热塑性复合材料焊接技术进展：从研究走向商业应用

本博客配合2018年9月专题“热塑性复合材料焊接”，汇总印刷版未收录的图片与细节，含感应焊接发展时间线、未来商用飞机认证细节，以及修复、汽车应用发展、热固性-热塑性(TS-TP)焊接简述。

为重申焊接热塑性复合材料(TPC)组件对航空航天和汽车轻量化结构的吸引力，对比下图空客A320后压力舱壁。上图为当前铝制版本，注意大量铆钉。对比下方Premium Aerotec在2018柏林ILA航展展示的焊接TPC演示件——无铆钉。对复合材料而言，这不仅消除紧固件的重量、时间、成本，还省去定位钻孔、清洗检查孔的工序，且无需为抵消承载纤维切割而加厚层压板垫层，实现更轻结构。

焊接热塑性复合材料A320后压力舱壁(下)提供无铆钉方案，对比当前铝制结构(上)。来源：RUAG(上)和Premium Aerotec(下)，DLR轻量化生产技术中心(德国奥格斯堡)

“另一优势是焊接结构检测比胶粘组件更容易，”TenCate-Toray集团TPC材料供应商热塑性复合材料研发与产品开发总监Dr. Hans Luinge说。“C-scan效果好，显示层压板无气孔即焊接良好。胶粘结构可能有虚焊或污染物，难检测。”TenCate-Toray虽不直接开发焊接技术，但支持多种行业和客户项目。“我们按需优化材料，”Luinge说，“基于长期参与TAPAS等项目及与KVE Composites、TPRC、一级供应商和OEM合作，尝试引导发展方向。”

感应焊接发展

KVE Composites自2001年起开发TPC感应焊接。早期应用用碳纤维织物/PPS层压板，含湾流G650和达索Falcon 5X公务机升降舵和方向舵。

KVE Composites协助开发GKN Fokker感应焊接升降舵和方向舵(左)，用于湾流G650(右)和达索Falcon 5X飞机。来源：KVE Composites, GKN Fokker(左)和Gulfstream(右)。

其他感应焊接TPC应用含AVIACOMP S.A.S.（法国Launaguet，现属Sogeclair集团）为空客A220机翼(原庞巴迪CSeries)生产燃油箱检修门。(Aviacomp也生产2017巴黎航展展出的STELIA焊接TPC机身肋条。)

Aviacomp采用KVE Composites开发的感应焊接技术生产空客A220窄体机TPC燃油箱检修门。来源：Aviacomp, Sogeclair集团成员。

此类检修门是TPC焊接降本良机，KVE Composites完成设计制造研究证实。即使小型飞机也有多达60个形状各异的检修面板，通常用复合夹层结构加工蜂窝芯。“若用焊接热塑性组件，仅需$100,000模具成本即可制造飞机所有不同检修面板，大幅节省，”KVE Composites总经理Harm van Engelen说。“无需加工芯材，仅用‘乐高式’组件——平板和冲压加强筋——焊接成各种形状。工具更像焊接夹具，成本远低于现有方案。全机检修面板可在单个焊接单元完成。”

飞机蒙皮面板焊接热塑性组件可用自动化成型焊接单元制造，节省$100,000模具成本。来源：KVE Composites。

KVE Composites持续推进TPC焊接技术，下图时间线展示。底部2019年展示的生产单元为Falko ATL(自动化铺带)机，由Boikon(荷兰Leek)生产，采用GKN Fokker开发的超声焊接末端执行器。“此机器人单元为下一级TPC量产零件提供更高效工艺和控制系统，优于当前拾取定位法，”KVE Composites研发主管Maarten Labordus解释。“例如，可全自动铺设区域喷气式飞机控制面(约60mm×3m)蒙皮和肋条层压板，经非高压釜固结成型步骤，再在相邻焊接单元完成组装。”Falko ATL机也演示GKN Fokker开发的超声焊接闭环控制。“机器能按材料类型、厚度、形状控制能量水平，但平板预成型件完全熔融固结仍需后续成型模塑，”GKN Fokker航空结构研发主管Arnt Offringa解释。

来源：KVE Composites

认证

上图2017年关键发展举措显示，TPC航空结构感应焊接工艺认证是持续优先事项。据KVE Composites即将在2018年10月30-31日德国不来梅第4届国际热塑性复合材料会议展览会(ITHEC)演讲摘要，近年来TPC焊接见证从PPS、PEI等聚合物向PEEK、PEKK及低熔PAEK(LM PAEK，详见我博客“PEEK vs PEKK vs PAEK...”)等高端聚合物转变，并向自动铺放UD带材和更厚层压板用于高载结构转变。响应此趋势，KVE Composites致力于改进标准化工装设备及基于FEA的仿真模型。

新材料感应焊接认证标准化装置。来源：KVE Composites

为协助新复合层压板感应焊接工艺成熟认证，KVE Composites开发单搭接剪切及L/T形撕开试样焊接标准化装置，含：

• 承受焊接施压载荷的刚性框架
• 可在框架下定位的下工具块，实现标准面板可重复焊接
• 下工具块内可单向膨胀的充气芯模(图中压力波纹管)，将待焊层压板压靠特殊热沉(图中“KVE材料”)以将热量限制在焊接界面

通过更换下工具块，可焊接多种标准试样，超声检测后切割小试样做力学测试。此标准化装置已安装于：

• 热塑性复合材料研究中心(TPRC,荷兰Enschede)
• 南卡罗来纳大学McNair中心(美国哥伦比亚SC)
• 荷兰航空航天中心(NLR,荷兰Marknesse)

KVE标准化感应焊接装置(左)和带热电偶记录焊缝温度的UD碳纤维/PEKK焊接样品(右)。来源：KVE Composites。

修复

另一关键领域是TPC航空结构修复。“我们先聚焦已认证飞行的CF织物/PPS结构，”Labordus说。“流程基本同热固性复合材料修复：切除损伤材料、制备斜角疤面、粘接预浸料修补贴片。但热塑性预浸料室温下硬挺不粘，难以匹配几何形状。”他认为空客、汉莎等开发的机器人修复系统可解决此问题。

KVE Composites在焊接结构热塑性复合材料修复持续开发中，实现CF织物/PPS层压板感应焊接2D线性斜角接头，厚度均匀，性能达原始材料90%。来源：KVE Composites。

此类系统用测量技术精确测量机器人加工斜角疤面，再粘接预制经机器人斜角加工匹配的贴片。“我们想用感应焊接将热塑性贴片焊接到原结构，”Labordus说，但仍有问题待解。“视零件贴片形状，涡流不处处形成，会有过冷或过热区域。KVE Composites攻克此难题，实现CF织物/PPS层压板2D线性斜角接头，厚度均匀、焊接完美。‘性能达原始材料90%以上，’Labordus说。”

下步将感应焊接两矩形件各带斜角边，再焊接斜角贴片到圆/椭圆孔带斜角疤面，即热固性复合材料修复通用法。“若奏效，将转向PEEK/PEKK制UD层压板，”Labordus说。他指出现场用感应线圈修复系统未演示，“但实验室可行。”另一问题是如何施加压力确保修补贴片与斜面紧密接触。“实验室工具用5 bar压力。真空袋单独提供压力是否足够不确定，但扁平UD材料可能1 bar真空袋压力即可。”

真空袋下感应焊接——未来现场热塑性复合材料修复潜在推手——由南卡大学McNair中心Michel van Tooren团队开发。来源：Michel van Tooren。

KVE Composites此工作由Michel van Tooren延伸，他是南卡大学McNair中心智能州多功能材料与结构中心主任。“我们在真空袋下感应焊接热塑性复合材料，非常类似当前现场复合材料修复用热粘合器和加热毯，”他解释。“真空袋如软工装压缩两部件。施加感应电流实现熔融修复。只需定义工艺边界参数。某方面比热固性修复更易，因随时可重熔修复，即使地球另一端或服役20年后。结果是内聚整体而非胶粘结合，消除热固性修复中粘结质量判断的所有问题。”他也相信随自动化机器人修复技术发展，“感应焊接修复将相对直观。”

热固性到热塑性焊接

Van Tooren也在开发感应焊接连接热固性和热塑性复合材料。“我们仅在需焊接处向热固性复合材料引入热塑性，”他解释。“在纳米颗粒上接枝并进行少量交联聚合。结果是植入热固性复合材料内并化学共熔的热塑性岛屿。随后可焊接到热塑性岛屿上。”愿景仍是替代钻孔和传统胶粘连接的复合材料连接组装新法。

焊接前PVB热塑性耦合层实现TSC-TSC连接示意图(上)。感应焊接(左)和超声焊接(右)装置(下)。来源：“碳纤维/环氧基复合材料混合焊接”。

热固性复合材料(TSC)层压板与TPC层压板焊接(TS-TP焊接)被多家研究机构追求。印刷版文中提到的开发连续超声焊接TPC领军人物TU Delft的Irene Fernandez Villegas，与意大利莱切大学Francesca Lionetto、意大利CETMA Composites的Silvio Pappadà等合著2017年论文“碳纤维增强环氧基复合材料混合焊接”。基础如下：

• 聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为半结晶低成本热塑性聚合物，熔点150-170°C，具优异粘结成膜性和对多表面附着力。
• PVB(Kuraray供应的Mowital)作耦合层，添加并共固化到14层碳纤维织物/环氧TSC层压板(Hexcel 3501-6预浸料，纤维体积含量58%，180°C固化)。
• PVB耦合层与CF/环氧复合材料间通过PVB树脂在共固化期间部分渗透TSC第一层(典型10至数百微米)及环氧单体扩散入PVB热塑性薄膜，实现宏观机械咬合。
• 感应焊接和超声焊接工艺产生足够强度焊接接头，经PVB耦合层焊接的CF/环氧至CF/环氧接头搭接剪切强度≈25 MPa，处于CF/环氧胶粘接头典型强度范围内。

汽车应用

热塑性焊接印刷文涉及的几乎所有公司均关注汽车与航空航天应用。“焊接助复合材料对标铝合金具竞争力，”GKN Fokker的Offringa说。“汽车也视焊接为胶粘快速替代。我们与多家车企洽谈复合材料快速加工。”他指出碳纤维复合材料车身多为热固性，用指定厚度胶粘。“若用热塑性复合材料并通过焊接组件消除间隙，可制造更刚性车身结构，带来重量、成本、性能收益。”

Composite Integrity动态感应焊接工艺装置。来源：Composite Integrity。

Composite Integrity业务发展经理Jérôme Raynal也见潜力。其公司与STELIA Aerospace合作开发动态感应焊接工艺，用于2017巴黎航展揭幕的TP演示件中CF/PEKK UD带材肋条与机身蒙皮连接。“我们为汽车开发电阻焊接，适用聚酰胺[PA,尼龙]和聚丙烯[PP]复合材料，”Raynal说。“技术多样。例如可在一零件嵌入金属丝，接触另一零件通电。也可在焊接界面放置碳纤维电阻贴片产生焊接热量。”一项开发中，两CF/PA组件用特制电阻贴片焊接，贴片用同种聚合物和玻纤毡制成，电绝缘相邻层压板、聚焦能量于焊线。金属嵌件在汽车零件典型怎么办？“电阻焊接金属嵌件无问题，感应焊接可用专用线圈或以其他方式修改电磁场和电流，”Raynal回复。“需开发，但类似我们已为飞机结构自动化生产演示的技术。”

进一步发展与其他项目

首图注：展示DLR轻量化生产技术中心(DLR ZLP,德国奥格斯堡)开发的自动化工艺CAD渲染图，用KUKA Quantec KR210工业机器人搭载超声焊接头将八段TPC拼接成A320型飞机后压力舱壁(RPB)。配套印刷文讨论DLR ZLP开发的电阻焊接法，用于Premium Aerotec在2018柏林ILA航展展出的A320 RPB演示件。据DLR ZLP装配连接技术组经理Lars Larsen，“并行电阻焊接工艺用‘焊接桥’，我们也开发了机器人驱动超声焊接头。已完成初步测试确定相关焊接工艺参数，未来几月将完善该超声焊接末端执行器在机器人上集成。目标开发单一工业流程，同时焊接飞机机身肋条和用热塑性复合材料制造的后压力舱壁。”

未来待覆盖项目含EireComposites参与Ybridio和Innova项目，探索焊接降本增自动化潜力。该公司报告具备CF/PEEK、CF/PEKK和GF/PP复合材料感应焊接和电阻焊接能力，热塑性焊接曾为庞巴迪CSeries(现空客A220)机翼评估。

Tods Aerospace(现属Unitech Aerospace)参与劳斯赞助的国家航空航天技术开发计划(NATEP)，研究不使用金属嵌件的电阻焊接技术。TenCate-Toray和英国国家复合材料中心(布里斯托)也为合作伙伴。

此工艺演示器探索制造帽型筋TPC结构的方法。来源：Unitech Aerospace(从第6节第39页开始)

敬请期待，我计划近期覆盖汉诺威激光中心(LZH)热塑性复合材料激光焊接发展。

来源：LZH汉诺威激光中心