将复合材料连接到钢

该博客是我 2019 年 12 月专题文章“使用复合材料消除船舶轻量化障碍”的配套文章，分享了更多细节和视觉效果。

HYCONNECT GmbH（德国汉堡）是一家由 Lars Molter 博士创立的初创公司，他是一名造船工程师，并且在德国海事工业研发中心海事技术中心（CMT，德国汉堡）工作了 10 年。 “建造大型游艇和游轮的德国公司都有同样的问题，”莫尔特说。 “他们的客户想要添加更多设备、另一个甲板、更多的噪音和温度绝缘或新的设计功能，例如弯曲的形状和集成照明。即使他们可以用铝或钢来做这些设计，也是非常耗时和成本密集的。”

船舶通常采用焊接钢部件块建造，以便更快地组装，如图所示。 FAUSST 连接系统使大型复合墙板或其他结构能够焊接到这些钢框架中，使用当前的船舶生产方法提供轻质结构。来源 |迈耶沃夫特

混合结构中的粘接问题

Molter 和许多其他人可以看到复合材料可以为船舶带来的好处，但目前，船舶是用钢建造的。有许多人致力于开发全复合材料船舶，但与此同时，利用各种复合材料部件减轻船舶重量和排放的机会很大。然而，一个问题是如何将它们连接到船舶的钢框架上。 “我们研究了粘合，”他解释说，“但没有一种标准化的接头设计可以用于所有船舶，并且没有关于如何在 SOLAS 中应用粘合剂粘合的一般规则。”

国际海事组织（IMO，伦敦，英国）发布的海上人命安全 (SOLAS) 规定要求商船在 2002 年之前采用钢建造，届时 MSC/Circ. 1002 已发布，允许替代设计。然而，这些替代方案需要进行风险分析，表明替代设计和建造相当于钢——这是一个漫长、昂贵且为每艘建造的船只量身定制的过程。

“我们询问了 DNV GL 他们对异种材料接头的批准情况，”Molter 说。 “他们说主要结构通常需要机械连接；如果没有多余的紧固件，纯粘合就不会轻易获得认证。”商用飞机中同样存在针对冗余紧固件与纯粘合主要结构的定制认证和监管机构要求的这些问题。 “此外，通过粘合，你必须控制环境和过程，”他说，并指出在通常主导船厂建造的焊接和切割中，这很困难。

FAUSST 关节

FAUSST 混合纤维织物结合玻璃纤维和钢纤维。来源 |海康网

“因此，我们需要一种无粘合但带有机械附件的解决方案，”Molter 说。 “我们一直想知道如何将纤维连接到金属上？” CMT 将在德国资助的 FAUSST（纤维和钢标准联合）项目中回答这个问题，该项目与 Fritz Moll Textilwerke（德国阿尔茨豪森）合作开发了一种混合经编纺织品，从 100% 玻璃纤维过渡到 100% 钢纤维。

织物结构的设计使钢和玻璃纤维蜿蜒和重叠，从而通过摩擦实现载荷传递以及交叉点的互锁。这种结构还平衡了用于机械互锁的针织织物与用于通过接头承载负载的单向纤维。面料采用电控针织机生产，速度可达100米/小时。

下一步是将其连接到金属连接器上，金属连接器可以是板状或空心型材。钢纤维通过电阻缝焊（压焊）与大铜电极轮焊接到连接器上。 Molter 解释说，这就像汽车中的点焊，但适用于产生长而连续的焊缝。该工艺能够使用稳健且众所周知的工艺高效生产具有一层或多层织物的 FAUSST 连接器。

Hyconnect 使用缝焊将 FAUSST 织物连接到钢连接器。来源 |连接。

这就是 HYCONNECT 所卖的：焊接到钢连接器上的织物。 “造船厂或其复合结构供应商决定使用我们的接头系统，”Molter 解释说。 “他们指定了钢连接器的接头载荷和类型，然后我们设计和生产了 FAUSST 接头。这就是我们提供的，然后他们将其注入复合结构，然后造船厂将这些焊接到船舶的钢框架中。”

管理刚度和 CTE 不匹配

FAUSST 混合织物中的钢纤维和玻璃纤维之间存在刚度不匹配。 Molter 解释说，这种织物的制造方式在一定程度上减轻了这种情况，“使用 5-7 层纱线互锁，我们改变钢纤维延伸到玻璃纤维织物中的程度。您不希望负载转移出现大峰值。我们可以通过修改这些层及其组成纤维来修改刚度，例如，玻璃纤维的百分比和方向等。”可以添加额外的 ± 45° 纤维以处理更高的剪切应力，还有助于管理钢连接器和玻璃纤维复合材料之间的不同热膨胀系数 (CTE)。 Molter 解释说：“我们还可以通过使用簇绒纤维在整个厚度上进行增强来设计更高的负载或特殊结构。

还必须解决钢连接器和纤维增强塑料 (FRP) 之间的厚度不匹配问题。 “两种材料的中性轴必须对齐，”莫尔特说。 “这通常是通过将钢连接器的边缘加工成 30° 的锥度来实现的，实际上，创建了一个锥度接头，以将载荷有效地转移到 FRP。”

Hyconnect 设计和生产 FAUSST 接头，然后将其注入复合结构，最后焊接到船舶的钢框架中。来源 |连接。

开发标准化的关节系统

Molter 于 2018 年离开 CMT，成立 HYCONNECT，将 FAUSST 关节技术商业化。该公司已与各种行业合作伙伴和监管机构合作进行测试和迭代联合设计。目标是开发FAUSST联合产品的“家族”。 “通过应用更多层的 FAUSST 织物，承载能力呈线性增加，”Molter 解释说。 “因此，基础产品可以是四层 FAUSST，上面焊接有 1 米长的扁钢，额定承受一定的拉伸和弯曲载荷。然后将有一些产品在左侧可用，使用两层或三层以获得较低的额定载荷，而一些在右侧，例如五层或六层以获得较高的额定载荷。我们仍在敲定这些细节，但目标是一个标准化、易于使用的系统。”

包含四层 FAUSST 织物的接头的 Hyconnect 测试提供 217 kN/M 的衬垫接头强度。来源 |连接。

FAUSST 接头产品的机械特性仍在进行中，但 Molter 指出它们与粘合剂接头相比具有竞争力。 “它们还允许使用超声波或 X 射线检测焊缝进行 100% 检测，”他补充道。目前正在为选定的客户生产原型，并将在 2020 年扩大规模。

同时，对轨道应用感兴趣的汽车公司和制造商也对 HYCONNECT 感兴趣。 “这项技术有可能用于金属嵌件，我们也看到了在建筑施工中的可能应用，”莫尔特说。 “越来越多的行业看到了混合结构的价值以及使用预装好的半成品缩短组装时间的可能性。”