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2020-06-15
感應焊接技術創新讓熱塑性復材飛機更近一步

法國焊接學院(IS)集團在焊接金屬方面擁有100多年的經驗,目前正成為焊接熱塑性復合材料的領導者。IS集團開發了“動態感應焊接”工藝,在空客旗下STELIA航宇的航空熱塑性復合材料演示項目中,被用于連接碳纖維/聚醚酮酮(PEKK) 單向帶桁條和機身蒙皮。

盡管這項工藝很成功,但是由于在界面處沒有感受器,因此在粘結桁條的半徑性能和壁板全局加熱方面存在局限。感受器是置于熱塑性復合材料焊接接頭的兩個被粘結物之間的材料,該材料被焊接頭中的感應線圈加熱。感受器可以是電阻加熱的導電體,也可以是磁滯加熱的磁性體, 在焊接界面熔化基體,同時將基體壓在一起以形成具有很高強度的熔接接頭。用于感應焊接熱塑性復合材料的感受器最初是一種金屬篩網或網格,有時浸有聚合物。

 

IS集團與熱塑性材料供應商阿科瑪建立了合作伙伴關系,共同開發并獲得了專利技術,稱為焊接創新解決方案。

焊接創新解決方案的基礎

焊接創新解決方案的基礎是使用感受器來加熱焊接界面,但這是與焊接頭相連的可移動感受器。感受器使工藝能夠完美地定位焊縫的加熱區域,而帶有感受器的焊頭是移動的,因此界面中沒有殘留物,不會干擾焊接結構的性能。在感應焊接的早期迭代中,金屬網格感受器保留在焊縫中,但這并不是想要的結果。由于普通的航空航天層壓板中的碳纖維是導電的,最新的技術已經能夠消除感受器,這也使得能夠使用碳纖維材料作為感受器。

焊接創新解決方案的另一特點是在焊接界面處使用純熱塑性基體或低纖維量的鋪層,以增加樹脂流動性??梢哉{節該界面層的熔融溫度和粘度,并且還可以進行功能化,提供導電性或隔離性,以防止電腐蝕,例如碳纖維與鋁或鋼之間的電腐蝕。

焊接創新解決方案的成果

該解決方案的接頭系數為80%~90%。接頭系數與焊接強度相對應,用于金屬、塑料和復合材料。在對使用該解決方案將焊接在一起的兩個預固化板進行的單搭剪切試驗中,獲得了未經焊接、熱壓罐固化的參考板的80%~90%的性能。這些試驗使用了由赫氏Hextow AS7碳纖維和阿科瑪Kepstan 7002 PEKK制造的單向帶。

焊接創新解決方案可用于焊接任何種類的基體:PE、PA、PEKK、PEEK以及碳、玻璃或芳綸纖維增強的熱塑性復合材料。而且,還可以焊接具有銅網格的組件以防雷擊,這是航空結構制造的關鍵。焊接創新解決方案的設計是完全自動化的,焊接頭安裝在6軸機械臂機器人上。

焊接溫度控制

金屬網格感受器在受到磁場作用時的一個普遍問題是所焊接零件的溫度分布不均勻。該解決方案通過使用感受器來熔化焊接界面來控制這一點,使用激光高溫計感知溫度,該高溫計實際上是從側面測量感受器邊緣的。因此,可以知道界面處的確切溫度。還使用冷卻方法來幫助控制溫度,并確保整個焊接過程中熱塑性材料能夠充分結晶。

桁條蒙皮焊接試驗

 空客旗下STELIA是這種感應焊接工藝的首批客戶之一。IS集團和阿科瑪為STELIA進行了一項專門研究,將7層碳/PEKK桁條焊接到14層的蒙皮上,并用銅網格覆蓋以防雷擊。最終目標是焊接長度為30米、具有直線和雙彎曲截面的結構。使用包括Tenax HST45碳纖維和Kepstan 7002 PEKK的194 gsm單向帶制作組件。STELIA規定了一種均質焊縫,其機械性能大于熱壓罐固化的參考材料的85%,而被粘物的熱或力學性能不會退化。STELIA還要求開發一種改變被粘物厚度的魯棒性工藝。IS集團對焊接組件進行了化學和性能試驗。

IS集團和阿科瑪能夠滿足STELIA的要求,與熱壓罐固化的參考層壓板相比,達到了大于單搭剪切和層間剪切強度性能的85%。組件層壓板或防雷擊網格中沒有散開或退化。唯一不足的方面是速度,STELIA要求焊接速度大于等于1米/分鐘。目前, 該解決方案的速度為每分鐘0.3米??梢院附拥幕暮穸确矫?, 可以焊接航空航天結構的典型厚度,并將5毫米厚的零件焊接到5毫米基底上。

技術機遇與挑戰

IS集團和阿科瑪是焊接創新解決方案技術的共同所有人,并通過可靠的專利組合保護了該技術,該專利組合已經包括五項法國和國際專利申請。焊接創新解決方案可以與任何熱塑性復合材料基體一起使用,IS集團正在通過與歐美公司合作的計劃來演示該技術。對于阿科瑪來說,重點是PEKK, 其與赫氏在2018年結成了戰略聯盟關系,為未來飛機開發碳/熱塑性帶,著重于為客戶提供更低的成本和更快的生產速度。作為合作伙伴關系的一部分,法國將建立一個聯合研發實驗室。

這項耗資1350萬歐元、為期48個月的用于自適應結構的高度自動化集成復合材料項目是阿科瑪與赫氏戰略聯盟的延續。項目將優化用于復合零件生產的材料的設計和制造,以期實現具有競爭力的成本。它還將開發一種生產效率更高的復合材料放置/鋪放技術,以及一種帶有在線質量控制的、通過焊接裝配最終零件的新系統。目標應用包括飛行器的主結構,汽車行業的結構零件以及石油和天然氣行業的管道。熱塑性材料提供的可回收性和可持續性優勢對于這些市場也很重要,并將在項目中進行展示和量化。

與2017年相比,與動態感應焊接工藝相比,焊接創新解決方案可以提供的好處之一是所需電力減少了50%以上。使用常規感應,需要大功率來加熱表面, 但是在界面處有了感受器的話, 加熱的表面要小得多,所需的能量也要少得多。這也有助于避免桁條半徑振松,如果加熱過多, 會軟化半徑上的材料,并讓此處的纖維移動。但是,仍然存在散熱問題。對于扁平形狀,熱控制非常簡單,但是隨著形狀復雜度的增加,它變得更具挑戰性。目前,主要目標是繼續開發并實現典型尺度的蒙皮上桁條焊接,重點還是將技術引入新的飛行器開發計劃中。

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