熱塑復材蒙皮與長桁焊接工藝-ISW
在STELIA Aerospace的試驗中，IS Groupe和Arkema使用移動基座獲得了ISW-Innovative Solution for Welding（創新焊接解決方案）專利，與熱壓罐的CFRP參考層壓板相比，其性能提高了85%以上，目前正在由Latécoère和Collins Aerospace Structures進行評估。
蘇杜爾研究所集團（IS Groupe，Villepinte，France）—字面意思是法國的“焊接研究所”—在焊接金屬方面擁有100多年的經驗，現在正成為焊接熱塑性復合材料的領導者。正如CW 2018年的專題報道“焊接熱塑性復合材料”中所報道的，IS Groupe及其復合材料品牌Composite Integrity開發了“動態感應焊接-dynamic induction welding”工藝，用于連接碳纖維（CF）/聚醚酮（PEKK）單向（UD）帶長桁和機身蒙皮，該工藝與空中客車一級供應商STELIA Aerospace（法國圖盧茲）在2017年巴黎航展上亮相的“Arches TP”示范項目。
IS Groupe與STELIA Aerospace合作，在ARCHES BOX TP項目中使用其動態感應焊接工藝對熱塑性復合材料直升機機身/尾梁進行感應焊接。
IS Groupe航空與復合材料總監杰羅姆·雷納爾（Jérôme Raynal）解釋道：“這是我們開發航空結構件感應焊接的開始。”。“盡管我們開發的動態感應焊接工藝是成功的，但由于界面處沒有感受器，因此在粘合桁條半徑和面板整體加熱方面存在一些限制。”
基座是放置在焊接熱塑性復合材料接頭的兩個被粘物之間的材料，該接頭由焊接頭中的感應線圈加熱。基座可以是用于電阻加熱的導電的或用于磁滯加熱的磁性的，在焊接界面處熔化基體，同時將基體壓在一起以形成具有非常高強度的熔接接頭。正如Bruce Fink、Shridhar Yarragadda和John W.（Jack）Gillespie于2000年1月發表的論文《復合材料感應接合過程中均勻加熱的電阻感受器的設計》所解釋的那樣，感應焊接熱塑性復合材料中使用的感受器最初是金屬篩網或網狀物，有時會浸漬聚合物。
IS Groupe相信，它遇到的最初問題可以通過更多的開發來解決。雷納爾說：“我們開始了新一輪的內部反思。”。這包括與熱塑性塑料（TP）材料供應商Arkema（Colombes，法國）的討論，Arkema隨后建立了發展伙伴關系。雷納爾補充道：“我們現在已經與Arkema開發了一項名為“創新焊接解決方案”（ISW-）的新技術，并獲得了聯合專利。”。
ISW使用與焊接頭中的感應線圈相連并與感應線圈一起移動的基座，以及未增強或低纖維體積熱塑性基體的界面層，可根據應用進行定制。
ISW基礎知識
雷納爾解釋道：“ISW的基礎是使用基座來加熱焊接界面，但這是一個連接到焊接頭的移動基座。”。“基座使我們能夠完美地定位焊接處的加熱區，但帶有基座的焊接頭正在移動，因此界面中不會留下任何東西來干擾焊接結構的性能。”在感應焊接的早期迭代中，金屬網基座留在了焊縫中，但這被認為是不可取的。最近的技術已經能夠消除感受器，因為普通航空航天層壓板中的碳纖維是導電的。這也使得能夠使用碳纖維材料作為感受器。
ISW解決方案的另一部分是在焊接界面處使用純TP基質或低纖維體積簾布層來增加樹脂流動。該界面層的熔體溫度和粘度可以被調節，并且也可以被功能化以提供導電性或隔離以防止例如碳纖維與鋁或鋼之間的電偶腐蝕。
2019年11月28日，法國SAMPE公布了使用Hexcel Hextow UD膠帶和Arkema Kepstan 7002 PEKK的ISW試驗的初步結果。
ISW結果
雷納爾說：“我們最終得到的接頭系數為80-90%。”。接頭系數對應于焊縫的強度，用于金屬、塑料和復合材料。“在使用ISW焊接在一起的兩塊預固結板的單搭接剪切試驗中，我們已經實現了未焊接、熱壓罐固結參考板80-90%的性能。”這些試驗使用了赫氏（Hexcel）的Hextow AS7碳纖維和Arkema Kepstan 7002 PEKK制成的UD膠帶。
雷納爾說，ISW可以用于焊接任何類型的基體：PE、PA、PEKK、PEEK，以及碳、玻璃或芳綸纖維增強的熱塑性復合材料。他補充道：“我們還表明，焊接具有用于雷擊保護（LSP-）的銅網的部件是沒有問題的，這是航空結構生產的關鍵。”。ISW設計為全自動焊接，焊接頭連接到6軸機械臂上。
溫度控制
正如柯克/亞拉加達/吉列斯派（Kirk/Yarragada/Gillespie）在論文中所解釋的，金屬網基座在磁場作用下的一個常見問題是在被焊接的零件中產生不均勻的溫度分布。雷納爾解釋道：“我們通過使用感受器只熔化焊接界面來控制這種情況。”。“我們用激光高溫計感知溫度，該高溫計實際上從側面測量基座的邊緣。因此，我們準確地知道界面的溫度。我們還使用冷卻來幫助控制溫度，并確保整個焊接過程中熱塑性材料充分結晶。”
STELIA桁條蒙皮焊接試驗
空中客車公司的一級供應商STELIA（法國圖盧茲）是該感應焊接開發的首批客戶之一。IS Groupe和Arkema對STELIA進行了一項特殊研究，將7層CF/PEKK長桁焊接到14層帶銅網的蒙皮上，用于雷擊保護（LSP-lightning strike protection）。最終目標是焊接30米長的結構，包括直截面和雙曲截面。使用包括日本帝人（Teijin）的Tenax HST45碳纖維和Kepstan 7002 PEKK的194gsm單向帶。STELIA規定了一種均勻焊縫，其機械性能>熱壓罐固結參考材料的85%，且被粘物的熱性能或機械性能沒有退化。它還要求采用一種在粘附物厚度變化方面穩健的工藝。焊接部件的化學和性能測試由IS Groupe進行。
IS Groupe和Arkema能夠滿足STELIA的要求，與熱壓罐固結的參考層壓板相比，實現了>85%的單搭接剪切（SLS-single lap shear）和層間剪切強度（ILSS-interlaminar shear strength）性能。組件層壓板或雷擊保護（LSP）網格中沒有拆包或降解。他們唯一不足的地方是速度。STELIA要求焊接速度≥1米/分鐘。“目前，我們的速度是每分鐘0.3米（10英寸），”雷納爾承認，“但我們仍在朝著這個目標速度努力。”可以焊接的基底厚度有限制嗎？“我們可以焊接航空航天結構的典型厚度，并將5毫米厚的部件焊接到5毫米的基底上。”
STELIA Aerospace的ISW試驗結果——包括IS Groupe的顯微照片——顯示了基材中的高質量焊縫和失效，而不是焊縫界面（左為綠色方框，右為藍色方框）。“防護罩”是銅網雷擊防護。于2019年11月28日在法國SAMPE舉辦。
Arkema伙伴關系、機遇和挑戰
為什么要與Arkema合作？雷納爾解釋道：“因為技術和材料之間存在關系。”。“例如，界面處的材料及其體積分數會產生影響。我們是工藝方面的專家，但我們需要與材料合作伙伴密切合作。這種聯合開發對于完全優化焊接技術是必要的。”
IS Groupe和Arkema是ISW技術的共同所有者，并通過堅實的專利組合保護了這項技術，其中包括五項法國和國際專利申請。ISW可以與任何熱塑性復合材料基體一起使用，IS Groupe正在通過與歐洲和美國公司的項目展示這項技術，包括Latécoère（法國圖盧茲）和Collins Aerostructures（美國加利福尼亞州Chula Vista）。
雷納爾表示，對于Arkema來說，重點是PEKK，并指出其2018年與Hexcel的戰略聯盟旨在為未來的飛機開發CF/熱塑性膠帶，重點是為客戶提供更低的成本和更快的生產速度。作為這一合作伙伴關系的一部分，法國正在建立一個聯合研發實驗室。
為期4年的HAICoPAS項目旨在優化材料、制造和組裝，以實現低成本、高速率的復合材料結構生產。
耗資1350萬歐元、為期48個月的用于執行適應性結構的高度自動化集成復合材料（HAICoPAS）項目是Arkema Hexcel戰略聯盟的延續。這項全法國合作包括IS Groupe，以及定制機器設計師Ingecal（Chassieu）、Coriolis Composites（Quéven）、Pinette Emidecau Industries（Chalon Sur Saone）和一個大學實驗室聯盟。HAICoPAS將優化復合材料零件生產材料的設計和制造，以高速實現具有競爭力的成本。它還旨在開發一種更高效的復合材料放置/疊層技術，以及一種通過在線質量控制的焊接組裝最終零件的新系統。
目標應用包括飛機主結構、汽車行業的結構件以及石油和天然氣行業的管道。熱塑性材料提供的可回收性和可持續性效益對這些市場也很重要，并將在HAICoPAS中進行證明和量化。
雷納爾指出：“與2017年的動態感應焊接工藝相比，ISW可以提供的好處之一是將所需電力減少50%以上。”。“使用傳統的感應，你需要高功率來加熱表面。但在界面處有一個感受器，你加熱的表面要小得多，所需的能量要少得多。”他指出，這也有助于避免長桁半徑的反作用。“如果加熱過多，可以軟化半徑范圍內的材料，使此處的纖維移動。因此，我們只需要完全加熱焊接基板的接觸區，而不加熱半徑。使用ISW，這不是問題。”
然而，仍然存在熱問題。雷納爾說：“對于扁平形狀，熱控制很簡單，但隨著形狀復雜性的增加，它變得更具挑戰性。”。“2020年的主要目標是繼續開發并實現具有代表性的蒙皮長桁焊接。我們的重點還在于將該技術引入新的飛機開發計劃。”
END
原文見，《Using mobile susceptors to innovate thermoplastic induction welding 》 2020.5.5
楊超凡 2024.5.21
