討論對熱塑性復合材料焊接結構的理解中的問題，以及未來機身的最新材料和焊接技術的認證。

粘接圖、模擬截圖、HiCAM圖和Collins焊接件

圖片來源：（左上角順時針）美國聯邦航空管理局對粘接接頭的定義；博伊西州立大學對焊接熱塑性復合材料接頭中聚合物鏈擴散的模擬；NASA HiCAM項目對制造技術的驗證；柯林斯航空航天公司的焊接彎曲帽加勁肋至蒙皮零件

關鍵主題

• 什么是粘合？
• 什么是焊接？
• 焊接而非熔焊
• TPC焊接接頭的關鍵因素是什么？
• 過去和未來的認證
• 電阻焊接問題，認證特例
• 新材料、焊接技術認證
• 行業前進道路

自2006年3月“熱塑性復合材料在A380上占據領先地位”以來，熱塑性塑料復合材料(TPC)焊接一直是CW的一個關鍵話題。這篇文章描述了GKN Fokker (荷蘭Hoogeveen)為空客A380 J-nose機翼前緣(機翼內側固定前緣)開發的電阻焊。15年多后，焊接TPC結構取得了重大進展(見“熱塑性復合材料焊接進展…”)。然而，關于如何認證此類結構的一些爭論仍在繼續。沒有人質疑焊接TPC結構必須顯示測試結果，以驗證接頭設計、使用的材料和工藝，以及它們在使用壽命內保持飛行性能的能力。然而，焊接的TPC結構沒有粘合，因此不應被證明為粘合接頭。

本文討論了粘接與焊接的定義，以及正在努力推進焊接TPC結構的認證，包括高速率復合材料飛機制造 (HiCAM)項目，該項目是美國國家航空航天局可持續飛行國家伙伴關系(SFNP)的一部分，旨在使下一代商用運輸機的能效提高25-30%。

FAA對粘結復合材料結構的定義。圖片來源：美國聯邦航空局Cynthia Ashforth 和Larry Ilcewicz的“粘接飛機結構和維修證書”。MP-AVT-266-06。

什么是粘接？

美國聯邦航空管理局（FAA）的Cynthia Ashforth和 Larry Ilcewicz在2018年的報告《粘接飛機結構和維修認證》中提出并討論了粘接接頭的定義：“FAA 指南僅將二次粘合和共粘合視為具有多個界面的粘合過程（即復合材料與復合材料、復合材料與金屬或金屬與金屬），其中至少一個界面在粘合之前需要額外的表面處理。在共固化的情況下，雖然可以在兩個層壓板之間使用粘合劑，但層壓板和任何粘合劑都是未固化的，因此在粘合和固化之前沒有任何表面處理。” 請注意，共固化不被視為粘合。共固化復合材料已通過波音777機翼、波音787和空客A350機身和機翼的認證。值得注意的是，這些被證明是共固化的，而不是粘結結構。

Michel van Tooren解釋道： “在共固化中，配對零 件中的預浸料層壓板是未固化的，因此在組裝前沒有任何表面處理。 ” ，柯林斯航空航天公司復合材料高級技 術研究員(美國北卡羅來納州夏洛特市)。 “在共固化中，連接的兩個部件中的界面層，例如長桁和蒙皮，在集成的復合材料部件中又變成了兩個相鄰的層。熱塑性復合材料層也做同樣的事情，但通過共固結，因為它們已經聚合，不需要像熱固性預浸料那樣交叉連接。因為熱塑性復合材料不交聯，所以每次熔化和固化材料時， 都可以重復這種類似“共固化”的行為。共固化只能進行一次，共固結可以反復進行。這為包括焊接在內的復合材料開辟了許多新的、更可持續的工藝。 ”

TPC焊接過程中的聚合物擴散。TPC 焊接示意圖和模擬圖像，量化了實現這種擴散的時間：1.初始接口；2.焊接接頭；3.和4。導致界面上的鏈擴散。圖片來源： “使用分子動力學研究焊接熱塑性碳纖維復合材料”， Chris Jones，Rainier Barrett，博伊西州立大學,2021 年 3 月 31 日。

什么是焊接？

在上文引用的2006年CW文章中，時任福克航空結構公司研發總監、現任吉凱恩航空航天公司（英國Redditch）荷蘭全球技術中心（荷蘭Hoogeveen）主任Arnt Offringa解釋道，與粘合劑不同，粘合劑在顯微鏡下保留了由粘合劑膜形成的清晰的接合線，焊接材料融合 （完全混合），基本上成為一個單獨的部分2004年的論文“熱塑性復合材料的熔焊/焊接”給出了熱塑性合成材料焊接的早期定義之一：

“…將界面處的聚合物加熱至粘性狀態，物理上導致聚合物鏈相互擴散，并冷卻聚合物進行聯合固結通常， 將焊接部件的質量與熱壓罐固結或壓模部件的質量進行比較……在焊接過程中，聚合物鏈在界面上混合，導致接頭表面消失，并提高了通過焊接區域傳遞載荷的能力。”

Offringa在2018CW關于TPC焊接的文章中解釋道：“你正在創造一個統一的結構。” “在顯微鏡下觀察時，你只能看到均勻的聚合物，所以這與粘合不同。沒有分界線，沒有裂縫，也沒有粘合劑等可識別的連接材料。只有一種材料，這就是為什么在焊縫兩側使用相同的聚合物。”

Daher Aerospace（法國奧利）知識產權經理Michael Hugon重申了這一觀點，正如CW 2022年的文章《熱塑性復合材料焊接：過程控制、認證、止裂劑和表面處理》 所指出的：

“在焊接中……我們對兩個零件的表面進行重熔， 并將其擴散到彼此中，這樣就不再有界面了。”Daher 的研發副總裁 Dominique Bailly 補充道：“因此，TPC 焊接應該類似于熱固性共固化，在那里你不會在子零件中做出任何區別——它們已經集成到一個零件中。”

Toray Advanced Composites(TAC，美國加利福尼亞 州 Morgan Hill 和荷蘭Nijverdal)的美國董事總經理兼全球 CTO Scott Unger 表示：“Toray不認為焊接與粘合屬 于同一技術領域。” 。“東麗已經完成了大量的工作， 以優化其TPC材料，使其具有強大的感應焊接性能，并表明這些材料在其他技術中，包括傳導、電阻和超聲波 焊接工藝中都能非常好地工作。熱塑性焊接通過焊接接 頭的局部加熱，將兩個或多個零件在其配合面融合在一 起可以發生愈合，從而獲得足以支撐設計載荷的強度值。因此，我們認為熱塑性焊接相當于熱固性復合材料的共固結。”

“我們不使用“熔合-fusion bonding”這個詞， 因為它給不熟悉熱塑性復合材料機制的人帶來了誤解。”

焊接而非熔焊

柯林斯航空航天公司的熱塑性復合材料首席工程 師 Dan Ursenbach 指出：“早期，熱塑性焊接的名稱之一是熔焊。” 。“但我們發現，鍵合有很多含義，這些含義會對TPC焊接產生反作用。當我們想到與熱固性復合材料航空結構的鍵合時，我們談論的是環氧二次鍵 合。對于TPC材料，我們的接頭處于分子間糾纏中，與 二次鍵非常不同。在柯林斯航空航天公司， 我們不使用‘熔結-fusion bonding’一詞因為這會給不熟悉熱塑性復合材料機制的人帶來誤解。”

TPC焊接接頭的關鍵因素是什么？

Ursenbach提到的誤解之一是，表面處理對焊接TPC零件和粘合復合材料一樣重要。同樣，根據CW 2022年的焊接工藝控制文章，GKN Fokker、感應焊接專家KVE Composite（s 荷蘭海牙）和美國國家航空研究所（NIAR， Wichita，Kan，U.s.）進行的實驗表明，表面處理和表面質量并不能決定焊接TPC接頭的質量和性能。

相反，Van Tooren說，TPC 焊接的兩個重要機制是零件之間的緊密接觸和隨后的愈合。愈合（healing）是幾 十年前通過對接觸熱塑性塑料表面施加熱量和壓力并 在其冷卻時鞏固其界面來制造層狀熱塑性聚合物產品 而創造的一個術語。Van Tooren所指的聚合物愈合正是上述分子間擴散，其在焊接界面上發展，從而產生TPC焊接強度。Van Tooren 解釋道：“然而，如果沒有建立親密接觸，愈合就無法開始。” 。

Van Tooren 繼續說道：“在實驗室規模上，用焊接 搭接剪切試片相對容易獲得親密接觸。” 。“焊接件通 常是平坦的，尺寸有限，并且足夠柔順，可以進行接觸。然而，隨著零件越來越大，具有相當大的固有剛度，緊密接觸是一個更大的挑戰，如何保持接合零件表面足夠 緊密，以便愈合可以說是可行焊接工藝的關鍵方面。“他認為，只有對零件的幾何形狀、工具和焊接工藝進 行適當設計，再加上必要的制造精度，這才有可能實現。Van Tooren 補充道：“這需要在不加墊片的情況下使配合零件符合要求，并采用適當的焊接策略。”

Van Tooren說，組裝引起的應力是另一個關鍵因素。“適用于焊接航空航天結構的半結晶熱塑性聚合物具 有較高的熔融溫度。這需要較高的焊接溫度，這可能會 在熔化和再固化的焊縫及其周圍結構之間產生相當大 的內應力。”他指出，邊緣應力是另一個令人擔憂的問 題。Van Tooren說：“與共固化熱固性零件相比，TPC 組件中零件之間的過渡要深刻得多。” 。“在焊接到蒙皮上的桁條和肋/框架的邊緣可以發現組件厚度的離散 步驟。需要仔細設計，以防止這些區域出現高邊緣應力。” Van Tooren 補充道，TPC 和熱固性復合材料組件的一個 關鍵因素是貫穿厚度應力。“在垂直于簾布層的方向上， 樹脂是載荷路徑中的一個重要但薄弱的元素，不能依賴纖維的強度。如果在該方向上有一個主要的載荷分量， 例如飛機機身中的內部壓力，從損傷容限的角度來看， 將框架焊接到蒙皮可能很難實現，機械連接可能是優選的，以在垂直于簾布層的方向上提供負載路徑元件。”

過去和未來的認證

除了A340/350和A380的焊接 J-nose機翼前緣部件 外，GKN ?？诉€與灣流航空航天公司（美國佐治亞州薩凡納）合作，為灣流 G650 的焊接 TPC 升降舵和方向舵獲得了FAA認證，這些部件自 2008 年以來一直在飛行。奧夫林加指出，有500多架這樣的飛機在飛行。“灣 流現在有七種飛機型號使用焊接的熱塑性控制表面，我們正在繼續生產，因此它已經成為一種既定的制造方法。”

HiCAM項目。圖片來源：幻燈片8，“高速率復合材料飛機制造（HiCAM）項目概述”，Rick Young博士，美國國家航空航天局，2022年4 月。

因此，美國聯邦航空管理局已經在美國為公務機 認證了焊接 TPC 結構，但還有更多的工作正在進行 中，以開發一種更標準化的途徑，在未來為更大的飛 機和更大規模的飛機進行認證。正如 2023.12.1 的微信 文章《熱塑復材短艙的潛力》中所解釋的那樣，柯林 斯航空航天公司是美國國家航空航天局領導的HiCAM項目中先進復合材料聯合會(ACC)的成員，也是該項目焊接TPC結構認證工作的一部分。

先進復合材料聯合會（ACC）成員和 HiCAM TPC 工作包的合作研究團隊（CRT）任務。圖片來源：幻燈片6，Rick Young 博士的“HiCAM商業運輸需求”，美國國家航空航天局，2022年3月

HiCAM由ACC執行，ACC包括大學和行業公 司。多個TPC工作包已授予ACC成員組成的合作研究 團隊。從右表中可以看出，Collins Aerospace——被列為Rohr（Collins/RTX）——參與了HiCAM的所有三 個TPC工作包。此外，Van Tooren 領導該項目的焊接團隊，該團隊包括 TPC 工作包中的大多數公司。該團 隊已經制定了焊接TPC結構認證的初步路線圖。Van Tooren解釋道：“我們正在進行兩階段審批。” 。“第一階段現在已經完成，需要使用不同的材料和焊接技術制作大量焊接試件，然后對其進行測試。目的是證明焊接接頭的材料與共固結時的材料相同—基本 上驗證焊接沒有粘合（bonding）。”

HiCAM示威者將于2027年前完成。圖片來源：幻燈片11，美國國家航空航天局 Cliff Brown 在 2023年5月2日舉行的美國聯邦航空管理局克萊恩三屆春季會議上發表的“美國國家航空管理局ARMD 概覽”。

在第二階段， ”Van Tooren繼續說道， “我們正在努力擴大測試規模，同時展示結構分析和設計，從而能夠建造全尺寸的演示機機身段或翼盒，或兩者兼而有之。第二階段涉及成熟實際建造大型焊接TPC 結構所需的制造和支持技術。我們將焊接作為一種連接方法，可以應用于下一代飛機。” 。因此，我們正在從試片轉向大型面板和子元素測試，然后轉向這些大型演示部件。更大的試片和面板測試計劃于 2024年底完成，全尺寸演示部件將于2026年底建成。”

初步認證路線圖已經完成，目前正在由波音公司 進行審查。美國聯邦航空局還通過一個審查小組參與了HiCAM，復合材料領域的知名人士也參與了該小組，其中包括美國聯邦航空管理局的長期復合材料專 家拉里·伊爾切維奇，他曾在波音公司探索全復合材料機身，作為美國國家航空航天局領導的先進技術復 合材料飛機結構（ATCAS）計劃的一部分。伊爾切維奇還參與了美國聯邦航空局對波音787的認證，該飛 機使用了復合材料機身和機翼。

電阻焊接問題，認證特例

在HiCAM正在制定的認證路線圖中，Van Tooren指出，電阻焊不包括在其他焊接技術中。他解釋道：“這是因為它在焊縫中添加了一個與基底不同的金屬網或其他電阻元件。” 。“HiCAM 焊接小組已經聲明 焊接是共熔。但如果你添加任何與連接的兩個零件中的內容不完全相同的內容，那么這個定義就不再正確。在這種情況下，它就會成為一種非標準的焊接方法，必須區別對待。”

這可能看起來很奇怪，因為電阻焊接結構已經獲得認證，并在A330/A340和A380飛機上飛行多年。Van Tooren解釋了理由：“界面處的區域是載荷傳遞 發生的地方。如果你在那里放一個金屬網，那么你只能在網的開口處焊接到基體上，因為這是聚合物與聚合物正常接觸的地方。但其余的載荷傳遞必須穿過金屬，這意味著金屬現在必須與熱塑性塑料結合。因此，這種類型的電阻焊具有粘合方面，不能被視為純焊接。”

但是如果電阻元件是碳纖維網呢？Van Tooren 說：“該網格必須具有與連接的基線材料相同的材料 和組成。” 。“如果你添加了任何東西——納米纖 維、納米管或其他種類的纖維，而不是焊接部件中的 纖維——那么這就不再像共固結了。相反，你做了一 些不同的事情，所有的載荷都必須通過這種特殊材料傳遞，因此必須作為一種特殊情況處理，而不是標準焊接。即使你使用相同的聚合物和相同的碳纖維，但它們的排列形式與您焊接的兩個部分不同，因此仍需要特殊處理才能獲得認證。”

他警告說：“這就是為什么我們作為一個行業在 討論焊接和焊接定義時必須小心的原因。” 。“在我 們對 TPC 焊接中的故障以及如何在認證中解決這一問 題做出廣泛結論之前，我們需要確保我們正在討論的 焊接確實是焊接，而不是電阻焊或其他在焊接線上引 入新材料和/或新機制的技術的特殊情況。”

Offringa評論稱，并非所有電阻焊都必須與感應焊等其他焊接技術分開考慮。“如果焊接部件中相同的碳纖維UD預浸帶也是電阻元件，使用與UD帶中相同聚合物的聚合物箔作為隔離器，則接頭中不會添加 不同材料，也可以進行焊接。”

新材料、焊接技術認證

如果空客和灣流已經認證了TPC焊接結構，那么為什么這個認證路線圖仍然是必要的？Van Tooren 解 釋說，技術已經發生了演變，最新的進步已經得到了證明，但尚未得到認證。他說：“電阻焊接的 J-nose 前緣是二級結構，基本上是一組整流罩，由玻璃纖維增強的 PPS 制成。”他指出，PPS 允許在相對較低的溫度下進行焊接。Van Tooren 說：“對于二級結構，該行業正在使用基于碳織物的 PPS 的感應焊接，這允許使用碳纖維 增強部件作為基座。” 。“這消除了對電阻元件或單獨基座元件的需求，使接頭成為一個更容易認證的真 正焊縫。同樣，PPS允許相對較低的工藝溫度，而織 物使感應加熱相對均勻。”

他認為，柯林斯航空航天公司對其焊接的 TPC 風 扇整流罩所做的工作帶來了更多的挑戰。“我們沒有 使用織物，而是使用 UD（單向）預浸帶和更高的工藝溫度材料，使零件具有更高的耐溫性（如短艙）。我 們還沿著零件的整個寬度和長度進行焊接，這是一種雙曲結構，其曲率比控制表面高得多。此類結構尚未獲得認證。”

為什么會發生這些變化？“使用UD預浸帶可以實現自動鋪放（AFP、ATL）并且還降低了重量，但是 這些層壓板更難以使用感應以均勻的方式加熱。預浸帶需要改進，以使樹脂與纖維在橫截面上的分布更加 均勻。即便如此，預浸帶的使用也會帶來更明顯的端部效果和遠離實際焊接區域的熱點。較大的雙曲面零件要堅硬得多，緊密接觸需要付出更多的努力。使用更高熔融溫度的聚合物也會對工具和囊狀物材料以及焊接過程中零件的溫度梯度造成挑戰，從而產生變形和殘余應力的風險。”

行業前進道路

 

在2022年CW關于焊接工藝控制的文章中， NIAR 航空航天系統先進技術實驗室（ATLAS）主任Waruna Seneviratne斷言， “作為一個社區，我們需要制定焊接工藝評定協議和合規手段，以確保在接頭的整個設計壽命內安全運行。”

過去和現在的焊接 TPC 結構認證項目。圖片來源：CW文章（頂部，順時針）1.歐盟未來機身路線圖，2.工廠參觀：Daher Shap'in技術中心，3.柯林斯TPC機艙結構。（圖 1 幅面太大，復制困難。圖 2、3 放大圖附后）

 

這正是HiCAM焊接團隊正在努力實現的目標。但 這也是全球TPC焊接界（主要在歐洲）幾十年來一直 在努力實現的目標。事實上，HiCAM只是許多過去和 正在進行的項目之一，這些項目旨在使焊接 TPC結構的技術準備水平（TRL）成熟，并有能力為未來的機身進行認證：

 

• TAPAS1, TAPAS2
• Clean Sky 的GRA和結果
• Clean Sky 2的KEELBEMAN 和多功能機身演示器（MFFD），包括STUNNING 和 MECATESTERS子項目
• CORAC的弓箱TP、未來復合材料飛機、 ECHOS和TRAMPOLINE
• 德國的LuFoV-3 TB Rumpf
• TPRC的亮點
• Daher與空中客車公司的 EcoProp 項目和第二 個用于 EASA CS-25 大型飛機認證的全尺寸焊接扭箱
• 以及Aernnova、CETMA、Collins Aerospace/Raytheon/RTX、FACC、GKN Fokker、IS Groupe、KVE Composites/Daher、 NIAR 和 Qabon Aerospace 的其他發展（見“熱塑性復合材料焊接進展”）。

 

Van Tooren表示：“我們Collins也在與HiCAM和其他行業項目合作，但也作為DTC在荷蘭的全球團隊進行內部合作。” “我們不得不對工藝鏈的許多方面以及閃亮的演示器零件背后的所有細節進行研 究，這些細節是不常見的。這包括材料、加熱、工具、確保焊接零件的對齊和緊密接觸，以及精確控制熔化和再固結，以及對成品焊接結構的無損檢測。演示器很重要，但如何你是否開發出一種可以實際投入 使用的零件，然后在工業規模上制造，而不僅僅是為了研發？我們已經開發了一個過程鏈，該過程鏈不僅將支持我們展示焊接TPC風扇整流罩的目標，而且將 該零件投入飛行測試，并最終在我們的一種短艙產品上進行批量生產。與行業合作進行認證是該計劃的關鍵部分。”

 

東麗的Unger表示：“我們的目標是與原始設備 制造商、二級供應商和航空當局合作，定義TPC焊接工藝，以及其認證途徑，使這項技術能夠實現更高效的下一代機身的單元化熱塑性組件。”

注：原文見，《 Welding is not bonding 》 2023.11.30