氦質(zhì)譜檢漏在某型機(jī)翼裝配中的應(yīng)用

周 大，張進(jìn)海，朱志坤

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

機(jī)翼整體油箱既是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)功能的重要組成單元，整體油箱密封質(zhì)量直接關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全。某型機(jī)翼由若干梁、肋連接形成主體骨架，骨架上下翼面分別加蓋整體壁板形成一個(gè)扁平腔體結(jié)構(gòu)。因自身結(jié)構(gòu)裝配及燃油等系統(tǒng)需求，機(jī)翼整體油箱裝配零件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作空間小，結(jié)構(gòu)配合面多、密封面積大，裝配用連接件種類多、數(shù)量大，這些特點(diǎn)都不利于油箱密封性能的保證。同時(shí)，為便于使用和維護(hù)，在機(jī)翼油箱區(qū)設(shè)計(jì)布局有多個(gè)可拆卸的維護(hù)口蓋，也對(duì)油箱的整體性及密封性能產(chǎn)生一定影響。

機(jī)翼油箱密封不同于飛機(jī)其他油箱密封要求，其油箱壓力通常較飛機(jī)其他油箱大，且不能出現(xiàn)泄漏。為達(dá)到該要求，需要在機(jī)翼裝配過程中設(shè)置組合件的工序檢漏，整體壁板裝配件檢漏及形成整體油箱后對(duì)其整體檢漏。油箱密封檢測(cè)是機(jī)翼裝配過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，通過適應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)，測(cè)定其漏率是否在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或要求的許可范圍之內(nèi)。漏率超出其范圍，選擇合適的方法找出漏孔的準(zhǔn)確位置，排除泄漏故障[1]。

1 機(jī)翼密封檢測(cè)常用方法及存在問題

目前，在國內(nèi)軍機(jī)研制和生產(chǎn)中，油箱檢漏技術(shù)基本停留在20世紀(jì)五六十年代的水平，以傳統(tǒng)指針式壓力表讀數(shù)的壓力變化檢漏法、結(jié)合氣泡檢漏法、充煤油加壓滲液檢漏法為主。主要采用氣密、油密試驗(yàn)兩種檢查方法[2]。氣密試驗(yàn)是采用壓降法進(jìn)行整體檢漏，以判斷整體油箱氣密性是否合格，采用皂膜氣泡法進(jìn)行漏源定位；油密試驗(yàn)，首先往油箱內(nèi)充入一定容積的煤油，靜置一定的時(shí)間，采用常壓煤油滲透檢漏進(jìn)行漏源定位，隨后采用壓降法進(jìn)行整體檢漏，以判斷整體油箱的密封性是否合格，同時(shí)采用加壓煤油滲透檢漏進(jìn)行漏源監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)氣密、油密試驗(yàn)檢測(cè)及檢漏方法，主要存在以下問題：

（1）試驗(yàn)過程對(duì)溫度、濕度要求較高，溫差較大的天氣會(huì)直接影響試驗(yàn)的進(jìn)程。

（2）煤油的大量使用，需要建設(shè)專用油密場(chǎng)地用以存儲(chǔ)煤油，油密試驗(yàn)需在專用廠房?jī)?nèi)進(jìn)行，存在火災(zāi)等安全隱患[3]。

（3）傳統(tǒng)指針式壓力表讀數(shù)，試驗(yàn)時(shí)由測(cè)試者目測(cè)壓力指針變化來判別產(chǎn)品是否存在泄漏，人為因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較大。

（4）泄漏的大小一定程度取決于測(cè)試者的主觀判斷，不能定量檢測(cè)泄漏率。

（5）試驗(yàn)效率較低，飛機(jī)批量生產(chǎn)時(shí)常為瓶頸工序。試驗(yàn)時(shí)，先往油箱內(nèi)充油，靜置數(shù)小時(shí)無滲漏后再做有壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，氣密試驗(yàn)器壓力表讀數(shù)若有下降時(shí)，在整個(gè)機(jī)翼油箱外表面刷涂肥皂水以查找漏源。若漏源所在處裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜、漏源位置隱蔽或壓力變化較小等情況下，難以找到漏源的準(zhǔn)確位置，這樣的查漏及故障排除將費(fèi)很大精力和較長(zhǎng)時(shí)間，嚴(yán)重制約生產(chǎn)的正常進(jìn)行[4]。

（6）因受結(jié)構(gòu)限制或特定產(chǎn)品存在無法采用氣泡檢漏法和傳統(tǒng)指針式壓力表讀數(shù)的壓力變化檢漏法來實(shí)現(xiàn)檢漏。

隨著飛機(jī)產(chǎn)品生命周期的延長(zhǎng)，飛機(jī)制造質(zhì)量及可靠性要求的不斷提高，傳統(tǒng)采用充壓涂肥皂水的檢漏方法越來越不適應(yīng)飛機(jī)批量生產(chǎn)效率和能力提升的現(xiàn)實(shí)需求，數(shù)字化快速檢漏技術(shù)和方法的工程化應(yīng)用變得急為迫切。

2 氦質(zhì)譜檢漏在機(jī)翼密封檢測(cè)中的應(yīng)用

在飛機(jī)密封結(jié)構(gòu)的泄漏檢測(cè)[5]中，國外較多地采用了氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)。例如，空客公司于20世紀(jì)90年代初期引入氦質(zhì)譜吸槍法泄漏檢測(cè)技術(shù)，用于A310、A320飛機(jī)整體油箱的檢漏中，并推廣應(yīng)用到所有空客飛機(jī)的制造和維修中，不僅僅提高了整體油箱的制造和修補(bǔ)質(zhì)量，同時(shí)由于不需要進(jìn)行燃油密封試驗(yàn)，也大大節(jié)省了檢測(cè)成本。我國在民航領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用吸槍法進(jìn)行整體油箱的氦質(zhì)譜檢漏，實(shí)際應(yīng)用效果較好。氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)[6]以其靈敏度高、速度快、使用安全、適用范圍廣及可量化漏率等特點(diǎn)，在航空、航天、汽車和電力行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，與其他諸多傳統(tǒng)檢漏方法相比，氦質(zhì)譜檢漏具有不可比擬的技術(shù)優(yōu)越性[7]。本文利用氦質(zhì)譜檢漏原理和方法，結(jié)合機(jī)翼整體油箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和密封檢測(cè)要求，對(duì)氦質(zhì)譜檢漏法在機(jī)翼密封檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。

2.1 檢漏原理與方法

氦質(zhì)譜檢漏法[8]是利用氦質(zhì)譜檢漏儀氦分壓力測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)被檢件的氦泄漏量測(cè)量。當(dāng)被檢件密封面上存在漏孔時(shí)，示漏氣體氦氣及其他成分的氣體均會(huì)從漏孔泄出，泄漏出來的氣體進(jìn)入氦質(zhì)譜檢漏儀后，由于氦質(zhì)譜檢漏儀的選擇性識(shí)別能力，僅給出氣體中的氦氣分壓力信號(hào)值。在獲得氦氣信號(hào)值的基礎(chǔ)上，通過標(biāo)準(zhǔn)漏孔比對(duì)的方法就可以獲得漏孔對(duì)氦泄漏量。該方法是以氦氣為示蹤氣體，使用質(zhì)譜分析儀器進(jìn)行密封檢測(cè)的一種檢漏方法，具有較高靈敏度，它不但能夠檢測(cè)工件的微小泄漏、漏點(diǎn)位置，還能應(yīng)用已知漏率的標(biāo)準(zhǔn)漏孔，給出被檢工件的漏率大小。

根據(jù)檢漏過程中的示漏氣體存貯的位置與被檢件的關(guān)系不同，可將氦質(zhì)譜檢漏法分為真空法、正壓法[9]、真空壓力法等。根據(jù)機(jī)翼整體油箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其下翼面組件及上下翼面封閉形成整體油箱后分別使用真空（負(fù)壓）檢漏法和充壓吸槍（正壓）檢漏法[10]。真空負(fù)壓檢漏法和充壓吸槍檢漏法特點(diǎn)如下：

真空負(fù)壓檢漏法是將被檢件內(nèi)部抽成真空，形成氣體內(nèi)部壓力低于外部大氣壓的狀態(tài),再將示漏氣體氦氣施于被檢件外部，如果被檢件有漏氣，示漏氣體通過漏孔進(jìn)入被檢件內(nèi)部，利用檢漏儀將漏進(jìn)的示漏氣體檢測(cè)出來，從而判斷出漏孔的存在、漏孔的位置和大小。真空負(fù)壓檢漏法主要有氦罩檢漏法、檢漏盒檢漏法等等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、適用于總檢，其缺點(diǎn)是只能測(cè)出所罩部位的總漏率,不易確定所有漏孔的準(zhǔn)確位置。

充壓吸槍正壓檢漏法是將被檢件內(nèi)部充入一定氦氣,形成容器內(nèi)氣體內(nèi)部壓力高于外部大氣壓的狀態(tài),如果被檢件有漏,示漏氣體通過漏孔漏出被檢件,采用氦質(zhì)譜檢漏儀,用吸槍在大氣環(huán)境下獲得漏出的示漏氣體并檢測(cè)出來，從而判斷出漏孔的存在及漏孔的位置和大小。該方法主要有:充壓吸槍法檢漏、吸槍罩盒套檢漏法等。

2.2 機(jī)翼下壁板組件真空負(fù)壓檢漏

機(jī)翼油箱上、下翼面壁板外表面平面度較好，壁板及局部可抽真空的零組件采用氦質(zhì)譜真空負(fù)壓檢漏法。該方法可用于組合件及未封閉形成整體油箱之前工序，對(duì)上翼面壁板組合件、下翼面壁板組合件及機(jī)翼總裝完成下翼面與機(jī)翼骨架裝配連接區(qū)域進(jìn)行工序檢漏（即過程檢漏）。

機(jī)翼整體壁板組合件、下翼面與機(jī)翼骨架裝配連接完成后，先采用此方法測(cè)定總漏率,若漏率超出許可范圍，再用局部氦罩法找出漏孔的準(zhǔn)確位置。整體壁板負(fù)壓檢漏法見圖1。

2.2.1 整體壁板真空負(fù)壓檢漏過程

（1）將機(jī)翼上、下壁板組合件完成密封裝配及罩封后，對(duì)機(jī)翼壁板及相關(guān)連接區(qū)域進(jìn)行清洗，保持工件外表潔凈。

（2）在機(jī)翼壁板邊界部位粘貼膩?zhàn)訔l,形成封閉回路。

（3）在粘貼膩?zhàn)訔l的范圍內(nèi)安放輔助材料—透氣氈。

圖1 整體壁板負(fù)壓檢漏示意圖Fig.1 Integral panel vacuum negative pressure leak detection schematic diagram

（4）將制袋薄膜拉直，使其長(zhǎng)邊壓貼在膩?zhàn)訔l上，并放置真空嘴。

（5）將氦質(zhì)譜檢漏儀與制袋薄膜上真空嘴相連接，開啟氦質(zhì)譜檢漏儀并在壁板背面噴吹氦氣，對(duì)所封閉的區(qū)域進(jìn)行檢漏。

（6）完成試驗(yàn)，整理設(shè)備。

若上述試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)整體壁板連接區(qū)存在泄漏，為確定具體的泄漏部位，可采用氦罩盒法查找漏源。氦罩盒法檢漏示意見圖2。

圖2 局部檢漏－氦罩盒法示意圖Fig.2 Local leak detection- helium cover box method schematic diagram

2.2.2 局部氦罩盒法檢漏過程

（1）將吸盤罩盒扣在被檢工件待檢區(qū)域表面上密封好，啟動(dòng)氦質(zhì)譜檢漏儀，調(diào)整參數(shù)，使其工作在真空檢漏狀態(tài)；

（2）連接檢漏盒與檢漏儀；

（3）啟動(dòng)檢漏儀檢漏；

（4）待抽真空達(dá)到漏率值小于額定值并穩(wěn)定時(shí)，使用帶有噴槍的氦氣袋在被吸盤罩盒罩住的被檢工件的反面用噴槍噴吹氦氣；

（5）若抽真空達(dá)到漏率值大于額定值時(shí)，示意有漏，補(bǔ)漏排除后重新試驗(yàn)。

檢漏注意事項(xiàng)：

（1）檢測(cè)過程中，嚴(yán)禁移動(dòng)被測(cè)工件和檢測(cè)設(shè)備；

（2）在使用噴吹法對(duì)被檢工件進(jìn)行真空檢漏時(shí),豎直方向上要由上往下檢，水平方向上要相對(duì)于氦質(zhì)譜檢漏儀由近及遠(yuǎn)檢測(cè)；

（3）噴槍與被檢件表面的距離值不應(yīng)太大（不大于5mm）；

（4）對(duì)于發(fā)現(xiàn)有漏的區(qū)域，待檢漏儀示值升高達(dá)穩(wěn)定后移開噴槍，等示值下降后再噴，觀察示值是否再次升高并穩(wěn)定，需重復(fù)三次以確定漏率。

2.3 機(jī)翼整體油箱正壓檢漏

機(jī)翼總裝上翼面封閉后形成整體油箱，將油箱內(nèi)部充入一定氦氣,形成容器內(nèi)氣體內(nèi)部壓力高于外部大氣壓的狀態(tài),如果整體油箱邊界面上有漏,氦氣通過漏孔向外逸出。當(dāng)吸槍正對(duì)漏孔位置時(shí)，氦氣被吸入檢漏儀而產(chǎn)生漏氣反應(yīng)，由此判斷漏孔的存在及位置和大小，從而達(dá)到檢漏目的。該方法用于機(jī)翼油箱裝配完成后對(duì)其進(jìn)行油箱密封的總檢查。機(jī)翼整體油箱正壓檢漏法系統(tǒng)連接見圖3。

圖3 機(jī)翼整體油箱正壓檢漏法系統(tǒng)連接示意圖Fig.3 Wing integral fuel tank pressurized leak detection method system connection schematic diagram

機(jī)翼整體油箱正壓檢漏過程如下：

（1）用工藝堵蓋、堵帽將油箱區(qū)非試驗(yàn)充氣接口處封堵，使其形成密封體；

（2）將整體油箱快速檢漏設(shè)備充氣口與被測(cè)機(jī)翼連接，形成封閉回路；

（3）啟動(dòng)整體油箱快速檢漏設(shè)備，進(jìn)行系統(tǒng)自檢，確認(rèn)差壓檢漏系統(tǒng)工作是否正常；

（4）充氣：按檢漏測(cè)試壓力，設(shè)定的充氣時(shí)間，經(jīng)過檢漏系統(tǒng)向被測(cè)機(jī)翼油箱內(nèi)充入一定比例濃度的氦氣和壓縮空氣，充壓后不許移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)被檢件；

（5）平衡：充壓達(dá)到要求后，靜置被檢機(jī)翼，使其內(nèi)部氦、氮混合均勻；

（6）檢測(cè)：保壓限定時(shí)間，其壓力變化不大于某額定值的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。若壓力變化超過規(guī)定值時(shí)，則按照設(shè)定的測(cè)試壓力對(duì)機(jī)翼油箱進(jìn)行充氣，檢漏系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)定時(shí)間平衡,這時(shí)用氦質(zhì)譜檢漏儀吸槍法對(duì)部件進(jìn)行單釘滲漏檢查和油箱邊界滲漏檢查,漏率值不大于技術(shù)要求規(guī)定值。檢測(cè)結(jié)束后，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)，自動(dòng)顯示檢測(cè)結(jié)果，并對(duì)檢測(cè)作出結(jié)果判定；

（7）排氣：檢測(cè)完成后將機(jī)翼油箱內(nèi)部混合氣體排出。

注意事項(xiàng)：（1）要求所用連接吸槍的軟管越短越粗越好，連接管內(nèi)要清潔，要吸氣、放氣率小，最好選用金屬軟管，不宜采用橡皮軟管；（2）檢漏場(chǎng)地的空氣不能有太大的流動(dòng)，吸槍在被檢件表面移動(dòng)的速度不能太快，且與被檢件表面的距離值不應(yīng)太大（不大于5mm），以免靈敏度降低。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確找到漏孔位置，缺點(diǎn)是與抽真空噴吹法檢漏相比，靈敏度較低。該方法主要用于機(jī)翼形成整體油箱后的密封性總檢查。

3 兩種檢漏法對(duì)比試驗(yàn)

在氦質(zhì)譜檢漏法工程化應(yīng)用的研究過程中，各自選取了某型機(jī)的15個(gè)機(jī)翼部件分別進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏法與傳統(tǒng)密封檢測(cè)法試驗(yàn)，其用時(shí)情況統(tǒng)計(jì)如表1和表2所示。

從表1中得出，采用傳統(tǒng)密封檢測(cè)法檢漏，平均用時(shí)33.5 h。其中，第XX126架充油后氣密保壓試驗(yàn)時(shí)存在泄露，查找漏源用時(shí)24 h，排故（含重復(fù)油密保壓試驗(yàn)）用時(shí)20 h。表2采用氦質(zhì)譜檢漏法檢漏，平均用時(shí)7.5 h。其中，第XX215架壁板單面檢漏試驗(yàn)時(shí)存在泄露，查找漏源用時(shí)15min，排故（含重復(fù)氦質(zhì)譜檢漏）用時(shí)4h。通過兩種方法對(duì)比，傳統(tǒng)方法用時(shí)是氦質(zhì)譜檢漏法檢測(cè)的4倍多。使用傳統(tǒng)方法密封檢測(cè)，產(chǎn)品已形成完整整體油箱密封結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，查找漏源操作工藝性差，漏源定位困難，排故難度大、成本高。氦質(zhì)譜檢漏法可進(jìn)行翼面結(jié)構(gòu)單面檢漏，操作工藝性好，易定位漏源，排故成本低、效率高[11]。

表1 傳統(tǒng)檢漏法試驗(yàn)用時(shí)記錄表

表2 氦質(zhì)譜檢漏法試驗(yàn)用時(shí)記錄表

4 應(yīng)用效果

經(jīng)過多架次某型機(jī)翼組合件及整體油箱密封檢漏試驗(yàn)證明，在飛機(jī)整體油箱裝配過程中使用氦質(zhì)譜檢漏法是可行的。氦質(zhì)譜檢漏法相對(duì)于傳統(tǒng)密封檢測(cè)方法而言，確實(shí)有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)，克服了傳統(tǒng)方法受氣溫影響較大、準(zhǔn)確率低、周期長(zhǎng)等一系列缺點(diǎn)。氦質(zhì)譜檢漏法的高精度數(shù)字式判讀，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量，也大大降低了因過程控制不足而在后續(xù)工序乃至外場(chǎng)排故所產(chǎn)生的各項(xiàng)費(fèi)用。應(yīng)用該方法，操作人員數(shù)量可減少50%，尤其是工作效率得到大幅度提升，正常工序所需時(shí)間由原來的48h減少為8h。新舊檢測(cè)方法對(duì)比見表3。

5 應(yīng)用問題及改進(jìn)措施

通過運(yùn)用氦質(zhì)譜檢漏方法和技術(shù)，利用XX-401M整體油箱快速檢漏設(shè)備及XX-L300氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)機(jī)翼油箱密封裝配檢漏，在具體應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題需改進(jìn)：

表3 傳統(tǒng)檢漏法與氦質(zhì)譜檢漏法對(duì)比表

（1）整體油箱氦質(zhì)譜檢漏時(shí)，氦質(zhì)譜檢漏設(shè)備向被檢工件充氣用時(shí)長(zhǎng)，影響效率。改進(jìn)：加大檢漏設(shè)備與機(jī)翼油箱連接的管路直徑，增加單位時(shí)間內(nèi)的氣體流量，減少充氣時(shí)間。

（2）充氣壓力不精確，充氣經(jīng)平衡后，被檢工件中氣體實(shí)際壓力值與設(shè)備預(yù)設(shè)值存在差異。改進(jìn)：在靠近整體油箱充氣接口處增加一個(gè)帶壓力傳感器的壓力檢測(cè)裝置，該處所測(cè)壓力與被檢工件內(nèi)的實(shí)際壓力可視作等值。把該處壓力當(dāng)作檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)壓力，其壓力與油箱內(nèi)實(shí)際壓力值差異最小，設(shè)備壓力顯示更準(zhǔn)確，充氣結(jié)束后較接近系統(tǒng)預(yù)設(shè)值。

（3）單面檢測(cè)時(shí)，氦質(zhì)譜檢漏儀配套的吸槍罩盒規(guī)格少，適用性不強(qiáng)；用制袋膜粘貼罩封檢測(cè)，效率較低。改進(jìn)：訂制適用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的專用罩盒，配套增加各種罩盒規(guī)格，提高工作效率。

6 結(jié)論

研究成果表明，軍機(jī)油箱檢漏使用氦質(zhì)譜檢漏法在原理方法和操作上是可行的和有效的，提高了飛機(jī)整體油箱裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。應(yīng)用氦質(zhì)譜檢漏法，可對(duì)單面壁板或組合件進(jìn)行檢漏，也就是說在未形成封閉油箱之前即對(duì)壁板或壁板與梁肋骨架結(jié)構(gòu)連接區(qū)進(jìn)行氣密性檢測(cè)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了整體油箱裝配的密封檢測(cè)過程控制，從而避免在形成封閉油箱后導(dǎo)致滯后發(fā)現(xiàn)漏源及排故困難所需的大量返工工作量，有效解決了機(jī)翼制造過程中密封試驗(yàn)工序周期長(zhǎng)的生產(chǎn)瓶頸難題。

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