移动吸波体：革新热塑性复合材料感应焊接

IS Groupe 与 Composite Integrity

Institut de Soudure Group（IS Groupe，法国 Villepinte）——字面意为“法国焊接研究所”——拥有百年金属焊接经验，现确立为热塑性复合材料焊接领军者。据 CW 2018 年专题“热塑性复合材料焊接”报道，IS Groupe 及其复合材料品牌 Composite Integrity 开发的“动态感应焊接”工艺，用于连接碳纤维（CF）/聚醚酮酮（PEKK）单向（UD）带加强筋和机身蒙皮，在 2017 年巴黎航展发布的“Arches TP”演示项目中应用，合作伙伴为空客一级供应商 STELIA Aerospace（法国图卢兹）。

“这是我们开发航空结构件感应焊接的起点，”IS Groupe 航空与复合材料总监 Jérôme Raynal 解释。“虽动态感应焊接工艺成功，但在粘结加强筋弯曲半径性能和面板整体加热方面有局限，因为界面无吸波体。”

吸波体是置于热塑性复合材料焊接接头两粘合面之间的材料，经焊接头感应线圈加热。吸波体可导电产生电阻加热，或磁性产生磁滞加热，熔化界面树脂并同步加压，形成高强度熔融粘结接头。据 2000 年 1 月论文《复合材料感应粘接均匀加热电阻吸波体设计》（Bruce Fink、Shridhar Yarlagadda、John W. (Jack) Gillespie 合著），感应焊接热塑性复合材料早期吸波体为金属网或网格，有时浸渍聚合物。

IS Groupe 相信初期问题可通过进一步开发解决。“我们开启新一轮内部反思，”Raynal 说。这包括与热塑性（TP）材料供应商 Arkema（法国 Colombes）讨论，进而建立开发合作伙伴关系。“我们现与 Arkema 共同开发并共同申请专利新技术 Innovative Solution for Welding (ISW)，”Raynal 补充。

ISW 基础原理

“ISW 基础是用吸波体加热焊接界面，但这是连接焊接头的移动吸波体，”Raynal 解释。“吸波体让我们完美定位加热区于焊缝，但焊接头随吸波体移动，使焊接结构性能不受界面残留物干扰。”早期感应焊接中金属网吸波体留在焊缝中，被视为不利。新近技术能消除吸波体，因为常见航空航天层压板碳纤维导电。这也使碳纤维材料可作吸波体。

ISW 方案另一部分：在焊接界面使用纯 TP 基体或低纤维体积分数层以增强树脂流动。该界面层熔点和粘度可调，也可功能化提供导电或绝缘，防止如碳纤维与铝或钢间电化学腐蚀。

ISW 成果

“最终焊接系数达 80-90%，”Raynal 说。焊接系数对应焊接强度，用于金属、塑料和复合材料。“用 ISW 焊接两预固结板单剪切测试，达自固结参考板 80-90% 性能。”试验用 Hexcel（美国康涅狄格斯坦福）Hextow AS7 碳纤维和 Arkema Kepstan 7002 PEKK 制 UD 带。

Raynal 称 ISW 可焊接任何基体：PE、PA、PEKK、PEEK，以及碳、玻璃或芳纶纤维增强热塑性复合材料。“也证明焊接带铜网防雷（LSP）部件无问题，这对航空结构生产关键。”ISW 设计为全自动，焊接头安装于 6 轴机械臂。

温度控制

如前文 Kirk/Yarlagadda/Gillespie 论文所述，金属网吸波体受磁场导致被焊件温度分布不均是常见问题。“我们通过吸波体仅熔化焊接界面控制此问题，”Raynal 解释。“用激光测温仪实测温度，实测吸波体侧边缘温度。从而精确知晓界面温度。也用冷却辅助管理温度，确保热塑性材料焊缝全程充分结晶。”

STELIA 加强筋-蒙皮焊接试验

空客一级供应商 STELIA（法国图卢兹）是此感应焊接开发首批客户。IS Groupe 和 Arkema 为 STELIA 进行专项研究，将 7 层 CF/PEKK 加强筋焊接到带铜网防雷（LSP）的 14 层蒙皮。最终目标焊接长度 30 米结构，含直段和双曲面段。部件用 194 gsm UD 带制造，含 Teijin（日本大阪）Tenax HST45 碳纤维和 Kepstan 7002 PEKK。STELIA 要求均匀焊缝，力学性能 >85% 自固结参考材料，且粘合面无热或力学性能退化。也要求工艺对粘合面厚度变化鲁棒。焊接部件化学和性能测试由 IS Groupe 执行。

IS Groupe 和 Arkema 满足 STELIA 要求，单剪切（SLS）和层间剪切强度（ILSS）性能达自固结参考层压板 >85%。部件层压板和 LSP 网无脱层或退化。唯一不足是速度。STELIA 要求焊接速度 ≥1 米/分。“目前 0.3 米/分（10 英寸/分），”Raynal 承认，“但我们持续朝目标速度努力。”基材厚度有限制吗？“可焊接典型航空结构厚度，已焊接 5 毫米厚部件到 5 毫米基材。”

Arkema 合作、机遇与挑战

为何与 Arkema 合作？“因技术与材料有关系，”Raynal 解释。“例如界面材料及其体积分数有影响。我们是工艺专家，但需紧密与材料伙伴合作。联合开发对完全优化焊接技术必要。”

IS Groupe 和 Arkema 为 ISW 技术共同拥有者，以扎实专利组合保护，含已 5 项法国和国际专利申请。ISW 适用任何热塑性复合材料基体，IS Groupe 通过与欧洲和美国公司项目演示技术，含 Latécoère（法国图卢兹）和 Collins Aerospace Aerostructures（美国加州丘拉维斯塔）。

Arkema 聚焦 PEKK，Raynal 指出，注意其 2018 年与 Hexcel 战略联盟开发 CF/热塑性带材面向未来飞机，聚焦为客户提供更低成本和更快生产速度。作为合作一部分，在法国建立联合研发实验室。

1350 万欧元、48 个月的高度自动化集成复合材料实现适应性结构（HAICoPAS）项目是 Arkema-Hexcel 战略联盟延续。这全法合作含 IS Groupe、定制机器设计商 Ingecal（Chassieu）、Coriolis Composites（Quéven）、Pinette Emidecau Industries（Chalon Sur Saone）和大学实验室联盟。HAICoPAS 将优化复合材料部件生产材料设计制造，实现高速竞争性成本。也旨在开发更高效复合材料铺放/铺层技术和焊接在线质量控制的最终部件装配新系统。

目标应用含飞机一级结构、汽车结构件、油气管道。热塑性材料提供的可回收性和可持续性效益对这些市场也重要，将在 HAICoPAS 中演示和量化。

“ISW 可提供的益处之一是比 2017 年动态感应焊接工艺减少 50% 以上电功耗，”Raynal 指出。“常规感应需高功率加热表面。但界面有吸波体，加热面积小得多，需能量少得多。”他指出这也有助避免加强筋半径区脱实。“加热过度会软化半径区材料致纤维移动。需完美仅加热焊接基材接触区而不加热半径区。ISW 解决此问题。”

仍存热学挑战。“平面形状热控直接，但形状复杂度增加挑战大，”Raynal 说。“2020 年主要目标继续开发，实现代表性规模加强筋焊蒙皮。重点也将技术引入新飞机开发项目。”

更多详情见 JEC World 2020，5 号馆 N89 展位 Composite Integrity。