Technologie łączenia materiałów w przemyśle lotniczym

 

Najpowszechniej stosowane w montażu lotniczym technologie łączenia materiałów obejmują procesy nitowania, klejenia oraz zgrzewania. Krótkie opisy podstawowych operacji w procesach łączenia przedstawiono poniżej.

 

     Wytwarzanie struktur lotniczych przez spajanie wielowarstwowe

W technologii tej wytwarzane są głównie elementy poszycia i kadłuba statków powietrznych wykonane ze spojonych ze sobą kilku do nawet kilkudziesięciu cienkich warstw różnych materiałów; folii metalowych, włóknin szklanych, aramidowych, węglowych itp. Arkusze przycinane są mechaniczne na wymiar i precyzyjnie układane w warstwy. Po nałożeniu następuje odsysanie powietrza spomiędzy warstw przy jednoczesnymi docisku pneumatycznym. Proces polimeryzacji, w celu trwałego spojenia warstw pod wpływem temperatury oraz ciśnienia i podciśnienia wykonywany jest w autoklawach.

Polimeryzowane elementy kadłuba wyciągane są z autoklawu przy pomocy suwnicy lub wózka jezdniowego. Są one następnie poddawane obróbce mechanicznej na frezarce CNC oraz poddawane kontroli wymiarowej i przy użyciu defektoskopu.

Gotowe elementy spełniające wymagania jakościowe są transportowane z wykorzystaniem suwnic, wózków ręcznych lub akumulatorowych na linie montażu struktur lotniczych i kadłubów statków powietrznych.

 

     Operacje wiercenia i nitowania na linii montażowej

Łączone ze sobą elementy kadłuba są unieruchamiane przez zamocowanie w uchwytach, a następnie wiercone są w nich otwory pod nity o różnych średnicach, wynoszących od 2,5 mm do ponad 4 mm. Wiercone ręcznie, czasem z wykorzystaniem szablonów otwory są następnie rozwiercane i nawiercane pod głownie nitów.  Po wykonaniu otworów łączone elementy są pozycjonowane za pomocą wkładanych w otwory trzpieni w różnych kolorach, odpowiadających różnym średnicom i rodzajom nitów (rys. 1). Podczas nitowania kolejne trzpienie pozycjonujące są wyjmowane i zastępowane nitami.

 

Rys. 1. Pozycjonowanie otworów za pomocą trzpieni

 

Zazwyczaj w konstrukcjach lotniczych, ze względu na dużą wytrzymałość połączeń stosowane są nity zakuwane. W niektórych przypadkach, gdy istnieje możliwość dostępu pracownicy używają w tym celu ręcznych lub stacjonarnych pras pneumatycznych, jednak najczęściej stosowaną metodą jest nitowanie udarowe wykonywane przez dwóch pracowników, z których jeden podstawia podtrzymkę a drugi rozkuwa nit przy pomocy młotka pneumatycznego (rys.2).

 

Rys. 2. Młotek pneumatyczny i podtrzymki do nitowania udarowego

 

Dość rzadko, do mało wymagających połączeń stosowane są nity zrywane. Prace te wykonywane są jednoosobowo, gdyż do połączeń tego typu niewymagany jest dostęp obustronny. Podobnie wykonywane są połączenia śrubo-nitami (kołkami HL), przy czym mechanizm spęczania nita  polega na zakręcaniu nakrętki na śrubie i wciąganiu jej w środku tulejki nita. Śruba urywa się po całkowitym uformowaniu łba nita.

Operacjom wiercenia i nitowania towarzyszy hałas i drgania. Największe problemy z tym związane powoduje nitowanie udarowe, podczas którego występują drgania i hałas impulsowy.

W celu ochrony pracowników przed drganiami stosowane są taśmy antywibracyjne do podtrzymek oraz cięższe od stalowych podtrzymki wolframowe. W przypadku, gdy to możliwe stosuje się obrotowe przyrządy montażowe, dzięki czemu można uzyskać lepszy dostęp do montowanych elementów, a pracownikom zapewnić wygodniejsze wykonywanie tych prac.

Zdarzeniami zagrażającymi podczas wiercenia otworów są najczęściej złamania wierteł. Do wypadku może dojść również przy niewłaściwym podpieraniu wierconego elementu z drugiej strony przez współpracownika. Aby ograniczyć to ryzyko stosuje się drewniane podkładki.

 

     Prace na wysokości

W wytwórniach lotniczych operacje nitowania wykonywane są często na wysokości z poziomu podestów albo bezpośrednio na korpusie statku powietrznego.

W pierwszym przypadku metody postępowania i stosowane środki prewencji są powszechnie znane, jednak prace na wysokości prowadzone bez możliwości zapewnienia statecznego podparcia w postaci podestów niosą ze sobą ryzyko utraty równowagi na posiadającej krzywizny górnej lub bocznej powierzchni kadłuba i upadku z wysokości. Podczas prac prowadzonych bezpośrednio na korpusie statku powietrznego problem stanowią również liczne otwory technologiczne o różnych rozmiarach. Większe otwory, w których może zmieścić się człowiek są zabezpieczane, aby ochronić pracowników przed upadkiem z wysokości. W przypadku otworów mniejszych, które nie zawsze udaje się zabezpieczyć występuje ryzyko upadku narzędzi ręcznych lub nitów na pracowników wykonujących prace wewnątrz kadłuba.

 

     Technologie zgrzewania oporowego

W połączeniach metalowych elementów konstrukcji lotniczych z aluminium i tytanu, obok nitowania w niektórych przypadkach stosowane jest zgrzewanie oporowe liniowe lub punktowe. Zgrzewane elementy są ręcznie ustawiane (zazwyczaj przez dwóch pracowników) na stacjonarnych zgrzewarkach i przytrzymywane za pomocą wyposażenia pomocniczego. Pracownicy podczas zgrzewania narażeni są głównie na zagrożenia mechaniczne i termiczne.

Inną stosowaną w montażu lotniczym metodą zgrzewania jest metoda FSW – Friction Stir Welding (zgrzewania tarciowego z przemieszaniem) używana do spajania blach aluminiowych o grubości od 1,6 mm do 30 mm bez wprowadzania spoiwa i bez stosowania gazów osłonowych. W metodzie tej obracające się i dociskane cylindryczne narzędzie trąc rozgrzewa powierzchnie łączonych elementów powodując ich mięknięcie bez osiągnięcia punktu topnienia. Uplastyczniony i przemieszany wskutek obracania się narzędzia materiał tworzy po ostygnięciu złącze między spajanymi elementami. Uzyskane tą metodą złącza stopów aluminium (uważanych za trudno spawalne przy użyciu konwencjonalnych metod) charakteryzują się brakiem porowatości i wewnętrznych pęcherzy. Aktualnie trwają próby zastosowania tej metody do łączenia innych metali, w tym stopów tytanu.

 

     Hermetyzacja połączeń

W procesach montażu kadłubów statków powietrznych stosowana jest także hermetyzacja połączeń, czyli zabezpieczenie połączeń nitowanych i szczelin między łączonymi elementami poszycia specjalna masą uszczelniającą. Proces hermetyzacji zostaje zakończony po 72 godzinach.

 

     Klejenie i laminowanie warstw tkanin zbrojących żywicami

Tradycyjną technologią stosowaną przy budowie szybowców i lekkich samolotów jest klejenie warstwowe żywicami tkanin zbrojących. Tkaniny zbrojące wykonane z włókien węglowych i szklanych są układane kolejno (przy zachowaniu kierunku przebiegu włókien) w formach wielkością i kształtem dopasowanych do wytwarzanych elementów (rys. 3). Po ułożeniu tkaniny są przy użyciu pędzli nasączane żywicami, np. epoksydowymi.

 

Rys. 3. Formy do wykonywania elementów szybowca metodą laminowania.

 

Utwardzanie elementów wytwarzanych z zastosowaniem tej technologii odbywa się naturalnie lub termicznie (temperatura utwardzania wynosi od 80 do 130ºC). W celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej wytwarzanych elementów do klejonych tkanin wkładane są porowate pianki usztywniające lub wkładki metalowe. Wklejone między warstwy tkanin zbrojących metalowe wkładki umożliwiają montaż elementów i mechanizmów sterowania szybowcem umieszczonych w skrzydłach i kadłubie a także elementów wyposażenia kabiny.

W celu ułatwienia obróbki wytworzonych elementów są one malowane ręcznie farbą podkładową. Ta operacja technologiczna zmniejsza także pylenie podczas obróbki mechanicznej tych elementów oraz chroni warstwy zbrojące przed ewentualnym uszkodzeniem.

W celu umożliwienia montażu wcześniej uformowane elementy statku powietrznego są poddawane obróbce mechanicznej, tj. szlifowaniu oraz obcinaniu brzegów.

Na stanowiska montażowe są one dostarczane przy pomocy wózków kołowych. Wózki te są także stosowane do transportu form przeznaczonych do wytwarzania (formowania) elementów szybowców.

Zmontowane częściowo elementy statku powietrznego pomalowane farbą podkładową są szpachlowane w celu wyrównania nierówności ich powierzchni, a następnie szlifowane, aby uzyskać odpowiednią gładkość przed malowaniem. Proces malowania farbami akrylowymi odbywa się w kabinach natryskowych.

W konstrukcjach lotniczych szeroko stosowane jest również wklejanie tzw. „insertów”, tj. gwintowanych wkładów do montażu akcesoriów. Na niektórych stanowiskach klejenia sytuowanych, ze względu na szkodliwość stosowanych substancji (klej uczulający), w wydzielonych pomieszczeniach wyposażonych w odciągi miejscowe, pracownicy używają rękawic i masek ochronnych.

 

     Metoda prepeg

Metoda prepeg to technologia wytwarzania elementów statku powietrznego z wykorzystaniem gotowych tkanin zbrojących (szklanych, węglowych, aramidowych lub polietylenowych) nasączonych żywicami (epoksydowymi, fenolowymi, poliamidowymi itp.).

Prepregi są stosowane do niskociśnieniowych procesów formowania w zakresie temperatur od 85° C do 150°C. Kolejność wykonywanych operacji w procesie technologicznym z wykorzystaniem prepregów jest zbliżona do technologii z wykorzystaniem klejenia warstwowego żywicami tkanin zbrojących.