前 言

空客“新 A320”機身準備用先進熱塑性復合材料制造。為此，空客設計了一款直徑 4m、長 8m、帶客艙門框的筒體試驗件。試驗件中的零件全部用先進熱塑性復合材料制造。裝配中零件用特種焊接工藝連接。整個筒體無一金屬緊固件（鉚釘或螺栓）。試驗件分上下兩個半圓組件。目前兩個組件已經完成，等待對合成筒體的報道。

筒體試驗件的設計、制造（零件制造和裝配），對我們飛機制造行業還是一個全新的課題。這其中零件用焊接連接尤為突出。本文根據近年媒體報道的信息，集中整理出筒體試驗件采用的焊接工藝。

本文幫助參與、關注民機的同仁，盡早了解、學習熱塑性復合材料的特種焊接工藝。（注：“先進熱塑性復合材料”是指基體用高溫熱塑樹脂。）

GKN Fokker 將 CF/LMPAEK 桁條傳導焊接到多功能機身演示器（MFFD）下半部分的蒙皮上，該演示器正在 SAM | XL 組裝，這是“清潔天空 2”（Clean Sky 2）的STUNNING 項目的一部分

熱塑性復合材料焊接有可能顯著提高商用飛機生產的可持續性。一級機身制造商柯林斯航空航天公司（美國北卡羅來納州夏洛特市）在其網站上聲稱，與以前的金屬和熱固性復合材料組件相比，更自動化的、非熱壓罐式（OOA）、可焊接的熱塑性結構有可能將制造循環時間減少 80%，重量減少 50%。這些先前的組件使用鉆孔和機械緊固件，需要多達九個制造步驟。一級機身制造商 Daher Aerospace（法國巴黎）副首席技術官 Cedric Eloy 表示：“我們相信，對于一架新的 A320 型單通道飛機來說，在五到八年內，熱塑性復合材料將改變游戲規則，不僅可以實現更高的生產率，還可以實現最佳的成本和重量。”

Daher 研發副總裁Dominique Bailly補充道：“如果我們想利用熱塑性復合材料，我們需要焊接無緊固件組件，或者至少使用最少的緊固件。”

熱塑性復合材料結構已經獲得認證并飛行了幾十年。其中包括 1998 年?？?50 的電阻焊接主起落架艙門，2000 年和 2006 年空客 A340 和 A380 的 j 型機頭前緣機翼結構，以及 2008 年灣流 G650 公務機的感應焊接碳纖維（CF）/聚苯硫醚（PPS）升降舵和方向舵。吉凱恩航空航天（英國索利赫爾）荷蘭全球技術中心（GTC-NL，Hoogeveen）主任阿恩特·奧夫林加（Arnt Offringa）表示：“目前有 500 多架 G650 飛機在飛行。”。“灣流現在有七種使用焊接熱塑性控制表面的飛機模型，我們正在繼續生產，因此它已經成為一種既定的制造方法。”Offringa 是上述感應焊接結構的關鍵冠軍，該結構由福克航空結構公司（Hoogeveen）開發和生產，該公司現在是一級機身 GKN Aerospace 的一部分。對于這些結構，GKN Fokker 使用 KVE Composites（荷蘭海牙）的專利感應焊接工藝。CW 2018 年關于熱塑性復合材料焊接的專題文章中對感應、導電和電阻焊接進行了定義和討論。

自2018年以來，已經有了許多焊接發展（見下面的 “復合材料焊接發展”側欄），包括朝著低熔體聚芳醚酮（LMPAEK）基復合材料的方向發展，與聚醚酮酮（PEKK）和聚醚醚酮（PEEK）相比，用于潛在的低溫加工，自動化和模擬的持續進步，以及示威者的規模和復雜性的增加。焊接也變得越來越普遍。大多數一級機身都具有重要的焊接研發或既定能力，許多飛機的技術準備水平接近 5-6。盡管自 1998 年以來，焊接結構已經獲得了認證，但在美國，未來焊接結構的認證應該遵循粘結結構的認證。這可能是因為美國的焊接不如歐洲成熟，而且之前的認證細節也不為人所知。在任何情況下，良好的熱塑性復合材料焊縫應在整個厚度上顯示出均勻的材料，沒有可識別的界面。通過這種方式，焊接結構與粘結結構完全不同。

在歐洲，重點是推進認證結構生產過程中已經使用的過程控制和無損檢測（NDT-nondestructive testing），通過制造和測試越來越大的演示器來演示多種焊接技術，并在 2026 年前使第一個由單向（UD- unidirectional）帶制成的焊接結構獲得認證并飛行，而之前的零件是由織物制成的。

MFFD 下半部分

正在進行的最重要的熱塑性復合材料焊接項目是由 Clean Sky 2（現為 Clean Aviation）資助的空中客車公司領導的多功能機身演示機（MFFD- Multifunctional Fuselage Demonstrator）。這架 A320 型機身直徑 4 米，長 8米，一旦上下半部分焊接在一起，將成為世界上最大的熱塑性復合材料結構。在 2023 年將組裝好的機筒交付給空中客車公司（德國漢堡）之前，該組裝將由 Fraunhofer IFAM（德國斯塔德）完成。

下半部分的生產由吉凱恩?？嗽?STUNNING 項目中領導，而上半部分由德國航空航天中心輕型生產技術中心（ZLP）管理，該中心是德國奧格斯堡德國航空航天局結構與設計研究所的一部分。兩半的部件均采用東麗先進復合材料公司（荷蘭 Nijverdal）TC1225 CF/LMPAEK 一體成型。正如 CW 2020 更新中所解釋的，MFFD 項目始于 2014 年，旨在每月生產 70-100 架機身機組，將機身重量減少 10%（1000 公斤），并將機身成本減少 20%（100 萬歐元）。

圖 1. 展示了多種焊接技術

這里展示了制造 4 x 8 米長 MFFD 機身上半部和 下半部的焊接步驟，以及項目負責人和合作伙伴。地板格柵與框架的下半部分焊縫顯示為右下角的白色陰影矩形。完工的半成品于2022 年第四季度前運往漢堡空中客車公司，并于2023 年焊接在一起

 

下半部分正在 SAM|XL（荷蘭代爾夫特）組裝，計劃于 2022 年 10 月底交付給空客。SAM|XL 工廠有多個機械臂和一個用于焊接的大型龍門式機器人。如圖 1 所示，第一步是將歐米伽桁條定位并導焊到彎曲的機身蒙皮上（更多信息，請參閱 CW 的 2021 博客和 SAM|XL 網站）。SAM|XL 首席執行官 Kjelt van Rijswijk 表示：“龍門式機器人末端執行器配備了吸 盤，可以將桁條精確地放置在皮膚上。”。“它還配備了一臺超聲波點焊機，可以將桁條固定到位。”

2.5 噸、感應加熱、1 米長的傳導焊接工具安裝在一個配有齒條和小齒輪的吊具內，該吊具使用機身外殼工具圓周上的缺口將焊接工具定位在每個桁條上

 

吉凱恩?？穗S后用一個 1 米長的傳導焊接工具焊接桁條。金屬工具是感應加熱的，這種即時、均勻的加熱通過桁條的底部層壓板進行，以熔化桁條蒙皮焊接界面處的基體。吉凱恩?？斯臼紫夹g專家 Leo Muijs 解釋道：“該工具包括一個散熱器，用于控制桁條表面的溫度。”。“它施加壓力，然后完成焊接循 環。”他指出，這些歐米茄桁條的兩側都有一個焊接腳。焊接工具在一側向下移動，每次移動一米，稍微重疊 1-2 厘米，然后完成第二側。還焊接了兩個 L 形管柱以接收客艙地板（圖 1）。

圖 2. 焊接長桁條和“馬鞍”形零件

SAM|XL 的龍門機器人使用帶有吸盤和超聲波焊極的末端執行器（紅色虛線圓圈，左側）來精確放置 Ω 長桁并將其點焊到皮膚上。桁條導電焊接到機身蒙皮上后，使用第二個超聲波焊接工具將夾子連接到機身蒙皮

 

Van Rijswijk 說：“接下來，將夾子放置在這些桁條上，并使用超聲波點焊將其連接到桁條和蒙皮上。”盡管用于此操作的專用超聲波焊機具有與定位焊相同類型的超聲波焊極（圖 2），但對于這種高強度焊接與定位焊，其配置有所不同。SAM|XL 的材料和工藝工程師 Bram Jongbloed 表示，稍后，框架將使用相同的超聲波點焊技術通過這些夾子連接到機身上。他補充道：“為了使關節與皮膚垂直，我們讓第二個焊機旋轉 90 度。”。該焊機將框架的平腹板壓焊到夾子的 Ω 形平板上（圖 2）。Jongbloed 指出，所有超聲波焊機首先在 KUKA（德國奧格斯堡）機械臂上進行測試，以確保它們符合要求并定義流程，然后移到龍門機器人上。

Muijs 說：“我們有大約 250 個夾子可以通過超聲波焊接連接，然后再連接框架。”。“之后，我們將安裝地板格柵，配備復合地板梁、金屬座椅導軌和其他系統。我們將在地板梁與框架相遇的地方以及在下 面，在支撐支柱與框交匯的地方進行傳導焊接[見圖 1上圖和第二部分的照片]。”

他指出，在 STUNNING 的傳導焊接中已經吸取了教訓：“焊接桁條的時間比我們預期的要長得多，還導致了皮膚的一些形狀變化。這是我們在以前的傳導焊接演示中沒有看到的。所以，我們現在正在研究這一點。還有一些慢跑[厚度變化]在桁條上，我們不能很好地越過。平焊工具可以處理一定的坡度，例如 1:100 的簾布層脫落[例如，每 14 毫米脫落一層 0.14 毫米厚的簾布層]不會造成問題，但我們不能焊接 1:20 的脫落。”還有一個長度問題。“我們最小的焊接工具大約有半米長，例如，這太長了，無法焊接 40 厘米的加勁肋，”他說。但是，難道沒有其他焊接方法可以用于這些短桁條嗎？Muijs 說：“是的，但他們并沒有為這個演示者指定，這是我們目前的任務。”。“所以，現在我們將這些問題記錄下來，并將其納入我們向空中客車公司提交的最終報告中。當我們進行未來設計時，我們可以制定有幫助的傳導焊接指南，我們已經在研究不同的末端執行器來解決這些問題。這個演示器的全部目標是發現這些挑戰，并推進解決這些挑戰的技術。”

MFFD 上半部分

德國航空航天中心預計將在 2023 年初交付 MFFD的上半部分。它也積累了經驗教訓，從 2021 年 7 月開始生產 1 米長的全尺寸測試炮彈，以驗證其技術磚。如 2021 CW 博客圖 2 和 DLR 網頁所述，其中包括連續和點焊超聲波焊接和電阻焊接。ZLP 熱塑性復合材料生產技術負責人 Frederic Fischer 解釋道：“我們對 Z形桁條使用了連續超聲波焊接，對框架使用了電阻焊接。”。“我們為這個測試外殼設計了六個框架。我們焊接了前三個框架，然后參加了一個經驗教訓會議，對焊接橋進行了一些重建和重新設計。然后我們完成了最后三個框架。這個測試外殼使我們能夠測試工藝參數和焊接元件的設置，研究結果，并最終確定我們用于最終 8 米 MFFD 上外殼的材料。”

有什么需要改變的？Fischer 說：“通過連續超聲波焊接，我們學到的主要教訓之一是避免桁條底部的簾布層末端或跳動。”。“表層內的這些層滴會影響焊接質量。”

結構與設計研究所副所長、ZLP 部門負責人 Michael Kupke，解釋道：“在連續超聲波焊接中，當超聲波阻尼時會產生熱量。較硬的材料會傳輸波，而較軟的材料會增加阻尼。在焊接界面處放置一層未增強聚合物的軟層，與正在焊接的復合材料表面的基質相同，以控制焊接過程中的能量。這被稱為能量導向器。”。“因此，正如纖維的數量會改變剛度和阻尼，從而影響焊接一樣，層壓板厚度的變化也會改變。庫普克說：“我們必須了解這些變化對焊接表面的影響，并在焊接過程中解決這一問題。”

Fischer 補充道：“對于較厚的皮膚和較薄的皮膚，我們將有不同的參數集。”。“桁條中的折彎也是如此，以匹配機身蒙皮中的堆積和脫落。我們正在根據被焊接部件的疊層和幾何形狀調整焊接工藝參數。我們驗證了我們可以以 1:200 的比例將桁條焊接到淺坡道上。”

在框架的電阻焊接過程中吸取了另一個教訓。

圖 3. MFFD 上部電阻焊接框架

德國航空航天中心的彎曲焊接橋（頂部）用于將 Premium Aerotec（德國奧格斯堡）生產的機身框架（中間）電阻焊接到測試機身蒙皮上。該橋的 每個框架腳都有一個焊接模塊，通過氣缸施加 6 巴的壓力，并從紅色到黑色的電線（底部）施加電流，將基體樹脂加熱到其熔化溫度

DLR 的電阻焊橋如圖 3 所示，固定在測試機身外殼工具上。橋接器夾住彎曲的機身框架，并將其向下壓在蒙皮上。Fischer 說：“沿著框架的每一只腳都有自己的焊接模塊，該模塊帶有一個氣缸，可以施加大約 8巴的壓力。”。“然后，電流通過焊接模塊[從圖 3 中的紅色到黑色的電線，底部]進入位于框架底部和機身蒙皮之間的焊接元件。”該焊接元件在焊接線上產生熱量，類似于超聲波焊接中使用的能量導向器。

庫普克說，在過去，它是一種不銹鋼網，“但我們現在使用與皮膚和框架相同的碳纖維復合材料。”。“盡管金屬具有更好的導電性，但我們已經消除了焊接線上的任何異物——它始終是一種單一的同質材料。”

Fischer 繼續說道：“在電阻焊接過程中，我們運行電流，直到基體達到所需的工藝溫度，即高于晶體熔化溫度。”。“然后，我們分兩步降低電壓，同時施加壓力，直到焊接線冷卻下來。焊接大約需要兩分鐘。”在框架之后，德國航空航天中心再次使用電阻焊接將夾板整合為 Z 形桁條和彎曲機身框架之間的剪切帶。“德國航空航天中心為這一過程開發了一種基于機器人的 cobot 焊接系統，因為它需要在桁條和框架之間完美定位每個夾板，還必須允許公差補償。”

MFFD 門結構

MFFD 項目的另一部分是下機身的門圍結構（DSS-Door surround structure），由一級機身制造商 Aernnova Aerospace（西班牙米尼亞諾）使用感應焊接制造。（注意，MFFD 上半部分的 DSS 由德國奧格斯堡的 Premium Aerotec 生產。）為了支持這一點，Clean Sky 2 將 DEWTECOMP 項目授予了意大利布林迪西的研發實驗室 CETMA，旨在將結構框架與加強件（如角撐板）焊接在一起，與標準的高壓釜固化熱固性結構相比，生產具有至少 15%的重量節省和高達 75%的能量節省的 DSS。

CETMA 高級材料和工藝開發工程師 Giuseppe Buccoliero 表示：“該項目的另一個目標是開發一種有效但靈活的感應焊接工藝。”。“我們的策略是將整個結構分為不同的子組件，這些子組件可以用非常簡單的工具和線性焊接路徑進行焊接。然后對這些焊接子組件進行焊接和緊固，以制造門框結構 o 組件級別，最后是演示器級別。我們還開發了一種全自動感應焊接單元，其中機械臂運動和感應焊接設備完全集成，并由單個 PLC（可編程邏輯控制器）控制。”

CETMA 還開發了模擬，不僅可以預測焊縫中的熱行為，還可以預測機械行為，如微裂紋。Buccoliero說：“這有助于我們優化每個 DSS 組件的焊接工藝，同時考慮到層壓板設計和零件幾何形狀。”。CETMA 從試件擴展到帶加強筋的面板，通過搭接剪切、壓縮和雙懸臂梁測試驗證焊接性能，后者用于斷裂韌性，并將測試數據與模擬結果進行比較。然后按比例放大以焊接框架部件。該項目于 2022 年 6 月完成。

CETMA 目前正與其設備合作伙伴 SINERGO（意大利 Valdobbiadene）和 Advantech Advisory（西班牙 Lloret de Mar）合作，將其專利感應焊接技術商業化，包括龍門架和機器人系統。Advantech Advisory 聯合創始人 Angel Lagraña 解釋道：“SINERGO 將提供設備并將其集成在客戶設施中，CETMA 將與客戶合作，充分了解應用程序并完成必要的流程開發。”

圖 4. NIAR 的焊接開發

ATLAS 增加了用于電阻焊（頂部）、超聲 波點焊（中心）和感應焊（底部）的自動化單元，這些單元將用于生產 30 英尺長的演示器。圖片來源：NIAR

NIAR

威奇托州立大學國家航空研究所（NIAR，美國堪薩斯州威奇托）也在制定電阻、超聲波和感應焊接工藝規范。2021 年 3 月，該公司宣布增加機器人感應焊接設備，作為其由美國空軍研究實驗室（AFRL，Dayton，Ohio）贊助的平價可持續復合材料建模（MASC）研究計劃的一部分。它的電阻焊接和超聲波焊接單元不久后被添加（圖 4），并且是準靜態的，這意味著它們不是基于機器人的或連續的，而是產生逐片焊接。NIAR 的電阻焊接在焊接界面中使用碳纖維電阻元件。

NIAR 航空航天系統高級技術實驗室（ATLAS）主任 Waruna Senevirate 表示：“根據 AFRL 的這項研究，我們將通過一個 30 英尺長的名為弗蘭肯斯坦（FS-19）的制造演示器，為所有三種焊接技術進行工藝開發，然后建立塊認證協議。”。“該演示器將使我們能夠大規模驗證內部開發的焊接工藝和認證協議，并與不同的制造商合作生產焊接熱塑性復合材料零件，確保工藝穩健。”

Seneviratne 表示，該項目中的構建塊測試將迅速從試片轉移到加固蒙皮面板元素級別。“我們將對平面內和平面外載荷下的粘結、螺栓連接和焊接接頭進行靜態強度、耐久性和損傷容限的比較。我們這樣做是因為我們需要解決擴展這些技術的問題。疲勞測試也是了解長期行為的關鍵。我們有試片級疲勞數據顯示，我們的電阻焊接可以更好地執行 10 倍比粘結接頭更薄。但隨后，我們將界面處的準各向同性層從 45 度改為 0 度，僅這一微小的變化就使疲勞性能提高了四倍。然而，在靜態測試數據中，它沒有顯示出任何差異。此外，隨著規模的擴大，我們還能保持這種性能嗎？當您開始評估焊接工藝參數和不同材料時，這一點非常重要。”

NIAR 的焊接開發測試使用 Toray TC1225 PAEK 和 Solvay 復合材料（美國佐治亞州 Alparetta）APC PEKK 單元。制造演示器各部分使用的材料和焊接技術將于 2022 年 9 月前最終確定。所有三種焊接技術的低級別工藝開發將于今年完成。Seneviratne 說：“然后我們將開始進行元素級別的測試和擴展。”。“到 2023年夏天，我們應該在演示器中組裝零件，目標是到2025 年完成。”

KVE、Daher 先進感應和 IR 焊接

KVE Composites 不僅在焊接方面擁有比幾乎任何其他公司都多的經驗（15 年），而且還擁有飛行飛機上唯一的感應焊接技術，包括 A220、灣流 G650 和達索 F6X，它們都使用織物層壓板。KVE 于 2019 年被 Daher 收購，這有助于將其用于 UD 基復合材料的專利KVE Induct 技術成熟到 TRL 4。這些公司預計在 2024年完成 TRAMPOLINE 全尺寸水平尾翼（HTP）演示機，達到 TRL 5-6，并計劃在 2026 年前通過波音和空客的飛行應用。

Daher 領導的 TRAMPOLINE 項目由 CORAC（法國民用航空研究委員會）資助，目標是與熱固性復合材料相比，重量減少 15%，組件循環時間顯著縮短。其 2.5 米長的 HTP 演示機源自 Daher 的 TBM 單引擎渦輪螺旋槳商用/輕型多用途飛機，具有彎曲表面和厚度從 1.6 毫米到 8 毫米不等的 LMPAEK 一體式層壓板。據報道，Daher 對零件和負載的了解將使該項目能夠模擬完整的認證過程。

2022 年 5 月，Daher 宣布與盧森堡科學技術研究所（LIST，Esch Sur Alzette）簽訂一項為期三年的協議，開發適用于大批量制造中大尺寸厚零件的紅外焊接技術。“Daher 投資 KVE 是因為我們可以看到其技術的重要性，”Daher 的知識產權經理 Michael Hugon說，“但從一開始，我們就知道這不是唯一的焊接方式。我們正在與 KVE 合作，研究感應焊接的局限性，KVE 同意我們也需要投資于可以互補的替代技術。”

他解釋說，在紅外焊接中，紅外加熱器直接預熱焊接面，然后將其壓在一起。在感應焊接過程中，使用電磁場在碳纖維層壓板中感應熱量。Hugon 補充道：“因此，能量必須通過一個零件的厚度來加熱界面并熔化熱塑性基體，而 IR 焊接是一個更簡單的過程。在我們的沖壓過程中，我們使用 IR 加熱來軟化復合材料坯料中的層，然后將其成型為 3D 零件。我們在機身夾上這樣做已經十年了，但在更大零件的研發中也是如此。”。“Daher 為空中客車公司的“明日之翼”項目開發了 CF/LMPAEK 肋骨，長度可達 2 米，厚度可達 12 毫米。Hugon 繼續說道：“IR 焊接使用與沖壓過程相同的加熱機制，但只加熱外表面，然后將兩個零件壓在一起。”。“感應焊接適用于封閉式箱形結構，例如我們在 TRAMPOLINE 項目中演示的扭轉箱。但我們正在研究每種技術的優勢。我們正在利用 KVE 和 LIST 之間的協同作用，讓焊接專家和材料專家參與進來，為這一比較定義具體的部件演示。”

Bailly 說：“紅外焊接的第一個目標是為大而厚的翼肋設想新的概念。”。“我們已經使用感應焊接連接8.5 毫米厚的 UD 層壓板，但我們還不知道它的局限性，它的性能取決于使用織物還是 UD 層合板。我們希望同時優化感應和 IR 焊接，并為認證提供科學數據。”

圖 5. 感應焊接扭箱

KVE Composites 和 Daher 已經展示了一個小尺寸扭力箱演示器（頂部，見 KVE 數字演示），隨后將在 2023 年展示一個全尺寸商務噴氣式飛機水平尾翼（HTP）扭力箱（中心）。KVE 已經將靜態和機器人焊接工作站商業化（下圖為后者）

 

Eloy補充道：“我們還將通過從基于TBM的 HTP（圖 5）擴展到垂直尾翼平面，來推斷2023-24年公務機規模結構的設計指南。”。當被問及在空中客車公司于2035年首次計劃ZEROe飛機之后，這種結構是否可能實現時，他反駁說，氫氣可能用于區域渦輪螺旋槳發動機，但在單通道噴氣式客機任務中面臨太多挑戰。“我們認為，下一個挑戰將是使用熱塑性復合材料減輕下一代單通道飛機的重量，然后使用可持續的航空燃料來實現零排放目標。”

Bailly 對此表示贊同：“我們今年展示的小型扭力箱演示器是一個很好的步驟，但明年我們將組裝一個 1:1 比例的 HTP，該 HTP 將在 2024 年進行測試，以展示TRL 6。”為了促進市場上的此類發展，KVE 已將一個緊湊型焊接單元商業化，用于焊接標準化 SLS 和 L型拉脫試樣，用于演示和批量生產的更通用的機器人單元。

移動基座感應焊接

感應焊接也由蘇杜雷研究所（法國維勒平特的 is集團）和阿凱馬（法國科隆比斯）通過其獲得專利的 ISW 工藝進行推進。正如在 2020 年的一篇博客中所解釋的，IS Groupe 與一級供應商 STELIA Aerospace（2022 年 1 月重組為空中客車大西洋公司）在 Arches TP 機身演示機中感應焊接桁條。隨后，該公司重新設計了基于機器人的動態工藝，使用了與焊接頭相連的移動基座。通過焊接頭中的感應線圈加熱，金屬基座將熱量精確地集中在焊接界面上（圖 6）。移動基座與純熱塑性塑料或低纖維體積界面層結合使用，以增加樹脂流動。

圖 6. 移動基座感應焊接

使用與感應焊頭（頂部）一起移動的金屬基座可以使 ISW 工藝僅將熱量集中在焊接界面。用于生產ECHOS 機身演示機（中）的第二代系統將很快實現集成在線無損檢測

ISW 工藝開發主要使用由 Arkema 的 PEKK 聚合物制成的單體材料。已經使用未增強的 PEKK 和 PEI膜以及具有 35-40%體積碳纖維的 UD 帶對界面層進行了測試。在使用 UD-CF/PEKK 膠帶制成的表皮/桁條板上，也進行了無界面層的焊接，這些板的準各向同性層為 7-39 層，厚度范圍為 1.5 至 8 毫米。對焊接平板和彎曲面板的測試表明，SLS 強度分別為高壓釜固結參考面板的 100%和 80%，具有銅網雷擊保護的面板上的焊接是成功的，沒有任何問題。2021 年，IS Groupe與空中客車大西洋公司合作，參與了 CORAC 資助的 ECHOS（航空結構復合材料和技術的演變）計劃，展示了一個 6 平方米的彎曲機身面板，其中有 10 個 1 米長的桁條，使用 ISW 工藝焊接。IS Groupe 已將第一代和第二代 ISW 焊頭商業化，并開發了使用超聲波檢測的在線無損檢測。它的目標是在 2023 年將這種在線無損檢測集成到其焊接平臺中時達到 TRL 6。

圖 7. 雷神技術公司的感應焊接

使用具有現場過程控制的機器人感應焊接單元對彎曲面板進行的試驗

雷神技術研究中心（RTRC，East Hartford，Conn.，U.S.）已經在大型彎曲面板（標稱內徑 0.825米，外弧長 0.876 米，長 1 米）上進行了感應焊接試驗，該面板包括 16-24 層 CF/PAEK 單板層壓板，代表了一種亞尺度的典型加筋蒙皮飛機結構。趙博士在 SAMPE 2022（5 月 23 日至 25 日，美國北卡羅來納州夏洛特市）上介紹了這項工作，其中包括使用非線性模型預測控制方法開發現場過程控制和離線模擬，優化沿彎曲焊縫的感應線圈速度，以滿足高質量焊縫的溫度要求。優化依賴于描述焊接線上時空熱演化的數值模型，并通過物理實驗進行了驗證。

0.876 米焊接路徑上的峰值溫度變化和平均焊接速度，對于均勻蒙皮厚度為±20°C 和 1.68 毫米/秒，對于非均勻厚度面板為±25°C 和 1.6 毫米/秒。工藝參數開發始于南卡羅來納大學（美國南卡羅來納州哥倫比亞市）KVE 焊接測試裝置的平板測試，這也有助于開發嵌入復合材料層壓板中的熱塑性涂層光纖，并使用Luna（美國弗吉尼亞州羅阿諾克市）ODiSi6100 八通道詢問系統進行詢問。

RTRC 和南卡羅來納大學在彎曲面板感應焊接試驗的焊接線上使用了光纖。此處顯示：這些光纖傳感器和熱電偶的位置（左），以及在焊接線上測量的 2D 和 3D 溫度分布（中心和右側）。圖片來源：南卡羅來納大學 Wout De Backer 博士，圖 8，“大型熱塑性復合材料結構的自動感應焊接”，SAMPE 會議記錄。北卡羅來納州夏洛特， 2022 年 5 月 23 日至 26 日。

雷神技術公司的焊接開發

RTRC 還在其機器人感應焊接頭中使用了力/扭矩傳感器、紅外攝像機和熱電偶來監測焊接過程中的壓力和溫度。趙感謝先進制造機器人（ARM）研究所（美國賓夕法尼亞州匹茲堡）、由 Ariyan Kakir 博士領導的 GrayMatter 機器人團隊以及由 Wout De Backer博士和 Michael van Tooren 博士（之前在南卡羅來納州的柯林斯航空航天技術研究員）領導的南卡羅萊納大學團隊在感應焊接方面提供的支持。“我們有一個后續計劃，通過應用機器學習進一步提高焊接質量，”趙說。“隨著技術的成熟，我們的目標是向大型演示過渡。”

過程控制、無損檢測、認證、止裂劑

必須監測和/或控制哪些參數才能確保良好的焊接？DLR 的 Kupke 說：“對于復合材料，我們必須始終知道零件看到了正確的溫度、壓力和時間。”。“我們對每一次焊接都進行監測和記錄。”如何做到這一點因焊接技術而異，從跟蹤功率到焊頭，再到速度和集成力傳感器，再到監測零件表面溫度（并與焊縫溫度相關）的紅外攝像機，再到實際嵌入焊縫中的光纖。

大多數技術都依賴于在數月的測試中優化工藝參數，然后監測和記錄實際零件的焊接是否符合本規范。超聲波無損檢測也在使用，包括焊后檢測和集成到焊接系統中進行在線檢測，并且正在研究用于更大面積和更大零件體積的非接觸方法。

研究也在追求人工智能（AI），以驗證工藝參數并將其與焊接質量聯系起來，同時實現機器人焊接的完全自動化。SAM|XL 的 Van Rijswijk 說：“我不想每次焊接時都手動教機器人。”。他說，有傳感器可以讓機器人看到需要做什么，并對自己進行編程，還可以監控材料轉換，包括整合，這是 OEM 認證的關鍵。

NIAR 的 Seneviratne 說：“粘接或焊接接頭的認證基本上有三種方法：極限載荷的全驗證測試、全無損檢測或某種止裂特征。”。由于當前認證協議的故障保護要求，如今在粘結的初級結構、金屬和復合材料以及飛行的焊接熱塑性復合材料舵和升降機中使用了止裂功能（例如，雞形鉚釘）。他說：“最終，我認為我們將對沒有止裂特征的焊接復合材料主結構有足夠的信心。”但這是基于第一批建筑的歷史和數據，“就像我們對粘結接頭所做的那樣。”

注：資料來源互聯網，主要參考《 Thermoplastic composites welding advances for more sustainable airframes 》2022.9.28