专家指南：热塑性复合材料焊接技术全解析

与热固性基体复合材料不同，热塑性复合材料(TPC)无需复杂化学反应和漫长固化工艺。热塑性预浸料无需冷藏，货架期近乎无限。航空航天TPC用聚合物——聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)和聚芳醚酮(PAEK)——赋予成品高损伤容限、耐湿耐化学，故热湿条件下不降解。且可再熔融，在修复和报废回收上具潜力。但推动TPC在新型飞机应用的最大驱动力或许是熔融粘接/焊接连接组件的能力。这为连接热固性复合材料(TSC)零件的传统方法——机械紧固和胶粘——提供了极具吸引力的替代方案。

广泛引用的论文“热塑性复合材料熔融粘接/焊接”(Ali Yousefpour, 加拿大国家研究委员会, 渥太华)定义：“熔融粘接工艺涉及加热熔融组件结合面聚合物，随后将这些表面压合使聚合物固化固结。”结果与热固性连接截然不同。

“你在创建一体化结构，如肋条焊接到蒙皮，”GKN Fokker(荷兰Hoogeveen)航空结构研发主管Arnt Offringa解释。“显微镜下只见均质聚合物，故区别于粘接。无分界线、无分层、无可识别连接材料如胶粘剂。只有单一材料，故焊接两侧须用同种聚合物。因此当局接受无机械紧固件的此类连接。”(Offringa用“连接”而非“接头”，因焊接结果非接头而是整体整体。)

事实上，此类焊接TPC结构已飞行数十年。虽电阻焊接和感应焊接为两大成熟法，但超声焊接、激光焊接和传导焊接等也在推进复合材料应用。这些方法持续发展，焊接倡导者寻求预测性工艺仿真软件可靠性、焊接工艺变量在线控制、将焊接工艺延伸至飞机主承力结构生产。

电阻焊接

与KVE Composites Group(荷兰海牙)并列，GKN Fokker是公认TPC焊接开发领军者(见CW对Fokker航空结构考察)。“90年代初我们从电阻焊接起步，”Offringa说。“此法优雅之处在于热量恰好产生于焊接界面。”电流通过焊接界面电阻元件产生热量熔融热塑性聚合物(图1)。但此电阻元件——金属或碳纤维(CF)——留在成品中。“我们开发用PPS涂层金属网作电阻元件的方法，随后认证并在1998年让焊接CF/PPS主起落架舱门在Fokker 50涡桨飞机上飞行，”Offringa说。“这引发与Airbus UK(英国Broughton, Chester)对话，开发玻纤/PPS固定前缘用于A340/A350继而A380宽体机。”GKN Fokker持续电阻焊接研究，主攻碳纤维增强塑料(CFRP)。

技术持续进步。Premium AEROTEC(德国奥格斯堡)在2018柏林ILA航展展示空客(法国图卢兹)A320后压力舱壁演示件。舱壁由八段压制成型CF织物/PPS段经电阻焊接组装。“我们用电阻焊接一段时间了，”德国航空航天中心(DLR)奥格斯堡轻量化生产技术中心(ZLP)主管Dr. Michael Kupke说。“为Premium AEROTEC演示件，我们将焊缝长度延至1.5米。”

ZLP选用碳纤维制电阻元件而非传统不锈钢网。“感应焊接难将温度能量精准控制在焊缝而非零件他处，”Kupke断言。“电阻焊接天然解决此问题，但缺点至今是电阻体残留零件中。”用碳纤维电阻体缓解此劣势。

基础方法不变。“施加电压并在两部件施压获良好固结，”他补。“小件由机器人末端执行器施压，大件需夹具提供夹持压力。”A320后压力舱壁夹具为Premium AEROTEC制造的弧形金属“焊接桥”，内置10个气缸旋转定位至八条焊缝上方施压。

除PPS外，Kupke的DLR ZLP团队验证该工艺亦适用碳纤维织物/PEEK。“若能用PEEK，可适配PEKK、PAEK和PEI，”他补。“UD带材也应可焊，”他注(UD带焊接挑战下文详述)。Kupke称焊接零件厚度无上限，“可3mm或30mm，但须注意焊缝热管理。”

下步将开发系列优化CF电阻元件。“目前仅用现货材料。”Kupke强调这仅演示件非工业工艺。“A320舱壁每道焊缝焊接耗时4分钟，然仅施焊接电流90秒。其余时间为焊缝处PPS热塑性加热冷却。工业化后总时间将缩短，焊接仍仅需60-90秒/1.5米焊缝。”

感应焊接

KVE 2000年代初开始感应焊接。基本技术沿焊缝移动感应线圈。线圈在本征导电CFRP层压板感应涡流，产热熔融热塑性。“从单搭接剪切试样起步，遵循积木法，进阶至L/T接头、基础结构、最终升降舵方向舵，”KVE总经理Harm van Engelen回忆。

公司同步开发计算机仿真。“仿真帮助预测外表面和焊缝温度，”他解释。“需将热量集中焊缝，避免过热相邻区域。表面升温快于界面，须排除该热量。”KVE不仅为热管理技术和工装材料申请专利，还为基于工装的焊接保压法和机器人控制感应线圈焊头申请专利，2005年完成开发。

“此为CFRP提供替代电阻焊接方案，无需感应体或焊接带，”GKN Fokker的Offringa说。“我们许可KVE技术并用于Gulfstream G650升降舵方向舵，自2008飞行至今。”KVE是机器人感应焊接工艺开发产业化关键合作伙伴。精炼二代技术用于Dassault Falcon 5X升降舵方向舵。Van Engelen注：G650焊接虽自动化但分多步完成。“达索单班次一次性完成，”他补。“所有零件装入工具，两升降舵一方向舵隔夜一班焊完。”

2008年KVE开始UD CF/PEKK带材单搭接剪切测试，生产热塑性经济型主承力飞机结构(TAPAS)计划演示件。2010年完成带防雷击(LSP)的UD CF层压板感应焊接3D仿真，处理厚层压板(UD PEEK/PEKK ≤5mm, 碳纤维织物/PPS ≤15mm)。KVE还为波音(美国芝加哥)Phantom Eye无人机设计制造TPC方向舵，波音2011年起生产。2014年生产感应焊接UD CF/PEKK演示件，现与多家OEM和一级供应商合作助推此技术认证用于其他飞机结构。

从织物到UD带材的转变

感应焊接适配碳纤维织物，Offringa说，“但UD带材面临达成量产速度的新挑战集。”

南卡大学McNair中心智能州多功能材料与结构中心主任Dr. Michel van Tooren解释：“CFRP层压板感应需两不同角度纤维——最好角度差最大——产生涡流。”织物中垂直0°和90°纤维取向理想，使层压板每层均能产生涡流。UD层压板叠层常穿插45°层，角度差变小。“涡流加热机制受影响因这些方向非垂直，”KVE研发主管Maarten Labordus补。“层间无明显纤维交叉，仅分层。故较织物层压板需更大功率诱导电流。”

但增大功率不简化焊接管理。平衡电功率与焊缝温度非直接，因感应焊接工艺随叠层序列、层压板厚度和零件几何变化。“故我们研究工艺参数和材料热生成机制，”TPRC技术总监Sebastiaan Wijskamp说。“欲获预测焊接性能的指南和设计工具。若从织物转UD，如何快速切换避免试错？理想是基于纤维聚合物电热导性能、特定铺层及零件几何的仿真，允许按零件设计焊接工艺。我们与KVE和McNair中心Michel van Tooren合作研究，为这些指南工具奠定基础理解。”

“我们量化所有因素——UD对织物、叠层序列、高/低树脂区——建立关系回归通用焊接模型，”Labordus解释(图3)。高树脂区作绝缘阻热，低树脂区(高纤维区)利热。“UD初期预测偏差40%，现控制在10%内，接近CF织物/PPS高精度水平，”Labordus补。

Van Tooren也接近预测UD层压板感应焊接性能。“2018年底将有适用相对简单几何的仿真工具，帮助识别给定应用所需线圈形状、功率、机器人速度和加热曲线。”此预测能力与物理测试并行开发，支持焊接TPC组件用于未来飞机更大主承力结构。Van Tooren实验室作为KVE研究合作伙伴，与KVE海牙设施、荷兰航空航天中心(NLR,阿姆斯特丹)、热塑性复合材料研究中心(TPRC,荷兰Enschede)等四地之一，安装了KVE开发的标准化感应焊接装置(图4)，支持OEM和一级供应商工艺认证(见“热塑性复合材料焊接新视野”)。

定制感应线圈

Composite Integrity(法国Porcelette)采用替代感应焊接法开发“动态感应焊接”工艺，用于STELIA Aerospace(法国图卢兹) Arches TP结构演示项目中CF/PEKK UD带材肋条与机身蒙皮连接，2017巴黎航展揭幕(图5)。Composite Integrity为焊接研究所(IS Groupe, 法国Villepinte)复合材料部门。“汲取IS Groupe百年金属焊接经验，为各材料、厚度、零件形状设计制造优化感应线圈，含织物、无捻织物和UD专用线圈，”Composite Integrity业务发展经理Jérôme Raynal解释。“UD核心问题无焊接节点产生感应电流，故需特定线圈——本案为多线圈。”

Composite Integrity前身Pôle de Plasturgie de l'Est(PPE)成立25年，是法国航空企业树脂传递模塑(RTM)和环氧树脂灌注飞机结构领军者。2016年并入IS Groupe，与Aviacomp(法国Launaguet)合作开发共固结焊接技术用于空客A350飞机TPC燃油检修门。“成型内外复合零件表面电阻组件向焊缝输入热量，”Raynal说。

Composite Integrity 2015年起参与STELIA Arches TP项目，实现机身尺寸曲面件感应焊接。工艺称“动态”因机器人沿机身长向焊接肋条且适应3D形状，含焊接中Z向运动。“STELIA演示件中肋条和蒙皮均厚度变化，”Raynal解释。铝轨作固定夹具防止肋条焊接时位移。演示件中压力由焊头两辊施加，辊位于线圈上方。焊接时辊沿肋条靠固定轨滚动，线圈越过焊缝移动。

“现开发新专利待批焊头，用单辊提升焊缝力学性能，”Raynal注。“焊头集成吹气冷却装置确保低于结晶温度，卸压后无脱实风险。”

冷却设计也影响焊缝处热塑性基体结晶度。“测量结晶度满足航空标准，建立对应焊接工艺参数，”Raynal解释。速度也是因素。“演示件速度2 m/min，现目标5 m/min，”他说。“管理PEEK/PEKK冷却结晶度更复杂，影响整体焊接速度，但用空客认证有机片两者均获良好结果。”目前最大焊接厚度5mm。“已演示此厚度，约结构组件典型厚度，”Raynal观察。“STELIA用碳纤维作导体无界面金属，现开发技术焊接任意纤维——如玻纤——亦无金属网。界面不加材料却能UD焊织物、UD焊UD，无问题，”他称。

超声焊接

第三常用技术超声焊接，GKN Fokker亦有丰富经验。工艺用声极产生高频(20-40 kHz)振动致焊接面摩擦热熔融。

“适合点焊，”Offringa注，湾流飞机“我们用超声焊接将50,000+注塑成型TPC件连接到地板面板。极快高度自动化，但仅单点焊接。”仍见其在Clean Sky 2计划多功能机身演示件集成机身生产潜力(见“热塑性复合材料焊接新视野”)。“机身支架常胶粘/铆接/螺栓连接到现有热固性复合材料机身结构，”Offringa观察。“超声焊接可实现支架极好连接，支架常为无增强热塑性。”

超声焊接用于塑料数十年，典型焊接界面用能量导向器。这些三角形/矩形纯树脂脊模制于待焊表面，增加局部热生成。但TU Delft的Irene Fernandez Villegas证实0.08mm厚无增强热塑性薄膜可替代。“她在开发连续超声焊接，”Offringa说，此工作在Clean Sky 2持续。

其2016年论文“热塑性复合材料智能超声焊接”称可通过顺序焊接放大超声焊接工艺——即让相邻点焊连续线代替连续焊缝。实验室顺序点焊用于Clean Sky EcoDesign演示件TPC机身面板，用扁平能量导向器焊接CF/PEEK铰链和CF/PEKK卡扣到CF/PEEK C型框架(图6)。双搭接剪切和拉穿测试与机械紧固接头实验对比显示前景。TU Delft团队成员Tian Zhao 2018年论文进一步探索。

Kupke报告DLR ZLP也在研究机器人基连续超声焊接。“点焊为现有技术状态，我们的是真正连续，”他说。“在约1米测试台优化工艺，用不同材料配置做参数研究。虽焊接机和数字控制为机器人操作器设计，仍探索如何完善焊头、各材料层压厚度的最佳速度能量。目标展示可极长焊接，如机身接缝。”

激光焊接

虽Yousefpour 2004年TPC焊接技术综述讨论激光透射焊接，但此后由汉诺威激光中心(LZH,德国)显著推进。此工艺激光先穿透近红外光谱透明/半透明零件(如无增强热塑性或玻纤TPC)，再被相邻第二零件碳纤维或导电添加剂吸收，将激光能转化为热，在两材料间形成焊缝。

GKN Fokker的Offringa指出许多注塑成型飞机支架激光透明。他见巨大潜力用激光焊接实现这些支架与CFRP机身结构无孔、无粉尘、无紧固件组装。虽增强类型和层压厚度影响焊接，LZH在热塑性复合材料结构激光透射焊接项目(LaWoCS, 2010-2013)中演示玻纤和碳纤增强PPS及聚醚酰亚胺(PEI)层压板良好结果，项目含KVE、TenCate Advanced Composites(荷兰Nijverdal)、Unitech Aerospace(英国Yeovil)和Element Materials Technology(英国Hitchin)。LZH为此技术申请专利，并因“模块化热塑性加筋面板”入围2018 JEC World创新奖航空航天应用类决赛。项目合作伙伴含德国Fraunhofer ICT(平茨塔尔)、Airbus Operations(汉堡)、ElringKlinger(德廷根)、KMS Automation(施拉姆贝格)及TenCate。

传导焊接

产业化感应焊接后，GKN Fokker开发传导焊接(图7)。“这是新技术，”Offringa说。“某种热熨斗通过至少一零件传导热量连接。像电阻焊接，工艺时间与焊缝长度无关——无论接头0.5米或10米，工艺时间相同。”因两技术均用电力在几秒内沿长度供热。JEC 2014展出的TPC正交网格机身面板采用传导焊接。“框架二次用机器人焊接末端执行器焊接，”Offringa说。“机身面板弯曲、框架较短。但此法可能适合焊接6-10米长肋条到机身蒙皮。”

在线工艺控制与展望

成熟TPC焊接用于机身结构的关键步骤是原位监控管理工艺。“目前感应焊接工艺预配置，”KVE的van Engelen说。“焊缝热电偶校准工艺。但我们倾向测量焊缝温度反馈控制线圈功率。”

“焊接工艺数字化控制、全程数据存储，”GKN Fokker的Offringa说，“但向基于实时温度测量的在线工艺控制迈进。”他信电阻/感应焊接几年内可实现，超声焊接已相当接近。TU Delft的Villegas称顺序超声焊接在线监控可基于焊机提供的功率位移曲线，快速定义最优工艺参数。

除工艺控制，KVE也研发在线检测。“焊缝有问题就返工重焊，”van Engelen说。

“这正是热塑性复合材料之妙，”Composite Integrity的Raynal注。“返焊不损伤材料。我们有电阻焊接焊接和去焊解体技术，通电拆解。”其公司也开发在线检测。“感应焊接头后将设热成像单元实时热成像检查焊缝，”Raynal说。Van Tooren也追求在线监控检测，用光纤传感器含Luna(美国罗阿诺克)ODiSI系统，每米提供1000+传感点。

TPRC和Van Tooren各有持续项目开发大型曲面结构、变厚度(含肋条叠层增减)感应焊接在线控制。Van Tooren也开发真空袋下感应焊接。“变成待焊两表面压缩的软工装，”他说，目前瞄准潜在修复应用(见“热塑性复合材料焊接新视野”)。Van Engelen列举KVE未来开发含TPC修复、玻纤TPC感应焊接、非航空应用、通量聚焦器。“开发反射材料聚焦电磁场于焊缝，”他解释。“要把能量导向此处而非零件外表面。通量聚焦器引导能量，类比自动铺带引导纤维至所需位置。”

“我们仍在开发所有焊接技术，”Offringa总结，“探索新技术。最重要的是，不认为单一技术最有前景，而是各有其位。”

Wijskamp注：近期Clean Sky 2征集提案显示空客欲用焊接TPC于大型机身结构。“但我们在2009年以来加入的19合作伙伴中已见此趋势。”

Van Tooren信焊接无紧固件大型组件(如非全机身)触手可及。“首选波音新中型飞机，但肯定下一代飞机。”