热塑性复材焊接-工艺控制、认证、止裂工艺和表面处理-2
本文摘要：（由ai生成）
本文探讨了焊接用介质传感器、基于人工智能的过程控制、数字孪生、证书以及裂纹阻止裂工艺等主题。新型传感器如 Twenco 的无损检测电介质分析仪可以监测复合材料在加工过程中的材料状态。SAM|XL 正在与 KVE 和Daher 合作，开发以智能方式放置传感器，使机器人感应焊接工业化。模拟和建模也是感应焊接工业化的关键。在 2022 年 3 月举行的热塑性复合材料会议上，对认证问题进行了辩论。目前飞机的关键热塑性焊接接头具有某种止裂功能来防止损伤增长时的灾难性故障或完全接头故障。
焊接用介质传感器
使用 Twenco 传感器进行电阻焊接试验期间粘度与功 率的关系图
Twenco DEA 传感器数据。感应焊接试验图（顶部） 温度（红色）与接收/发送 RF 信号（蓝色）之比。
电阻焊试验图（底部）粘度（红色）与功率（黑色）， 显示在恒定低功率下保持期间的稳定粘度。
Twenco（荷兰 Vriezenveen）也在电阻和感应焊接 试验中展示了其无损检测电介质分析仪，后者使用KVE 焊接试验装置。 Twenco 的传感器是一种非侵入性 介质传感器，它使用电压和射频（RF-radio frequency）信 号来监测复合材料在加工过程中的材料状态。在这两 个试验中， 传感器都被放置在焊缝中顶板的顶面上。公司创始人 Cor Boksem 说，对于感应焊接， “Twenco 传感器可以看到焊缝内部发生的情况，你可以看到最 大熔化稳定了五秒钟。通过几项测试，你可以很容易 地确定焊接功率和行进速度之间的关系，以帮助优化 焊接过程。 ”对于电阻焊接，Twenco 研究了减少能源 使用的可能性。 Boksem 说：“ 我们从使用 675 瓦的100%功率开始，并将其降低到 200 瓦。 ” 。“ 我们可 以看到， 我们仍然能够熔化树脂并使其完全稳定。现 在，我们可以通过开发一种基于粘度曲线的算法来自 动完成， 而不是手动完成。 ”
基于人工智能的过程控制， 数字孪生
像 Twenco 这样的新型传感器可能会在未来的焊接 控制系统中占有一席之地。 SAM|XL 首席执行官 Kjelt van Rijswijk 指出， SAM|XL 的超声波焊机系统相当开放，可以容纳多种传感器，用于监测速度、温度和位置。“ 你希望能够同时控制焊接工具和机器人的位置。然而， 不存在‘ 一刀切 ’——你做什么取决于零 件的类型和尺寸、材料、焊接通道和焊接过程。例如，感应焊接通常是一个更封闭的系统，这使得引入 外部传感器来监测焊接过程及其质量变得更加复杂。 因此，它需要人工智能来缩短合适工艺规范的识别时 间。 ”
超声波点焊机的位置控制，用于将夹子焊接到 MFFD 下半机身。
SAM|XL 正在与 KVE 和 Daher 合作，开发如何以 智能方式放置传感器， 使机器人感应焊接工业化。Jongbloed 说：“ 我们还在开发万无一失的连续超声波 焊接技术， 并将其工业化，包括使用人工智能验证工 艺参数并将其与焊接质量联系起来以创建闭环控制系 统的监测系统。 ”Van Rijswijk 说：“ 这是一个多年的路 线图，“ 我们才刚刚开始，但它将使我们能够可靠有效地焊接非常大的结构。与我们的合作伙伴一起进行的 这些项目还将展示焊接复合材料结构的商业案例，包 括哪种焊接技术最适合哪些应用。 ”
SAM|XL 的技术不可知论很有趣， 因为它为定制 资格和控制提供了不同的解决方案。例如， 在焊接MFFD 上机身的工艺规范中， Kupke 指出 DLR 测试了 数百个试件。感应焊接也需要这样做，因为产生的热量取决于每种材料的电磁和加热行为以及每个零件的 几何形状。Van Rijswijk 说：“ 我们正在开发一种人工智能自动化解决方案。 ” 。“ 当我焊接时，我想使用能够看到两个零件重叠位置的机器人，这样它就可以自学该怎么做。我不想每次焊接时都手动教机器人。激 光距离传感器可以监测焊接头的位置和与焊接线的距 离。这些传感器和其他传感器可以让机器人看到需要 做什么并自行编程， 然后监测材料转换。然后无损检 测传感器可以内部查看并检查固结情况。因此，没有 无需无休止的编程， 也没有试错——只需将两个面板 放在一起， 按下启动键，机器人系统就会自动进行监 测和无损检测。”
SAM|XL 正在开发复合材料结构的自主、非接触无损检测。
Van Rijswijk 指出，非接触式传感器是这种机器人 化的理想选择。“ 我们正在与荷兰应用研究组织 TNO 一 起开发非接触式无损检测，” 他解释道，“在我们的龙门 架系统上放置一块面板，机器人会拍摄图像， 然后自行 编程，在没有任何手动编程的情况下执行无损检测。这 是一种与我们的焊接研发并行的技术，我们最终会将其集成。” 他指出， 数字化转型需要时间。“ 这是关于建立 我们的硬件和软件平台，以便您可以添加到这些平台上 并在其上进行构建。您需要能够不断改进您的流程， 也 需要能够改进执行这些流程的设备。 ”
KVE Composites 的研发经理 Maarten Labordus 认 为，模拟和建模也是感应焊接工业化的关键。 “KVE 正 在使用两种方法， ” 他解释道。“ 一种是传统的自下而上 的建模，使用商用软件和特殊的热导率和电导率测量设 备，使输入数据尽可能准确。另一种是自上而下的方法， 使用一组最佳猜测作为输入，然后用具有现实边界条件 的焊接实验的热数据校准模型。这项工作是与 ESI 集团 （法国 Rungis）在 PENELOPE 项目中合作完成的。 ”
Labordus 说，ESI 在模拟中遵循多步骤方法，“ 首 先进行非常精细的电磁和热分析。这一分析可能需要几 天时间， 然后根据 KVE 的测量热数据进行校准。然后 ESI 提取出一个所谓的热源函数， 该函数可用于执行非 常快速的模拟。目前，KVE 和 ESI 正在完成建模活动， 并朝着开发感应焊接过程的实际数字孪生模型的方向 发展，然后将使用嵌入焊接工具中的非侵入式热传感器 在 KVE 焊接系统的在线过程控制中实现。 ”
证书，裂纹阻止裂工艺
在 2022 年 3 月举行的热塑性复合材料会议（美国 加利福尼亚州圣地亚哥）上，在题为“ 热塑性粘接和连接 的进展” 的小组讨论中，对认证问题进行了辩论。威奇托 州立大学国家航空研究所（NIAR，美国堪萨斯州威奇托） 航空航天系统先进技术实验室（ATLAS）主任、小组参 与者 Waruna Seneviratne 表示，讨论中提出的一个主 张是，焊接金属接头是无损检测最初成为一个行业的原 因之一。“我的观点是，粘合或焊接接头的认证基本上有 三种方法： 对每个生产产品进行验证测试以限制负载， 对超过允许阈值的缺陷进行完整无损检测或某种止裂 特征。这是除了进行严格的粘合工艺鉴定和实施质量控 制之外的。”
Daher 的知识产权经理迈克尔 ·于贡(Michael Hugon) 认为：“ 通过粘合，每次都有可能在粘合线或接触粘合处 受到污染。” 。“ 所以， 你可能会出现粘合失效。我们在 焊接中不应该有这个问题，因为我们正在重新熔化两个 零件的表面，并将其扩散到彼此中，这样就不再有界面 了。我还领导了 一个金属搅拌摩擦焊 （FSW-friction stir welding）项目，在该项目中，你可以扩散每个零件的材料来制造一个零件。你不再保持固体界面， 所以你对潜在 的污染不敏感。在热塑性复合材料中，我们还在焊接线 上加热到 Tg（玻璃化转变温度） 以上。 ” 因此， 热塑材 料焊接应该类似于热固性共固化，巴伊(Bailly)指出，“在 那里你不会在子零件中做出任何区别——它们已经集 成到一个零件中。 ”
塞内维拉特内(Seneviratne)说：“ 人们对在粘接接头 中使用鸡铆钉(chicken rivets)感到兴奋， 但它们本质上是止 裂功能，可以防止潜在的损伤增长超过安全极限。例如， 在机翼发生粘接故障的情况下，止裂功能可以让飞行员 降落飞机。我相信， 目前飞机的关键热塑性焊接接头具 有某种止裂功能来防止损伤增长时的灾难性故障或完 全接头故障。 ”
Muijs 承认，GKN Fokker 为湾流和达索飞机制造的 焊接方向舵和控制面看起来仍然像一个有很多紧固件 的传统组件。“ 与金属粘结结构一样，我们使用防脱粘功 能来防止焊缝剥落。然而，在 MFFD 中，有很多焊接， 只有少数用到止裂工艺 。 ”
CF/热塑性再填充 FSSW 接头的顶视图（顶部） 和横截面（底部）。
固定长桁跳动的摩擦铆接。
“多年来，”他继续说道，“我一直在努力开发其他更 适合热塑性复合材料的概念。像焊接这样的好工艺， 然 后钻孔，破坏整个概念是没有意义的。因此，在 MFFD 子项目 TORNADO 中， 我们正与希腊帕特拉斯大学和 KVE 合作，使用再填充搅拌摩擦点焊（FSSW-friction stir spot welding）。与正常的 FSSW 一样， 我们熔化已经存在的材 料， 然后使用相同的材料再填充。另一个概念是摩擦铆 接， 我们使用的铆钉设计成， 当它进入材料时，使用特定的速度和力， 形成一个头部， 以防止拔出。然后你可 以在上面放一个螺母将其固定到位。“我们正在取得进 展，”他补充道。“我们不会在 MFFD 中使用这些，但我 们会制作测试面板和单独的演示。 ”
