摘要:与热固性复合材料相比,热塑性复合材料在航空航天应用中表现优异,因为它们的可焊接性是一个关键优势。该功能简化了制造过程,允许精确组装复杂形状,降低成本,加快生产。此外,它简化了维护,使损坏零件的维修或更换变得容易,从而延长了车辆寿命并最大限度地减少了停机时间。凭借卓越的强度重量比和耐腐蚀性和疲劳性,可焊接的热塑性复合材料确保了在苛刻的航空航天环境中的可靠性能。总体而言,它们的可焊性提高了航空航天应用的效率、通用性和安全性。本文首先概述了各种焊接工艺,并讨论了航空工业中装配工艺的特殊挑战。然后,这项工作从作者的角度出发,重点关注电阻焊和超声波焊接这两种最有前景的工艺的工业化。
来源:杨超凡
1.导言
回顾过去150年的航空历史,揭示了人类优化飞机结构设计和起飞质量的系统方法。最初,人们使用了可接近的有机材料,如木材、织物和简单的半成品金属制品,如金属丝。在民用和军用飞机飞行载荷和机动性增加的推动下,越来越多地使用金属材料,如格子机身结构中的钢和外壳结构中机身用铝制成的轻金属合金。
下一步,飞机设计的转变已从使用金属结构转向使用热固性基质材料的纤维复合材料结构,如空客A350和波音787所示。使用热固性材料时,粘合剂粘合可以帮助将载荷更均匀地分布在整个接合面上,从而减少应力集中。然而,粘合剂粘合是劳动密集型的,需要大量的表面处理,并且固化时间很长。此外,由于多种因素,主要是对表面处理、固化周期条件的依赖,以及缺乏能够全面评估接头质量的无损检测方法,粘合剂粘合不易用于主要航空航天结构。
热塑性基复合材料的主要优点之一是可以焊接或熔融粘合,而不是机械紧固件或粘合剂粘合,这使得生产过程能够改变和更有效。在空中客车公司,子部件首先在主要部件装配(MCA-Major Component Assembly )中组装成成品结构,然后在下一步通过最终装配线(FAL-Final Assembly Line )的人工工作配备液压和电气系统。结构组装和系统集成之间的这种严格分离是基于这样一个事实,即钻孔和铆接金属结构会产生碎屑,可能损坏已安装系统。然而,一旦结构安装完毕,诸如货物区的可达性就会受到严重限制,这使得工人难以进行人体工程学设计,自动化几乎是不可能的。通过使用不产生碎屑的焊接技术,可以改变这种顺序,从而在组装过程中使用更多的自动化。例如,机身壳体可能已经自动配备了系统,然后只需要在组装结构时将其连接在一起。
因此,航空航天应用焊接技术的发展和成熟是当前研究和工业的重点。此外,每一项新技术都经历着从最初的想法到工业化应用的发展过程。里程碑通常被称为技术准备水平(TRL-Technology Readiness Level),包括基础科学研究(知识开发)、技术可行性分析(技术开发)和在真实产品环境中的最终工业化(业务开发),见图1.。轻量化生产技术中心(ZLP)隶属于德国航空航天中心结构与设计研究所,其任务是将新技术的科学方法应用于真实的部件几何形状,以开发和制造技术演示。随着对全尺寸演示的自动化、机器人辅助生产的关注,TRL 3至TRL 6将得到证实。根据可行性研究的结果,各行业合作伙伴可以在工业规模上开发和实现最终实施。

2. 航空航天应用中的焊接技术路线图
一般来说,热塑性复合材料的连接可分为机械紧固、粘合剂粘合、溶剂粘合、共固结和熔融粘合或焊接。热塑性焊接工艺利用了热塑性材料的可熔性物理特性。如1中所述,在这个过程中,大分子的原子由于热量输入而增加的振荡能量而变得可移动,这使得分子能够相互滑动。在这种状态下,待焊接的接合伙伴的表面可以相互扩散。在随后的冷却过程中,聚合物再次固结,形成材料连接。这种连接的质量与压制成型部件的质量非常相似。
有几种方法可以对不同的焊接工艺进行分类。一种变体是根据产生热量的方式对过程进行分组。图2显示了热焊接、摩擦焊接和电磁焊接类别中的焊接工艺。
如今,螺栓、铆钉和其他紧固件几乎只用于单个零件的组装和整个飞机的组装,例如金属空客A320或波音737。数以百万计的这些机械紧固件用于整个飞机,如今这些紧固件通常由工人手工钻孔。一架大型飞机可以包含数千个铆钉,这在重量中占相当大的比例。然而,如果这些孔的钻孔不理想,存在定位和方向误差,则会导致飞机疲劳寿命缩短。先进的连接技术,包括焊接,可以降低成本、重量和零件数量,主要是通过减少紧固件的使用。通过采用焊接等直接连接方法来消除对紧固件的需求是一个明确的目标。与金属或热固性复合材料相比,焊接热塑性复合材料结构有可能将循环时间减少80%,重量减少50%。此外,最先进的钻孔和紧固需要大量的制造步骤,这使得该过程复杂且昂贵。以下列表显示了使用机械紧固件连接可能需要的步骤:

1. 表面处理:清洁和处理表面,以防止腐蚀并确保适当的附着力。
2. 钻孔位置标记:使用模板或自动化系统标记钻孔的确切位置。
3. 钻孔:高速钻孔,有时由CNC控制,在工件上创建精确的孔。
4. 去毛刺:去除钻孔中的毛刺和锐边,以防止损坏铆钉并确保平稳配合。
5. 清洁:清洁孔洞和周围区域,清除碎屑和污染物。
6. 热处理:一些铆钉在安装前需要热处理以提高延展性。
7. 对齐:使用专用工具或自动化系统在钻孔中对齐铆钉。
8. 涂抹密封胶:在某些铆钉上,必须先在钉杆上涂抹密封胶,然后才能插入。
9. 铆接:使用气动、液压或手动铆钉枪插入铆钉并使其变形,形成牢固的接头。
10. 目视检查:目视检查铆钉和接头是否正确安装。
11. 无损检测(NDT):使用超声波X射线和染色渗透检测对零件进行检查,以检测内部缺陷并确保结构完整性。
12. 表面处理:在铆接区域涂上保护涂层、密封剂或油漆,以防止腐蚀并提高美观性。
13. 文件:在详细报告中记录所有步骤、检查和测试,以确保可追溯性和质量保证。
如果将当今金属行业的铆接与焊接进行比较,机械连接乍一看仍有一些优势。飞机结构在飞行过程中承受着巨大的应力和疲劳,因此选择连接方法对其安全性和耐用性至关重要。相较于焊接接头,铆接接头通常具有更优的抗疲劳性能。这是因为铆钉沿接头更均匀地分布应力,这对于在飞机的整个使用寿命内保持结构完整性和安全性至关重要。在损伤容限方面,铆接接头具有明显的优势。如果发生损坏,铆接接头通常更容易检查和维修。虽然焊缝通常需要X射线检查来评估其完整性,但铆钉的检查更简单,简化了维护过程。铆钉可以单独拆卸和更换,简化了维修过程。相比之下,焊接接头可能需要更广泛的返工,这可能会影响飞机的适航性,并导致更长的维修停机时间。材料兼容性是铆接大放异彩的另一个因素。
飞机结构通常由各种材料组成,包括铝、钛和复合材料。与焊接相比,铆接通常与这些不同的材料更兼容,这可能会带来与热影响区和材料兼容性相关的挑战。与焊接相比,铆接不仅速度更快,而且涉及的热回火更少,使其成为维护的实用选择。
如果铆钉用于复合材料机体,还有其他缺点。铆钉长期以来一直是金属结构的可靠紧固方法,但它们在复合材料结构中的应用可能会带来一些挑战。这些困难可能会对组件的性能、寿命和整体完整性产生负面影响。因此,替代紧固方法,如粘合剂或专用复合紧固件,通常是复合材料的首选。这些替代品可以提供与复合材料更好的结合和兼容性,从而提高装配性能和寿命。
在复合材料结构中使用机械紧固件可能会带来几个重大挑战,从而损害组件的完整性和性能。一个主要问题是铆钉孔周围的应力集中。由于复合材料比金属更脆,它们特别容易受到这些应力点的损伤,从而导致开裂或分层。
安装过程中出现了另一个问题。为铆钉钻孔会导致纤维连续性中断,并可能导致复合材料出现微裂纹或其他损坏。随着时间的推移,这些小缺陷可能会增长,削弱复合材料的结构完整性。此外,铆钉为结构增加了额外的重量。虽然这在金属组件中可以忽略不计,但在复合材料结构中,这是一个更关键的问题,其中最小化重量是主要优势。当铝合金铆钉与碳纤维复合材料一起使用时,尤其是在潮湿的环境中,也存在电偶腐蚀的风险。这会使铆钉周围的复合材料劣化,进一步损害结构。修复铆接复合结构可能相当复杂。拆卸和更换铆钉可能会对复合材料造成额外损坏,使维修更加困难,并可能降低效率。此外,复合材料和铝合金铆钉通常具有不同的热膨胀率。这种不匹配会在温度变化期间导致铆接接头处的应力,随着时间的推移,这可能会导致接头失效。最后,铆钉会破坏复合材料结构的光滑表面,影响空气动力学和美学——这是飞机和高性能车辆等应用中的关键考虑因素。
在认证方面,焊接比粘合的关键优势如下。当焊接后在显微镜下观察均匀的聚合物时,没有可见的分界线或可识别的连接材料,如粘合剂。这是因为焊接过程涉及熔化两侧的聚合物并将其熔合在一起,从而形成一个在化学和物理上与原始材料无法区分的接头。因此,只存在一种材料,这就是为什么必须在焊缝两侧使用相同的聚合物。这种技术创造了一种牢固而一致的结合,使均匀聚合物焊接成为连接类似聚合物材料的一种流行而有效的方法。
3. 最先进的热塑性复材(TP)焊接
近年来,纤维增强复合材料的焊接变得非常流行,已经发表了许多有趣的研究,这些研究使用了用于航空航天应用的高性能热塑性复材。以下部分介绍了两种有前景的焊接技术—电阻焊(RW-Resistance Welding)和超声波焊接(UW-Ultrasonic Welding)。
3.1. 超声波焊接(UW)
3.1.1. 基础知识
用于均匀、非增强聚合物的超声波焊接工艺几十年来一直是最先进的技术,因此被用于各个领域,包括包装工业、电子和医疗应用。超声波焊接工艺基于简单的摩擦原理,这就是为什么它基本上被归类为摩擦焊接工艺的原因,见图2。
超声波焊接装置由特定部件制成,以便对焊接部件施加机械振动。来自电源的交流电压通过控制器转换为高频信号(20-50kHz),该信号由使用压电元件的低振幅(10-250µm)转换器转换为机械振荡。机械振荡在随后的增压器单元中被放大,并传输到超声焊极或角状物(horn),见图3 。
热塑性复合材料超声波焊接工艺的制备需要几个细致的步骤。首先,需要对部件表面进行处理,包括清除表面的灰尘或异物。之后,通常在两个待焊接的部件之间插入能量导向器(ED-Energy Director),以改善聚合物的流动行为。能量导向器主要由与复合材料基体相同的材料制成,增加了连接区聚合物的体积,从而改善了流动性,最终提高了焊接质量。此外,可以调整ED的形状,以便在连接区域实现一定的温度分布,并进一步优化质量。接下来,使用专用夹具或工具将待焊接的组件牢牢夹紧在一起,以确保精确对齐,实现一致的焊接。然后,超声焊极与堆焊部件进行物理接触,从而传递机械振荡,见图3。砧座充当超声焊极的反支架,它充当物理屏障,因此可以在固化和冷却过程中建立固结所需的压力。机械振荡最初在组件之间,或者更确切地说,在组件和ED之间,以及ED层之间产生表面摩擦。由于摩擦的物理过程直接取决于表面,因此ED的形状起着决定性作用是合理的。因此,表面摩擦是产生热量的主要来源,主要在聚合物的玻璃化转变温度之前有效。当达到并超过玻璃化转变温度时,粘弹性摩擦的二次过程会扩散,这是分子间发生的,因此表面摩擦变得越来越不重要。
因此,超声波焊接过程可以分为不同的顺序。根据分解该过程的粒度,有以下步骤:(I)在预定的力下将超声焊极定位在组件上,(II)施加机械振动和聚合物熔化,(III)保持一定的固结压力,(IV)焊接的固化和冷却,以及(V)释放固结压力以移除焊接组件。

根据贝纳塔尔(Benatar)和古托夫斯基(Gutowski)的研究,超声波焊接过程可分为五个基本原理。首先,如前所述,超声波焊接机施加的力学和振动可以通过集总参数模型进行建模和解释。超声波焊接装置的每个部分,如焊接机、焊接部件、ED和基座或砧座,都可以用等效的弹簧阻尼系统来表示,如粘弹性材料的沃伊特-开尔文模型。其次,焊接过程中由分子间摩擦产生的粘弹性加热,以及焊接伙伴之间表面摩擦产生的初始加热,一旦过程建立,可以忽略不计。产生的平均热量由角频率 ( ω) 描述,焊接设备的损耗模量( E″ )和材料的应变振幅(ϵ0) 。
因此,平均热量(Q̇avg )如下文所述,焊缝中产生的裂纹可以用方程式(1)来描述。

随后,感应热从能量导向器传递到焊接部件。该过程可以表示为传导热传递,而焊接装置和周围空气之间的对流可以忽略。物理部件上的机械、静态和动态压力最终导致能量导向器流动。所用热塑性聚合物的高粘度导致能量导向器材料的高度复杂的流动过程,这也会影响焊接部件表面的润湿。贝纳塔尔(Benatar)和古托夫斯基(Gutowski)提出了不同的方法来近似这种挤压流,同时提到没有一种方法能够充分描述整个问题。最后,聚合物链之间发生分子间键合。焊接部件基体材料的聚合物链与能量导向器之间的结合是超声波焊缝物理强度的关键组成部分。非晶态和半晶态聚合物的扩散过程不同,但在这两种情况下,它都是一个非常快速的过程,可以在瞬间完成。因此,由于聚合物链的固化,超声波焊接过程的速度不受限制。
由于高频能量输入,超声波焊接是一种快速连接工艺,由于其循环时间短,适合自动化。此外,可以实现焊缝的高质量和强度,这代表了焊接部件之间的材料均匀结合。该工艺的这些优点似乎更优越,因此该工艺很可能在未来应用于汽车和航空工业系列化产品中的纤维增强热塑性复合材料。
UW工艺在历史上不断发展,从点焊到顺序焊接,最终发展为连续焊接工艺。最初,点焊过程是独立于所使用的材料配对和工业应用进行考虑和分析的。使用适当的设备很容易实现和控制几乎一维的过程,因此在超声波焊接的开发和研究开始时,这在很大程度上得到了研究。
这种焊接过程的关键参数,无论是静态点焊过程还是连续动态过程,首先是激励部件的机械振动的频率和振幅。此外,超声焊极和固结单元施加的固结力和压力对焊缝的质量具有决定性作用。静态和连续过程之间的一个显著差异是过程路径和过程速度,它们的尺寸和绝对值不同。这两个过程都可以通过系统组件的功率输出和位移进行监测和控制。
未来,这一发展将用于实现工业应用,例如通过机器人辅助生产来大规模制造组件。已经开发和制作了不同的演示文稿,以展示这种连接技术的机会,详见下文各小节。
如图4所示,在奥格斯堡DLR现场设计的超声波焊接影响器(5)安装在KUKA机器人(1)上,使该系统能够在演示组件上连续生产焊缝。主要部件是Branson DCXs 20VRT发电机,它产生频率为20 kHz的高频振动,最大功率输出为4 kW。该发电机通过升压器连接到超声焊极(3)进行放大。超声焊极的几何形状和形状因焊缝和零件装配尺寸而异。超声焊极以及压实压实机(2)和压实单元(4)由气缸支撑,每个气缸可以向单独的系统部件引入高达3kN的力,以确保与焊接伙伴的良好接触。过程力由采样率为1kHz的Festo比例阀控制。末端执行器配备有传感器,以1kHz的采样率测量和记录过程值,从而实现实时过程控制。末端执行器的所有组件(如传感器和气动装置)的控制由Beckhoff的EtherCAT组件实现,允许以1kHz的频率记录和控制过程数据。对于过程监控,会记录焊接数据,如振幅、功率、焊接力、机器人速度和位置。
超声波焊接的最新技术目前主要集中在实验室规模的小规模样品制备。然而,通过DLR的努力,目标是进一步开发连续超声波焊接工艺,使其适用于大型结构部件的组装,这已经在几个项目中得到了证明。在末端部执行器的设计过程中,目标是保持尽可能小的尺寸,以便在狭窄的连接配置中也能实现良好的可达性。末端执行器既可用于测试台上的线性轴上,用于焊接用于机械试样样品生产的扁平有机板,也可用于工业机器人上焊接较大的零件。

图4. DLR的连续超声波焊接(CUW- Continuous Ultrasonic Welding)的末端执行器(5)安装在KUKA机器人(1)上。
3.1.2. 以前的工作
超声波焊接是一种快速环保的热塑性复合材料连接方法,因为它不需要任何异物,在焊接过程中不会产生烟雾或火花。它还最大限度地减少了表面损伤,因为热量是在界面而不是顶面产生的。然而,这一过程存在局限性。它主要适用于近场应用中的搭接和剪切接头,由于振动穿透的困难和设备的输出功率,在远场具有最大的厚度限制。此外,刚度、硬度和阻尼系数等材料特性会影响振动转化为热能,机械振动传递原理可能会导致可听噪声和疲劳失效的可能性增加。热塑性纤维复合材料静态超声波焊接领域的研究始于20世纪80年代末。贝纳塔尔等人研究了振动幅度、焊接时间、功率、材料配对和超声波焊接工艺的其他参数之间的关系,得出了接头强度的结论Benatar等人在远场静态超声波焊接实验中实现了ABS、PP、PS和PE等不同材料的8-11MPa焊接强度,近场峰值强度为7-17MPa。此外,贝纳塔尔等人在总结他们的实验结果时提出了一种超声波焊接过程的模拟和建模方法。自从贝纳塔尔等人最初考虑对纤维增强的热塑性高性能聚合物的超声波焊接工艺感兴趣以来,这种兴趣已经大大增长。荷兰代尔夫特理工大学的科学家分析了该过程基本原理的许多方面,并确定了各种相关性和基本关系。维勒加斯等人研究了不同形状的能量导向器,如扁平和三角形,以及它们在被粘物之间的熔融区产生热量的能力。此外,还努力更详细地调查某些挑战,例如待焊接部件的对齐。布里托(Brito)等人强制对粘附物进行误闪烁,以研究静态焊接装置中超声波焊接过程的影响。通过这些调查,人们可以认识到,由于被粘物之间的倾斜角度增加,顶部被粘物的移动受到阻碍,导致被粘物错位,从而降低了焊接质量和均匀性。此外,顶部被粘物的夹紧距离对焊接质量的影响增加,因为通过增加夹紧距离降低弯曲刚度可以提高自由度,最终提高焊接均匀性。另一个主要焦点是使用原位方法进行过程控制,正如维勒加斯在静态超声波焊接中所证明的那样,他开发了足够的方法来利用功率和位移数据通过原位程序控制静态焊接过程。虽然早期的研究人员专注于静态超声波焊接,但最近的兴趣集中在连续超声波焊接上,因为这似乎是一种有前景的连接技术,特别是在实际组件自动化生产的机器人应用中。德国航空航天中心结构与设计研究所展示了用于航空航天工业的热塑性复合材料演示组件的连续超声波焊接的机器人应用。恩格斯(Engelschall)等人不仅证明了将机器人焊接应用程序应用于缩尺演示器的可行性,还提供了对单圈剪切配置中实现的焊接强度的见解。使用具有堆叠顺序的聚苯硫醚(PPS)层压板。单圈剪切试样的机械测试提供了24.7 MPa的峰值强度。根据机器人应用,其他科学家在具有线性自由度的简化试验台上研究了静态和连续超声波焊接过程之间的异同。琼布洛德(Jongbloed)等人进行了一项全面的研究,比较了静态过程和连续过程,其中焊缝的强度是使用单搭接剪切试样确定的。在这两个过程中,在参数分析中研究了连续过程的焊接力、振动幅度以及焊接速度和静态过程的振动时间。已经组合了广泛的参数,例如500N至1500N之间的焊接力、和之间的振幅以及高达和到之间的焊接速度或和之间的振动时间。琼布洛德等人展示了他们的结果,连续超声波焊接的峰值强度为28 MPa,而在静态设置下达到了最大强度,最高值为36 MPa至38 MPa。除了自动化和超声波焊接工艺的高速能力外,新材料和混合接头目前也处于中心地位。科学家们越来越多地研究热塑性和热固性复合材料混合连接的可能性,这当然可以通过超声波焊接来生产。
3.2. 电阻焊(RW)
3.2.1. 基础知识
电阻焊接基于电流通过导体时的能量耗散原理。以热的形式耗散的能量可以用焦耳第一定律来描述。热量,通常定义为Q,被描述为耗散能量E,是电流I和电导体电阻R以及时间t的函数。

电阻焊接工艺的概念设计如图5所示。与其他焊接技术类似,必须首先彻底清洁待焊接的部件。同样的程序适用于放置在组件之间的焊接导体或加热元件。焊接导体突出到接合区域之外,从而可以进行接触和通电。准备好后,使用专用夹具或工具将待焊接的组件牢固地夹紧在一起。正确的对齐可确保焊缝的均匀性和强度。在焊接过程中,电流通过组件之间的界面,产生电阻加热。这种热量使热塑性材料软化,使其在施加的压力下熔合在一起。随着软化材料的熔化,部件被压在一起以促进焊缝形成。一旦达到所需的焊接参数,关闭电流,让焊缝冷却并固化。
焊接接头在压力下冷却和固化,确保部件之间牢固耐用的结合。焊后检查对于验证焊缝质量至关重要。可采用目视检查和无损检测方法来评估焊缝的完整性。电阻焊接为连接热塑性复合材料提供了许多优势,包括快速的加工时间、对焊接参数的精确控制以及生产坚固可靠接头的能力。然而,成功的实施需要仔细优化压力、温度和焊接持续时间等参数,以及适当的培训和专业知识。

位于奥格斯堡DLR的电阻焊接试验台是一个高度灵活的装置,设计用于执行各种长度的静态电阻焊接,最长可达1500毫米。焊接过程由十个Festo ADN-125-25-I-P-a气缸推动,这些气缸向焊件施加压力,在6巴的入口压力下将最大适用力限制在70.69千牛。另外两个AEN-80-25-I-P-A型气缸用于将焊接元件压到铜夹上,以确保确定的接触电阻。测试台配备了各种传感器,用于过程数据采集,能够监测关键参数,如压力件不同位置的铜夹温度、焊件和铜夹上施加的压力以及加工过程中的焊接距离。三个激光传感器用于测量焊接距离,所有这些参数与直流电源(Regatron TopCon Quattro,10 kW)的输出参数一起监测,并在控制面板上集中显示。图6显示了为焊接1500毫米长试样而准备的试验台。

3.2.2. 以前的工作
对单向碳纤维增强聚苯硫醚(UCF/PPS)复合材料的研究表明,100目黄铜网具有最佳的树脂润湿和加热效率。确定的最佳焊接参数为313-314°C、1.04-1.2 MPa和124-128 kW/m2,接头强度为13.58 MPa。分析表明,功率密度对焊接有显著影响,焊接温度和功率密度之间的相互作用最为关键。Box-Behnken方法有助于设计实验,得到的模型被证明具有高度的预测性和拟合性。本研究介绍了一种用于碳纤维/环氧复合材料的高效电阻焊接技术。机械砂光和介质阻挡放电(DBD-dielectric barrier discharge)等离子体处理提高了接头性能,增强了表面粗糙度和润湿性。组合方法实现了25.78 MPa的搭接剪切强度。在中,作者提出使用旋转滑动电弧等离子体处理将CF/PEEK复合材料焊接中不锈钢加热元件(HE-heating elements)的搭接剪切强度提高14.63%,总单搭接剪切(SLS-Single-Lap Shear )达到51.7MPa。表面表征表明,润湿性和粘合性得到增强,孔隙缺陷减少,树脂浸渍得到改善。失效模式转变为CF/基体界面失效,表明HE/基体粘附力增强。探索电阻焊接在航空航天应用中连接热塑性复合材料的方法,强调其优于传统方法。这项工作讨论了热塑性塑料焊缝疲劳试验的重要性。然而,对热塑性塑料电阻焊缝疲劳强度的研究有限。不同类型的热塑性塑料的无限疲劳寿命的搭接剪切强度(LSS-Lap shear strength)值相似,CF/PEEK的疲劳强度最高,GF/PEI的疲劳强度最低。热塑性复合材料的无限疲劳寿命约为其LSS的25%,但GF/PEI除外,其LSS较低,无限疲劳寿命为20%。需要进一步的研究来分析关键飞机结构中焊接接头的疲劳性能。
对于RW来说,实现温度均匀性对于产生低散射的高焊接强度至关重要。然而,平行于电流方向增加焊缝长度可能会导致电压降,这在焊接碳纤维增强热塑性塑料等导电部件时可能是一个重大问题。这是因为碳纤维可能会发生漏电,导致焊接结果不一致。因此,控制压降和保证温度均匀性是CFR热塑性塑料焊接中需要考虑的关键因素。均匀的焊接压力对于创建高质量的焊缝是必要的,因为降低的压力会导致焊缝界面上的孔隙含量增加。在静态电阻焊接中,约1 MPa的焊接压力通常会产生最佳的单搭接剪切(SLS)强度,边缘周围有可接受的挤压流动。然而,由于各种夹具部件的几何公差,确保整个飞机机身纵向接头的压力均匀性可能具有挑战性。因此,在焊接过程中考虑焊接压力的应用及其均匀性至关重要。
已发表文献中的电阻焊接研究主要集中在静态配置上,其中工艺夹具在焊接过程中相对于接头保持静止。虽然这种方法对于小接头(如角片和短框)来说已经足够了,但对于大或高纵横比的部件(如飞机截面中的长桁和连接件)来说,它面临着可行性问题。原因包括几何约束、功率需求增加和压力要求更高。为了应对这些挑战,连续焊接提供了一种可行的解决方案。连续电阻焊(CRW-Continuous Resistance Welding )工艺使用端部执行器沿焊缝焊接热塑性材料,连接件性能取决于工艺温度。在中,使用“MSTEP”框开发了一种基于物理的模拟,以定义材料、形状、工具和设备如何相互作用以确定过程。基于焊接几何形状、边界条件和之前验证的热塑性基体熔融/结晶模型,开发了详细的有限元模型(FEM- Finite Element Model)用于热分析。进行CRW测试以验证模拟并校准控制变量。焊接界面处的工艺温度不能直接测量,其他参数,如边界条件、子结构特性或零件几何形状,可能会沿焊缝长度变化。
4.连接热塑性CFRP的特殊挑战
飞机设计正朝着使用热塑性基质系统的方向发展,几架飞机已经采用了由热塑性纤维复合材料制成的部件。许多正在进行的研究计划都集中在开发大规模热塑性纤维复合材料结构的技术上。
聚合物焊接适用于无数应用,在行业中已经建立了几十年的历史。短纤维和长纤维增强聚合物的内聚连接也已确立,并在许多领域的大规模生产中使用,例如在汽车行业。焊接碳纤维复合材料的优点包括创建材料友好的结构、避免钻孔过程中的纤维分离、扁平连接、接头重量轻以及快速可靠的工艺。相比之下,焊接连续纤维增强复合材料则面临着特殊的挑战。下一节总结了加工层压板时的基本挑战。
4.1. 连接区域承受高且不利的负载
这一事实通常适用于所有待焊接的复合材料,无论是短纤维、长纤维还是连续纤维增强的,例如注塑、挤出或层压部件。然而,这对于层压板尤为重要。由于层压板的极高机械性能和相对有限的设计调整范围,在设计过程中必须特别考虑接头连接。充其量,待连接的基底层压板的层间剪切强度可以作为参考。然而,这很难实现,因为负面的边缘影响可能会产生影响:在取决于连接配置的负载情况下,焊缝边缘会出现局部应力集中。连接伙伴之间不规则和锋利的过渡也会产生裂纹。在这一点上,人们谈到了“几何缺口”。这会降低强度,导致机械性能的标准偏差更高。此外,焊接工艺和连接区中甚至类似的附加材料会导致整体结构的不规则性,从而进一步削弱。这被称为“结构性缺口”。
在(《关于碳纤维增强聚苯硫醚电阻焊接过程》)中工艺控制对温度均匀性和结合线特性的影响中,我们表明,由于边缘区域焊缝的形状,可以提高SLS强度。此外,我们在后续步骤中对用矩阵闭合搭接配置的边缘进行了研究。为此,我们开发了图7所示的焊接密封剂,该密封剂采用增材制造工艺封闭边缘。在(《热塑性塑料加工技术走向工业化》)中,可以证明,因此,一方面可以增强连接的LSS,但更重要的是,可以显著减少散射。

图7. Weld Sealer压力工具(a.)在搭接接头边缘施加基体(b.)两层压板的后处理搭接接头——接缝边缘用角焊缝(黑色)封闭。
4.2. 焊接过程中的低设置路径
由于纤维增强复合材料及其固结纤维的结构,产生了一个刚性部件,这使得在焊接过程中难以控制设置路径。复合基体中纤维的固化状态只允许少量的运动,这就是为什么设置路径受到限制的原因。此外,纯复合材料的基质太差,无法实现具有足够基质挤压流的受控连接路径,这就是为什么在许多焊接应用中向连接区域添加额外的基质材料层的原因。此外,这种挤压聚合物流将有利于对齐和覆盖接触区的整个表面,因为界面中的高连接性能仅通过聚合物链在初始界面上的拉伸和松弛而产生。布里托(Brito)等人对未对齐的被粘物和被粘物之间的纯树脂膜这一相关主题进行了研究,发现连接路径、被粘物的倾斜角度与焊缝的质量和均匀性之间存在很强的相关性。
4.3. 公差补偿
在设计中,必须通过足够的自由度和明确的参考区域定义来考虑在装配过程中创建所需的公差。如第2节所述,在使用铆钉进行机械连接的情况下,可以调整中间层,因为这在连接性能中起着次要作用。然而,当焊接时,连接是通过界面中的基材进行的。基本上有两个方向需要补偿公差。图8显示了可能的接头类型和蓝色箭头所示的公差补偿方向的简化图示。
通过相应地设计部件和焊缝,可以实现水平补偿的方向。图8(a)和(b)显示了不同的对接接头设计,具有公差补偿功能,如凹槽或唇缘,可以适应零件尺寸的变化。图8(c.)显示了搭接接头,它提供了更大的粘合面积,使其对尺寸变化和错位也更具容忍度。

图8(d.)显示了搭接接头,其中在连接区域添加了额外的基材(蓝色标记),以实现垂直方向的公差补偿。如今,在金属装配中,航空业使用各种类型的垫片来补偿部件之间的间隙。垫片可以是一块薄材料,工人可以用不同的厚度来填充间隙。另一种可能性是在表面上施加液体垫片。第三种是可剥离垫片,也称为层压垫片,由一堆箔层组成,可以剥离以达到所需的厚度。
用薄金属件填隙包括评估公差要求、测量间隙、选择合适的金属、切割到所需的厚度、清洁基板表面、定位垫片、用粘合剂、紧固件或夹具固定它们、验证配合和对齐以及进行调整。常见的金属垫片材料包括不锈钢、铝、黄铜、铜和钛。金属垫片使用剪切、水射流切割或激光切割进行切割。它们可以作为预切库存或定制购买。使用计量工具定位、固定和验证垫片。定期维护检查对于检查垫片和基板表面是否损坏、变形或腐蚀至关重要。在各种航空航天应用中,使用薄金属件进行填隙是一种通用且经济高效的方法,用于补偿公差并确保精确对齐。
液体垫片,也称为环氧垫片,可用于填充间隙并在两个基板之间提供均匀、稳定的表面。高抗压强度和抗微裂纹性使其成为适应不完美配合和在宽温度范围内保持稳定性的可靠解决方案。开放式组装时间和处理强度之间的平衡也是一个重要特征,因为它允许在环氧树脂开始凝固并获得强度之前有足够的工作时间。液体垫片可用于精确对齐和调平组件。高粘合强度和填充间隙的能力使液体垫片成为防止泄漏和污染的有效密封剂。液体垫片的粘弹性特性使其适用于降低机械系统中的振动和噪声。低导热性和在宽温度范围内保持尺寸稳定性的能力使液体垫片适用于需要最小化热膨胀和收缩的应用。
可剥离垫片,也称为一次性或一次性垫片,是飞机组装过程中用于适应错位和公差的临时垫片解决方案。可剥离垫片通常由低模量、自粘材料制成,如压敏胶(PSA-pressure-sensitive adhesive)带或薄膜。它们被应用于存在错位的基板表面,填充配合部件之间的间隙。涂覆过程包括清洁和准备基材表面,将可剥离垫片切割成所需的尺寸和形状,并使用制造商推荐的粘合剂或压敏胶带将其涂覆到基材上。安装后,组装配合部件,并使用计量工具验证对齐情况。一旦确认对齐,组装完成,就可以移除可剥离的垫片,留下最少或没有残留物。此过程可确保最终组件不含任何垫片材料,从而降低长期损坏或干扰的风险。可剥离垫片是一种方便、经济高效且非永久性的解决方案,用于补偿飞机组装过程中的错位和公差。它们适用于暂时需要精确对齐的应用,或者在组件访问受限的情况下,使得安装或拆卸传统垫片变得困难。
对于焊接接头,在连接区域应用垫片材料进行垂直公差补偿的可能性有限。因此,第一种选择不是使用垫片,而是使待连接部件的表面尽可能光滑,以便接头尽可能地配合在一起。这可以通过两种不同的方法存档,如图9(a.)和(b.)所示。加热的冲压工具加热材料,然后在压力下使其固化。超声波加热方法使用超声波焊接设备的超声波焊极。通过超声波振动加热零件的基体,同时施加压力,使表面光滑,而不是焊接。这两种方法的结果是一个非常均匀的表面,可以在下一步焊接在一起。
图9(c.)显示了热塑性垫片的原理。在焊接之前,应用热塑性基质来填充热塑性零件之间的任何错位或间隙。这些材料可以在焊接过程中熔化和流动,填充任何空隙。例如,这种基质材料可以使用添加剂工艺来施加。然而,必须确保与零件侧面的表面建立良好的连接。在超声波焊接的情况下,无论如何都要将热塑性基质膜插入到连接区域中,以进行超声波阻尼变化的焊接过程,从而确保在连接区域中产生热量。该薄膜的厚度通常在80至100µm之间,插入两到三层。

用加热砧加热焊接区(b.)用超声波焊接的超声波焊极压平焊接区,(c.)用增材制造步骤施加基体。
5. 超声波和电阻焊的应用
一般来说,热塑性复合材料焊接方法的选择应考虑材料性能、几何参数、设计和操作要求以及可制造性。原则上,可以假设所有焊接工艺都可以用于焊接高性能热塑性塑料,如聚苯硫醚、聚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)和低熔点聚芳醚酮(LM-PAEK)。只有工艺参数需要适应相应的材料和层结构。不同的焊接方法各有优缺点,选择合适的焊接方法需要全面了解材料和产品要求。从表1所示的焊接技术来看,DLR专注于RW和UW,特别是CUW,因为这两种工艺具有很高的自动化潜力。此外,选择RW是因为它是一种非常稳定和简单的工艺,已经用于产品中,并符合飞行部件的要求。此外,该研究所在开发这一过程方面也有数十年的经验。
表1. 概述了五种主要使用的热塑性塑料焊接技术的优缺点。

超声波焊接被选为第二道工序。在2017年工作开始时,已经对碳纤维增强热塑性塑料在实验室环境中的点焊工艺进行了广泛的科学研究,但尚未在基于机器人的连续焊接工艺中使用该工艺。2017年,DLR首次在全球范围内在机器人上实现了工业过程中的连续超声波焊接,并取得了非常好的结果。然而,基本上,对于这两种技术中哪种更好,并没有一刀切的答案。它取决于各种各样的因素,最重要的是取决于使用该工艺的组件和要求。电阻焊接是一种相当简单和快速的过程(每次焊接约2分钟),它直接在连接区域产生热量,易于控制,并且已经符合飞行部件的要求。可以构建一个系统,通过该系统可以以很少的投资焊接组件。如果使用碳纤维焊接元件,除了用于绝缘的玻璃层外,材料是纯的。一个缺点是,由于所需的电能,目前的技术水平将焊缝长度限制在1.5米以内。
CUW也是一个非常有前景的过程。基于机器人的工艺在工业上的成熟度尚未达到RW的水平。为CUW建立基于机器人的系统比RW系统贵得多。除了机器人外,还需要超声波发生器、转换器和增压器。此外,自动化组件是控制所有组件所必需的。该工艺的最大优点是,只要保证焊缝的可接近性,理论上可以以1.0-1.5 m/min的平均速度焊接任何长度的任何几何形状。基本上,UW受压力、振幅和焊接时间的影响。速度直接影响焊接时间。在低速时,将能量引入区域的时间延长,在高速时,时间缩短。对于工业过程来说,过程速度当然是一个重要变量,应该尽可能高。然而,最大速度受到超声波发生器4000 W最大输出的限制。
5.1. HoTStufF项目
HoTStufF项目(用于大型应用的高度可扩展热塑性结构,由德国联邦经济事务和气候行动部(BMWK)在德国联邦航空研究计划VI-1的框架内资助,拨款协议号为20W1915E,项目期限为2020-2024年)。该行业联盟的重点是使热塑性塑料制造工艺成熟,以高速生产碳纤维增强聚合物(CFRP)飞机结构部件,重点是后压力舱壁(RPB- rear pressure bulkhead)(见图10)。重点是压力舱壁的电阻焊接,该舱壁由八个热成型段组成,焊缝长度约为1.5米。此外,德国航空航天中心(DLR)开发并分析了具有明显干涉轮廓的两层结构的超声波焊接以及热成型和共固结的组合工艺。
使用电阻焊接连接CF PPS压力舱壁段的连接工艺提高到TRL 5。为此,进一步开发了重叠试样的焊接工艺,并使其适应部件连接任务的要求。尽管防腐层由玻璃纤维织物制成,但剪切强度超过23 MPa(22.79 MPa ± 0.49)可以实现(焊接温度峰值330°C,焊接压力0.5MPa,焊接电压37.5V)。实现了连接接触区域的全表面连接,从而减少了裂纹萌生和相关值的分散。图11(a.)显示了连接区域的有利边缘形状,没有检测到孔隙,并且具有几何上特别减小的凹口效应。

大小相等的部件组成,带有由碳纤维增强(CF)聚苯硫醚制成的集成辐条;使用基于碳纤维的焊接元件(DLR Augsburg,空中客车航空结构公司)用七个1.5米电阻焊缝组装零件。
热成型过程中集成的共固结使材料在突破和相邻部件承受高载荷的区域增厚。在应用中,这些是电缆馈通和相邻的垂直稳定器。不需要后续工艺,热成型工艺循环时间不会受到显著影响。为此,CF PPS层压板插入物在开放式模具中同时加热,而待形成的较大CF PPS层合板在预热站中通过红外(IR)辐射加热。在热成型的同时,将层压板配对连接起来。图11(b)显示了制造演示器。

品边缘区域的显微镜图像。(b.)热成型和共固结工艺组合的演示(顶部)和接缝界面形态(底部)
静态和连续超声波焊接用于生产双壳设计的生产演示器(见图12)。该设计涉及将自动纤维铺放(AFP)铺设和热压覆盖层压板与垂直和对角线热成型加强层压板连接起来。由于难以接近,为静态超声波焊接提供了开口。在连续过程中,以25mm/s和1.2MPa的速度进行焊接,在1.2MPa下静态焊接时间为1秒。振幅被动态控制在35-45µm。

图12. 双壳设计的制造演示器,有三个连续超声波焊接连接区(顶侧)和20个静态焊接区(底侧)
5.2. MFFD项目上壳体
多功能机身演示器(MFFD-Multifunctional Fuselage Demonstrator )是欧盟30个旗舰演示器之一,将各种热塑性塑料制造和组装技术结合在一个独特的直径4米、8米长的飞机机身筒,由东丽TC 1225 CF LM-PAEK制成。该项目已根据第945583号拨款协议获得欧盟地平线2020研究和创新计划的资助。上壳体和下壳体这两个主要结构部件是在不同的联盟中制造的,展示了不同的设计、制造和装配理念。因此,MFFD可作为全尺寸设计和技术验证的平台。下壳体财团SmarT mUlti fuNctionNal和集成热塑性机身(STUNNING)选择进行传导焊接,以集成长桁,并选择超声波焊接来集成剩余的加强元件,例如注塑连接件、不同的框以及复杂地板网格结构的组装和集成。对于上壳体,重点是演示和验证高度自动化的生产和装配概念,以便一方面实现最灵活的生产,另一方面确保所需的高速率能力。此外,相应的制造和连接工艺、原位AFP、超声波和电阻焊接从试样扩展到全尺寸水平,同时提高了各自的技术成熟度。根据(《A320家族:有史以来最成功的飞机家族》),A320系列的月生产率目标是在2024年底前达到65架飞机的月生产率,在2026年达到75架。自动化的固有挑战(如智能数据管理和过程控制)得到了解决,考虑到这一速度,缩小与工业实施的差距是必要的,并展示了明确的利用前景。MFFD的上壳体是由项目负责人空中客车公司设计的,由Z形长桁和整体C形框加固,这些长桁和框通过连接件相互连接,即所谓的“马鞍形连接件”。因此,加强元件的几何形状及其在连接件可达性和可达性方面的限制是选择连接工艺的决定性因素。电阻焊和超声波焊接的技术成熟度及其在不增加零件槽厚度加热( trough-thickness-heating )和形状变形的情况下产生细长焊缝的优势,可以作为技术选择的进一步方面。
上壳内的Z形长桁通过基于机器人的连续超声波焊接与预先的预固定步骤集成在一起,该预固定步骤是沿着桁条长度每500mm进行一次超声波点焊。由于细丝桁条的固有弯曲模量相对于其长度较低,并且需要在180°上壳的半径上进行精确定位,因此设计了长桁导向装置,以确保根据目标规格进行精确定位并补偿重力引起的偏转。长桁导向装置连接到所谓的焊接桥上,焊接桥可以看作是一个定制的龙门系统,可移动地安装在凹形上壳工具的顶部。它被设计为一种多用途工具,用于长桁导向和整体C形框的可重复和全自动集成。
将八米长的长桁连接到蒙皮上需要使用超声波点焊。为了实现这一点,如图14(d.)和(e.)所示,连接到蒙皮放置工具的焊接桥被修改为带有导向单元,以机械地对齐长桁。因此,长桁沿其长度以500毫米的间隔进行点焊,并沿浅坡道添加额外的点焊。放置在超声焊极旁边的额外加压力抵消了蒙皮偏转的任何局部变形,以确保点焊过程的可重复性。加在长桁脚和蒙皮上施加正常压力,以确保在这些特定区域有足够的超声波传输。每根长桁都预装了三层能量导向器:两层覆盖整个长桁脚的纯的LM-PEAK树脂膜,以及额外的5毫米宽如图13(a.)所示。在22mm超声波焊极上施加500ms的焊接时间、1500ms的冷却时间、95%的振幅、300N的冲压力和600N的焊接力进行点焊时,实现了最佳的超声波焊接效果。在最后的长桁焊接过程中,每根长桁都经过了两次焊接。第一次通过是沿着边缘进行的,超声波焊极与长桁脚只有一半的重叠,振幅降低了65%。由于在第一步中只焊接了一个细长的条带,并且超声焊极没有与整个表面接触,因此使用了减小的振幅,如图13(b)所示。这种方法确保了边缘的密封,以尽量减少对开口长桁边缘的挤压和过热影响。在最后一次运行中,整个长桁脚表面以75%-85%的幅度焊接,如图13(c.)所示。这导致了结构焊缝的形成,其能量输入约为200 Wh,净焊接速度为1.44 m/min,压力为0.7 MPa,通过固结单元施加到基材上。CUW采用水冷固结装置,将温度保持在30°C以下,以防止聚合物冷却过程中的温度波动。实现了一种基于集成摄相机的路径校正算法,以引导机器人朝向其目标路径,并补偿力引起的机器人偏转。最终,长桁成功连接,每个长桁的净焊接时间为11分钟。使用的工艺参数基于LM-PAEK材料的经验以及有机板材和长桁的初步测试。此外,在最终演示器之前建造了一个测试壳,以便提前验证和优化所有流程。
在MFFD的上壳中,总共使用了24个C形框,每个框覆盖上壳的一半,并通过13个单独的连接凸缘使用电阻焊接连接到蒙皮。每个焊接模块都是一个独特的、单独的可控电阻焊接单元,负责在焊接元件和电源之间建立电气连接,以及跟踪整体框的开放C形轮廓的进出,并施加接触和焊接压力。铜块用于将焊接元件与电源连接,这些块处的接触压力由螺旋弹簧解耦,以确保在整个焊接过程中有0.5MPa的足够接触压力。在整个项目期间,框电阻焊接的参数设置不断优化。然而,由于与预调查相比,蒙皮层压板的绝缘电阻降低,因此在演示器组装过程中必须对工艺周期进行调整。为了确保工艺的稳健性,调整了焊接参数,使加工温度达到350°C,下游退火阶段达到220°C。因此,加热阶段缩短了20秒(-30°C),以尽量减少基质和导体挤出,从而防止电流泄漏。退火阶段((220±5)°C;120秒)被设计为达到并保持TC1225 CF LM-PAEK结晶速率最高的温度,以提高焊缝的机械性能。

两层覆盖整个长桁脚,一条薄条在脚的前部区域形成第三层。(b.)使用悬垂超声焊极进行第一道连续超声波焊接。(c.)在第二道工序中对凸缘进行全表面焊接。
上壳体的框集成始于远场,这是一个深思熟虑的选择,以促进在没有可能影响焊接过程的额外特征的蒙皮部分进行焊接。随后,门框结构侧的框被纳入其中。使用气动杠杆夹将框固定在框夹具上,在预装框的焊接桥的f-孔的位置进行手动加载和定心。所有后续步骤都是自动化的,包括框的运输和定位、上游阻力测试、焊接过程以及焊接桥的缩回和返回到装载位置。

(a.)蒙皮的现场铺设,
(b.)桁条的基于机器人的连续超声波焊接,
j(c.)框架的电阻焊接,焊接桥安装在机身工具上,可以移
动 x-方向实际上是从另一侧焊接9个框,
(d.)焊接桥,
(e.)角片( Cleat)与协作机器人配置的集成,(f.)最终上壳演示器。
连接长桁和框的角片(Cleats)通过一种独特的全自动机器人协作机器人组装方法集成在一起,以克服由于累积公差而导致的具有挑战性的角片定位过程,再次使用静态电阻焊接,如图14(e)所示。在这里,使用连接到KUKA iiwa LBR协作机器人的焊接端部执行器从弹匣中挑选出带有预装焊接导体的角片。cobot的底座连接到天花板安装的KUKA KR270工业机器人上,负责cobot的预定位。使用合规控制的转向功能,协作机器人能够在非常狭窄的空间内定位角片,从而实现稳健的焊接操作。角片与框和角片长桁连接的电阻焊接是在设定电压为18.25 V的恒压模式下进行的。为了确保有效焊接并保持末端执行器的完整性,制定了两个工艺停止标准。第一个标准确保了260 W的足够功率输入,而第二个标准通过将接触温度限制在180°C来防止对末端执行器的任何损坏,从而起到了安全功能的作用。
所有RW过程都由一个更高级别的制造执行系统控制,该系统由基于Beckhoff TwinCAT的可编程逻辑控制器(PLC-programmable logic controller)和用Java实现的用户界面应用程序组成。PLC负责管理时间敏感的任务,如伺服电机控制、阀门切换以及焊接电源中的电压和电流设置值。用户界面应用程序为每个焊缝呈现了零件结构的图形树表示,使用户能够在开始焊接操作之前查看和修改所有焊接参数。此外,采用过程监控软件实时测量电流、电压和压力等关键过程参数。收集到的测量结果由工艺工程师实时评估,并记录下来以备将来参考。还检查了预定义的测量包络,以确保焊接操作不会因偏差而中止。这些数据被整合到内部开发的SHEPARD1数据管理系统中,该系统存储了生产计划、所有工艺参数、修改和生产过程中获得的测量结果。通过使用集中的数据存储位置,确保了所有过程参数和结果测量的强大可追溯性。
5.3. TB Rumpf项目
在DLR项目TB Rumpf“未来热塑性机身配置的技术砖(-“Technology Bricks for Future Thermoplastic Fuselage Configuration” ) ” 中,研究的重点放在热压罐外工艺和电阻焊接上。该项目由德国联邦经济事务和气候行动部(BMWK)在德国联邦航空研究计划V-3的框架内资助,拨款协议编号为20W1721D,项目期限为2018年至2021年。
使用的材料是碳纤维增强的LM-PAEK。在该项目中,根据ASTM D1002,单搭接剪切强度值(SLS-single lap shear strength values )达到33.7 MPa。元件测试以L-拉力测试场景的形式进行。元件测试如图15所示。左侧显示了故障后不久在负载下的L形轮廓,右侧显示了三个制造的测试样品。在这个测试场景中,研究了不同的焊接技术。电阻焊接可以产生平均4089N的最高值,标准偏差为250N(3个测试样本)。性能良好的原因源于电阻焊接工艺的以下特性:连接技术的特点是它也可以在直接界面外产生热量。这可以通过更宽的焊接导体来实现,如图15所示。因此,界面的边缘被很好地熔化了。通过合适的模具设计,可以在角撑板区域产生明确的基材流,这大大降低了负载下几何上产生的应力峰值。
SLS和元件测试的开发和发现被转移到作为该项目演示器的机身切口上。在手动设置中,将框段电阻焊接到热压罐外固化的蒙皮上。随后,通过电阻焊接将三个夹板整合在一起。演示器如图16所示。


6. 展望和结论
热塑性复合材料的焊接技术,如电阻焊和超声波焊接,为组装复合材料结构的整体方法提供了巨大的潜力,并有可能由不同制造的零件形成单个组件。在过去的几年里,基于面向应用的演示的全面集中开发提高了焊接工艺的技术成熟度。因此,从测试台到全面水平的技术准备程度的提高,为串联实施带来了时间和成本高昂的障碍。
这两种焊接工艺都达到了较高的技术成熟度,并已在各种应用中得到验证。如果看看纯SLS值,RW和CUW都可以实现可重复的高值。对于电阻焊接,A320中的热塑性压力舱壁已经与Premium Aerotec一起实现了TRL 5。为了实现这一TRL,必须通过一个广泛的测试金字塔。这个金字塔的各个阶段包括从下到上的试样、元件和组件测试。
TRL金字塔尚未填充超声波焊接。然而,总的来说,必须说基于机器人的超声波焊接是一个比电阻焊接更复杂的过程。这主要是因为机器人在过程中增加了更多的干扰变量(例如机器人的低刚度),这必须通过引导系统进行补偿。过去的演示器开发,如MFFD,突显了在工业环境中使用CUW组装机身外壳的潜力和挑战。在应用方面,焊接工艺还必须满足某些要求,例如光滑的表面光洁度、全表面连接性和通过水耦合超声波调查检查的非常保守的-6dB不合格标准(见空中客车AITM6-4005检验工艺试验方法-碳纤维塑料的超声波脉冲回波检验)。此外,在所有项目中,很明显,设计热塑性复合材料结构的理念应与相应的装配方法密切相关,以考虑必要的边界条件和先决条件,充分发挥装配的潜力,并在减轻重量和降低制造复杂性方面获得实际利益。虽然热固性复合材料结构的设计可以与金属结构更紧密地联系在一起,例如在连接表面方面,但在考虑制造中的材料和装配适当的边界条件时,热塑性复合材料在提高性能和减轻重量方面具有巨大的潜力。为热塑性部件预先配备系统以重新排列和彻底改变当前飞机制造的线性理念的潜力,也增加了人们对成熟热塑性焊接技术的兴趣,因为这有助于提高制造产能。
结束语
飞机结构使用热塑复材,零件的连接得用焊接连接,才能发挥它的最大优势。截至今日,本文是介绍热塑复材焊接工艺,最详实的一篇文章。我们从事飞机工程的大多人员,对焊接工艺相对接触不多。我估计,本文在今后的十多年里,对我们都有学习、参考的价值。
杨超凡 2025.1.15
原文, 《 Exploring ultrasonic and resistance welding for thermoplastic composite structures: Process development and application potential 》 2024.11.5
补充三张放大图片



(转自:复材网)

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