热塑性复材焊接-工艺控制、认证、止裂工艺和表面处理-1
本文摘要：（由ai生成）
本文主要讨论了多功能机身演示器下半机身组装过程中的焊接技术和演示的最新发展，以及航空航天领域中无损检测技术的应用。其中提到了多种焊接技术，包括超声波点焊、连续超声波焊接、电阻焊接和感应焊接，并介绍了过程控制、传感器和无损检测等方面的内容。此外，文章还提到了数字孪生和人工智能在促进质量保证方面的应用。
多功能机身演示器（MFFD） 的下半机身正在 SAM|XL 厂房组装，如图所示，带有导电焊接长桁和超声波点焊 马鞍形连接件。
本文将讨论多种焊接技术和演示的最新发展，详细 介绍过程控制、认证和其他正在克服的挑战， 以便为未 来的机身成熟无尘、无紧固件的复合材料。这场讨论也 是对生产高质量焊缝所涉及的众多因素的一次很好的 回顾， 以及数字孪生和人工智能（AI）如何促进质量保证。
过程控制、传感器、无损检测
为了确保良好的焊接， 哪些参数对监测和/或控制 很重要？
超声波点焊： SAM|XL 的材料和工艺工程师 Bram Jongbloed 表示， 对于多功能机身演示器（MFFD） 下半 机身的超声波点焊， SAM|XL（荷兰代尔夫特）主要使 用时间控制，并监测焊接过程中的功率、消耗能量和垂 直声极位移（即焊接深度）。“我们还使用力指示器来监 测焊接和固结力。在焊接过程中，有很多事情可以通过 使用热电偶来监测， 比如振动频率和温度。我们来自代 尔夫特理工大学（荷兰代尔夫特大学） 的研究合作伙伴 可以在人工智能模型中研究这些问题，看看如何根据各 种参数的输入，使用闭环控制系统控制超声波点焊过 程。 ”
DLR 的连续超声波焊接：DLR 轻量化生产技术中 心（ZLP，Augsburg，Germain） 的热塑性复合材料生产 技术负责人弗雷德里克 ·费舍尔（Frederic Fischer）表示： “如果我们监测发电机的所有参数（即振幅、频率随时 间的变化）， 以及机器人的行进速度和施加在喇叭和固 结单元上的力，SAM|XL 的这种过程控制也适用于 DLR 的持续超声波焊接过程。” 。“ 特别是在连续焊接的开 始和结束期间， 我们会主动控制振幅水平。然而， 最重要的是，端部执行器因工艺力而偏离预定路径的位移通 过基于相机的路径校正进行补偿， 以≤0.1 毫米的保持 精度检测产长桁边缘。”
DLR 电阻焊接 MFFD 上半机身的测试外壳。弯曲的焊接桥包括许多模块。每个都通过气缸 施加压力，并通过施加的电流/电压的电阻进 行加热。
电阻焊接： 费舍尔还描述了 MFFD 上半机身中使 用的电阻焊接的过程控制。他解释道：“ 我们通过电流 和施加的电压来测量焊接元件的电阻，这给了我们能 量。 ” 。“ 有了这个， 我们可以根据特定零件定义的最 佳参数运行一个非常可控的过程。我们不需要额外的 传感器来控制回路， 但我们会测量焊接桥缸的压力，以确保压力恒定。 ”
DLR 结构与设计研究所副所长、 ZLP 部门负责人 迈克尔 · 库普克（Michael Kupke） 指出：“ 传感器在工 艺升级过程中非常重要。 ” 。“ 例如，我们在焊接界面上放置热电偶，在确定最佳工艺方面确实需要进行大 量的测量和工作。之后，您只需监测是否符合您的规 范。对于工业化，您希望工艺尽可能简单。您不想干 扰每条焊线中的传感器。 ”
ISW 感应焊接：ISW 工艺使用随焊接头移动的移 动基座。“ 我们使用红外高温计和红外摄像机监测零件 表面和金属基座中的焊接头速度和温度， ”IS Groupe （法国维勒平）航空与复合材料总监杰罗姆 · 雷纳尔 （Jérôme Raynal） 说。“ 因为基座在焊接界面产生熔体，我们可以直接监测和控制。这也使我们能够评估 基座本身的均匀性。我们使用气动千斤顶来控制和管 理施加在焊接和冷却区域的压力。 ”
感应焊接和基于红外摄像头的控制：
CETMA 集成了一个热像仪来监测其感应焊接过程（左上），并进行各种过程模拟，包括感应涡流（左下）、温度分布（右下）和焊接线上的熔化程度 （右上）。这些模拟的模型使用输入数据，包括材料特性，如相对磁导率、比热、相对介电常数、密度、 发射率、电阻率和热导率。
CETMA 的高级材料和工艺开发工程师朱塞佩 · 布 科利耶罗（Giuseppe Buccoliero） 表示，集成热像仪以 取代以前的高温计是对 CETMA（意大利布林迪西）感 应焊接系统的重要升级。“ 这使得能够监测零件表面 的更大区域（5x 5 厘米）。 ”对于 DEWTECOMP 项目 的一名演示者来说， 被加热的焊接区域为 20 毫米长 x 25 毫米宽。“ 感应焊接在加热方面非常有效， 但控制 温度很有挑战性， ”他继续说道。“要做到这一点，你需要知道过程中的最高温度点。否则，你就有可能 使矩阵过热。（IR） 相机的大监控区域有助于我们找到 最热点。然后，我们将其与焊接温度关联起来，并用 它调节功率，以保持恒定的温度。”
“为了确保热量集中在焊接界面，”他继续说道，“我们首先使用放置在界面和零件表面的热电偶来优 化工艺， 以关联和验证红外相机读数。例如， 焊接界 面处于 380°C，而表面处于 250°C。相机直接连接到感 应焊接发电机，因此它控制功率。表面温度是您在系 统 HMI 中设置的一个关键参数。然后，热像仪进行检 查，将表面温度保持在该设置， 并将焊接界面保持在 熔体温度以上。 ”
雷神技术公司使用机器人系统和焊接线上的光 纤在曲面面板上进行传导感应焊接试验（上图， 左），显示了上图（中心和右） 的 2D 和 3D 温 度分布。图片来源：雷神技术研究中心
光纤和红外相机：“我们演示了试片级别的光纤温 度传感，”雷神技术研究中心（美国康涅狄格州东哈特 福德）的赵博士在描述他与沃特 · 德 · 巴克尔（Wout De Backer） 博士领导的南卡罗来纳大学（美国南卡罗 来纳州哥伦比亚）团队的合作时说。 “ 它显示了热塑性 复合材料焊缝温度传感的巨大潜力，而不会对焊缝产 生重大不利影响。我们计划在未来的焊接开发中扩大 光纤传感器的使用。 ” 完成的感应焊接试验还使用了热 电偶和红外相机。 “ 嵌入焊线的热电偶对焊接技术的发 展很好， 但在应用中， 它们可能会被放置在远离焊线 的地方， 并与红外相机和模拟相结合，用作焊接过程 中的间接温度测量。”
这张焊接线的红外（IR）相机图像（底部）是 在感应焊接试验期间拍摄的（顶部）。红外相 机是焊接头右侧和底部的小黑盒。感应线圈从 焊接头向下朝着复合面板突出。红外相机两侧 的蓝色管用于焊接表面的强制空气冷却。
德 · 巴克尔说： “ 红外摄像机安装在机器人焊接头 上，焊接头上还固定着感应线圈。 ” 。“摄像头的位置 使大部分焊缝不受阻碍。对于我们正在进行的焊接类 型，加热轮廓相对于感应线圈的平面是对称的。因此，只要我们能看到一半的焊接区域，我们就有足够 的材料响应信息。 ”
德 · 巴克尔指出，南卡罗来纳大学团队还参与了 HICAM（高速复合材料飞机制造） 项目（2021-2027 年）， 这是美国国家航空航天局可持续飞行国家伙伴关 系的一部分。与 MFFD 的目标类似， HICAM 的目标，如在线演示中所述，包括与 2020 年波音 787/777x 复合材料飞机生产的基线相比， 每月生产 60-80 架飞 机，降低 30-50%的成本，并且不产生重量损失。德 · 巴克尔表示，感应焊接是正在评估用于 HICAM的许多热塑性连接技术之一，也就是说，如果热塑性 复合材料确实被选择用于计划在 2026 年前完成的全尺 寸机身部件演示，旨在实现技术准备水平 6。
焊接速度与结晶： CETMA 的 Buccoliero 说：“很 明显，随着感应线圈的通过，焊缝沿线会有一个温度 梯度。 ” 。“ 还有一个滚轮可以施加必要的压力。因此，您必须优化的另一个参数是焊接头速度， 因为滚 轮必须在焊接线高于结晶温度时通过，以便在被焊接 的两个部件之间有良好的相互扩散。如果您在基体已 经冷却和结晶时通过滚轮，则无法获得零件之间的接 头强度。另一个重要的优化是获得材料的最大结晶含 量，从而优化接头的机械性能。否则，您可能会出现 非晶相， 从而降低焊接性能。我们在焊接前后通过DSC（动态扫描量热法）分析验证了这一点， 以检查 结晶度是否与基材的最大结晶度相同。”
传感器和无损检测：“对于我们的 KVE INDUCT工艺， ”KVE Composites （荷兰海牙）的热塑性塑料客 户经理马丁 · 巴赫（Maarten Bach） 解释道，“ 我们控 制焊接电流、压力和感应线圈速度，并测量焊接界面 温度作为主要工艺参数。 ”KVE 与母公司和一级机身制 造商 Daher Aerospace（法国巴黎） 合作，使用热电偶 和光纤提前完成工艺校准，但这些不会嵌入实际的串 行零件中。 Daher 研发副总裁多米尼克 · 贝利（Dominique Bailly） 表示： “ 我们优化了工艺参数，然 后在生产过程中进行监控，以确保我们符合规范。 ” 他 指出，这就是 Daher 对其生产的冲压热塑性零件进行 认证的方式。“ 我们也使用无损检测进行测试。这是当 今的标准——所有零件制造商和原始设备制造商都使 用统计过程控制来对生产的零件进行无损检测——通 常使用超声波检查。然而，超声波是不够的。我们正 在与多个合作伙伴一起测试开发项目中的其他技术。 ”
以下讨论摘自 CW 2021 年 6 月的感应焊接网络研 讨会。“ 我们正在进行超声波检查， ”IS Groupe 的赖纳 尔（Raynal） 说。“如果超声波信号的‘ 强度损失 ’超过6db，我们认为该部分是不可接受的，这是航空领域的 标准。 ”
MFFD 下半机身的地板梁（顶部）和机身框架（中心）组件在 GKN 航空航天全球技术中心-荷兰工厂（荷兰胡格芬） 的焊接单元（底部）中进行传导焊接。末端执行器完成 60x18 毫米的焊接，稍后还将用于将完成的地板梁格栅焊接到已经集成在 SAM|XL 的机身夹上（见顶部图像）。
一级机身制造商吉凯恩（GKN） 航空航天公司（英国 Redditch）的首席技术专家利奥 · 穆伊斯（Leo Muijs） 表示，吉凯恩福克公司（荷兰 Hoogeveen）正 在对其焊接结构进行脉冲回波超声波检测， 并指出，“ 我们正在寻找其他适用于大面积的非接触式方法，以 满足客户更高的体积要求。 ”
空中客车大西洋公司（法国图卢兹）的研发复合 材料制造主管西蒙 ·梅尔 · 维格尔（Simon Maire Vigueur） 指出，通过传统的 C 扫描和超声波检测，“ 我无法检测到焊缝中的间隙，所以我们必须研究新的 检测技术来检测这一点，并证明良好的焊缝。 ”
KVE Composites 的巴赫河(Bach)并不完全同意这 一 观点，但他表示，对于他们的大多数焊缝， 良好/不良 显微镜与良好/不良无损检测之间存在 100%的相关性。“挑战在于层压板表面不平行的位置，包括折弯和 层压板脱落，传统的超声波检测具有挑战性。因此，我们正在研究新的无损检测方法、过程监控和使用焊 接过程数字孪生的现场过程控制相结合。我们在 KVE 看到，良好的焊缝具有与基础层压板几乎相同的机械性能。但我们也看到两个层压板之间的熔合量有限的 部分，但无损检测没有检测到。似乎有一个阈值温度 和焊接时间，你需要达到这个阈值温度和时间，才能 获得所需的机械特性。因此，你必须有过程控制，但 也要确保整个焊缝的压力和温度都是正确的。”“
