熱塑復材的超聲波、電阻焊接
來源：楊超凡
1.導言
回顧過去150年的航空歷史，揭示了人類優化飛機結構設計和起飛質量的系統方法。最初，人們使用了可接近的有機材料，如木材、織物和簡單的半成品金屬制品，如金屬絲。在民用和軍用飛機飛行載荷和機動性增加的推動下，越來越多地使用金屬材料，如格子機身結構中的鋼和外殼結構中機身用鋁制成的輕金屬合金。
下一步，飛機設計的轉變已從使用金屬結構轉向使用熱固性基質材料的纖維復合材料結構，如空客A350和波音787所示。使用熱固性材料時，粘合劑粘合可以幫助將載荷更均勻地分布在整個接合面上，從而減少應力集中。然而，粘合劑粘合是勞動密集型的，需要大量的表面處理，并且固化時間很長。此外，由于多種因素，主要是對表面處理、固化周期條件的依賴，以及缺乏能夠全面評估接頭質量的無損檢測方法，粘合劑粘合不易用于主要航空航天結構。
熱塑性基復合材料的主要優點之一是可以焊接或熔融粘合，而不是機械緊固件或粘合劑粘合，這使得生產過程能夠改變和更有效。在空中客車公司，子部件首先在主要部件裝配（MCA-Major Component Assembly ）中組裝成成品結構，然后在下一步通過最終裝配線（FAL-Final Assembly Line ）的人工工作配備液壓和電氣系統。結構組裝和系統集成之間的這種嚴格分離是基于這樣一個事實，即鉆孔和鉚接金屬結構會產生碎屑，可能損壞已安裝系統。然而，一旦結構安裝完畢，諸如貨物區的可達性就會受到嚴重限制，這使得工人難以進行人體工程學設計，自動化幾乎是不可能的。通過使用不產生碎屑的焊接技術，可以改變這種順序，從而在組裝過程中使用更多的自動化。例如，機身殼體可能已經自動配備了系統，然后只需要在組裝結構時將其連接在一起。
因此，航空航天應用焊接技術的發展和成熟是當前研究和工業的重點。此外，每一項新技術都經歷著從最初的想法到工業化應用的發展過程。里程碑通常被稱為技術準備水平（TRL-Technology Readiness Level），包括基礎科學研究（知識開發）、技術可行性分析（技術開發）和在真實產品環境中的最終工業化（業務開發），見圖1.。輕量化生產技術中心（ZLP）隸屬于德國航空航天中心結構與設計研究所，其任務是將新技術的科學方法應用于真實的部件幾何形狀，以開發和制造技術演示。隨著對全尺寸演示的自動化、機器人輔助生產的關注，TRL 3至TRL 6將得到證實。根據可行性研究的結果，各行業合作伙伴可以在工業規模上開發和實現最終實施。
圖1. 技術準備水平（TRL）
2. 航空航天應用中的焊接技術路線圖
一般來說，熱塑性復合材料的連接可分為機械緊固、粘合劑粘合、溶劑粘合、共固結和熔融粘合或焊接。熱塑性焊接工藝利用了熱塑性材料的可熔性物理特性。如1中所述，在這個過程中，大分子的原子由于熱量輸入而增加的振蕩能量而變得可移動，這使得分子能夠相互滑動。在這種狀態下，待焊接的接合伙伴的表面可以相互擴散。在隨后的冷卻過程中，聚合物再次固結，形成材料連接。這種連接的質量與壓制成型部件的質量非常相似。
有幾種方法可以對不同的焊接工藝進行分類。一種變體是根據產生熱量的方式對過程進行分組。圖2顯示了熱焊接、摩擦焊接和電磁焊接類別中的焊接工藝。
如今，螺栓、鉚釘和其他緊固件幾乎只用于單個零件的組裝和整個飛機的組裝，例如金屬空客A320或波音737。數以百萬計的這些機械緊固件用于整個飛機，如今這些緊固件通常由工人手工鉆孔。一架大型飛機可以包含數千個鉚釘，這在重量中占相當大的比例。然而，如果這些孔的鉆孔不理想，存在定位和方向誤差，則會導致飛機疲勞壽命縮短。先進的連接技術，包括焊接，可以降低成本、重量和零件數量，主要是通過減少緊固件的使用。通過采用焊接等直接連接方法來消除對緊固件的需求是一個明確的目標。與金屬或熱固性復合材料相比，焊接熱塑性復合材料結構有可能將循環時間減少80%，重量減少50%。此外，最先進的鉆孔和緊固需要大量的制造步驟，這使得該過程復雜且昂貴。以下列表顯示了使用機械緊固件連接可能需要的步驟：
圖2. 焊接技術
1. 表面處理：清潔和處理表面，以防止腐蝕并確保適當的附著力。
2. 鉆孔位置標記：使用模板或自動化系統標記鉆孔的確切位置。
3. 鉆孔：高速鉆孔，有時由CNC控制，在工件上創建精確的孔。
4. 去毛刺：去除鉆孔中的毛刺和銳邊，以防止損壞鉚釘并確保平穩配合。
5. 清潔：清潔孔洞和周圍區域，清除碎屑和污染物。
6. 熱處理：一些鉚釘在安裝前需要熱處理以提高延展性。
7. 對齊：使用專用工具或自動化系統在鉆孔中對齊鉚釘。
8. 涂抹密封膠：在某些鉚釘上，必須先在釘桿上涂抹密封膠，然后才能插入。
9. 鉚接：使用氣動、液壓或手動鉚釘槍插入鉚釘并使其變形，形成牢固的接頭。
10. 目視檢查：目視檢查鉚釘和接頭是否正確安裝。
11. 無損檢測（NDT）：使用超聲波X射線和染色滲透檢測對零件進行檢查，以檢測內部缺陷并確保結構完整性。
12. 表面處理：在鉚接區域涂上保護涂層、密封劑或油漆，以防止腐蝕并提高美觀性。
13. 文件：在詳細報告中記錄所有步驟、檢查和測試，以確?？勺匪菪院唾|量保證。
如果將當今金屬行業的鉚接與焊接進行比較，機械連接乍一看仍有一些優勢。飛機結構在飛行過程中承受著巨大的應力和疲勞，因此選擇連接方法對其安全性和耐用性至關重要。相較于焊接接頭，鉚接接頭通常具有更優的抗疲勞性能。這是因為鉚釘沿接頭更均勻地分布應力，這對于在飛機的整個使用壽命內保持結構完整性和安全性至關重要。在損傷容限方面，鉚接接頭具有明顯的優勢。如果發生損壞，鉚接接頭通常更容易檢查和維修。雖然焊縫通常需要X射線檢查來評估其完整性，但鉚釘的檢查更簡單，簡化了維護過程。鉚釘可以單獨拆卸和更換，簡化了維修過程。相比之下，焊接接頭可能需要更廣泛的返工，這可能會影響飛機的適航性，并導致更長的維修停機時間。材料兼容性是鉚接大放異彩的另一個因素。
飛機結構通常由各種材料組成，包括鋁、鈦和復合材料。與焊接相比，鉚接通常與這些不同的材料更兼容，這可能會帶來與熱影響區和材料兼容性相關的挑戰。與焊接相比，鉚接不僅速度更快，而且涉及的熱回火更少，使其成為維護的實用選擇。
如果鉚釘用于復合材料機體，還有其他缺點。鉚釘長期以來一直是金屬結構的可靠緊固方法，但它們在復合材料結構中的應用可能會帶來一些挑戰。這些困難可能會對組件的性能、壽命和整體完整性產生負面影響。因此，替代緊固方法，如粘合劑或專用復合緊固件，通常是復合材料的首選。這些替代品可以提供與復合材料更好的結合和兼容性，從而提高裝配性能和壽命。
在復合材料結構中使用機械緊固件可能會帶來幾個重大挑戰，從而損害組件的完整性和性能。一個主要問題是鉚釘孔周圍的應力集中。由于復合材料比金屬更脆，它們特別容易受到這些應力點的損傷，從而導致開裂或分層。
安裝過程中出現了另一個問題。為鉚釘鉆孔會導致纖維連續性中斷，并可能導致復合材料出現微裂紋或其他損壞。隨著時間的推移，這些小缺陷可能會增長，削弱復合材料的結構完整性。此外，鉚釘為結構增加了額外的重量。雖然這在金屬組件中可以忽略不計，但在復合材料結構中，這是一個更關鍵的問題，其中最小化重量是主要優勢。當鋁合金鉚釘與碳纖維復合材料一起使用時，尤其是在潮濕的環境中，也存在電偶腐蝕的風險。這會使鉚釘周圍的復合材料劣化，進一步損害結構。修復鉚接復合結構可能相當復雜。拆卸和更換鉚釘可能會對復合材料造成額外損壞，使維修更加困難，并可能降低效率。此外，復合材料和鋁合金鉚釘通常具有不同的熱膨脹率。這種不匹配會在溫度變化期間導致鉚接接頭處的應力，隨著時間的推移，這可能會導致接頭失效。最后，鉚釘會破壞復合材料結構的光滑表面，影響空氣動力學和美學——這是飛機和高性能車輛等應用中的關鍵考慮因素。
在認證方面，焊接比粘合的關鍵優勢如下。當焊接后在顯微鏡下觀察均勻的聚合物時，沒有可見的分界線或可識別的連接材料，如粘合劑。這是因為焊接過程涉及熔化兩側的聚合物并將其熔合在一起，從而形成一個在化學和物理上與原始材料無法區分的接頭。因此，只存在一種材料，這就是為什么必須在焊縫兩側使用相同的聚合物。這種技術創造了一種牢固而一致的結合，使均勻聚合物焊接成為連接類似聚合物材料的一種流行而有效的方法。
3. 最先進的熱塑性復材（TP）焊接
近年來，纖維增強復合材料的焊接變得非常流行，已經發表了許多有趣的研究，這些研究使用了用于航空航天應用的高性能熱塑性復材。以下部分介紹了兩種有前景的焊接技術—電阻焊（RW-Resistance Welding）和超聲波焊接（UW-Ultrasonic Welding）。
3.1. 超聲波焊接（UW）
3.1.1. 基礎知識
用于均勻、非增強聚合物的超聲波焊接工藝幾十年來一直是最先進的技術，因此被用于各個領域，包括包裝工業、電子和醫療應用。超聲波焊接工藝基于簡單的摩擦原理，這就是為什么它基本上被歸類為摩擦焊接工藝的原因，見圖2。
超聲波焊接裝置由特定部件制成，以便對焊接部件施加機械振動。來自電源的交流電壓通過控制器轉換為高頻信號（20-50kHz），該信號由使用壓電元件的低振幅（10-250µm）轉換器轉換為機械振蕩。機械振蕩在隨后的增壓器單元中被放大，并傳輸到超聲焊極或角狀物（horn），見圖3 。
熱塑性復合材料超聲波焊接工藝的制備需要幾個細致的步驟。首先，需要對部件表面進行處理，包括清除表面的灰塵或異物。之后，通常在兩個待焊接的部件之間插入能量導向器（ED-Energy Director），以改善聚合物的流動行為。能量導向器主要由與復合材料基體相同的材料制成，增加了連接區聚合物的體積，從而改善了流動性，最終提高了焊接質量。此外，可以調整ED的形狀，以便在連接區域實現一定的溫度分布，并進一步優化質量。接下來，使用專用夾具或工具將待焊接的組件牢牢夾緊在一起，以確保精確對齊，實現一致的焊接。然后，超聲焊極與堆焊部件進行物理接觸，從而傳遞機械振蕩，見圖3。砧座充當超聲焊極的反支架，它充當物理屏障，因此可以在固化和冷卻過程中建立固結所需的壓力。機械振蕩最初在組件之間，或者更確切地說，在組件和ED之間，以及ED層之間產生表面摩擦。由于摩擦的物理過程直接取決于表面，因此ED的形狀起著決定性作用是合理的。因此，表面摩擦是產生熱量的主要來源，主要在聚合物的玻璃化轉變溫度之前有效。當達到并超過玻璃化轉變溫度時，粘彈性摩擦的二次過程會擴散，這是分子間發生的，因此表面摩擦變得越來越不重要。
因此，超聲波焊接過程可以分為不同的順序。根據分解該過程的粒度，有以下步驟：（I）在預定的力下將超聲焊極定位在組件上，（II）施加機械振動和聚合物熔化，（III）保持一定的固結壓力，（IV）焊接的固化和冷卻，以及（V）釋放固結壓力以移除焊接組件。
圖3. 超聲波焊接裝置的結構示意圖
根據貝納塔爾（Benatar）和古托夫斯基（Gutowski）的研究，超聲波焊接過程可分為五個基本原理。首先，如前所述，超聲波焊接機施加的力學和振動可以通過集總參數模型進行建模和解釋。超聲波焊接裝置的每個部分，如焊接機、焊接部件、ED和基座或砧座，都可以用等效的彈簧阻尼系統來表示，如粘彈性材料的沃伊特-開爾文模型。其次，焊接過程中由分子間摩擦產生的粘彈性加熱，以及焊接伙伴之間表面摩擦產生的初始加熱，一旦過程建立，可以忽略不計。產生的平均熱量由角頻率 ( ω) 描述，焊接設備的損耗模量( E″ )和材料的應變振幅(?0) 。
因此，平均熱量(Q?avg ）如下文所述，焊縫中產生的裂紋可以用方程式（1）來描述。
隨后，感應熱從能量導向器傳遞到焊接部件。該過程可以表示為傳導熱傳遞，而焊接裝置和周圍空氣之間的對流可以忽略。物理部件上的機械、靜態和動態壓力最終導致能量導向器流動。所用熱塑性聚合物的高粘度導致能量導向器材料的高度復雜的流動過程，這也會影響焊接部件表面的潤濕。貝納塔爾（Benatar）和古托夫斯基（Gutowski）提出了不同的方法來近似這種擠壓流，同時提到沒有一種方法能夠充分描述整個問題。最后，聚合物鏈之間發生分子間鍵合。焊接部件基體材料的聚合物鏈與能量導向器之間的結合是超聲波焊縫物理強度的關鍵組成部分。非晶態和半晶態聚合物的擴散過程不同，但在這兩種情況下，它都是一個非?？焖俚倪^程，可以在瞬間完成。因此，由于聚合物鏈的固化，超聲波焊接過程的速度不受限制。
由于高頻能量輸入，超聲波焊接是一種快速連接工藝，由于其循環時間短，適合自動化。此外，可以實現焊縫的高質量和強度，這代表了焊接部件之間的材料均勻結合。該工藝的這些優點似乎更優越，因此該工藝很可能在未來應用于汽車和航空工業系列化產品中的纖維增強熱塑性復合材料。
UW工藝在歷史上不斷發展，從點焊到順序焊接，最終發展為連續焊接工藝。最初，點焊過程是獨立于所使用的材料配對和工業應用進行考慮和分析的。使用適當的設備很容易實現和控制幾乎一維的過程，因此在超聲波焊接的開發和研究開始時，這在很大程度上得到了研究。
這種焊接過程的關鍵參數，無論是靜態點焊過程還是連續動態過程，首先是激勵部件的機械振動的頻率和振幅。此外，超聲焊極和固結單元施加的固結力和壓力對焊縫的質量具有決定性作用。靜態和連續過程之間的一個顯著差異是過程路徑和過程速度，它們的尺寸和絕對值不同。這兩個過程都可以通過系統組件的功率輸出和位移進行監測和控制。
未來，這一發展將用于實現工業應用，例如通過機器人輔助生產來大規模制造組件。已經開發和制作了不同的演示文稿，以展示這種連接技術的機會，詳見下文各小節。
如圖4所示，在奧格斯堡DLR現場設計的超聲波焊接影響器（5）安裝在KUKA機器人（1）上，使該系統能夠在演示組件上連續生產焊縫。主要部件是Branson DCXs 20VRT發電機，它產生頻率為20 kHz的高頻振動，最大功率輸出為4 kW。該發電機通過升壓器連接到超聲焊極（3）進行放大。超聲焊極的幾何形狀和形狀因焊縫和零件裝配尺寸而異。超聲焊極以及壓實壓實機（2）和壓實單元（4）由氣缸支撐，每個氣缸可以向單獨的系統部件引入高達3kN的力，以確保與焊接伙伴的良好接觸。過程力由采樣率為1kHz的Festo比例閥控制。末端執行器配備有傳感器，以1kHz的采樣率測量和記錄過程值，從而實現實時過程控制。末端執行器的所有組件（如傳感器和氣動裝置）的控制由Beckhoff的EtherCAT組件實現，允許以1kHz的頻率記錄和控制過程數據。對于過程監控，會記錄焊接數據，如振幅、功率、焊接力、機器人速度和位置。
超聲波焊接的最新技術目前主要集中在實驗室規模的小規模樣品制備。然而，通過DLR的努力，目標是進一步開發連續超聲波焊接工藝，使其適用于大型結構部件的組裝，這已經在幾個項目中得到了證明。在末端部執行器的設計過程中，目標是保持盡可能小的尺寸，以便在狹窄的連接配置中也能實現良好的可達性。末端執行器既可用于測試臺上的線性軸上，用于焊接用于機械試樣樣品生產的扁平有機板，也可用于工業機器人上焊接較大的零件。
圖4. DLR的連續超聲波焊接（CUW- Continuous Ultrasonic Welding）的末端執行器（5）安裝在KUKA機器人（1）上。
3.1.2. 以前的工作
超聲波焊接是一種快速環保的熱塑性復合材料連接方法，因為它不需要任何異物，在焊接過程中不會產生煙霧或火花。它還最大限度地減少了表面損傷，因為熱量是在界面而不是頂面產生的。然而，這一過程存在局限性。它主要適用于近場應用中的搭接和剪切接頭，由于振動穿透的困難和設備的輸出功率，在遠場具有最大的厚度限制。此外，剛度、硬度和阻尼系數等材料特性會影響振動轉化為熱能，機械振動傳遞原理可能會導致可聽噪聲和疲勞失效的可能性增加。熱塑性纖維復合材料靜態超聲波焊接領域的研究始于20世紀80年代末。貝納塔爾等人研究了振動幅度、焊接時間、功率、材料配對和超聲波焊接工藝的其他參數之間的關系，得出了接頭強度的結論Benatar等人在遠場靜態超聲波焊接實驗中實現了ABS、PP、PS和PE等不同材料的8-11MPa焊接強度，近場峰值強度為7-17MPa。此外，貝納塔爾等人在總結他們的實驗結果時提出了一種超聲波焊接過程的模擬和建模方法。自從貝納塔爾等人最初考慮對纖維增強的熱塑性高性能聚合物的超聲波焊接工藝感興趣以來，這種興趣已經大大增長。荷蘭代爾夫特理工大學的科學家分析了該過程基本原理的許多方面，并確定了各種相關性和基本關系。維勒加斯等人研究了不同形狀的能量導向器，如扁平和三角形，以及它們在被粘物之間的熔融區產生熱量的能力。此外，還努力更詳細地調查某些挑戰，例如待焊接部件的對齊。布里托（Brito）等人強制對粘附物進行誤閃爍，以研究靜態焊接裝置中超聲波焊接過程的影響。通過這些調查，人們可以認識到，由于被粘物之間的傾斜角度增加，頂部被粘物的移動受到阻礙，導致被粘物錯位，從而降低了焊接質量和均勻性。此外，頂部被粘物的夾緊距離對焊接質量的影響增加，因為通過增加夾緊距離降低彎曲剛度可以提高自由度，最終提高焊接均勻性。另一個主要焦點是使用原位方法進行過程控制，正如維勒加斯在靜態超聲波焊接中所證明的那樣，他開發了足夠的方法來利用功率和位移數據通過原位程序控制靜態焊接過程。雖然早期的研究人員專注于靜態超聲波焊接，但最近的興趣集中在連續超聲波焊接上，因為這似乎是一種有前景的連接技術，特別是在實際組件自動化生產的機器人應用中。德國航空航天中心結構與設計研究所展示了用于航空航天工業的熱塑性復合材料演示組件的連續超聲波焊接的機器人應用。恩格斯（Engelschall）等人不僅證明了將機器人焊接應用程序應用于縮尺演示器的可行性，還提供了對單圈剪切配置中實現的焊接強度的見解。使用具有堆疊順序的聚苯硫醚（PPS）層壓板。單圈剪切試樣的機械測試提供了24.7 MPa的峰值強度。根據機器人應用，其他科學家在具有線性自由度的簡化試驗臺上研究了靜態和連續超聲波焊接過程之間的異同。瓊布洛德（Jongbloed）等人進行了一項全面的研究，比較了靜態過程和連續過程，其中焊縫的強度是使用單搭接剪切試樣確定的。在這兩個過程中，在參數分析中研究了連續過程的焊接力、振動幅度以及焊接速度和靜態過程的振動時間。已經組合了廣泛的參數，例如500N至1500N之間的焊接力、和之間的振幅以及高達和到之間的焊接速度或和之間的振動時間。瓊布洛德等人展示了他們的結果，連續超聲波焊接的峰值強度為28 MPa，而在靜態設置下達到了最大強度，最高值為36 MPa至38 MPa。除了自動化和超聲波焊接工藝的高速能力外，新材料和混合接頭目前也處于中心地位?？茖W家們越來越多地研究熱塑性和熱固性復合材料混合連接的可能性，這當然可以通過超聲波焊接來生產。
3.2. 電阻焊（RW）
3.2.1. 基礎知識
電阻焊接基于電流通過導體時的能量耗散原理。以熱的形式耗散的能量可以用焦耳第一定律來描述。熱量，通常定義為Q，被描述為耗散能量E，是電流I和電導體電阻R以及時間t的函數。
電阻焊接工藝的概念設計如圖5所示。與其他焊接技術類似，必須首先徹底清潔待焊接的部件。同樣的程序適用于放置在組件之間的焊接導體或加熱元件。焊接導體突出到接合區域之外，從而可以進行接觸和通電。準備好后，使用專用夾具或工具將待焊接的組件牢固地夾緊在一起。正確的對齊可確保焊縫的均勻性和強度。在焊接過程中，電流通過組件之間的界面，產生電阻加熱。這種熱量使熱塑性材料軟化，使其在施加的壓力下熔合在一起。隨著軟化材料的熔化，部件被壓在一起以促進焊縫形成。一旦達到所需的焊接參數，關閉電流，讓焊縫冷卻并固化。
焊接接頭在壓力下冷卻和固化，確保部件之間牢固耐用的結合。焊后檢查對于驗證焊縫質量至關重要?？刹捎媚恳暀z查和無損檢測方法來評估焊縫的完整性。電阻焊接為連接熱塑性復合材料提供了許多優勢，包括快速的加工時間、對焊接參數的精確控制以及生產堅固可靠接頭的能力。然而，成功的實施需要仔細優化壓力、溫度和焊接持續時間等參數，以及適當的培訓和專業知識。
圖5. 電阻焊接工藝的概念設計
位于奧格斯堡DLR的電阻焊接試驗臺是一個高度靈活的裝置，設計用于執行各種長度的靜態電阻焊接，最長可達1500毫米。焊接過程由十個Festo ADN-125-25-I-P-a氣缸推動，這些氣缸向焊件施加壓力，在6巴的入口壓力下將最大適用力限制在70.69千牛。另外兩個AEN-80-25-I-P-A型氣缸用于將焊接元件壓到銅夾上，以確保確定的接觸電阻。測試臺配備了各種傳感器，用于過程數據采集，能夠監測關鍵參數，如壓力件不同位置的銅夾溫度、焊件和銅夾上施加的壓力以及加工過程中的焊接距離。三個激光傳感器用于測量焊接距離，所有這些參數與直流電源（Regatron TopCon Quattro，10 kW）的輸出參數一起監測，并在控制面板上集中顯示。圖6顯示了為焊接1500毫米長試樣而準備的試驗臺。
圖6. 奧格斯堡DLR靜電電阻焊試驗臺。
3.2.2. 以前的工作
對單向碳纖維增強聚苯硫醚（UCF/PPS）復合材料的研究表明，100目黃銅網具有最佳的樹脂潤濕和加熱效率。確定的最佳焊接參數為313-314°C、1.04-1.2 MPa和124-128 kW/m2，接頭強度為13.58 MPa。分析表明，功率密度對焊接有顯著影響，焊接溫度和功率密度之間的相互作用最為關鍵。Box-Behnken方法有助于設計實驗，得到的模型被證明具有高度的預測性和擬合性。本研究介紹了一種用于碳纖維/環氧復合材料的高效電阻焊接技術。機械砂光和介質阻擋放電（DBD-dielectric barrier discharge）等離子體處理提高了接頭性能，增強了表面粗糙度和潤濕性。組合方法實現了25.78 MPa的搭接剪切強度。在中，作者提出使用旋轉滑動電弧等離子體處理將CF/PEEK復合材料焊接中不銹鋼加熱元件（HE-heating elements）的搭接剪切強度提高14.63%，總單搭接剪切（SLS-Single-Lap Shear ）達到51.7MPa。表面表征表明，潤濕性和粘合性得到增強，孔隙缺陷減少，樹脂浸漬得到改善。失效模式轉變為CF/基體界面失效，表明HE/基體粘附力增強。探索電阻焊接在航空航天應用中連接熱塑性復合材料的方法，強調其優于傳統方法。這項工作討論了熱塑性塑料焊縫疲勞試驗的重要性。然而，對熱塑性塑料電阻焊縫疲勞強度的研究有限。不同類型的熱塑性塑料的無限疲勞壽命的搭接剪切強度（LSS-Lap shear strength）值相似，CF/PEEK的疲勞強度最高，GF/PEI的疲勞強度最低。熱塑性復合材料的無限疲勞壽命約為其LSS的25%，但GF/PEI除外，其LSS較低，無限疲勞壽命為20%。需要進一步的研究來分析關鍵飛機結構中焊接接頭的疲勞性能。
對于RW來說，實現溫度均勻性對于產生低散射的高焊接強度至關重要。然而，平行于電流方向增加焊縫長度可能會導致電壓降，這在焊接碳纖維增強熱塑性塑料等導電部件時可能是一個重大問題。這是因為碳纖維可能會發生漏電，導致焊接結果不一致。因此，控制壓降和保證溫度均勻性是CFR熱塑性塑料焊接中需要考慮的關鍵因素。均勻的焊接壓力對于創建高質量的焊縫是必要的，因為降低的壓力會導致焊縫界面上的孔隙含量增加。在靜態電阻焊接中，約1 MPa的焊接壓力通常會產生最佳的單搭接剪切（SLS）強度，邊緣周圍有可接受的擠壓流動。然而，由于各種夾具部件的幾何公差，確保整個飛機機身縱向接頭的壓力均勻性可能具有挑戰性。因此，在焊接過程中考慮焊接壓力的應用及其均勻性至關重要。
已發表文獻中的電阻焊接研究主要集中在靜態配置上，其中工藝夾具在焊接過程中相對于接頭保持靜止。雖然這種方法對于小接頭（如角片和短框）來說已經足夠了，但對于大或高縱橫比的部件（如飛機截面中的長桁和連接件）來說，它面臨著可行性問題。原因包括幾何約束、功率需求增加和壓力要求更高。為了應對這些挑戰，連續焊接提供了一種可行的解決方案。連續電阻焊（CRW-Continuous Resistance Welding ）工藝使用端部執行器沿焊縫焊接熱塑性材料，連接件性能取決于工藝溫度。在中，使用“MSTEP”框開發了一種基于物理的模擬，以定義材料、形狀、工具和設備如何相互作用以確定過程?；诤附訋缀涡螤?、邊界條件和之前驗證的熱塑性基體熔融/結晶模型，開發了詳細的有限元模型（FEM- Finite Element Model）用于熱分析。進行CRW測試以驗證模擬并校準控制變量。焊接界面處的工藝溫度不能直接測量，其他參數，如邊界條件、子結構特性或零件幾何形狀，可能會沿焊縫長度變化。
4.連接熱塑性CFRP的特殊挑戰
飛機設計正朝著使用熱塑性基質系統的方向發展，幾架飛機已經采用了由熱塑性纖維復合材料制成的部件。許多正在進行的研究計劃都集中在開發大規模熱塑性纖維復合材料結構的技術上。
聚合物焊接適用于無數應用，在行業中已經建立了幾十年的歷史。短纖維和長纖維增強聚合物的內聚連接也已確立，并在許多領域的大規模生產中使用，例如在汽車行業。焊接碳纖維復合材料的優點包括創建材料友好的結構、避免鉆孔過程中的纖維分離、扁平連接、接頭重量輕以及快速可靠的工藝。相比之下，焊接連續纖維增強復合材料則面臨著特殊的挑戰。下一節總結了加工層壓板時的基本挑戰。
4.1. 連接區域承受高且不利的負載
這一事實通常適用于所有待焊接的復合材料，無論是短纖維、長纖維還是連續纖維增強的，例如注塑、擠出或層壓部件。然而，這對于層壓板尤為重要。由于層壓板的極高機械性能和相對有限的設計調整范圍，在設計過程中必須特別考慮接頭連接。充其量，待連接的基底層壓板的層間剪切強度可以作為參考。然而，這很難實現，因為負面的邊緣影響可能會產生影響：在取決于連接配置的負載情況下，焊縫邊緣會出現局部應力集中。連接伙伴之間不規則和鋒利的過渡也會產生裂紋。在這一點上，人們談到了“幾何缺口”。這會降低強度，導致機械性能的標準偏差更高。此外，焊接工藝和連接區中甚至類似的附加材料會導致整體結構的不規則性，從而進一步削弱。這被稱為“結構性缺口”。
在（《關于碳纖維增強聚苯硫醚電阻焊接過程》）中工藝控制對溫度均勻性和結合線特性的影響中，我們表明，由于邊緣區域焊縫的形狀，可以提高SLS強度。此外，我們在后續步驟中對用矩陣閉合搭接配置的邊緣進行了研究。為此，我們開發了圖7所示的焊接密封劑，該密封劑采用增材制造工藝封閉邊緣。在（《熱塑性塑料加工技術走向工業化》）中，可以證明，因此，一方面可以增強連接的LSS，但更重要的是，可以顯著減少散射。
圖7. Weld Sealer壓力工具（a.）在搭接接頭邊緣施加基體（b.）兩層壓板的后處理搭接接頭——接縫邊緣用角焊縫（黑色）封閉。
4.2. 焊接過程中的低設置路徑
由于纖維增強復合材料及其固結纖維的結構，產生了一個剛性部件，這使得在焊接過程中難以控制設置路徑。復合基體中纖維的固化狀態只允許少量的運動，這就是為什么設置路徑受到限制的原因。此外，純復合材料的基質太差，無法實現具有足夠基質擠壓流的受控連接路徑，這就是為什么在許多焊接應用中向連接區域添加額外的基質材料層的原因。此外，這種擠壓聚合物流將有利于對齊和覆蓋接觸區的整個表面，因為界面中的高連接性能僅通過聚合物鏈在初始界面上的拉伸和松弛而產生。布里托(Brito)等人對未對齊的被粘物和被粘物之間的純樹脂膜這一相關主題進行了研究，發現連接路徑、被粘物的傾斜角度與焊縫的質量和均勻性之間存在很強的相關性。
4.3. 公差補償
在設計中，必須通過足夠的自由度和明確的參考區域定義來考慮在裝配過程中創建所需的公差。如第2節所述，在使用鉚釘進行機械連接的情況下，可以調整中間層，因為這在連接性能中起著次要作用。然而，當焊接時，連接是通過界面中的基材進行的?；旧嫌袃蓚€方向需要補償公差。圖8顯示了可能的接頭類型和藍色箭頭所示的公差補償方向的簡化圖示。
通過相應地設計部件和焊縫，可以實現水平補償的方向。圖8（a）和（b）顯示了不同的對接接頭設計，具有公差補償功能，如凹槽或唇緣，可以適應零件尺寸的變化。圖8（c.）顯示了搭接接頭，它提供了更大的粘合面積，使其對尺寸變化和錯位也更具容忍度。
圖8. 接頭類型的簡化表示。公差補償的可能方向用藍色箭頭表示。
圖8（d.）顯示了搭接接頭，其中在連接區域添加了額外的基材（藍色標記），以實現垂直方向的公差補償。如今，在金屬裝配中，航空業使用各種類型的墊片來補償部件之間的間隙。墊片可以是一塊薄材料，工人可以用不同的厚度來填充間隙。另一種可能性是在表面上施加液體墊片。第三種是可剝離墊片，也稱為層壓墊片，由一堆箔層組成，可以剝離以達到所需的厚度。
用薄金屬件填隙包括評估公差要求、測量間隙、選擇合適的金屬、切割到所需的厚度、清潔基板表面、定位墊片、用粘合劑、緊固件或夾具固定它們、驗證配合和對齊以及進行調整。常見的金屬墊片材料包括不銹鋼、鋁、黃銅、銅和鈦。金屬墊片使用剪切、水射流切割或激光切割進行切割。它們可以作為預切庫存或定制購買。使用計量工具定位、固定和驗證墊片。定期維護檢查對于檢查墊片和基板表面是否損壞、變形或腐蝕至關重要。在各種航空航天應用中，使用薄金屬件進行填隙是一種通用且經濟高效的方法，用于補償公差并確保精確對齊。
液體墊片，也稱為環氧墊片，可用于填充間隙并在兩個基板之間提供均勻、穩定的表面。高抗壓強度和抗微裂紋性使其成為適應不完美配合和在寬溫度范圍內保持穩定性的可靠解決方案。開放式組裝時間和處理強度之間的平衡也是一個重要特征，因為它允許在環氧樹脂開始凝固并獲得強度之前有足夠的工作時間。液體墊片可用于精確對齊和調平組件。高粘合強度和填充間隙的能力使液體墊片成為防止泄漏和污染的有效密封劑。液體墊片的粘彈性特性使其適用于降低機械系統中的振動和噪聲。低導熱性和在寬溫度范圍內保持尺寸穩定性的能力使液體墊片適用于需要最小化熱膨脹和收縮的應用。
可剝離墊片，也稱為一次性或一次性墊片，是飛機組裝過程中用于適應錯位和公差的臨時墊片解決方案?？蓜冸x墊片通常由低模量、自粘材料制成，如壓敏膠（PSA-pressure-sensitive adhesive）帶或薄膜。它們被應用于存在錯位的基板表面，填充配合部件之間的間隙。涂覆過程包括清潔和準備基材表面，將可剝離墊片切割成所需的尺寸和形狀，并使用制造商推薦的粘合劑或壓敏膠帶將其涂覆到基材上。安裝后，組裝配合部件，并使用計量工具驗證對齊情況。一旦確認對齊，組裝完成，就可以移除可剝離的墊片，留下最少或沒有殘留物。此過程可確保最終組件不含任何墊片材料，從而降低長期損壞或干擾的風險?？蓜冸x墊片是一種方便、經濟高效且非永久性的解決方案，用于補償飛機組裝過程中的錯位和公差。它們適用于暫時需要精確對齊的應用，或者在組件訪問受限的情況下，使得安裝或拆卸傳統墊片變得困難
對于焊接接頭，在連接區域應用墊片材料進行垂直公差補償的可能性有限。因此，第一種選擇不是使用墊片，而是使待連接部件的表面盡可能光滑，以便接頭盡可能地配合在一起。這可以通過兩種不同的方法存檔，如圖9（a.）和（b.）所示。加熱的沖壓工具加熱材料，然后在壓力下使其固化。超聲波加熱方法使用超聲波焊接設備的超聲波焊極。通過超聲波振動加熱零件的基體，同時施加壓力，使表面光滑，而不是焊接。這兩種方法的結果是一個非常均勻的表面，可以在下一步焊接在一起。
圖9（c.）顯示了熱塑性墊片的原理。在焊接之前，應用熱塑性基質來填充熱塑性零件之間的任何錯位或間隙。這些材料可以在焊接過程中熔化和流動，填充任何空隙。例如，這種基質材料可以使用添加劑工藝來施加。然而，必須確保與零件側面的表面建立良好的連接。在超聲波焊接的情況下，無論如何都要將熱塑性基質膜插入到連接區域中，以進行超聲波阻尼變化的焊接過程，從而確保在連接區域中產生熱量。該薄膜的厚度通常在80至100µm之間，插入兩到三層。
圖9. 制備層壓板和焊接接頭公差補償的可能性（a.）
用加熱砧加熱焊接區（b.）用超聲波焊接的超聲波焊極壓平焊接區，（c.）用增材制造步驟施加基體。
5. 超聲波和電阻焊的應用
一般來說，熱塑性復合材料焊接方法的選擇應考慮材料性能、幾何參數、設計和操作要求以及可制造性。原則上，可以假設所有焊接工藝都可以用于焊接高性能熱塑性塑料，如聚苯硫醚、聚醚酮（PEKK）、聚醚醚酮（PEEK）和低熔點聚芳醚酮（LM-PAEK）。只有工藝參數需要適應相應的材料和層結構。不同的焊接方法各有優缺點，選擇合適的焊接方法需要全面了解材料和產品要求。從表1所示的焊接技術來看，DLR專注于RW和UW，特別是CUW，因為這兩種工藝具有很高的自動化潛力。此外，選擇RW是因為它是一種非常穩定和簡單的工藝，已經用于產品中，并符合飛行部件的要求。此外，該研究所在開發這一過程方面也有數十年的經驗。
表1. 概述了五種主要使用的熱塑性塑料焊接技術的優缺點。
超聲波焊接被選為第二道工序。在2017年工作開始時，已經對碳纖維增強熱塑性塑料在實驗室環境中的點焊工藝進行了廣泛的科學研究，但尚未在基于機器人的連續焊接工藝中使用該工藝。2017年，DLR首次在全球范圍內在機器人上實現了工業過程中的連續超聲波焊接，并取得了非常好的結果。然而，基本上，對于這兩種技術中哪種更好，并沒有一刀切的答案。它取決于各種各樣的因素，最重要的是取決于使用該工藝的組件和要求。電阻焊接是一種相當簡單和快速的過程（每次焊接約2分鐘），它直接在連接區域產生熱量，易于控制，并且已經符合飛行部件的要求。可以構建一個系統，通過該系統可以以很少的投資焊接組件。如果使用碳纖維焊接元件，除了用于絕緣的玻璃層外，材料是純的。一個缺點是，由于所需的電能，目前的技術水平將焊縫長度限制在1.5米以內。
CUW也是一個非常有前景的過程?；跈C器人的工藝在工業上的成熟度尚未達到RW的水平。為CUW建立基于機器人的系統比RW系統貴得多。除了機器人外，還需要超聲波發生器、轉換器和增壓器。此外，自動化組件是控制所有組件所必需的。該工藝的最大優點是，只要保證焊縫的可接近性，理論上可以以1.0-1.5 m/min的平均速度焊接任何長度的任何幾何形狀?；旧?，UW受壓力、振幅和焊接時間的影響。速度直接影響焊接時間。在低速時，將能量引入區域的時間延長，在高速時，時間縮短。對于工業過程來說，過程速度當然是一個重要變量，應該盡可能高。然而，最大速度受到超聲波發生器4000 W最大輸出的限制。
5.1. HoTStufF項目
HoTStufF項目（用于大型應用的高度可擴展熱塑性結構，由德國聯邦經濟事務和氣候行動部（BMWK）在德國聯邦航空研究計劃VI-1的框架內資助，撥款協議號為20W1915E，項目期限為2020-2024年）。該行業聯盟的重點是使熱塑性塑料制造工藝成熟，以高速生產碳纖維增強聚合物（CFRP）飛機結構部件，重點是后壓力艙壁（RPB- rear pressure bulkhead）（見圖10）。重點是壓力艙壁的電阻焊接，該艙壁由八個熱成型段組成，焊縫長度約為1.5米。此外，德國航空航天中心（DLR）開發并分析了具有明顯干涉輪廓的兩層結構的超聲波焊接以及熱成型和共固結的組合工藝。
使用電阻焊接連接CF PPS壓力艙壁段的連接工藝提高到TRL 5。為此，進一步開發了重疊試樣的焊接工藝，并使其適應部件連接任務的要求。盡管防腐層由玻璃纖維織物制成，但剪切強度超過23 MPa（22.79 MPa ± 0.49）可以實現（焊接溫度峰值330°C，焊接壓力0.5MPa，焊接電壓37.5V）。實現了連接接觸區域的全表面連接，從而減少了裂紋萌生和相關值的分散。圖11（a.）顯示了連接區域的有利邊緣形狀，沒有檢測到孔隙，并且具有幾何上特別減小的凹口效應。
圖10. 空客A320后壓力艙壁演示機；它由八個大小相等的部件組成，帶有由碳纖維增強（CF）聚苯硫醚制成的集成輻條；使用基于碳纖維的焊接元件（DLR Augsburg，空中客車航空結構公司）用七個1.5米電阻焊縫組裝零件。
熱成型過程中集成的共固結使材料在突破和相鄰部件承受高載荷的區域增厚。在應用中，這些是電纜饋通和相鄰的垂直穩定器。不需要后續工藝，熱成型工藝循環時間不會受到顯著影響。為此，CF PPS層壓板插入物在開放式模具中同時加熱，而待形成的較大CF PPS層合板在預熱站中通過紅外（IR）輻射加熱。在熱成型的同時，將層壓板配對連接起來。圖11（b）顯示了制造演示器。
圖11. （a.）使用電阻焊接工藝連接的單搭接樣品邊緣區域的顯微鏡圖像。（b.）熱成型和共固結工藝組合的演示（頂部）和接縫界面形態（底部）
靜態和連續超聲波焊接用于生產雙殼設計的生產演示器（見圖12）。該設計涉及將自動纖維鋪放（AFP）鋪設和熱壓覆蓋層壓板與垂直和對角線熱成型加強層壓板連接起來。由于難以接近，為靜態超聲波焊接提供了開口。在連續過程中，以25mm/s和1.2MPa的速度進行焊接，在1.2MPa下靜態焊接時間為1秒。振幅被動態控制在35-45µm。
圖12. 雙殼設計的制造演示器，有三個連續超聲波焊接連接區（頂側）和20個靜態焊接區（底側）
5.2. MFFD項目上殼體
多功能機身演示器（MFFD-Multifunctional Fuselage Demonstrator ）是歐盟30個旗艦演示器之一，將各種熱塑性塑料制造和組裝技術結合在一個獨特的直徑4米、8米長的飛機機身筒，由東麗TC 1225 CF LM-PAEK制成。該項目已根據第945583號撥款協議獲得歐盟地平線2020研究和創新計劃的資助。上殼體和下殼體這兩個主要結構部件是在不同的聯盟中制造的，展示了不同的設計、制造和裝配理念。因此，MFFD可作為全尺寸設計和技術驗證的平臺。下殼體財團SmarT mUlti fuNctionNal和集成熱塑性機身（STUNNING）選擇進行傳導焊接，以集成長桁，并選擇超聲波焊接來集成剩余的加強元件，例如注塑連接件、不同的框以及復雜地板網格結構的組裝和集成。對于上殼體，重點是演示和驗證高度自動化的生產和裝配概念，以便一方面實現最靈活的生產，另一方面確保所需的高速率能力。此外，相應的制造和連接工藝、原位AFP、超聲波和電阻焊接從試樣擴展到全尺寸水平，同時提高了各自的技術成熟度。根據（《A320家族：有史以來最成功的飛機家族》），A320系列的月生產率目標是在2024年底前達到65架飛機的月生產率，在2026年達到75架。自動化的固有挑戰（如智能數據管理和過程控制）得到了解決，考慮到這一速度，縮小與工業實施的差距是必要的，并展示了明確的利用前景。MFFD的上殼體是由項目負責人空中客車公司設計的，由Z形長桁和整體C形框加固，這些長桁和框通過連接件相互連接，即所謂的“馬鞍形連接件”。因此，加強元件的幾何形狀及其在連接件可達性和可達性方面的限制是選擇連接工藝的決定性因素。電阻焊和超聲波焊接的技術成熟度及其在不增加零件槽厚度加熱（ trough-thickness-heating ）和形狀變形的情況下產生細長焊縫的優勢，可以作為技術選擇的進一步方面。
上殼內的Z形長桁通過基于機器人的連續超聲波焊接與預先的預固定步驟集成在一起，該預固定步驟是沿著桁條長度每500mm進行一次超聲波點焊。由于細絲桁條的固有彎曲模量相對于其長度較低，并且需要在180°上殼的半徑上進行精確定位，因此設計了長桁導向裝置，以確保根據目標規格進行精確定位并補償重力引起的偏轉。長桁導向裝置連接到所謂的焊接橋上，焊接橋可以看作是一個定制的龍門系統，可移動地安裝在凹形上殼工具的頂部。它被設計為一種多用途工具，用于長桁導向和整體C形框的可重復和全自動集成。
將八米長的長桁連接到蒙皮上需要使用超聲波點焊。為了實現這一點，如圖14（d.）和（e.）所示，連接到蒙皮放置工具的焊接橋被修改為帶有導向單元，以機械地對齊長桁。因此，長桁沿其長度以500毫米的間隔進行點焊，并沿淺坡道添加額外的點焊。放置在超聲焊極旁邊的額外加壓力抵消了蒙皮偏轉的任何局部變形，以確保點焊過程的可重復性。加在長桁腳和蒙皮上施加正常壓力，以確保在這些特定區域有足夠的超聲波傳輸。每根長桁都預裝了三層能量導向器：兩層覆蓋整個長桁腳的純的LM-PEAK樹脂膜，以及額外的5毫米寬如圖13（a.）所示。在22mm超聲波焊極上施加500ms的焊接時間、1500ms的冷卻時間、95%的振幅、300N的沖壓力和600N的焊接力進行點焊時，實現了最佳的超聲波焊接效果。在最后的長桁焊接過程中，每根長桁都經過了兩次焊接。第一次通過是沿著邊緣進行的，超聲波焊極與長桁腳只有一半的重疊，振幅降低了65%。由于在第一步中只焊接了一個細長的條帶，并且超聲焊極沒有與整個表面接觸，因此使用了減小的振幅，如圖13（b）所示。這種方法確保了邊緣的密封，以盡量減少對開口長桁邊緣的擠壓和過熱影響。在最后一次運行中，整個長桁腳表面以75%-85%的幅度焊接，如圖13（c.）所示。這導致了結構焊縫的形成，其能量輸入約為200 Wh，凈焊接速度為1.44 m/min，壓力為0.7 MPa，通過固結單元施加到基材上。CUW采用水冷固結裝置，將溫度保持在30°C以下，以防止聚合物冷卻過程中的溫度波動。實現了一種基于集成攝相機的路徑校正算法，以引導機器人朝向其目標路徑，并補償力引起的機器人偏轉。最終，長桁成功連接，每個長桁的凈焊接時間為11分鐘。使用的工藝參數基于LM-PAEK材料的經驗以及有機板材和長桁的初步測試。此外，在最終演示器之前建造了一個測試殼，以便提前驗證和優化所有流程.
在MFFD的上殼中，總共使用了24個C形框，每個框覆蓋上殼的一半，并通過13個單獨的連接凸緣使用電阻焊接連接到蒙皮。每個焊接模塊都是一個獨特的、單獨的可控電阻焊接單元，負責在焊接元件和電源之間建立電氣連接，以及跟蹤整體框的開放C形輪廓的進出，并施加接觸和焊接壓力。銅塊用于將焊接元件與電源連接，這些塊處的接觸壓力由螺旋彈簧解耦，以確保在整個焊接過程中有0.5MPa的足夠接觸壓力。在整個項目期間，框電阻焊接的參數設置不斷優化。然而，由于與預調查相比，蒙皮層壓板的絕緣電阻降低，因此在演示器組裝過程中必須對工藝周期進行調整。為了確保工藝的穩健性，調整了焊接參數，使加工溫度達到350°C，下游退火階段達到220°C。因此，加熱階段縮短了20秒（-30°C），以盡量減少基質和導體擠出，從而防止電流泄漏。退火階段（（220±5）°C；120秒）被設計為達到并保持TC1225 CF LM-PAEK結晶速率最高的溫度，以提高焊縫的機械性能。
圖13. Z型長桁的焊接（a.）長桁底部帶能量導向器。兩層覆蓋整個長桁腳，一條薄條在腳的前部區域形成第三層。（b.）使用懸垂超聲焊極進行第一道連續超聲波焊接。（c.）在第二道工序中對凸緣進行全表面焊接。
上殼體的框集成始于遠場，這是一個深思熟慮的選擇，以促進在沒有可能影響焊接過程的額外特征的蒙皮部分進行焊接。隨后，門框結構側的框被納入其中。使用氣動杠桿夾將框固定在框夾具上，在預裝框的焊接橋的f-孔的位置進行手動加載和定心。所有后續步驟都是自動化的，包括框的運輸和定位、上游阻力測試、焊接過程以及焊接橋的縮回和返回到裝載位置。
圖14. 多功能機身演示器（MFFD）的生產步驟：
（a.）蒙皮的現場鋪設，
（b.）桁條的基于機器人的連續超聲波焊接，
j（c.）框架的電阻焊接，焊接橋安裝在機身工具上，可以移
動 x-方向實際上是從另一側焊接9個框，
（d.）焊接橋，
（e.）角片（ Cleat）與協作機器人配置的集成，（f.）最終上殼演示器。
連接長桁和框的角片（Cleats）通過一種獨特的全自動機器人協作機器人組裝方法集成在一起，以克服由于累積公差而導致的具有挑戰性的角片定位過程，再次使用靜態電阻焊接，如圖14（e）所示。在這里，使用連接到KUKA iiwa LBR協作機器人的焊接端部執行器從彈匣中挑選出帶有預裝焊接導體的角片。cobot的底座連接到天花板安裝的KUKA KR270工業機器人上，負責cobot的預定位。使用合規控制的轉向功能，協作機器人能夠在非常狹窄的空間內定位角片，從而實現穩健的焊接操作。角片與框和角片長桁連接的電阻焊接是在設定電壓為18.25 V的恒壓模式下進行的。為了確保有效焊接并保持末端執行器的完整性，制定了兩個工藝停止標準。第一個標準確保了260 W的足夠功率輸入，而第二個標準通過將接觸溫度限制在180°C來防止對末端執行器的任何損壞，從而起到了安全功能的作用。
所有RW過程都由一個更高級別的制造執行系統控制，該系統由基于Beckhoff TwinCAT的可編程邏輯控制器（PLC-programmable logic controller）和用Java實現的用戶界面應用程序組成。PLC負責管理時間敏感的任務，如伺服電機控制、閥門切換以及焊接電源中的電壓和電流設置值。用戶界面應用程序為每個焊縫呈現了零件結構的圖形樹表示，使用戶能夠在開始焊接操作之前查看和修改所有焊接參數。此外，采用過程監控軟件實時測量電流、電壓和壓力等關鍵過程參數。收集到的測量結果由工藝工程師實時評估，并記錄下來以備將來參考。還檢查了預定義的測量包絡，以確保焊接操作不會因偏差而中止。這些數據被整合到內部開發的SHEPARD1數據管理系統中，該系統存儲了生產計劃、所有工藝參數、修改和生產過程中獲得的測量結果。通過使用集中的數據存儲位置，確保了所有過程參數和結果測量的強大可追溯性。
5.3. TB Rumpf項目
在DLR項目TB Rumpf“未來熱塑性機身配置的技術磚（-“Technology Bricks for Future Thermoplastic Fuselage Configuration” ） ” 中，研究的重點放在熱壓罐外工藝和電阻焊接上。該項目由德國聯邦經濟事務和氣候行動部（BMWK）在德國聯邦航空研究計劃V-3的框架內資助，撥款協議編號為20W1721D，項目期限為2018年至2021年。
使用的材料是碳纖維增強的LM-PAEK。在該項目中，根據ASTM D1002，單搭接剪切強度值（SLS-single lap shear strength values ）達到33.7 MPa。元件測試以L-拉力測試場景的形式進行。元件測試如圖15所示。左側顯示了故障后不久在負載下的L形輪廓，右側顯示了三個制造的測試樣品。在這個測試場景中，研究了不同的焊接技術。電阻焊接可以產生平均4089N的最高值，標準偏差為250N（3個測試樣本）。性能良好的原因源于電阻焊接工藝的以下特性：連接技術的特點是它也可以在直接界面外產生熱量。這可以通過更寬的焊接導體來實現，如圖15所示。因此，界面的邊緣被很好地熔化了。通過合適的模具設計，可以在角撐板區域產生明確的基材流，這大大降低了負載下幾何上產生的應力峰值。
SLS和元件測試的開發和發現被轉移到作為該項目演示器的機身切口上。在手動設置中，將框段電阻焊接到熱壓罐外固化的蒙皮上。隨后，通過電阻焊接將三個夾板整合在一起。演示器如圖16所示。
圖15. 電阻焊L型零件的L型拉拔試驗
圖16. 在TB Rumpf項目中使用電阻焊制造演示器（a.）焊接站（b.）演示器。
6. 展望和結論
熱塑性復合材料的焊接技術，如電阻焊和超聲波焊接，為組裝復合材料結構的整體方法提供了巨大的潛力，并有可能由不同制造的零件形成單個組件。在過去的幾年里，基于面向應用的演示的全面集中開發提高了焊接工藝的技術成熟度。因此，從測試臺到全面水平的技術準備程度的提高，為串聯實施帶來了時間和成本高昂的障礙。
這兩種焊接工藝都達到了較高的技術成熟度，并已在各種應用中得到驗證。如果看看純SLS值，RW和CUW都可以實現可重復的高值。對于電阻焊接，A320中的熱塑性壓力艙壁已經與Premium Aerotec一起實現了TRL 5。為了實現這一TRL，必須通過一個廣泛的測試金字塔。這個金字塔的各個階段包括從下到上的試樣、元件和組件測試。
TRL金字塔尚未填充超聲波焊接。然而，總的來說，必須說基于機器人的超聲波焊接是一個比電阻焊接更復雜的過程。這主要是因為機器人在過程中增加了更多的干擾變量（例如機器人的低剛度），這必須通過引導系統進行補償。過去的演示器開發，如MFFD，突顯了在工業環境中使用CUW組裝機身外殼的潛力和挑戰。在應用方面，焊接工藝還必須滿足某些要求，例如光滑的表面光潔度、全表面連接性和通過水耦合超聲波調查檢查的非常保守的-6dB不合格標準（見空中客車AITM6-4005檢驗工藝試驗方法-碳纖維塑料的超聲波脈沖回波檢驗）。此外，在所有項目中，很明顯，設計熱塑性復合材料結構的理念應與相應的裝配方法密切相關，以考慮必要的邊界條件和先決條件，充分發揮裝配的潛力，并在減輕重量和降低制造復雜性方面獲得實際利益。雖然熱固性復合材料結構的設計可以與金屬結構更緊密地聯系在一起，例如在連接表面方面，但在考慮制造中的材料和裝配適當的邊界條件時，熱塑性復合材料在提高性能和減輕重量方面具有巨大的潛力。為熱塑性部件預先配備系統以重新排列和徹底改變當前飛機制造的線性理念的潛力，也增加了人們對成熟熱塑性焊接技術的興趣，因為這有助于提高制造產能。
結束語
飛機結構使用熱塑復材，零件的連接得用焊接連接，才能發揮它的最大優勢。截至今日，本文是介紹熱塑復材焊接工藝，最詳實的一篇文章。我們從事飛機工程的大多人員，對焊接工藝相對接觸不多。我估計，本文在今后的十多年里，對我們都有學習、參考的價值。
楊超凡 2025.1.15
原文, 《 Exploring ultrasonic and resistance welding for thermoplastic composite structures: Process development and application potential 》 2024.11.5
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