热塑复材蒙皮与长桁焊接工艺-ISW

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IS Groupe 和 Arkema 为 ISW  申请了高强度单向带焊接、 温度控制和节能 50%的专利。

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“ArchesTP”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 ArkemaKepstan 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 ArkemaKepstan 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。 ”

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原文见，《 Using mobilesusceptors to innovate thermoplastic induction welding  》  2020.5.5

杨超凡        2024.5.21