◀引言▶ 热压罐成型工艺就是将复合材料预浸料制成的毛胚使用真空袋密封在工装模具上并抽真空后放入热压罐中，利用热压罐内部均匀温度场和空气压力对预浸料叠层毛坯进行加热、加压、保温、降温和卸压等过程，使其成为所需要的形状和质量的成型工艺方法。 要想得到合格的复合材料零件，就必须对固化过程中的参数（压力、温度、真空和时间等）进行监测，以此得到升温速率、降温速率、恒温时间、真空值和压力值等，确保符合规范要求，典型的热压罐固化工艺曲线如图1所示。 图1 典型热压罐固化工艺曲线 目前，复合材料热压罐固化参数的检测仍采用传统的记录纸检查法，过度依赖人工判断的经验，检查效率低，易出错。随着复合材料零件在航空航天领域的广泛应用，对检测的效率及准确性提出了更高的要求。 1、热压罐固化参数传统检测方法 及存在的问题 1.1热压罐固化参数传统检测方法 当前，复合材料热压罐固化参数的符合性判定均是通过走纸记录仪实时绘制的零件真空、压力及温度曲线图来检测。检测步骤为： 首先通过热电偶曲线偏移正常固化温度范围来判定热电偶失效； 然后通过热电偶、真空编号来确定对应的零件，依据热电偶、真空的颜色分别查找对应的温度、真空曲线，人工确定升温、恒温和降温起始点，使用直尺在纸质曲线图上直接测量出升温时间、恒温时间和降温时间，从而计算出升温速率、降温速率； 最后检查曲线图上的真空值和压力值是否在工艺规范要求范围内。如果所有检查要求均合格，则判定复合材料热压罐固化过程符合要求。 1.2存在的问题 1.2.1 难以准确识别零件与曲线的对应关系 当复合材料热压罐固化一般采用多件进罐的方式，纸质走纸记录上会有大量的温度曲线。虽然曲线上不同热电偶使用不同颜色予以区分，当热电偶越多时，部分代表热电偶的曲线颜色就越相似，辨识度降低，且大量曲线重合，难以通过热电偶的颜色来准确辨别零件对应的温度曲线，易造成误判。如图2所示。 图2 热压罐固化曲线-温度曲线 通过走纸记录仪实时绘制的零件真空、压力及温度曲线图来检测的一个重要原则是依据纸质走纸记录上的网格标尺来确定升温、降温和恒温起始点，进而确定升温速率、降温速率和恒温时间。纸质走纸记录上的横向时间参考线间距为25mm，代表30min，纵向温度参考线间距为25mm，代表3℃。 目前温度曲线上绝大部分升温、降温和恒温起始点均在参考线间，检验无法准确判读具体值，从而使升温速率、降温速率和恒温时间计算出现偏差，导致误判。如图3所示。 图3 热压罐固化曲线 2、热压罐固化参数在线检测技术 2.1热压罐固化过程结构化关键工艺 参数的设计 为实现复合材料热压罐固化参数在线检测，对固化工艺文件中的参数进行结构化设计，建立固化工艺参数校验模型，统一验收标准，消除工艺规范描述歧义导致的操作错误。设计的结构化工艺参数如下。 1）升温阶段参数：升温阶段初始温度的最小值、升温阶段初始温度的最大值、升温阶段结束温度的最小值、升温阶段结束温度的最大值、升温阶段速率要求的最小值和升温阶段速率要求的最大值。 2）恒温阶段参数：恒温阶段要求的最小温度值、恒温阶段要求的最大温度值、恒温阶段要求的最短时长和恒温阶段要求的最长时长。 3）降温阶段参数：降温阶段初始温度的最小值、降温阶段初始温度的最大值、降温阶段结束温度的最小值、降温阶段结束温度的最大值、降温速率要求的最小值和降温速率要求的最大值。 4）真空参数：真空度最小值、真空度最大值。 5）压力参数：压力最小值、压力最大值。 2.2热压罐固化过程检测模型的建立 从图1可以看出，只要复合材料热压罐固化过程中真空值、压力值、升温速率、恒温时长、降温速率和各阶段温度值符合工艺规范要求，即可判断复合材料固化过程合格。据此建立热压罐固化过程的检测模型，检测模型中需确定的关键数据见表1。具体的检测模型如下。 表1 确定的关键数据 2.2.1 热电偶失效准则 热电偶每分钟波动温度值＞热电偶波动允许温度值δ(℃)，则判定该热电偶失效； 如果在升温阶段或恒温阶段，（热电偶温度值-罐内空气温度值）＞热电偶波动允许温度值ζ(℃)，则判定该热电偶失效； 如果在恒温阶段，热电偶温度值＜恒温要求的最小温度值(℃)或者热电偶温度值＞恒温要求的最大温度值(℃)，则判断该热电偶失效。 2.2.2 升温阶段 以热电偶温度达到或超过升温阶段初始温度值作为每根热电偶的升温起始点T升s，升温初始温度的最小值≤ T升s ≤升温初始温度的最大值； 以热电偶温度达到或超过恒温阶段最小温度值作为每根热电偶的升温结束点T升e，升温结束温度的最小值≤ T升e ≤升温结束温度的最大值， 采集对应的升温起始时间t升s、升温结束时间 t升e，计算出升温速率。 如果升温速率最小值＜f升＜升温速率最大值，则升温速率合格； 如果f升＜升温速率最小值或者f升＞升温速率最大值，则升温速率不合格。 升温速率的计算公式为 2.2.3 恒温阶段 以热电偶温度达到或超过恒温阶段最小温度值作为每根热电偶的恒温起始点T恒s，恒温要求的最小温度值≤ T恒s ≤恒温要求的最大温度值， 以热电偶温度低于恒温阶段最小温度值作为每根热电偶的恒温结束点T恒e，恒温要求的最小温度值≤ T恒e ≤恒温要求的最大温度值， 采集对应的恒温起始时间t恒s、恒温结束时间 t恒e，计算出恒温时长。 如果恒温最小时长＜H恒＜恒温最大时长，则恒温时长合格； 如果H恒＞恒温最大时长或者H恒＜恒温最小时长，则恒温时长不合格。 恒温时长的计算公式为 2.2.4 降温阶段 以热电偶温度低于恒温阶段最小温度值作为每根热电偶降温起始点T降s，降温初始温度的最小值≤ T降s ≤降温初始温度的最大值， 以热电偶温度低于降温阶段结束温度值作为每根热电偶降温结束点T降e，降温结束温度的最小值≤ T降e ≤降温结束温度的最大值， 采集对应的降温起始时间t降s、降温结束时间 t降e，计算出降温速率。 如果降温速率最小值＜f降＜降温速率最大值，则降温速率合格； 如果f降＜降温速率最小值或者f降＞降温速率最大值，则降温速率不合格。 降温速率的计算公式为 2.2.5 真空嘴真空值检测 如果真空最小值＜真空嘴真空值＜真空最大值，则真空嘴真空值合格； 如果真空嘴真空值＜真空最小值或者真空嘴真空值＞真空最大值，则真空嘴真空值不合格。 2.2.6 压力值检测 如果压力最小值＜罐内压力值＜压力最大值，则罐内压力值合格； 如果罐内压力值＜压力最小值或者罐内压力值＞压力最大值，则罐内压力值不合格。 2.3热压罐固化参数在线检测运行流程 首先读取数据采集模块存入数据库的热压罐固化过程运行的温度、压力和真空参数，根据材料体系及参数化的工艺文件数据对固化过程的关键数据进行标注，得出运行的参数是否符合工艺文件要求，给出复合材料热压罐固化过程是否合格的结论。最后将每根热电偶升温阶段速率f升(℃/min)、恒温时长H恒(min)、降温阶段速率f降(℃/min)及真空嘴值、罐内压力值详细检测信息及检测结果存储到数据库中并实时推送查看页面。运行流程如图4所示。 图4 热压罐固化参数在线检测运行流程图 具体步骤如下。 ①读取数据。从数据库中读取采集到的当前固化过程实时运行的温度、压力、真空参数，以及零件的工艺文件参数。 ②计算固化周期。根据工艺文件参数的要求，计算出当前产品固化过程的开始点和结束点时刻。 ③阶段判定计算。根据工艺文件参数要求，将长周期的固化过程分解成升温、降温和恒温各阶段。 ④关键参数计算。对各阶段的最高温度、最低温度、升温速率或降温速率或恒温时长、压力值及真空值等进行计算。 ⑤参数对比判断。将计算得到的各关键数据与工艺文件要求的参数进行匹配比对，得到固化过程是否合格的结果。 ⑥结果输出。将检测的结果存入数据库中进行保存，并输出到前台页面进行展示。 2.4热压罐固化参数在线检测实施效果 为验证热压罐固化参数在线检测技术的有效性，在波音项目上进行了验证，共对14罐固化数据进行了在线检测，与传统的记录纸检查法的检测结果一致。单罐零件固化曲线采用传统的记录纸检查法检测用时约40min，采用在线检测系统用时约8min，检测效率提升80%。 根据验证的效果，完成了覆盖29项不同材料体系的固化工艺要求检测模型的建立，发布了8份固化参数检验判定原则。共检测9423罐次16922个零件，提升固化参数交检效率90%。 根据在线检测实时采集的数据，对发现的问题进行分析，促进工艺文件优化和改进6次。 结语 本文提出一种复合材料热压罐固化参数在线检测方法，通过设计热压罐固化过程结构化的关键工艺参数，建立热压罐固化参数的检测模型，利用读取数据采集模块对固化过程参数数据进行采集并运行检测模型，实现热压罐固化参数的在线检测，提高检测的效率及准确性。
