革新汽车设计：自动化金属-热塑性复合材料混合连接技术

实现工业规模混合连接
FlexHyJoin演示了为菲亚特Panda城市车等金属车身白车身装配热塑性复合材料车顶加强筋及焊接金属支架的量产工艺。来源：IVW

混合金属-复合材料结构因能“将合适的材料放在合适的位置”以减重并提升性能，持续受到汽车和航空航天领域关注。热塑性复合材料（TPC）因其快速加工、可焊接和热成型特性，极具吸引力。但迄今为止，复合材料与金属连接主要依赖机械紧固件（需钻孔损伤承载纤维）或胶粘剂（部分热塑性塑料难以粘接，且胶粘剂增加重量）。例如宝马i3采用CFRP底盘和塑料车身面板，却使用了16公斤胶粘剂，部分抵消了复合材料的减重潜力。

FlexHyJoin是欧盟“地平线2020”资助项目（2015年10月至2018年12月），旨在解决TPC与金属部件连接难题。由凯泽斯劳滕复合材料研究所（IVW，德国莱茵兰-普法尔茨州非营利研究机构及凯泽斯劳滕技术大学）牵头，汇聚欧洲10家合作伙伴，开发自动化流程，使TPC汽车车顶结构能装配进金属白车身。策略是通过激光预处理金属支架并利用感应与激光连接将其固定于车顶加强筋，实现无胶粘剂、无紧固件的重量中性、高强度连接，并在单一自动化生产单元内集成过程控制与在线无损检测（NDT）。

140秒完成混合演示件

项目合作伙伴菲亚特研究中心（意大利波米利亚诺-达尔科/那不勒斯）提供演示件规格——目前由钢制造的菲亚特Panda车顶加强筋。FlexHyJoin中该件由Gubesch热成型（德国威廉斯多夫）采用Bond-Laminates（德国布里隆）供应的1.5毫米厚Tepex Dynalite 102织物玻纤/聚酰胺6（PA6）有机板热成型而成。为将TPC车顶加强筋连接进Panda钢制白车身，两侧支架（左右）采用0.7毫米厚DC04钢激光连接于两端，中间支架用相同材料通过感应连接。FlexHyJoin证明两种连接方法均适用于工业混合结构生产。

图1 表面结构化助力混合连接
FlexHyJoin演示激光与感应连接钢支架至冲压GF/PA6车顶梁（上）。混合接头依靠激光处理金属支架形成凹槽，连接过程中熔融塑料填充凹槽（下）。来源：IVW

单纯将PA6基体熔融到钢支架上无法获得满足结构要求的连接强度，因此连接前需激光表面处理。“激光在支架表面构建微结构形成凹槽，”Fill Gesellschaft（奥地利古尔滕）项目经理Johannes Voithofer解释，该公司负责组装集成自动化生产单元。“处理后的支架置于复合部件上，施加热和压，使复合材料的PA6基体流入激光诱导凹槽（见图1）。”结构化工艺由弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT，德国亚琛）开发，形成兼具材料粘结与机械咬合的金属-复合材料连接。

连接后部件转移至NDT工位，采用锁相热成像扫描缺陷。“卤素聚光灯对复合表面进行调制加热，”IVW研究员兼FlexHyJoin无损检测与过程控制负责人Vitalij Popow解释，“在复合结构内产生振荡温度场。我们随时间分析表面热响应，识别接头缺陷。”全自动检测在生产单元内对每个制造部件完成，工艺验证约在400个接头上进行。

FlexHyJoin自动化生产单元当前配置下，激光结构化、连接和NDT并行循环时间分别为81秒、98-108秒和100秒（不含机器人部件传输时间）。Voithofer称每个混合部件完成循环时间约140秒。

图2 实现工业规模混合连接
FlexHyJoin试点生产单元包含表面结构化、连接和NDT三个模块化工位。单元单一搬运机器人将部件从进料抽屉传送至各工位，成品置于相邻抽屉。来源：IVW和Fill

激光表面结构化

激光结构化工艺在金属支架连接面上产生带凹槽几何形状的线条。FlexHyJoin中凹槽宽75微米、深215微米。这些尺寸、线条数量和整体图案均可定制，理想情况下匹配零件与循环时间要求。

“连接面上微结构的位置和数量可根据部件受载情况调整，”IVW研究员兼FlexHyJoin感应连接单元开发团队负责人Stefan Weidmann解释，“高载荷区微结构间距可缩小，低载荷区可增大，实现高效微结构化工艺。”

结构化通过IPG Photonics（德国布尔巴赫）提供的高功率单模光纤激光烧蚀金属支架表面实现。该YLR-1000-WC激光最大输出1000瓦，发射波长1070纳米。“我们选用单模光纤激光因其高聚焦性，能保持约40微米光斑尺寸，”弗劳恩霍夫ILT聚合物加工团队负责人Christoph Engelmann详述。

激光装于安装在ABB 1200机械臂上的光学头内。“光学头内有两个振镜，在240×240毫米工作场内偏转光束，”Engelmann详述。“还有一个可动透镜跟踪Z高度（Z偏移器）。我们仅用机器人将扫描头定位于金属部件上方，光束由振镜偏转，每条微结构线的Z位置由Z偏移器调整。因此加工期间扫描头无移动。这样能处理2.5D零件，每条离散线保持同一Z位置但可在线间调整。”

“出于安全考虑，结构化和连接单元均封闭在黑色机柜内，”Voithofer指出（见图2）。因此自动门在激光操作期间保持关闭，完成后开启以取出成品和放入新件。

图3 感应与激光连接单元
连接单元中，感应连接用于中间支架，激光连接用于两端侧支架。来源：IVW和Fill

感应与激光连接

连接单元包含两个不同操作：中间支架感应连接和左右侧支架激光连接。“对于中等复杂度的大型部件如中间支架，感应连接更合适，”Weidmann说。“陶瓷压合工具带感应线圈施加压力于连接区，对电磁场透磁，高效向金属支架输入能量加热。这适合平面形状，但对侧支架等复杂几何形状更具挑战，因此改用激光连接更有效。”Weidmann补充：“感应连接适合大型中等复杂度部件，激光连接更适合高复杂度部件。”

复合车顶加强筋上的钻孔将其定位于匹配热成型筋曲率的支撑工装上。中间支架的激光切割孔将其定位于筋上，侧支架通过匹配筋端部形状对齐。

“中间支架采用非连续感应连接。这本质上是准静态压力连接，”Weidmann说，“即静态工艺，在单一位置实现面连接，但因连接时施加的压实压力导致复合材料厚度轻微变化，存在Z向移动。”

感应连接单元包含KGR（意大利布兰迪佐）高频发生器，向感应线圈提供交变电场。感应线圈在压合工具内使金属加热，熔融复合基体形成连接。“整个加热冷却过程中持续施压，”Weidmann注记。

侧支架激光连接与感应连接同步开始。支撑工装两侧的两个夹紧装置可对侧支架施加4000牛夹紧力。“夹紧力用于最小化复合与金属部件间隙，”Voithofer解释，“防止接头产生气孔。”施加夹紧力后，激光头移入位置。配备Leister Technologies（瑞士凯斯维尔）LineBeam二极管激光，最大输出功率600瓦，发射波长980纳米。光束经光学透镜成27×1毫米线形，聚焦于金属支架。激光头安装于机械臂，可沿弧形支架表面移动。“我们为支架不同区域设定不同速度以实现均匀连接温度，降低热应力，获得最佳连接结果，”Eckstaedt说。

激光连接一般可用透射或热传导连接。透射连接要求复合材料对选定激光波长透明，激光穿过复合材料击中金属支架表面加热。但FlexHyJoin演示未采用此法，因车顶加强筋有机板层压板不透激光。改用热传导连接：直接将激光照射金属表面，热量通过金属基材传导至复合材料，在220-300°C熔融PA6基体形成连接。“得益于钢支架高导热性，激光热量快速扩散，高效连接侧支架，”Voithofer说。

步骤1. TPC车顶梁和金属支架手工装入FlexHyJoin单元零件抽屉，关闭抽屉开始生产。
步骤2. 机器人取出一组金属支架放入结构化单元，激光防护门关闭。
步骤3. 结构化单元内，高功率光纤激光在将与复合车顶梁连接的支架表面制造凹槽。
步骤4. 当支架激光处理时，机器人从零件抽屉取出TPC车顶梁放入连接单元（结构化单元右侧）。
步骤5. 机器人返回结构化单元，取出处理后支架，结构面朝下放置于TPC车顶梁上。
步骤6. 机器人在三个支架上放置夹紧装置。感应连接单元降至中间支架，感应线圈加热金属支架，熔融下方复合材料PA6基体。
步骤7. 感应连接完成的同时，激光连接单元降下连接左侧再右侧支架。激光加热金属，使下方PA6基体熔融填入凹槽，形成高强度连接。
步骤8. 完成的混合结构放入NDT单元，采用锁相热成像检测缺陷。卤素灯加热复合表面，红外相机测量随时间变化的响应。数据分析提供可视化质量评估。

连接过程控制

控制两种连接工艺的基本方法是测量温度和时间对比一组通过测试确定的优化参数。“因此我们用不同参数制作连接测试样品，利用专用测试装置进行力学测试。侧支架采用剪切-剥离组合测试，中间支架采用压力载荷测试（类似拉伸剪切但改为推压以在连接区产生剪切载荷），”Popow说。专用测试装置由EDAG Engineering GmbH（EDAG，德国富尔达）共同设计，EDAG也分析测试结果。按此程序确定连接工艺最佳参数组并应用于试点生产单元。

“感应连接工艺预先校准，”Weidmann说。“我们知道约30秒达到连接温度，但也为安全在线测量温度防止过热。”辐射计测量感应连接区已知热点。“但因现场强辐射光和热，无法准确测量激光连接温度，”他解释。不过可在激光连接区复合材料侧使用接触式传感器，但不适用感应连接（金属传感器会感应加热干扰测量）。

“所有接头加热区域也被压合工具和夹具覆盖，”Weidmann指出。“因此我们验证了连接前后因压力和热量导致的部件厚度变化作为质量保证方法。”厚度变化由车顶加强筋定位工具集成的位移传感器测量。“压合部件时位移传感器移动，”他解释。“施加热和连接压力时，熔融基体聚合物流入激光结构化腔体并从连接区轻微挤出直至冷却。这导致厚度变化被位移传感器记录。”Weidmann和IVW团队将此位移与部件质量相关联。“厚度变化——即压实量——大于0.1毫米意味着接头质量良好，”Weidmann注记。

在线无损检测

IVW开发了另一种质量保证方法——在线热成像检测。“质量保证主要目的是查看连接区性能，”Popow解释。“但这很难，所以我们在部件完成后对连接背面复合材料侧进行热成像。”

IVW选择主动热成像技术中的锁相热成像，因其信噪比优于其他主动方法（如脉冲相位热成像），且能检测更深层缺陷。“基本思路是向复合材料输入热量，热量传导至连接区再回表面，”Popow说。“锁相热成像以特定频率在多个周期内激励部件。我们随时间分析此响应。若复合表面与连接区间存在因空洞或缺陷导致的非均匀区域，将在热响应中显现。”

热响应以图像捕获。图像像素即测量点。整个检测区域每个像素的温度信号随时间被分析。“结果获得每个像素的振幅和相位信息，软件重建为可视图像，”他补充。这也为126个测试件提供大量测量数据。“我们将这些NDT结果与EDAG力学测试结果相关联，”Popow说。其团队还测试了移除支架后的连接区（即破坏性测试）。“我们关联了三组测试结果，现可通过热成像结果视觉分析识别低强度与高强度结合区，”他说。

面向量产的集成单元

Weidmann认为FlexHyJoin最大成就之一是将各项目合作伙伴开发的不同技术单元集成为自动化、优化的生产线。负责设备集成的Voithofer解释：“每套设备运抵时使用不同控制器。我必须设计主PLC控制所有工艺单元。”包括激光防护罩和单元搬运机器人（由Fill提供）。“由于各工艺步骤耗时不同，让它们协同工作也很困难。”

Voithofer先为各工艺单元和机器人开发架构，考虑最佳流程布局。“我们的概念是保持结构化、连接和NDT三个工位模块化，分别置于三个独立外壳，”他说。“这样可抽取单一单元用于展会或其他演示项目再归位。工作单元模块化且集成。”

Fill在连续复合材料生产系统集成数十年经验助力实现了Popow眼中的FlexHyJoin最大壮举：从实验室规模迈向工业规模。“我们是首个实现适合复合材料与金属连接量产工艺的联盟，”他说。“该工艺可用于许多汽车零件如稳定杆连接件、保险杠和车门，”Voithofer注记。“轻量化白车身中有许多复合部件连接金属部件。”

多行业适配性

但投入批量生产前仍需调整。“不再将激光结构化和连接分离在不同防护罩，而是合二为一，”Voithofer说。“这将消除两工序间防护门开关需求，缩短循环时间。”他还将所有工位沿传送带线性连接。生产线持续运行，部件在各工位间拾取放回传送带，最终退出单元准备装配白车身。这将进一步缩短循环时间。扩容料斗可供数百零件，使生产线整班次无需补料运行。

尽管试点单元针对汽车行业，Popow指出易适配航空航天、体育/消费品和工业应用。“这实际上是主要指导原则之一，”Weidmann说，“必须能连接不同几何形状和部件。仅需更换感应连接压实工具、激光连接夹具和支撑工装。单元主体保持不变。”他提到IVW已演示钛和钢与织物碳纤维/聚苯硫醚（PPS）有机板混合连接，正开发聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）演示。“只需为更高温度调整连接工艺并重新定义最优工艺参数，”Weidmann说。“单元对多种材料开放，包括铝、铜及聚丙烯、聚乙烯等其他热塑性复合材料基体体系。”

“项目合作伙伴合作愉快，期待进一步开发，”他注记。“我们认为这种生产类型极具前景，迄今业界反响显示多家公司也看好这一前景。”