热塑复材蒙皮与长桁焊接工艺-ISW
在STELIA Aerospace的试验中，IS Groupe和Arkema使用移动基座获得了ISW-Innovative Solution for Welding（创新焊接解决方案）专利，与热压罐的CFRP参考层压板相比，其性能提高了85%以上，目前正在由Latécoère和Collins Aerospace Structures进行评估。
苏杜尔研究所集团（IS Groupe，Villepinte，France）—字面意思是法国的“焊接研究所”—在焊接金属方面拥有100多年的经验，现在正成为焊接热塑性复合材料的领导者。正如CW 2018年的专题报道“焊接热塑性复合材料”中所报道的，IS Groupe及其复合材料品牌Composite Integrity开发了“动态感应焊接-dynamic induction welding”工艺，用于连接碳纤维（CF）/聚醚酮（PEKK）单向（UD）带长桁和机身蒙皮，该工艺与空中客车一级供应商STELIA Aerospace（法国图卢兹）在2017年巴黎航展上亮相的“Arches TP”示范项目。
IS Groupe与STELIA Aerospace合作，在ARCHES BOX TP项目中使用其动态感应焊接工艺对热塑性复合材料直升机机身/尾梁进行感应焊接。
IS Groupe航空与复合材料总监杰罗姆·雷纳尔（Jérôme Raynal）解释道：“这是我们开发航空结构件感应焊接的开始。”。“尽管我们开发的动态感应焊接工艺是成功的，但由于界面处没有感受器，因此在粘合桁条半径和面板整体加热方面存在一些限制。”
基座是放置在焊接热塑性复合材料接头的两个被粘物之间的材料，该接头由焊接头中的感应线圈加热。基座可以是用于电阻加热的导电的或用于磁滞加热的磁性的，在焊接界面处熔化基体，同时将基体压在一起以形成具有非常高强度的熔接接头。正如Bruce Fink、Shridhar Yarragadda和John W.（Jack）Gillespie于2000年1月发表的论文《复合材料感应接合过程中均匀加热的电阻感受器的设计》所解释的那样，感应焊接热塑性复合材料中使用的感受器最初是金属筛网或网状物，有时会浸渍聚合物。
IS Groupe相信，它遇到的最初问题可以通过更多的开发来解决。雷纳尔说：“我们开始了新一轮的内部反思。”。这包括与热塑性塑料（TP）材料供应商Arkema（Colombes，法国）的讨论，Arkema随后建立了发展伙伴关系。雷纳尔补充道：“我们现在已经与Arkema开发了一项名为“创新焊接解决方案”（ISW-）的新技术，并获得了联合专利。”。
ISW使用与焊接头中的感应线圈相连并与感应线圈一起移动的基座，以及未增强或低纤维体积热塑性基体的界面层，可根据应用进行定制。
ISW基础知识
雷纳尔解释道：“ISW的基础是使用基座来加热焊接界面，但这是一个连接到焊接头的移动基座。”。“基座使我们能够完美地定位焊接处的加热区，但带有基座的焊接头正在移动，因此界面中不会留下任何东西来干扰焊接结构的性能。”在感应焊接的早期迭代中，金属网基座留在了焊缝中，但这被认为是不可取的。最近的技术已经能够消除感受器，因为普通航空航天层压板中的碳纤维是导电的。这也使得能够使用碳纤维材料作为感受器。
ISW解决方案的另一部分是在焊接界面处使用纯TP基质或低纤维体积帘布层来增加树脂流动。该界面层的熔体温度和粘度可以被调节，并且也可以被功能化以提供导电性或隔离以防止例如碳纤维与铝或钢之间的电偶腐蚀。
2019年11月28日，法国SAMPE公布了使用Hexcel Hextow UD胶带和Arkema Kepstan 7002 PEKK的ISW试验的初步结果。
ISW结果
雷纳尔说：“我们最终得到的接头系数为80-90%。”。接头系数对应于焊缝的强度，用于金属、塑料和复合材料。“在使用ISW焊接在一起的两块预固结板的单搭接剪切试验中，我们已经实现了未焊接、热压罐固结参考板80-90%的性能。”这些试验使用了赫氏（Hexcel）的Hextow AS7碳纤维和Arkema Kepstan 7002 PEKK制成的UD胶带。
雷纳尔说，ISW可以用于焊接任何类型的基体：PE、PA、PEKK、PEEK，以及碳、玻璃或芳纶纤维增强的热塑性复合材料。他补充道：“我们还表明，焊接具有用于雷击保护（LSP-）的铜网的部件是没有问题的，这是航空结构生产的关键。”。ISW设计为全自动焊接，焊接头连接到6轴机械臂上。
温度控制
正如柯克/亚拉加达/吉列斯派（Kirk/Yarragada/Gillespie）在论文中所解释的，金属网基座在磁场作用下的一个常见问题是在被焊接的零件中产生不均匀的温度分布。雷纳尔解释道：“我们通过使用感受器只熔化焊接界面来控制这种情况。”。“我们用激光高温计感知温度，该高温计实际上从侧面测量基座的边缘。因此，我们准确地知道界面的温度。我们还使用冷却来帮助控制温度，并确保整个焊接过程中热塑性材料充分结晶。”
STELIA桁条蒙皮焊接试验
空中客车公司的一级供应商STELIA（法国图卢兹）是该感应焊接开发的首批客户之一。IS Groupe和Arkema对STELIA进行了一项特殊研究，将7层CF/PEKK长桁焊接到14层带铜网的蒙皮上，用于雷击保护（LSP-lightning strike protection）。最终目标是焊接30米长的结构，包括直截面和双曲截面。使用包括日本帝人（Teijin）的Tenax HST45碳纤维和Kepstan 7002 PEKK的194gsm单向带。STELIA规定了一种均匀焊缝，其机械性能>热压罐固结参考材料的85%，且被粘物的热性能或机械性能没有退化。它还要求采用一种在粘附物厚度变化方面稳健的工艺。焊接部件的化学和性能测试由IS Groupe进行。
IS Groupe和Arkema能够满足STELIA的要求，与热压罐固结的参考层压板相比，实现了>85%的单搭接剪切（SLS-single lap shear）和层间剪切强度（ILSS-interlaminar shear strength）性能。组件层压板或雷击保护（LSP）网格中没有拆包或降解。他们唯一不足的地方是速度。STELIA要求焊接速度≥1米/分钟。“目前，我们的速度是每分钟0.3米（10英寸），”雷纳尔承认，“但我们仍在朝着这个目标速度努力。”可以焊接的基底厚度有限制吗？“我们可以焊接航空航天结构的典型厚度，并将5毫米厚的部件焊接到5毫米的基底上。”
STELIA Aerospace的ISW试验结果——包括IS Groupe的显微照片——显示了基材中的高质量焊缝和失效，而不是焊缝界面（左为绿色方框，右为蓝色方框）。“防护罩”是铜网雷击防护。于2019年11月28日在法国SAMPE举办。
Arkema伙伴关系、机遇和挑战
为什么要与Arkema合作？雷纳尔解释道：“因为技术和材料之间存在关系。”。“例如，界面处的材料及其体积分数会产生影响。我们是工艺方面的专家，但我们需要与材料合作伙伴密切合作。这种联合开发对于完全优化焊接技术是必要的。”
IS Groupe和Arkema是ISW技术的共同所有者，并通过坚实的专利组合保护了这项技术，其中包括五项法国和国际专利申请。ISW可以与任何热塑性复合材料基体一起使用，IS Groupe正在通过与欧洲和美国公司的项目展示这项技术，包括Latécoère（法国图卢兹）和Collins Aerostructures（美国加利福尼亚州Chula Vista）。
雷纳尔表示，对于Arkema来说，重点是PEKK，并指出其2018年与Hexcel的战略联盟旨在为未来的飞机开发CF/热塑性胶带，重点是为客户提供更低的成本和更快的生产速度。作为这一合作伙伴关系的一部分，法国正在建立一个联合研发实验室。
为期4年的HAICoPAS项目旨在优化材料、制造和组装，以实现低成本、高速率的复合材料结构生产。
耗资1350万欧元、为期48个月的用于执行适应性结构的高度自动化集成复合材料（HAICoPAS）项目是Arkema Hexcel战略联盟的延续。这项全法国合作包括IS Groupe，以及定制机器设计师Ingecal（Chassieu）、Coriolis Composites（Quéven）、Pinette Emidecau Industries（Chalon Sur Saone）和一个大学实验室联盟。HAICoPAS将优化复合材料零件生产材料的设计和制造，以高速实现具有竞争力的成本。它还旨在开发一种更高效的复合材料放置/叠层技术，以及一种通过在线质量控制的焊接组装最终零件的新系统。
目标应用包括飞机主结构、汽车行业的结构件以及石油和天然气行业的管道。热塑性材料提供的可回收性和可持续性效益对这些市场也很重要，并将在HAICoPAS中进行证明和量化。
雷纳尔指出：“与2017年的动态感应焊接工艺相比，ISW可以提供的好处之一是将所需电力减少50%以上。”。“使用传统的感应，你需要高功率来加热表面。但在界面处有一个感受器，你加热的表面要小得多，所需的能量要少得多。”他指出，这也有助于避免长桁半径的反作用。“如果加热过多，可以软化半径范围内的材料，使此处的纤维移动。因此，我们只需要完全加热焊接基板的接触区，而不加热半径。使用ISW，这不是问题。”
然而，仍然存在热问题。雷纳尔说：“对于扁平形状，热控制很简单，但随着形状复杂性的增加，它变得更具挑战性。”。“2020年的主要目标是继续开发并实现具有代表性的蒙皮长桁焊接。我们的重点还在于将该技术引入新的飞机开发计划。”
END
原文见，《Using mobile susceptors to innovate thermoplastic induction welding 》 2020.5.5
杨超凡 2024.5.21
