合工件固定在这种结构上，而且此结构的背面上需要有一个入口。从外面可以看到修理的情况，因而不符合上面提到的在美学上的要求。
另一方面，聚合的复合工件的制造是在高压釜中进行的，也就是说，一般是在与飞行器所在处分开的地方进行的，这意味着停飞的时间长，花费大。
本发明的介绍
本发明主要是关于一种装置，这种装置能对有受损区的复合结构进行现场修理，同时确保有原来复合结构的美学外观，而且保证机械性能比较接近不受损结构的机械性能，这就允许，现场修理特别是较大尺寸的损伤。
按照本发明，这种效果是用现场修理复合结构的装置而得到的，这种复合结构具有预先在其表面上加工的一个凹槽，用于在压力下使未聚合的复合工件聚合，复合工件的形状与此凹槽的形状互补，这种装置的特征是它包含有：
-一个用于密封地贴附在此复合结构的表面上的气囊，围绕着该复合工件；
-一个把此气囊与外部真空源相连的机构；
-加热复合工件的机构；以及
-向复合工件上加压的增压机构，适宜于夹在复合工件和密封气囊之间。
在本发明的优选实施例中，增压机构包含有至少由两张平板组成的一摞平板，其表面朝向此气囊逐渐增大。
例如，离这摞平板最远的平板的表面比至少约为1比2。
为了考虑飞行器的复合结构的表面一般不是平面这一事实，这些平板最好是平的箔片，它们可以弹性变形以符合此复合结构的表面。
在对气囊进行抽空而施加压力时，为了确保把这些平板固定在相互对中的位置上，设置了平板的相对导向机构。
特别是这种导向机构可以包含至少一个导向销钉，这个销钉在至少一块平板上凸出来，与此平板垂直，穿过在另外的平板上做成的孔。
最靠近复合工件的平板的平面和形状最好是基本与复合工件的相同，与复合结构的表面在一个平面内。
按照其已知的特性，加热机构包含有一个加热罩子，在这个例子中是夹在气囊和增压机构之间。
本发明同时还是关于一种对有受损区的复合结构进行现场修理的方法，其特征在于它包含有下面的步骤：
-在受损区中，在复合结构的表面，加工一个凹槽；
-在此凹槽中安装上没有聚合的复合工件，其形状与此凹槽互补；
-把对复合工件加压的增压机构夹在复合工件和气囊之间以后，通过对气囊抽空的方法，对复合工件进行现场聚合，而此气囊是以密封的方式贴附在复合结构的该表面上，围绕着复合工件，然后对复合工件加热。
附图简介
参考附图，作为非限定性的例子，现在来描述本发明的一个优选实施例。在唯一的一张附图中，用局部剖面的形式示意地表示了按照本发明的进行现场修理的装置，它位于有受损区的复合结构上。
本发明优选实施例的详述
在这张唯一的图上，标号10以通用的方式表示出一种复合结构，例如飞行器结构。此复合结构10的外表面12有一个凹槽14，它是事先借助于不属于本发明的已知装置加工成的。
此凹槽14已经加工在要现场修理的复合结构10的受损区中。在顶视图上，这个凹槽14一般是一个圆形的。当受损区的形状与此有不同时，凹槽14还能有不同的形状，特别是椭圆形。
另一方面，按照已知的技术，凹槽14可以加工成如图所示的阶梯形，也可以加工成斜面形。最好是加工成斜面形的凹槽14，这是因为这样在修复区得到的机械性能能高于由阶梯形得到的机械性能。
在加工好凹槽14以后，在向里面放入复合工件16，此工件的形状与凹槽的形状互补。重要的是要注意，词组“复合工件”这里不是指预先聚合了的工件，而相反是指的是由长纤维，例如碳纤维，和粘合剂组成的没经聚合的组合物，这种粘合剂例如是添加了增塑剂的环氧树脂。因此，复合工件16可以就地直接制造，不必依靠高压釜。
在实践中，按照另外的已知技术，复合工件16或是可以通过对预先浸渍了树脂的织物进行切割和叠放的方法制造；或是可以通过对干的织物切割并叠放，同时注意随着织物的放置，而使织物浸渍液体树脂的方法来制造；或是还可以通过对干的织物和固体粘合剂薄膜交替地进行切割和叠放的方法来制造。上面这种技术的使用，由于容易实现并能得到高质量的效果，因而是优选的。
按照本发明，位于凹槽14中的复合工件16是在复合结构10所处的现场，利用以通常形式用标号18表示的修理装置在压力下被聚合的。
修理装置18主要包含有密封气囊20，对复合工件16加热的机构22和向这个工件上加压的增压机构24。
密封气囊20的尺寸明显大于复合工件16的尺寸，以便通过密封油泥26，使其周围凸边能以密封的方式贴附在复合结构10的外表面12上，围绕着复合工件16。
密封气囊20上装有一个阀门28，构成一个把气囊与外部真空源(图中未画出)连接起来的机构。这是一种典型的配置，因而不做任何其他介绍。
在这个例子中，复合工件16的加热机构22是由一个加热罩子组成的，这个罩子由电的导体(图中未画出)与外部电源(图中未画出)相连。构成对复合工件16加热的加热机构22的此加热罩子夹在气囊20和增压机构24之间。
增压机构24构成了本发明的主要特征。它被夹在气囊20和复合工件16之间，以便在对关闭在复合结构10和密封气囊20之间的空间30抽空时，能使施加在此复合工件上的力倍增。
在图示的本发明的优选实施例中，增压机构24包含有一摞平板32，这些平板的表面朝向气囊20逐渐增加。更详细地说，最靠近复合工件16的平板32的表面和形状与复合工件16的基本相同。与复合结构10的外表面12在同一平面内。在实践中，一般是使最靠近工件16的平板32的表面稍大于与表面12在同一平面中的工件16的表面。
此外，最靠近复合工件16的平板32是与工件16对中的，以便完全盖住它。
另一方面，最靠近气囊20的平板32的表面，例如至少约为最靠近复合工件16的平板32的表面的两倍。因而，当在空间30中建立真空时，由最靠近此复合工件16的平板32施加在此工件上的压力，大致为密封气囊20施加在离复合工件最远的平板上的压力的两倍。
在本申请中通常使用低真空源的情况下，由于空间30中达到的真空一般约为0.7到0.9巴，因而添加上增压机构24就能使向复合工件16上施加的压力，至少为用典型的装置所施加的压力的两倍。因此，只是作为例子，在空间30的真空为0.9巴以及表面比为3.75的情况下，在复合工件16上能施加的压力大约为3巴。
应该注意的是，增压因子取决于这摞平板32中离得最远的平板之间的表面比，这个因子与3明显不同，而并不脱离本发明的范围。
组成这摞平板32的数目可以等于2，当复合结构10的外表面12是平面时，这些平板可以是刚性的，或是有已知大小的连续曲率。
在用于修理航空器的复合结构的装置的情况下，这种结构的外表面一般不是平面，可能有不同的曲率。因此最好使用这样的增压机构24，在这种增压机构中，平板32是由较大数量的平的箔片组成，它们可以弹性变形，以便能与要修理的复合结构的表面12相符合。
在对空间30抽空时，为了防止平板32相互之间有相对滑动，最好是设置上对这些平板进行相对导向的机构。
在这唯一的附图上所表示的实施例中，此相对导向机构包含有一导向销钉34，它至少在一张平板32上凸出来，与此平板垂直，穿过在另外平板32中加工的导向孔36。在图示例子中，导向销钉36固定在最靠近气囊20的平板32上，在此平板的中心，这些导向孔36加工在其他的平板32的中心上。要注意的是，可以有其他的配置，特别是可以设置几个固定在同一平板32上，或是固定在不同的平板上的销钉34。
这个或这些导向销钉34的长度设计成能对所有其他的平板32进行导向，而不会让这个或这些销钉突出来超过这摞平板。这个或这些销钉34的长度因而稍小于不包含这些销钉的平板的累加厚度。
在此唯一的附图1中，这些平板32故意地表示得互相之间有间隔，以便读图容易。这就是为什么销钉34只穿过某些平板32。
应该指出的是，作为变种，平板32的相对导向机构可以采取不同的形状。
导向套筒33设置在这摞平板32的周围，在对空间30进行抽空时，它防止气囊20卡在这摞平板下面或是卡在两张平板之间。
在已经提到的只使用两张平板32的例子中，导向套筒33是夹在复合结构10和气囊之间，围绕着这摞平板，它本身就能保证这些平板32的相对导向。
按照本发明的修理装置18还包含有先前技术装置通常配备的所有部件。现在参考府图，对这些不同部件进行简单介绍。
在加热罩子22和密封气囊20之间夹着有排气织物38，其尺寸明显大于此加热罩子的尺寸。此排气织物38的作用是在对空间30抽空时能使空气完全排出。
修理装置18的所有其他部件都安放在复合工件16和增压机构24之间。这些不同的部件，从复合工件16开始，包含有脱模织物40，打有孔的塑料薄膜42，排气织物44，密封薄膜46和Mosite薄膜48。
在聚合作用结束时，脱模织物40使得使装置18和复合工件16容易分开。
与排气织物44和密封薄膜46相配合，在对空间30抽空时，打有孔的薄膜42确保把空气以及多余的树脂排向周边。
最后，Mosite薄膜48是可选择的，它确保通过增压机构24施加在复合工件16上的压力分布均匀。
当希望修理一块具有受损区的复合结构10时，首先在此结构10中加工一个凹槽14，以便从中消除所有的受损部分。
如果损伤穿过复合结构10的整个厚度，凹槽14就是贯通的。在进行下面操作之前，在凹槽的底部贴上厚度簿的复合盖子。
和前面所讲的一样，然后把没有聚合的复合工件16放入凹槽14中。
接着，通过把阀门28与外部真空源相连并把加热罩子22与外部电源相连接，而安装上刚介绍过的修理装置18。
当用加热罩子22对复合工件16加热并通过对空间30抽空而向工件上加压力时，包含在复合工件16中的粘合剂就在压力下被聚合。更详细地说，由于增压机构24的放大作用，就在复合工件16上施加例如大约3巴的压力。
当聚合结束时，停止加热，把空间30与外部大气连接起来。然后可以拆下修理装置18。
借助于这样的装置所进行的试验表明，在修复区保存了表面12的外观。而且按照使用阶梯形凹槽还是斜面形凹槽14的不同，修复区中此结构的机械性能分别等于原先结构的79％和89％。因此修复区的机械性能比用先前技术所得到的性能高得多，这就能去进行以前没有进行过的更大范围的修理。

Claims (12)

1.一种用于现场修理复合结构(10)的装置(18)，这种复合结构(10)具有预先在其表面(12)上加工的一个凹槽(14)，用于在压力下使未聚合的复合工件(16)聚合，复合工件的形状与此凹槽的形状互补，这种装置的特征是它包含有：
-一个用于密封地贴附在此复合结构(10)的表面(12)上的气囊(20)，围绕着该复合工件(16)；
-一个把此气囊(20)与外部真空源相连的机构(28)；
-加热复合工件(16)的机构(22)；以及
-向复合工件(16)上加压的增压机构(24)，适宜于夹在复合工件和密封气囊(20)之间。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：增压机构包含有至少由两张平板(32)组成的一摞平板，这些平板的表面朝向气囊(20)逐渐增大。
3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于：离这摞平板最远的平板(32)的表面之比至少约为1比2。
4.按照权利要求2和3中的任一项所述的装置，其特征在于：平板(32)最好是平的箔片，它们可以弹性变形，以符合于复合结构(10)的表面。
5.按照权利要求2到4中的任一项所述的装置，其特征在于：设置有平板(32)的相对导向机构(34，36)。
6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于：导向机构包含至少一个导向销钉(34)，在至少一张平板(32)上凸出来，与这张平板相垂直，穿过加工在其他平板上的导向孔(36)。
7.按照权利要求2到6中的任一项所述的装置，其特征在于：最靠近复合工件(16)的平板(32)的表面和形状与该复合工件的基本相同，与复合结构(10)的表面(12)在同一平面内。
8.按照上面权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：加热机构包含有加热罩子(22)，它夹在气囊(20)和增压机构(24)之间。
9.一种对有受损区的复合结构进行现场修理的方法，其特征在于它包含有下面的步骤：
-在受损区中，在复合结构的表面，加工一个凹槽(14)；
-在此凹槽(14)中安装上没有聚合的复合工件(16)，其形状与此凹槽互补；
-把对复合工件(16)加压的增压机构(24)夹在复合工件和气囊(20)之间以后，通过对气囊(20)抽空的方法，对复合工件(16)进行现场聚合，而此气囊是以密封的方式贴附在复合结构的该表面上，围绕着复合工件，然后对复合工件(16)加热。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：插入了增压机构(24)，这个机构包含有至少由两张平板(32)组成的一摞平板，这些平板的表面朝向气囊(20)而逐渐增大。
11.按照权利要求10所述的方法，在进行聚合时，确保平板(32)的相对导向。
12.按照权利要求9到11中的任一项所述的方法，其特征在于：通过在气囊(20)和增压机构(24)之间夹入加热罩子(22)，来对复合工件(16)加热。
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