焊接热塑性复合材料

与用热固性制成的复合材料不同 基质，热塑性 复合材料 (TPC) 既不需要复杂的化学反应，也不需要冗长的固化过程。热塑性预浸料不需要冷藏，可提供几乎无限的保质期。用于航空航天 TPC 的聚合物——聚苯硫醚 (PPS)、聚醚酰亚胺 (PEI)、聚醚醚酮 (PEEK)、聚醚酮酮 (PEKK) 和聚芳基酮 (PAEK)——在成品部件中具有很高的耐损伤性，以及耐湿性和耐化学性，并且，因此，不会在热/湿条件下降解。它们可以重新熔化，在维修和报废可回收性方面有很大的好处。但也许 TPC 用于开发飞机的最大驱动力是通过熔接/焊接连接组件的能力。它提供了一种有吸引力的替代传统方法 - 机械紧固和粘合剂粘合 - 用于连接热固性复合材料 (TSC) 部件。

正如加拿大国家研究委员会（加拿大安大略省渥太华）的 Ali Yousefpour 在广泛引用的论文“热塑性复合材料的熔融粘合/焊接”中所定义的那样，“熔融粘合的过程包括加热和熔化粘合上的聚合物部件的表面，然后将这些表面压在一起以进行聚合物固化和固结。”结果与热固性连接非常不同。

“您正在创建一个统一的结构，例如焊接到蒙皮上的肋骨，”GKN Fokker（荷兰霍格文）航空结构 R&T 负责人 Arnt Offringa 解释说。 “在显微镜下观察时，您只能看到均质聚合物，因此这与粘合不同。没有分界线，没有裂口，没有粘合剂等可识别的接合材料。只有一种材料，这就是您在焊缝两侧使用相同聚合物的原因。因此，当局将接受这种没有机械紧固件的连接。” （Offringa 在这里使用“连接”这个词是因为焊接过程的结果不是连接，而是一个整体。）

事实上，这种焊接的 TPC 结构已经飞行了几十年。虽然电阻焊和感应焊是两种最成熟的方法，但其他方法，包括超声波焊接、激光焊接和传导焊接，正在被先进用于复合材料。随着焊接支持者在预测过程模拟软件中寻求必要的可靠性、增加焊接过程变量的在线控制以及将焊接过程扩展到飞机主要结构的生产，这些方法的开发仍在继续。

电阻焊

与 KVE Composites Group（荷兰海牙）一起，GKN Fokker 是 TPC 焊接开发领域公认的领导者（参见 CW 的福克航空结构之旅）。 “我们在 1990 年代初期开始使用电阻焊接，”Offringa 说。 “这种方法的优点在于，热量恰好在焊接界面处产生。”电流通过焊接界面处的电阻元件，产生热量并熔化热塑性聚合物（图 1）。然而，这种电阻元件——金属或碳纤维 (CF)——留在成品部件中。 “我们开发了一种使用 PPS 涂层金属网作为电阻元件的方法，然后对 Fokker 50 上的电阻焊接 CF/PPS 主起落架门进行了认证和飞行 1998 年的涡轮螺旋桨飞机，”Offringa 说。 “然后这导致了与英国空中客车公司（英国布劳顿，切斯特）的对话，以及为 A340/A350 和 A380 宽体飞机开发玻璃纤维/PPS 固定前缘。” GKN Fokker 继续其电阻焊研究，主要集中在碳纤维增强塑料 (CFRP)。

技术进步了。 Premium AEROTEC（德国奥格斯堡）在 2018 年 ILA 柏林航展上展示了一架空客（法国图卢兹）A320 后压舱壁演示机。隔板包括通过电阻焊接组装的八个压制成型的 CF 织物/PPS 段。 “我们一直在使用电阻焊，”位于奥格斯堡的德国航空航天中心 (DLR) 轻型生产技术中心 (ZLP) 负责人 Michael Kupke 博士说。 “对于 Premium AEROTEC 演示器，我们将熔接线长度延长至 1.5m。”

ZLP 选择了由碳纤维制成的电阻元件，而不是传统的不锈钢网。 “对于感应焊接，很难在您想要的地方获得温度和能量，而不是在零件的其他地方，”库普克断言。 “对于电阻焊接，这本来就可以解决，但到目前为止，缺点是电阻器留在零件中。”使用碳纤维电阻可以缓解这个缺点。

但是，基本方法保持不变。 “你施加电压并在两个部件上施加压力以获得良好的整合，”他补充道。 “对于较小的零件，机器人末端执行器会施加压力，但对于较大的零件，您需要一个夹具来提供夹紧压力。” A320 后压舱壁的夹具是由 Premium AEROTEC 制造的弯曲金属“焊接桥”（图 2）。它旋转到八条焊缝中的每一条上方，并通过内部的 10 个气缸施加必要的压力。

除了 PPS 之外，Kupke 的 DLR ZLP 团队已经验证该工艺也适用于碳纤维织物/PEEK。 “如果您可以使用 PEEK，您就可以适应 PEKK、PAEK 和 PEI，”他补充道。 “我们也应该能够焊接单向 (UD) 胶带，”他还指出（下文解释了与焊接 UD 胶带相关的挑战）。 Kupke 表示，对焊接部件的厚度没有限制，“可以是 3 毫米或 30 毫米，但必须注意焊缝处的热管理。”

他说下一步将是开发一系列优化的 CF 电阻元件。 “我们现在只是使用现成的材料。” Kupke 指出这只是一个示范，而不是一个工业过程。 “为了工业化，我们会做一些不同的事情。 A320 舱壁中每个接头的焊接过程需要 4 分钟，但是，仅施加了 90 秒的焊接电流。剩余时间用于加热和冷却熔接线处的 PPS 热塑性塑料。随着工业化，我们相信总时间会更快，并且每 1.5m 连接仍然只需要 60-90 秒的焊接时间。”

感应焊接

KVE 于 2000 年代初开始使用感应焊接。基本技术包括沿熔接线移动感应线圈。线圈在固有导电的 CFRP 层压板中感应出涡流，从而产生热量并熔化热塑性塑料。 “我们从单搭接剪切试样开始，遵循积木方法，然后发展到 L 型接头、T 型接头，然后是基本结构，最后是升降舵和方向舵，”KVE 董事总经理 Harm van Engelen 回忆道。

该公司同时开发了计算机模拟。 “仿真可帮助您预测外表面和焊缝处的温度，”他解释说。 “您需要将热量集中在焊缝中，但不要让相邻部分过热。顶面比界面升温得更快，所以你必须摆脱这种热量。” KVE 不仅获得了由此产生的热管理技术和工具材料的专利，而且还为其在焊接过程中保持压力的基于工具的方法以及它在 2005 年开发的感应线圈和焊头的机器人控制申请了专利。

GKN Fokker 的 Offringa 说：“这为 CFRP 提供了一种不需要基座或焊带的电阻焊替代方案。” “我们获得了 KVE 技术的许可，并在湾流 G650 上实施了它 自 2008 年以来一直在飞行的升降舵和方向舵。” KVE 是机器人感应焊接工艺开发和产业化的重要合作伙伴。达索 Falcon 5X 的升降舵和方向舵采用了经过改进的第二代技术 . Van Engelen 指出 G650 的焊接 是自动化的，但分多个步骤完成。 “对于达索，它是一次性完成的，”他补充道。 “所有零件都放入工具中，然后在一个班次中焊接两个升降舵和一个方向舵。”

到 2008 年，KVE 已开始对 UD CF/PEKK 胶带进行单圈剪切 (SLS) 测试，并正在为热塑性经济实惠的主要飞机结构 (TAPAS) 计划生产演示器。到 2010 年，它已经完成了具有防雷击保护 (LSP) 的感应焊接 UD CF 层压板的 3D 模拟，并已使用厚层压板（UD PEEK 和 PEKK ≤ 5 mm，碳纤维织物/PPS ≤ 15 mm）。 KVE 还为波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）Phantom Eye 设计并制造了 TPC 方向舵 无人机，波音随后于 2011 年开始生产。到 2014 年，该公司已经生产了感应焊接的 UD CF/PEKK 演示器，现在正与多家原始设备制造商和一级供应商合作，以帮助验证该技术适用于其他飞机结构。

从织物到 UD 胶带

Offringa 说，感应焊接非常适合碳纤维织物，“但使用 UD 胶带，要达到生产速度面临着一系列新的挑战。”

正如南卡罗来纳大学（美国南卡罗来纳州哥伦比亚市）麦克奈尔中心的一部分 SmartState 多功能材料和结构中心主任 Michel van Tooren 博士所解释的那样，“对于 CFRP 层压板的感应，您需要在两个不同的角度——最好是尽可能远的角度——以产生涡流。”机织织物中垂直的 0° 和 90° 纤维取向是理想的，能够在层压板的每一层中产生涡流。然而，对于 UD 层压堆叠，通常有 45° 的层片散布，以便角度差更小。 “涡流加热机制受到影响，因为这些方向不是垂直 ，KVE 的研发主管 Maarten Labordus 补充道。 “层之间也没有明显的纤维交叉，它们只是分层。因此，与织物层压板相比，您需要更多的功率来感应电流。”

然而，增加更多的功率并不能使焊接过程的管理变得更容易。在焊缝处平衡电功率和温度并不简单，因为感应焊接过程不仅会随着堆叠顺序而变化，还会随着层压板厚度和零件几何形状而变化。 TPRC 的技术总监 Sebastiaan Wijskamp 说：“因此，我们研究了工艺参数以及材料中的热量是如何产生的。” “我们希望有指导方针和设计工具来提前预测焊接性能。如果您想从结构切换到 UD，您如何快速完成此操作而无需经过反复试验的过程？理想情况下，基于纤维和聚合物的导电性和导热性特性的模拟，即使对于特定的叠层，也考虑到零件的几何形状，可以让您设计每个零件的焊接工艺。我们正在麦克奈尔中心与 KVE 和 Michel van Tooren 进行合作研究，以加深对这些指南和工具的基本理解。”

“我们正在量化所有这些因素——UD 与织物、堆叠顺序、树脂较多和树脂较少的区域——并建立它们之间的关系，然后我们将其重新添加到一般焊接模型中，”Labordus 解释道（图 3） .树脂含量高的区域充当隔离器，阻滞热量，而树脂含量较低（纤维含量较高）的区域则有助于加热。 “起初，我们使用 UD 的焊接预测降低了 40%，但现在我们降低了 10%，并且接近我们对 CF 织物/PPS 的高精度水平，”Labordus 补充道。

Van Tooren 也接近能够预测 UD 层压板的感应焊接性能。 “到 2018 年底，我们将拥有一款适用于相对简单几何形状的仿真工具，帮助确定给定应用所需的线圈形状、功率、机器人速度和加热曲线。”这种预测能力正在与物理测试同时开发，以支持在未来飞机的更大主要结构中使用焊接 TPC 组件。 Van Tooren 的实验室是 KVE 的研究合作伙伴，也是 KVE 在海牙、荷兰航空航天中心（NLR，阿姆斯特丹）和 ThermoPlastic 复合材料研究中心（TPRC，恩斯赫德，荷兰）的四个站点之一，安装了一个KVE 开发的标准化感应焊接设置（图 4），以支持 OEM 和一级供应商的工艺认证（参​​见“焊接热塑性复合材料的新视野”）。

定制感应线圈

Composite Integrity（法国 Porcelette）使用另一种感应焊接方法开发了“动态​​感应焊接”工艺，用于在 STELIA Aerospace（法国图卢兹）拱门 TP 结构演示中连接 CF/PEKK UD 带状纵梁和机身蒙皮项目，在 2017 年巴黎航展上亮相（图 5）。 Composite Integrity 是 Institut de Soudure（IS Groupe，Villepinte，法国）内的复合材料部门。 “我们利用 IS Groupe 在焊接金属方面 100 多年的经验来设计和制造我们自己的感应线圈，这些线圈针对每种材料、厚度和零件形状进行了优化，包括用于机织织物、非卷曲织物和 UD 的特定线圈，”Composite Integrity 业务部解释说开发经理 Jérôme Raynal。 “UD 的主要问题是没有焊接节点来产生感应电流，所以我们需要一个特定的线圈——在这种情况下，是一个多线圈。”

Composite Integrity 于 25 年前成立为 Pôle de Plasturgie de l’Est (PPE)，是法国航空航天公司树脂传递模塑 (RTM) 和环氧树脂灌注飞机结构领域的领导者。它于 2016 年并入 IS Groupe，与 Aviacomp（法国劳纳盖）合作开发用于空客 A350 飞机 TPC 燃料检修门的共固结焊接技术。 “成型的内部和外部复合材料部件表面上的电阻组件会将热量带入熔接线，”Raynal 说。

Composite Integrity 于 2015 年开始从事 STELIA Arches TP 项目，能够感应焊接机身尺寸的弯曲部件。这个过程被描述为“动态的”，因为机器人沿着机身的长度焊接纵梁和 适应 3D 形状，包括焊接过程中沿 z 方向的移动。 “STELIA 演示器中的纵梁和蒙皮都有厚度变化，”Raynal 解释说。铝制导轨用作固定夹具，以防止纵梁在焊接时在蒙皮上移动。对于演示器，通过焊头中的两个滚轮施加压力。这些位于线圈上方。在焊接过程中，当线圈在焊接线上移动时，滚轮沿着纵梁运行，靠近固定导轨。

“我们现在开发了一种新的、正在申请专利的焊头，它使用单个滚轮并增加了焊缝机械性能，”Raynal 指出。 “我们还有一个冷却装置，在压力下向焊接表面吹气，以确保我们低于结晶温度，因此一旦释放压力，就不会有解压的风险。”

冷却措施也会影响熔接线处热塑性基质的结晶度。 “我们通过测试来测量结晶度是否符合航空航天标准，然后为焊接过程建立相应的参数，”Raynal 解释说。速度也是一个因素。 “对于演示者，速度是 2 m/min，但我们现在的目标是 5 m/min，”他说。 “管理 PEEK 和 PEKK 的冷却时间和结晶度更为复杂，这会影响整体焊接速度，但我们使用空客认证的常规有机薄板对两者都取得了良好的效果。”迄今为止，焊接零件的最​​大厚度为 5 毫米。 “我们已经证明了这一点，这与结构部件的厚度大致相同，”Raynal 观察到。 “对于 STELIA，我们使用碳纤维作为导体，界面中没有金属，但现在我们正在开发技术来焊接任何纤维——例如玻璃纤维——也没有金属网。我们没有在接口处添加材料，但可以毫无问题地将 UD 焊接到编织和 UD 到 UD，”他声称。

超声波焊接

第三个最常见的技术是超声波焊接，这是 GKN Fokker 拥有丰富经验的另一项技术。该过程使用超声波发生器产生高频 (20-40 kHz) 振动，从而在焊接表面产生摩擦热和熔化。

“这对点焊很有好处，”Offringa 说，并指出对于湾流飞机，“我们已经使用超声波焊接将 50,000 多个注塑成型的 TPC 部件连接到地板上。它非常快速且高度自动化，但它是点焊，仅在一个位置。”尽管如此，他还是看到了这种方法在生产集成机身方面的潜力，就像清洁天空 2 计划的多功能机身演示中提出的那样（参见“焊接热塑性复合材料的新视野”）。 “机身支架通常与当前的热固性复合材料机身结构粘合、铆接或螺栓连接，”Offringa 观察到。 “通过超声波焊接，您可以实现与支架的良好连接，这些支架通常是未增强的热塑性塑料。”

几十年来，超声波焊接一直用于塑料，通常与能量导向器一起使用 在焊接界面。这些三角形或矩形的纯树脂脊，模制在待焊接的表面上，增加了局部热量的产生。然而，代尔夫特理工大学（荷兰代尔夫特理工大学）的 Irene Fernandez Villegas 表明，可以使用 0.08 毫米厚的未增强热塑性薄膜代替它们。 “她正在努力开发连续超声波焊接，”Offringa 说，这项工作正在 Clean Sky 2 中继续进行。

在她 2016 年发表的题为“热塑性复合材料的智能超声波焊接”的论文中，Villegas 指出，可以通过顺序焊接来扩大超声波焊接工艺的规模——也就是说，让连续的相邻点焊线与连续焊接的目的相同。焊道。 Clean Sky EcoDesign 演示器的 TPC 机身面板中使用了实验室规模的顺序点焊，使用平面能量导向器将 CF/PEEK 铰链和 CF/PEKK 夹子焊接到 CF/PEEK C 框架（图 6）。在双搭接剪切和拉穿测试中与机械紧固接头的实验比较显示出前景。 Villegas 的代尔夫特理工大学团队成员赵天在 2018 年的论文中进一步探索了该过程。

Kupke 报告说，DLR ZLP 也在致力于基于机器人的连续超声波焊接。 “点焊是目前最先进的技术，但我们的技术是真正连续的，”他说。 “我们正在一个大约 1 米长的测试台上优化流程，使用不同的材料和配置进行参数研究。虽然焊接机和数字控制是为机器人机械手设计的，但我们仍在探索如何改进头部以及哪种速度和能量最适合每种材料和层压板厚度。我们的目标是展示您可以进行非常长的焊接，例如机身的接头。”

激光焊接

尽管 Yousefpour 在 2004 年对 TPC 焊接技术的评论中讨论了激光透射焊接，但此后，Laser Zentrum Hannover e.V. （LZH，汉诺威，德国）。在此过程中，激光首先穿过在近红外光谱范围内透明或部分透明的部件（例如，未增强的热塑性塑料或玻璃纤维 TPC）。然后光线被第二个相邻部件中的碳纤维或导电添加剂吸收，将激光能量转化为热量，从而在两种材料之间形成焊接。

GKN Fokker 的 Offringa 指出，许多注塑成型的飞机支架是激光透明的。他看到了使用激光焊接将这些支架组装到 CFRP 机身结构上的巨大潜力，没有孔、灰尘或紧固件。尽管增强材料类型和层压板厚度都会影响焊接，但 LZH 在热塑性复合材料结构的激光传输焊接项目 (LaWoCS, 2010-2013) 中证明了玻璃纤维和碳纤维增强 PPS 和聚醚酰亚胺 (PEI) 层压板的良好效果。还包括 KVE、TenCate Advanced Composites（Nijverdal，荷兰）、Unitech Aerospace（Yeovil，英国）和 Element Materials Technology（Hitchin，英国）。 LZH 已获得这项技术的专利，并凭借“模块化热塑性加强板”入围了 2018 年 JEC 世界创新奖的航空航天应用类别决赛，其中将冲压成型的 CFRTP 加强网格激光焊接到复合材料蒙皮上。项目合作伙伴包括德国公司 Fraunhofer ICT (Pfinztal)、Airbus Operations (Hamburg)、ElringKlinger (Dettingen an der Erms) 和 KMS Automation (Schramberg) 以及 TenCate。

传导焊接

工业化感应焊接后，GKN Fokker 开发了传导焊接（图 7）。 “这是一项新技术，”Offringa 说。 “一种热铁用于通过至少一个要连接的零件传导热量。与电阻焊一样，加工时间与焊缝长度无关——因此，无论连接是半米还是 10 米，两者的加工时间都是相同的。”这是因为这两种技术都使用电力在几秒钟内沿着长度提供热量。 JEC 2014 展出的 TPC orthogrid 机身面板采用传导焊接。 “使用带有焊接末端执行器的机器人在第二步中焊接框架，”Offringa 说。 “机身面板是弯曲的，框架相当短。但是，这种方法可以很好地将 6-10m 长的纵梁焊接到机身蒙皮上。”

内联过程控制及其他

成熟的机身结构 TPC 焊接的一个关键步骤是能够在现场监控和管理过程。 “现在，我们的感应焊接工艺是预先配置好的，”KVE 的 van Engelen 说。 “我们在焊缝中使用热电偶来校准过程。但我们更喜欢测量焊缝中的温度并将其反馈给线圈以管理电源。”

GKN Fokker 的 Offringa 说：“我们的焊接过程是数字控制的，所有过程数据都被存储起来，但我们正在转向基于实时温度测量的在线过程控制。”他相信感应焊和电阻焊在几年内就有可能实现，而超声波焊接已经相当接近了。代尔夫特理工大学的 Villegas 表示，基于焊机提供的功率和位移曲线，可以对顺序超声波焊接进行原位过程监控，从而可以快速定义最佳工艺参数。

除了过程控制，KVE 还致力于在线检测。 “如果焊缝出现问题，我们只需返回并重新焊接，”van Engelen 说。

“这就是热塑性复合材料如此出色的原因，”Composite Integrity 的 Raynal 指出。 “重新焊接不会伤害他们。我们有特定的技术，可以通过电阻焊进行焊接和去焊，通过注入电流进行拆卸。”他的公司也在开发在线检测。 “我们将在感应焊头之后安装一个热成像单元，并使用实时热成像检查焊缝，”Raynal 说。 Van Tooren 也在进行现场过程监控和检查，但使用光纤传感器，包括来自 Luna（美国弗吉尼亚州罗阿诺克）的 ODiSI 系统，该系统每米提供 1,000 多个传感器点。

TPRC 和 van Tooren 各自都有正在进行的项目，以开发用于感应焊接大型弯曲结构和不同厚度的在线过程控制，包括纵梁中的层板堆积和脱落。 Van Tooren 也在开发真空袋下的感应焊接。他说：“它变得像用于压缩被焊接的两个表面的软工具，”目前的目标是潜在的修复应用（参见“焊接热塑性复合材料的新视野”）。 Van Engelen’s list of KVE future developments also includes TPC repair, induction welding of glass fiber TPCs, nonaerospace applications and flux concentrators. “We are developing reflective materials to concentrate the electromagnetic field at the weldline,” he explains. “You want to put the energy here instead of at the part’s outer surface. With these flux concentrators, you direct the energy, similar to how you direct fiber where you want, using automated placement.”

“We are still developing all of the welding technologies,” Offringa sums up, “and exploring new ones. Most importantly, we don’t think there is a single technology with the most promise, but that each has its place.”

Wijskamp notes that with the recent Clean Sky 2 calls for proposals, it has become clear that Airbus wants to use welded TPCs in large airframe structures. “But we have seen this already in our 19 partners that have joined since 2009,” he adds.

Van Tooren believes that a welded, fastenerless, large component, if not a full fuselage, is within reach. “Preferably, on the Boeing New Midsize Airplane, but definitely the next aircraft.”