摘要

本研究重點探討將靜態電阻焊接工藝應用于全尺寸上殼體機身示范件的機會和挑戰。描述了經過調整的電阻焊接裝置和工藝，能夠在整個焊接表面上產生高質量的焊縫，并具有定義的焊縫。討論了在示范件焊接過程中出現的放大效應和挑戰。提出了解決方案，以滿足應用中對電阻焊接接頭可靠性的要求。

引言

碳纖維增強熱塑性塑料（CFR-TP）目前備受關注，因其在加工和尤其是裝配方面具有優勢特性。熱塑性塑料的可焊性為無塵裝配提供了新的可能性，并允許重新組織裝配流程。奧格斯堡輕量化生產技術中心（ZLP）及其項目合作伙伴空中客車公司、Premium AEROTEC 和Aernnova參與了歐洲清潔天空2大型客機（LPA-Large Passenger Aircraft）項目，并面臨生產8米長的飛機機身熱塑性上部殼段的挑戰。

多功能機身演示器(MFFD-Multifunctional Fuselage Demonstrator)結構將采用東麗先進復合材料公司提供的碳纖維增強低熔點聚芳醚酮(CF/LM-PAEK)CETEX® TC1225制造。上殼體的蒙皮將通過原位鋪帶工藝制造，而長桁將通過連續超聲波焊接集成。剩余的加強元件，如框、上下框連接件角片和加強件，將通過電阻焊集成到演示器中。本研究重點關注將電阻焊工藝應用于全尺寸上殼體機身演示器的機會和挑戰。

電阻焊接原理和機會

電阻焊接原理

電阻焊接技術利用焦耳熱在兩個組件的界面處熔化聚合物。對于導電組件的焊接，使用由導電體（此處為東麗5HS、T300JB碳編織預浸料，277gsm）和電絕緣層（此處為東麗4HS、EC5 E-玻璃預浸料，105gsm）組成的焊接元件，每個表面朝向焊接伙伴。焊接表面之外的導電體通過銅塊接觸，并通過電源閉合電路。電流通過焊接導體流過，加熱焊接伙伴之間的界面，通過施加外部焊接壓力（圖1）進行固結。

圖1. 電阻焊接設置示意圖

焊接性能

電阻焊接技術的巨大優勢在于能夠產生與零件厚度無關的接頭。這可以通過焊接元件在接合區的直接溫度應用來解釋。由于焊接元件保持在接合伙伴之間，它可能會導致與零件層壓值相比的強度值降低。然而，先前對電阻焊接CFR-TP的研究證實了高焊接因子（表1）及其對不同熱塑性基體系統的可轉移性。

表1.焊接因子作為焊接和壓制固結參考之間的關系，在不同基體系統中實現單搭接剪切測試

此外，電阻焊接技術提供了生產完全封閉連接的可能性，以及在超聲掃描中產生均勻的焊縫特性（圖2）。圖中顯示了C掃描中近乎完美的背壁回波。在B掃描中，焊縫中心的兩條線表示碳纖維織物和玻璃纖維織物之間超聲信號的過渡，顯示了小的衰減。

圖2. 200mmx40mm CF/PPS焊接試樣的超聲波掃描

過程控制

傳統使用的焊接導線，如不銹鋼網格或碳纖維織物，表現出溫度依賴的電阻行為。這個值可以用來產生直接的溫度反饋，并在現場監測和控制過程?？刂坪附舆^程的另一種方法可以通過測量焊接位移來實現。例如，在無填料和低填料熱塑性塑料的不同焊接技術中。由于電阻焊接的焊接路徑較短，特別是在接縫中沒有額外的基體材料，因此該測量方法優選用于具有過量基體的焊接。這樣，可以避免層壓板的過度加壓，并且可以調整纖維體積含量。

電阻焊接的挑戰

容差管理

容差補償是大型航空航天結構生產中最大的挑戰之一。連續纖維增強CFR-TP的焊接幾乎沒有機會補償組件的容差，需要在設計過程中盡早考慮。因此，焊接伙伴的匹配至關重要，因為額外的、填充間隙的基體會導致非均勻的焊縫厚度，進而導致結合強度的變化。然而，電阻焊接過程提供了廣泛的焊接壓力水平，能夠處理由于表面不規則性而在焊接之間產生的壓力變化。在文獻中，焊接壓力約為1.0 MPa。描述為導致高質量的焊接，而更高的壓力水平會導致過度的擠壓流動，而不會進一步提高焊接性能。

部件多樣性

單個組件（如夾具）的尺寸變化增加了焊接工具的變體數量，因為需要全表面接觸壓力。對于電阻焊接工藝，這也意味著焊接工藝參數的變化增加。這些參數的決定性取決于組件和焊接工具的導熱性，以及焊接元件的幾何形狀。

組件的可接近性

電阻焊接工藝要求在接觸和壓力建立時垂直于接頭的可接近性。此外，在配合零件的平面上，需要兩個相反側的可接近性，以便能夠與焊接導線建立足夠的電氣接觸。為了確保組件之間的最佳負載傳遞，它們的界面被設計得盡可能大?？傊?，這要求在接合區域施加更大的壓力，并減少了可接近性。另一方面，焊接和接觸壓力的總體降低允許使用更細的焊接工具，從而便于組件的可接近性。

提高可靠性的方法

工藝改進

熱塑性復合材料原位固結仍處于開發階段，與壓制模壓層壓板相比，其表面拓撲質量無法達到相同水平。為了實現焊接元件的均勻加熱，必須對焊接元件的表面施加恒定的接觸壓力。

壓力值的不同會導致接觸電阻的局部差異，進而導致不均勻的加熱行為。為了最小化可能的電阻波動，驗證了兩種不同的測試，以增加后期電阻焊接的可靠性。

一方面，通過加熱模具對T-AFP表面進行局部后固結。在這個額外的工藝步驟中，層壓板在晶粒熔化溫度以上局部加熱，并在恒定壓力下冷卻。這旨在減少層壓板的表面波紋，并在后期的電阻焊接中確保均勻的接觸面壓力。

圖3.使用加熱模具對比較差的局部后固化的單向層壓板

第二種正在研究的方法涉及使用商用縫紉機通過鋸齒狀針孔減少焊接元件的接觸電阻。

圖4.與未預處理的焊接元件相比，針孔減少接觸電阻的測量

 

縫合穿孔減少了整體電阻值，并導致電阻值對接觸壓力水平的依賴性降低（圖4）。兩種方法，即層壓板的局部后固結和焊接導體在接觸區域的穿孔，在初步研究中顯示出提高焊接過程可靠性的潛力，用于演示件的制造。

智能工具設計

由于可能的空氣間隙，電阻焊接過程特別容易受到接觸塊和層壓板之間過渡區域局部過熱（邊緣效應）的影響。通過結合具有高熱導率的實心銅塊，可以最小化間隙距離以避免過熱。

對于焊接CFR-TP角片，開發了末端執行器（圖5），末端執行器上的銅塊可調節至層壓板方向。靈活補償組件和銅塊之間過渡間隙變化的能力顯著提高了工藝可靠性。為了減小氣動缸的尺寸并最小化末端執行器的尺寸，壓力應用通過偏轉桿實現。

圖5.用于熱塑性角片自動電阻焊接的末端執行器

隨后，運動學原理從夾鉗焊接末端執行器轉移到用于MFFD上殼體框集成的焊接模塊中。在這里，整體C型框增加了接合表面的可訪問性。

圖6. C型框集成焊接模塊

圖6顯示了打開和關閉位置的焊接模塊。這些模塊隨后被連接到框集成裝置，并確保在連接法蘭與蒙皮的位置處的焊接表面得到適當的加壓。第二杠桿機構用于在焊接元件的接觸表面定位銅塊并加壓。

綜合的質量保證

提供了過程監控的可能性，并構成了過程控制的基礎。在演示器的生產過程中，對各種焊接參數進行監控，以確保高質量的焊接。除了壓力、電流、電壓和功率等過程控制的必要參數外，焊接無啟動、中止和批準標準也遵循焊接過程的可靠執行。

摘要和展望

本文介紹了上部殼體多功能機身演示器的焊接活動展望。描述了電阻焊接工藝，然后介紹了其在制造全規模結構過程中所面臨的機遇和挑戰。焊接強度值和過程控制的可能性被強調為這一過程的一個機會。容差管理、零件種類繁多及其易用性被描述為演示器組裝過程中的最大挑戰。此外，還描述了工藝改進以確保焊接元件的均勻加熱。焊接工裝的智能設計在過去已經證實了其可靠性的提高，并被轉用于MFFD工裝。最后，綜合質量保證被列為過程本身的必要組成部分。它提供了關于過程控制的直接信息，提高了可靠性并增強了對焊接過程的信心。

原文，《Towards increased reliability of resistance welded joints for aircraft assembly》