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2020-06-15
感应焊接技术创新让热塑性复材飞机更近一步

法国焊接学院(IS)集团在焊接金属方面拥有100多年的经验,目前正成为焊接热塑性雷竞技app官网的领导者。IS集团开发了“动态感应焊接”工艺,在空客旗下STELIA航宇的航空热塑性雷竞技app官网演示项目中,被用于连接碳纤维/聚醚酮酮(PEKK) 单向带桁条和机身蒙皮。

尽管这项工艺很成功,但是由于在界面处没有感受器,因此在粘结桁条的半径性能和壁板全局加热方面存在局限。感受器是置于热塑性雷竞技app官网焊接接头的两个被粘结物之间的材料,该材料被焊接头中的感应线圈加热。感受器可以是电阻加热的导电体,也可以是磁滞加热的磁性体, 在焊接界面熔化基体,同时将基体压在一起以形成具有很高强度的熔接接头。用于感应焊接热塑性雷竞技app官网的感受器最初是一种金属筛网或网格,有时浸有聚合物。

 

IS集团与热塑性材料供应商阿科玛建立了合作伙伴关系,共同开发并获得了专利技术,称为焊接创新解决方案。

焊接创新解决方案的基础

焊接创新解决方案的基础是使用感受器来加热焊接界面,但这是与焊接头相连的可移动感受器。感受器使工艺能够完美地定位焊缝的加热区域,而带有感受器的焊头是移动的,因此界面中没有残留物,不会干扰焊接结构的性能。在感应焊接的早期迭代中,金属网格感受器保留在焊缝中,但这并不是想要的结果。由于普通的航空航天层压板中的碳纤维是导电的,最新的技术已经能够消除感受器,这也使得能够使用碳纤维材料作为感受器。

焊接创新解决方案的另一特点是在焊接界面处使用纯热塑性基体或低纤维量的铺层,以增加树脂流动性。可以调节该界面层的熔融温度和粘度,并且还可以进行功能化,提供导电性或隔离性,以防止电腐蚀,例如碳纤维与铝或钢之间的电腐蚀。

焊接创新解决方案的成果

该解决方案的接头系数为80%~90%。接头系数与焊接强度相对应,用于金属、塑料和雷竞技app官网。在对使用该解决方案将焊接在一起的两个预固化板进行的单搭剪切试验中,获得了未经焊接、热压罐固化的参考板的80%~90%的性能。这些试验使用了由赫氏Hextow AS7碳纤维和阿科玛Kepstan 7002 PEKK制造的单向带。

焊接创新解决方案可用于焊接任何种类的基体:PE、PA、PEKK、PEEK以及碳、玻璃或芳纶纤维增强的热塑性雷竞技app官网。而且,还可以焊接具有铜网格的组件以防雷击,这是航空结构制造的关键。焊接创新解决方案的设计是完全自动化的,焊接头安装在6轴机械臂机器人上。

焊接温度控制

金属网格感受器在受到磁场作用时的一个普遍问题是所焊接零件的温度分布不均匀。该解决方案通过使用感受器来熔化焊接界面来控制这一点,使用激光高温计感知温度,该高温计实际上是从侧面测量感受器边缘的。因此,可以知道界面处的确切温度。还使用冷却方法来帮助控制温度,并确保整个焊接过程中热塑性材料能够充分结晶。

桁条蒙皮焊接试验

 空客旗下STELIA是这种感应焊接工艺的首批客户之一。IS集团和阿科玛为STELIA进行了一项专门研究,将7层碳/PEKK桁条焊接到14层的蒙皮上,并用铜网格覆盖以防雷击。最终目标是焊接长度为30米、具有直线和双弯曲截面的结构。使用包括Tenax HST45碳纤维和Kepstan 7002 PEKK的194 gsm单向带制作组件。STELIA规定了一种均质焊缝,其机械性能大于热压罐固化的参考材料的85%,而被粘物的热或力学性能不会退化。STELIA还要求开发一种改变被粘物厚度的鲁棒性工艺。IS集团对焊接组件进行了化学和性能试验。

IS集团和阿科玛能够满足STELIA的要求,与热压罐固化的参考层压板相比,达到了大于单搭剪切和层间剪切强度性能的85%。组件层压板或防雷击网格中没有散开或退化。唯一不足的方面是速度,STELIA要求焊接速度大于等于1米/分钟。目前, 该解决方案的速度为每分钟0.3米。可以焊接的基材厚度方面, 可以焊接航空航天结构的典型厚度,并将5毫米厚的零件焊接到5毫米基底上。

技术机遇与挑战

IS集团和阿科玛是焊接创新解决方案技术的共同所有人,并通过可靠的专利组合保护了该技术,该专利组合已经包括五项法国和国际专利申请。焊接创新解决方案可以与任何热塑性雷竞技app官网基体一起使用,IS集团正在通过与欧美公司合作的计划来演示该技术。对于阿科玛来说,重点是PEKK, 其与赫氏在2018年结成了战略联盟关系,为未来飞机开发碳/热塑性带,着重于为客户提供更低的成本和更快的生产速度。作为合作伙伴关系的一部分,法国将建立一个联合研发实验室。

这项耗资1350万欧元、为期48个月的用于自适应结构的高度自动化集成雷竞技app官网项目是阿科玛与赫氏战略联盟的延续。项目将优化用于复合零件生产的材料的设计和制造,以期实现具有竞争力的成本。它还将开发一种生产效率更高的雷竞技app官网放置/铺放技术,以及一种带有在线质量控制的、通过焊接装配最终零件的新系统。目标应用包括飞行器的主结构,汽车行业的结构零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优势对于这些市场也很重要,并将在项目中进行展示和量化。

与2017年相比,与动态感应焊接工艺相比,焊接创新解决方案可以提供的好处之一是所需电力减少了50%以上。使用常规感应,需要大功率来加热表面, 但是在界面处有了感受器的话, 加热的表面要小得多,所需的能量也要少得多。这也有助于避免桁条半径振松,如果加热过多, 会软化半径上的材料,并让此处的纤维移动。但是,仍然存在散热问题。对于扁平形状,热控制非常简单,但是随着形状复杂度的增加,它变得更具挑战性。目前,主要目标是继续开发并实现典型尺度的蒙皮上桁条焊接,重点还是将技术引入新的飞行器开发计划中。