前 言

空客“新 A320”机身准备用先进热塑性复合材料制造。为此，空客设计了一款直径 4m、长 8m、带客舱门框的筒体试验件。试验件中的零件全部用先进热塑性复合材料制造。装配中零件用特种焊接工艺连接。整个筒体无一金属紧固件（铆钉或螺栓）。试验件分上下两个半圆组件。目前两个组件已经完成，等待对合成筒体的报道。

筒体试验件的设计、制造（零件制造和装配），对我们飞机制造行业还是一个全新的课题。这其中零件用焊接连接尤为突出。本文根据近年媒体报道的信息，集中整理出筒体试验件采用的焊接工艺。

本文帮助参与、关注民机的同仁，尽早了解、学习热塑性复合材料的特种焊接工艺。（注：“先进热塑性复合材料”是指基体用高温热塑树脂。）

GKN Fokker 将 CF/LMPAEK 桁条传导焊接到多功能机身演示器（MFFD）下半部分的蒙皮上，该演示器正在 SAM | XL 组装，这是“清洁天空 2”（Clean Sky 2）的STUNNING 项目的一部分

热塑性复合材料焊接有可能显著提高商用飞机生产的可持续性。一级机身制造商柯林斯航空航天公司（美国北卡罗来纳州夏洛特市）在其网站上声称，与以前的金属和热固性复合材料组件相比，更自动化的、非热压罐式（OOA）、可焊接的热塑性结构有可能将制造循环时间减少 80%，重量减少 50%。这些先前的组件使用钻孔和机械紧固件，需要多达九个制造步骤。一级机身制造商 Daher Aerospace（法国巴黎）副首席技术官 Cedric Eloy 表示：“我们相信，对于一架新的 A320 型单通道飞机来说，在五到八年内，热塑性复合材料将改变游戏规则，不仅可以实现更高的生产率，还可以实现最佳的成本和重量。”

Daher 研发副总裁Dominique Bailly补充道：“如果我们想利用热塑性复合材料，我们需要焊接无紧固件组件，或者至少使用最少的紧固件。”

热塑性复合材料结构已经获得认证并飞行了几十年。其中包括 1998 年福克 50 的电阻焊接主起落架舱门，2000 年和 2006 年空客 A340 和 A380 的 j 型机头前缘机翼结构，以及 2008 年湾流 G650 公务机的感应焊接碳纤维（CF）/聚苯硫醚（PPS）升降舵和方向舵。吉凯恩航空航天（英国索利赫尔）荷兰全球技术中心（GTC-NL，Hoogeveen）主任阿恩特·奥夫林加（Arnt Offringa）表示：“目前有 500 多架 G650 飞机在飞行。”。“湾流现在有七种使用焊接热塑性控制表面的飞机模型，我们正在继续生产，因此它已经成为一种既定的制造方法。”Offringa 是上述感应焊接结构的关键冠军，该结构由福克航空结构公司（Hoogeveen）开发和生产，该公司现在是一级机身 GKN Aerospace 的一部分。对于这些结构，GKN Fokker 使用 KVE Composites（荷兰海牙）的专利感应焊接工艺。CW 2018 年关于热塑性复合材料焊接的专题文章中对感应、导电和电阻焊接进行了定义和讨论。

自2018年以来，已经有了许多焊接发展（见下面的 “复合材料焊接发展”侧栏），包括朝着低熔体聚芳醚酮（LMPAEK）基复合材料的方向发展，与聚醚酮酮（PEKK）和聚醚醚酮（PEEK）相比，用于潜在的低温加工，自动化和模拟的持续进步，以及示威者的规模和复杂性的增加。焊接也变得越来越普遍。大多数一级机身都具有重要的焊接研发或既定能力，许多飞机的技术准备水平接近 5-6。尽管自 1998 年以来，焊接结构已经获得了认证，但在美国，未来焊接结构的认证应该遵循粘结结构的认证。这可能是因为美国的焊接不如欧洲成熟，而且之前的认证细节也不为人所知。在任何情况下，良好的热塑性复合材料焊缝应在整个厚度上显示出均匀的材料，没有可识别的界面。通过这种方式，焊接结构与粘结结构完全不同。

在欧洲，重点是推进认证结构生产过程中已经使用的过程控制和无损检测（NDT-nondestructive testing），通过制造和测试越来越大的演示器来演示多种焊接技术，并在 2026 年前使第一个由单向（UD- unidirectional）带制成的焊接结构获得认证并飞行，而之前的零件是由织物制成的。

MFFD 下半部分

正在进行的最重要的热塑性复合材料焊接项目是由 Clean Sky 2（现为 Clean Aviation）资助的空中客车公司领导的多功能机身演示机（MFFD- Multifunctional Fuselage Demonstrator）。这架 A320 型机身直径 4 米，长 8米，一旦上下半部分焊接在一起，将成为世界上最大的热塑性复合材料结构。在 2023 年将组装好的机筒交付给空中客车公司（德国汉堡）之前，该组装将由 Fraunhofer IFAM（德国斯塔德）完成。

下半部分的生产由吉凯恩福克在 STUNNING 项目中领导，而上半部分由德国航空航天中心轻型生产技术中心（ZLP）管理，该中心是德国奥格斯堡德国航空航天局结构与设计研究所的一部分。两半的部件均采用东丽先进复合材料公司（荷兰 Nijverdal）TC1225 CF/LMPAEK 一体成型。正如 CW 2020 更新中所解释的，MFFD 项目始于 2014 年，旨在每月生产 70-100 架机身机组，将机身重量减少 10%（1000 公斤），并将机身成本减少 20%（100 万欧元）。

图 1. 展示了多种焊接技术

这里展示了制造 4 x 8 米长 MFFD 机身上半部和 下半部的焊接步骤，以及项目负责人和合作伙伴。地板格栅与框架的下半部分焊缝显示为右下角的白色阴影矩形。完工的半成品于2022 年第四季度前运往汉堡空中客车公司，并于2023 年焊接在一起

 

下半部分正在 SAM|XL（荷兰代尔夫特）组装，计划于 2022 年 10 月底交付给空客。SAM|XL 工厂有多个机械臂和一个用于焊接的大型龙门式机器人。如图 1 所示，第一步是将欧米伽桁条定位并导焊到弯曲的机身蒙皮上（更多信息，请参阅 CW 的 2021 博客和 SAM|XL 网站）。SAM|XL 首席执行官 Kjelt van Rijswijk 表示：“龙门式机器人末端执行器配备了吸 盘，可以将桁条精确地放置在皮肤上。”。“它还配备了一台超声波点焊机，可以将桁条固定到位。”

2.5 吨、感应加热、1 米长的传导焊接工具安装在一个配有齿条和小齿轮的吊具内，该吊具使用机身外壳工具圆周上的缺口将焊接工具定位在每个桁条上

 

吉凯恩福克随后用一个 1 米长的传导焊接工具焊接桁条。金属工具是感应加热的，这种即时、均匀的加热通过桁条的底部层压板进行，以熔化桁条蒙皮焊接界面处的基体。吉凯恩福克公司首席技术专家 Leo Muijs 解释道：“该工具包括一个散热器，用于控制桁条表面的温度。”。“它施加压力，然后完成焊接循 环。”他指出，这些欧米茄桁条的两侧都有一个焊接脚。焊接工具在一侧向下移动，每次移动一米，稍微重叠 1-2 厘米，然后完成第二侧。还焊接了两个 L 形管柱以接收客舱地板（图 1）。

图 2. 焊接长桁条和“马鞍”形零件

SAM|XL 的龙门机器人使用带有吸盘和超声波焊极的末端执行器（红色虚线圆圈，左侧）来精确放置 Ω 长桁并将其点焊到皮肤上。桁条导电焊接到机身蒙皮上后，使用第二个超声波焊接工具将夹子连接到机身蒙皮

 

Van Rijswijk 说：“接下来，将夹子放置在这些桁条上，并使用超声波点焊将其连接到桁条和蒙皮上。”尽管用于此操作的专用超声波焊机具有与定位焊相同类型的超声波焊极（图 2），但对于这种高强度焊接与定位焊，其配置有所不同。SAM|XL 的材料和工艺工程师 Bram Jongbloed 表示，稍后，框架将使用相同的超声波点焊技术通过这些夹子连接到机身上。他补充道：“为了使关节与皮肤垂直，我们让第二个焊机旋转 90 度。”。该焊机将框架的平腹板压焊到夹子的 Ω 形平板上（图 2）。Jongbloed 指出，所有超声波焊机首先在 KUKA（德国奥格斯堡）机械臂上进行测试，以确保它们符合要求并定义流程，然后移到龙门机器人上。

Muijs 说：“我们有大约 250 个夹子可以通过超声波焊接连接，然后再连接框架。”。“之后，我们将安装地板格栅，配备复合地板梁、金属座椅导轨和其他系统。我们将在地板梁与框架相遇的地方以及在下 面，在支撑支柱与框交汇的地方进行传导焊接[见图 1上图和第二部分的照片]。”

他指出，在 STUNNING 的传导焊接中已经吸取了教训：“焊接桁条的时间比我们预期的要长得多，还导致了皮肤的一些形状变化。这是我们在以前的传导焊接演示中没有看到的。所以，我们现在正在研究这一点。还有一些慢跑[厚度变化]在桁条上，我们不能很好地越过。平焊工具可以处理一定的坡度，例如 1:100 的帘布层脱落[例如，每 14 毫米脱落一层 0.14 毫米厚的帘布层]不会造成问题，但我们不能焊接 1:20 的脱落。”还有一个长度问题。“我们最小的焊接工具大约有半米长，例如，这太长了，无法焊接 40 厘米的加劲肋，”他说。但是，难道没有其他焊接方法可以用于这些短桁条吗？Muijs 说：“是的，但他们并没有为这个演示者指定，这是我们目前的任务。”。“所以，现在我们将这些问题记录下来，并将其纳入我们向空中客车公司提交的最终报告中。当我们进行未来设计时，我们可以制定有帮助的传导焊接指南，我们已经在研究不同的末端执行器来解决这些问题。这个演示器的全部目标是发现这些挑战，并推进解决这些挑战的技术。”

MFFD 上半部分

德国航空航天中心预计将在 2023 年初交付 MFFD的上半部分。它也积累了经验教训，从 2021 年 7 月开始生产 1 米长的全尺寸测试炮弹，以验证其技术砖。如 2021 CW 博客图 2 和 DLR 网页所述，其中包括连续和点焊超声波焊接和电阻焊接。ZLP 热塑性复合材料生产技术负责人 Frederic Fischer 解释道：“我们对 Z形桁条使用了连续超声波焊接，对框架使用了电阻焊接。”。“我们为这个测试外壳设计了六个框架。我们焊接了前三个框架，然后参加了一个经验教训会议，对焊接桥进行了一些重建和重新设计。然后我们完成了最后三个框架。这个测试外壳使我们能够测试工艺参数和焊接元件的设置，研究结果，并最终确定我们用于最终 8 米 MFFD 上外壳的材料。”

有什么需要改变的？Fischer 说：“通过连续超声波焊接，我们学到的主要教训之一是避免桁条底部的帘布层末端或跳动。”。“表层内的这些层滴会影响焊接质量。”

结构与设计研究所副所长、ZLP 部门负责人 Michael Kupke，解释道：“在连续超声波焊接中，当超声波阻尼时会产生热量。较硬的材料会传输波，而较软的材料会增加阻尼。在焊接界面处放置一层未增强聚合物的软层，与正在焊接的复合材料表面的基质相同，以控制焊接过程中的能量。这被称为能量导向器。”。“因此，正如纤维的数量会改变刚度和阻尼，从而影响焊接一样，层压板厚度的变化也会改变。库普克说：“我们必须了解这些变化对焊接表面的影响，并在焊接过程中解决这一问题。”

Fischer 补充道：“对于较厚的皮肤和较薄的皮肤，我们将有不同的参数集。”。“桁条中的折弯也是如此，以匹配机身蒙皮中的堆积和脱落。我们正在根据被焊接部件的叠层和几何形状调整焊接工艺参数。我们验证了我们可以以 1:200 的比例将桁条焊接到浅坡道上。”

在框架的电阻焊接过程中吸取了另一个教训。

图 3. MFFD 上部电阻焊接框架

德国航空航天中心的弯曲焊接桥（顶部）用于将 Premium Aerotec（德国奥格斯堡）生产的机身框架（中间）电阻焊接到测试机身蒙皮上。该桥的 每个框架脚都有一个焊接模块，通过气缸施加 6 巴的压力，并从红色到黑色的电线（底部）施加电流，将基体树脂加热到其熔化温度

DLR 的电阻焊桥如图 3 所示，固定在测试机身外壳工具上。桥接器夹住弯曲的机身框架，并将其向下压在蒙皮上。Fischer 说：“沿着框架的每一只脚都有自己的焊接模块，该模块带有一个气缸，可以施加大约 8巴的压力。”。“然后，电流通过焊接模块[从图 3 中的红色到黑色的电线，底部]进入位于框架底部和机身蒙皮之间的焊接元件。”该焊接元件在焊接线上产生热量，类似于超声波焊接中使用的能量导向器。

库普克说，在过去，它是一种不锈钢网，“但我们现在使用与皮肤和框架相同的碳纤维复合材料。”。“尽管金属具有更好的导电性，但我们已经消除了焊接线上的任何异物——它始终是一种单一的同质材料。”

Fischer 继续说道：“在电阻焊接过程中，我们运行电流，直到基体达到所需的工艺温度，即高于晶体熔化温度。”。“然后，我们分两步降低电压，同时施加压力，直到焊接线冷却下来。焊接大约需要两分钟。”在框架之后，德国航空航天中心再次使用电阻焊接将夹板整合为 Z 形桁条和弯曲机身框架之间的剪切带。“德国航空航天中心为这一过程开发了一种基于机器人的 cobot 焊接系统，因为它需要在桁条和框架之间完美定位每个夹板，还必须允许公差补偿。”

MFFD 门结构

MFFD 项目的另一部分是下机身的门围结构（DSS-Door surround structure），由一级机身制造商 Aernnova Aerospace（西班牙米尼亚诺）使用感应焊接制造。（注意，MFFD 上半部分的 DSS 由德国奥格斯堡的 Premium Aerotec 生产。）为了支持这一点，Clean Sky 2 将 DEWTECOMP 项目授予了意大利布林迪西的研发实验室 CETMA，旨在将结构框架与加强件（如角撑板）焊接在一起，与标准的高压釜固化热固性结构相比，生产具有至少 15%的重量节省和高达 75%的能量节省的 DSS。

CETMA 高级材料和工艺开发工程师 Giuseppe Buccoliero 表示：“该项目的另一个目标是开发一种有效但灵活的感应焊接工艺。”。“我们的策略是将整个结构分为不同的子组件，这些子组件可以用非常简单的工具和线性焊接路径进行焊接。然后对这些焊接子组件进行焊接和紧固，以制造门框结构 o 组件级别，最后是演示器级别。我们还开发了一种全自动感应焊接单元，其中机械臂运动和感应焊接设备完全集成，并由单个 PLC（可编程逻辑控制器）控制。”

CETMA 还开发了模拟，不仅可以预测焊缝中的热行为，还可以预测机械行为，如微裂纹。Buccoliero说：“这有助于我们优化每个 DSS 组件的焊接工艺，同时考虑到层压板设计和零件几何形状。”。CETMA 从试件扩展到带加强筋的面板，通过搭接剪切、压缩和双悬臂梁测试验证焊接性能，后者用于断裂韧性，并将测试数据与模拟结果进行比较。然后按比例放大以焊接框架部件。该项目于 2022 年 6 月完成。

CETMA 目前正与其设备合作伙伴 SINERGO（意大利 Valdobbiadene）和 Advantech Advisory（西班牙 Lloret de Mar）合作，将其专利感应焊接技术商业化，包括龙门架和机器人系统。Advantech Advisory 联合创始人 Angel Lagraña 解释道：“SINERGO 将提供设备并将其集成在客户设施中，CETMA 将与客户合作，充分了解应用程序并完成必要的流程开发。”

图 4. NIAR 的焊接开发

ATLAS 增加了用于电阻焊（顶部）、超声 波点焊（中心）和感应焊（底部）的自动化单元，这些单元将用于生产 30 英尺长的演示器。图片来源：NIAR

NIAR

威奇托州立大学国家航空研究所（NIAR，美国堪萨斯州威奇托）也在制定电阻、超声波和感应焊接工艺规范。2021 年 3 月，该公司宣布增加机器人感应焊接设备，作为其由美国空军研究实验室（AFRL，Dayton，Ohio）赞助的平价可持续复合材料建模（MASC）研究计划的一部分。它的电阻焊接和超声波焊接单元不久后被添加（图 4），并且是准静态的，这意味着它们不是基于机器人的或连续的，而是产生逐片焊接。NIAR 的电阻焊接在焊接界面中使用碳纤维电阻元件。

NIAR 航空航天系统高级技术实验室（ATLAS）主任 Waruna Senevirate 表示：“根据 AFRL 的这项研究，我们将通过一个 30 英尺长的名为弗兰肯斯坦（FS-19）的制造演示器，为所有三种焊接技术进行工艺开发，然后建立块认证协议。”。“该演示器将使我们能够大规模验证内部开发的焊接工艺和认证协议，并与不同的制造商合作生产焊接热塑性复合材料零件，确保工艺稳健。”

Seneviratne 表示，该项目中的构建块测试将迅速从试片转移到加固蒙皮面板元素级别。“我们将对平面内和平面外载荷下的粘结、螺栓连接和焊接接头进行静态强度、耐久性和损伤容限的比较。我们这样做是因为我们需要解决扩展这些技术的问题。疲劳测试也是了解长期行为的关键。我们有试片级疲劳数据显示，我们的电阻焊接可以更好地执行 10 倍比粘结接头更薄。但随后，我们将界面处的准各向同性层从 45 度改为 0 度，仅这一微小的变化就使疲劳性能提高了四倍。然而，在静态测试数据中，它没有显示出任何差异。此外，随着规模的扩大，我们还能保持这种性能吗？当您开始评估焊接工艺参数和不同材料时，这一点非常重要。”

NIAR 的焊接开发测试使用 Toray TC1225 PAEK 和 Solvay 复合材料（美国佐治亚州 Alparetta）APC PEKK 单元。制造演示器各部分使用的材料和焊接技术将于 2022 年 9 月前最终确定。所有三种焊接技术的低级别工艺开发将于今年完成。Seneviratne 说：“然后我们将开始进行元素级别的测试和扩展。”。“到 2023年夏天，我们应该在演示器中组装零件，目标是到2025 年完成。”

KVE、Daher 先进感应和 IR 焊接

KVE Composites 不仅在焊接方面拥有比几乎任何其他公司都多的经验（15 年），而且还拥有飞行飞机上唯一的感应焊接技术，包括 A220、湾流 G650 和达索 F6X，它们都使用织物层压板。KVE 于 2019 年被 Daher 收购，这有助于将其用于 UD 基复合材料的专利KVE Induct 技术成熟到 TRL 4。这些公司预计在 2024年完成 TRAMPOLINE 全尺寸水平尾翼（HTP）演示机，达到 TRL 5-6，并计划在 2026 年前通过波音和空客的飞行应用。

Daher 领导的 TRAMPOLINE 项目由 CORAC（法国民用航空研究委员会）资助，目标是与热固性复合材料相比，重量减少 15%，组件循环时间显著缩短。其 2.5 米长的 HTP 演示机源自 Daher 的 TBM 单引擎涡轮螺旋桨商用/轻型多用途飞机，具有弯曲表面和厚度从 1.6 毫米到 8 毫米不等的 LMPAEK 一体式层压板。据报道，Daher 对零件和负载的了解将使该项目能够模拟完整的认证过程。

2022 年 5 月，Daher 宣布与卢森堡科学技术研究所（LIST，Esch Sur Alzette）签订一项为期三年的协议，开发适用于大批量制造中大尺寸厚零件的红外焊接技术。“Daher 投资 KVE 是因为我们可以看到其技术的重要性，”Daher 的知识产权经理 Michael Hugon说，“但从一开始，我们就知道这不是唯一的焊接方式。我们正在与 KVE 合作，研究感应焊接的局限性，KVE 同意我们也需要投资于可以互补的替代技术。”

他解释说，在红外焊接中，红外加热器直接预热焊接面，然后将其压在一起。在感应焊接过程中，使用电磁场在碳纤维层压板中感应热量。Hugon 补充道：“因此，能量必须通过一个零件的厚度来加热界面并熔化热塑性基体，而 IR 焊接是一个更简单的过程。在我们的冲压过程中，我们使用 IR 加热来软化复合材料坯料中的层，然后将其成型为 3D 零件。我们在机身夹上这样做已经十年了，但在更大零件的研发中也是如此。”。“Daher 为空中客车公司的“明日之翼”项目开发了 CF/LMPAEK 肋骨，长度可达 2 米，厚度可达 12 毫米。Hugon 继续说道：“IR 焊接使用与冲压过程相同的加热机制，但只加热外表面，然后将两个零件压在一起。”。“感应焊接适用于封闭式箱形结构，例如我们在 TRAMPOLINE 项目中演示的扭转箱。但我们正在研究每种技术的优势。我们正在利用 KVE 和 LIST 之间的协同作用，让焊接专家和材料专家参与进来，为这一比较定义具体的部件演示。”

Bailly 说：“红外焊接的第一个目标是为大而厚的翼肋设想新的概念。”。“我们已经使用感应焊接连接8.5 毫米厚的 UD 层压板，但我们还不知道它的局限性，它的性能取决于使用织物还是 UD 层合板。我们希望同时优化感应和 IR 焊接，并为认证提供科学数据。”

图 5. 感应焊接扭箱

KVE Composites 和 Daher 已经展示了一个小尺寸扭力箱演示器（顶部，见 KVE 数字演示），随后将在 2023 年展示一个全尺寸商务喷气式飞机水平尾翼（HTP）扭力箱（中心）。KVE 已经将静态和机器人焊接工作站商业化（下图为后者）

 

Eloy补充道：“我们还将通过从基于TBM的 HTP（图 5）扩展到垂直尾翼平面，来推断2023-24年公务机规模结构的设计指南。”。当被问及在空中客车公司于2035年首次计划ZEROe飞机之后，这种结构是否可能实现时，他反驳说，氢气可能用于区域涡轮螺旋桨发动机，但在单通道喷气式客机任务中面临太多挑战。“我们认为，下一个挑战将是使用热塑性复合材料减轻下一代单通道飞机的重量，然后使用可持续的航空燃料来实现零排放目标。”

Bailly 对此表示赞同：“我们今年展示的小型扭力箱演示器是一个很好的步骤，但明年我们将组装一个 1:1 比例的 HTP，该 HTP 将在 2024 年进行测试，以展示TRL 6。”为了促进市场上的此类发展，KVE 已将一个紧凑型焊接单元商业化，用于焊接标准化 SLS 和 L型拉脱试样，用于演示和批量生产的更通用的机器人单元。

移动基座感应焊接

感应焊接也由苏杜雷研究所（法国维勒平特的 is集团）和阿凯马（法国科隆比斯）通过其获得专利的 ISW 工艺进行推进。正如在 2020 年的一篇博客中所解释的，IS Groupe 与一级供应商 STELIA Aerospace（2022 年 1 月重组为空中客车大西洋公司）在 Arches TP 机身演示机中感应焊接桁条。随后，该公司重新设计了基于机器人的动态工艺，使用了与焊接头相连的移动基座。通过焊接头中的感应线圈加热，金属基座将热量精确地集中在焊接界面上（图 6）。移动基座与纯热塑性塑料或低纤维体积界面层结合使用，以增加树脂流动。

图 6. 移动基座感应焊接

使用与感应焊头（顶部）一起移动的金属基座可以使 ISW 工艺仅将热量集中在焊接界面。用于生产ECHOS 机身演示机（中）的第二代系统将很快实现集成在线无损检测

ISW 工艺开发主要使用由 Arkema 的 PEKK 聚合物制成的单体材料。已经使用未增强的 PEKK 和 PEI膜以及具有 35-40%体积碳纤维的 UD 带对界面层进行了测试。在使用 UD-CF/PEKK 胶带制成的表皮/桁条板上，也进行了无界面层的焊接，这些板的准各向同性层为 7-39 层，厚度范围为 1.5 至 8 毫米。对焊接平板和弯曲面板的测试表明，SLS 强度分别为高压釜固结参考面板的 100%和 80%，具有铜网雷击保护的面板上的焊接是成功的，没有任何问题。2021 年，IS Groupe与空中客车大西洋公司合作，参与了 CORAC 资助的 ECHOS（航空结构复合材料和技术的演变）计划，展示了一个 6 平方米的弯曲机身面板，其中有 10 个 1 米长的桁条，使用 ISW 工艺焊接。IS Groupe 已将第一代和第二代 ISW 焊头商业化，并开发了使用超声波检测的在线无损检测。它的目标是在 2023 年将这种在线无损检测集成到其焊接平台中时达到 TRL 6。

图 7. 雷神技术公司的感应焊接

使用具有现场过程控制的机器人感应焊接单元对弯曲面板进行的试验

雷神技术研究中心（RTRC，East Hartford，Conn.，U.S.）已经在大型弯曲面板（标称内径 0.825米，外弧长 0.876 米，长 1 米）上进行了感应焊接试验，该面板包括 16-24 层 CF/PAEK 单板层压板，代表了一种亚尺度的典型加筋蒙皮飞机结构。赵博士在 SAMPE 2022（5 月 23 日至 25 日，美国北卡罗来纳州夏洛特市）上介绍了这项工作，其中包括使用非线性模型预测控制方法开发现场过程控制和离线模拟，优化沿弯曲焊缝的感应线圈速度，以满足高质量焊缝的温度要求。优化依赖于描述焊接线上时空热演化的数值模型，并通过物理实验进行了验证。

0.876 米焊接路径上的峰值温度变化和平均焊接速度，对于均匀蒙皮厚度为±20°C 和 1.68 毫米/秒，对于非均匀厚度面板为±25°C 和 1.6 毫米/秒。工艺参数开发始于南卡罗来纳大学（美国南卡罗来纳州哥伦比亚市）KVE 焊接测试装置的平板测试，这也有助于开发嵌入复合材料层压板中的热塑性涂层光纤，并使用Luna（美国弗吉尼亚州罗阿诺克市）ODiSi6100 八通道询问系统进行询问。

RTRC 和南卡罗来纳大学在弯曲面板感应焊接试验的焊接线上使用了光纤。此处显示：这些光纤传感器和热电偶的位置（左），以及在焊接线上测量的 2D 和 3D 温度分布（中心和右侧）。图片来源：南卡罗来纳大学 Wout De Backer 博士，图 8，“大型热塑性复合材料结构的自动感应焊接”，SAMPE 会议记录。北卡罗来纳州夏洛特， 2022 年 5 月 23 日至 26 日。

雷神技术公司的焊接开发

RTRC 还在其机器人感应焊接头中使用了力/扭矩传感器、红外摄像机和热电偶来监测焊接过程中的压力和温度。赵感谢先进制造机器人（ARM）研究所（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）、由 Ariyan Kakir 博士领导的 GrayMatter 机器人团队以及由 Wout De Backer博士和 Michael van Tooren 博士（之前在南卡罗来纳州的柯林斯航空航天技术研究员）领导的南卡罗莱纳大学团队在感应焊接方面提供的支持。“我们有一个后续计划，通过应用机器学习进一步提高焊接质量，”赵说。“随着技术的成熟，我们的目标是向大型演示过渡。”

过程控制、无损检测、认证、止裂剂

必须监测和/或控制哪些参数才能确保良好的焊接？DLR 的 Kupke 说：“对于复合材料，我们必须始终知道零件看到了正确的温度、压力和时间。”。“我们对每一次焊接都进行监测和记录。”如何做到这一点因焊接技术而异，从跟踪功率到焊头，再到速度和集成力传感器，再到监测零件表面温度（并与焊缝温度相关）的红外摄像机，再到实际嵌入焊缝中的光纤。

大多数技术都依赖于在数月的测试中优化工艺参数，然后监测和记录实际零件的焊接是否符合本规范。超声波无损检测也在使用，包括焊后检测和集成到焊接系统中进行在线检测，并且正在研究用于更大面积和更大零件体积的非接触方法。

研究也在追求人工智能（AI），以验证工艺参数并将其与焊接质量联系起来，同时实现机器人焊接的完全自动化。SAM|XL 的 Van Rijswijk 说：“我不想每次焊接时都手动教机器人。”。他说，有传感器可以让机器人看到需要做什么，并对自己进行编程，还可以监控材料转换，包括整合，这是 OEM 认证的关键。

NIAR 的 Seneviratne 说：“粘接或焊接接头的认证基本上有三种方法：极限载荷的全验证测试、全无损检测或某种止裂特征。”。由于当前认证协议的故障保护要求，如今在粘结的初级结构、金属和复合材料以及飞行的焊接热塑性复合材料舵和升降机中使用了止裂功能（例如，鸡形铆钉）。他说：“最终，我认为我们将对没有止裂特征的焊接复合材料主结构有足够的信心。”但这是基于第一批建筑的历史和数据，“就像我们对粘结接头所做的那样。”

注：资料来源互联网，主要参考《 Thermoplastic composites welding advances for more sustainable airframes 》2022.9.28