摘要

多點順序超聲焊接是一種有前景的熱塑性復合材料連接技術重疊配置。在歐盟清潔天空2多功能機身演示器（MFFD）的框架內下殼SmarT多功能和進氣TP機身（STUNNING）項目，基于機器人開發了用于連接大型熱塑性塑料結構的順序超聲波點焊工藝基于先前工作[1]中報告的過程開發步驟。該技術正在在8米長、4米殼半徑的全尺寸熱塑性復合材料機身段上進行了演示。這個機身蒙皮通過焊接夾與縱向桁條和周向框架連接機身演示器的下殼。本文介紹了機器人順序焊接的概述SAM | XL與代爾夫特理工大學和正在進行的子公司合作開發的技術GKN航空航天公司領導的機身演示器的組裝過程。

介紹

超聲波焊接(USW-Ultrasonic welding)是一種有吸引力的焊接技術熱塑性復合材料技術由于工藝時間更短，結構更簡單接頭界面處異物的要求。該過程可用于持續實現在極短的加工時間內實現高接合強度(1-1.5秒)。多點焊接(MSW-Multi-Spot Welded)單圈關節已被證明表現出相當的承載能力以及更高的承載能力與故障時的局部損壞相比類似尺寸的機械固定接頭。這個由于關節剛度較高從而降低剝離應力。預計城市固體廢物接縫表現出更高的連續焊縫的損傷容限由于潛在的固有止裂行為由于接縫的不連續性和需要以使裂紋在后續焊點中重新萌生。因此，順序多點超聲波焊接是一種有前景的工業連接技術應用程序，前提是該過程可以大型結構裝配自動化具有復雜幾何形狀的組件。順序超聲波點焊目前用于連接TPC機身蒙皮縱向Ω形長桁至周向通過使用結構馬鞍形連接件來構建框。這個結構可以在下殼中找到多功能機身演示器（MFFD），即。STUNNING演示器（圖1）。通函點焊用于將夾子連接到如圖所示，將蒙皮/長桁和馬鞍形連接件固定在框上，如圖2所示。為此，超聲波焊接硬件、順序焊接策略和，SAM|XL開發了自動化工具與代爾夫特理工大學合作。目標是在一個212個熱塑性復合材料的自動連接方式將馬鞍形連接件固定在蒙皮、長桁和框上令人窒息的演威件。對于自動化子系統裝配操作，一個6英寸的高架龍門機器人SAM|XL正在使用自由度。期間分裝工藝，下殼結構機身演示件由金屬支撐TCTool聯盟開發的夾具。

圖1：熱塑性復合材料機身下殼演示件。

圖2：點焊的接頭配置。馬鞍形連接件點焊到蒙皮/長桁（左側），馬鞍形連接件與框點焊（右側）。

馬鞍形連接件、蒙皮、長桁和框由不同纖維結構以及厚度的零件組成。這些馬鞍形連接件是由ECOCLIP聯盟，注塑成型由回收的短碳纖維增強低熔點材料制成聚芳醚酮（LMPAEK）復合材料平均厚度為3毫米。蒙皮、長桁和框由連續纖維制成增強LMPAEK復合材料。蒙皮有厚度從1.5毫米到10毫米不等。長桁和框的厚度范圍在2毫米到3毫米。在焊接接口處，馬鞍形連接件采用0.2毫米高的三角形肋狀物（圖3）制造，這些肋狀物作為能量引導器。在馬鞍形連接件的制造過程中，利用模具的特殊功能生產了這些肋狀物。

圖3. 馬鞍形連接件上的點焊位置的橫截面顯微照片，焊縫表面有模制能量導向肋紋（頂部）。

焊接硬件對于圖2所示的兩個接頭配置，開發了一種由兩種不同工具組成的焊接末端執行器（EEF-end-effector）。如圖4所示，這些可單獨安裝在EEF上，用于每種焊接配置，即馬鞍形連接件到蒙皮（CTS-clip-to-skin）和馬鞍形連接件到框（CTF-clip-to-frame）。在CTS工具中，焊接堆垂直驅動，與待焊接零件平行。它還包括一個氣動驅動的夾具，用于在焊接操作期間夾持和夾緊馬鞍形連接件。在CTF工具中，焊接堆是水平驅動的。該工具包括一個集成鐵砧，在焊接過程中為框提供背壓。超聲波發生器的反饋以及焊接EEF中集成的位移和壓力傳感器用于控制焊接過程。焊接EEF安裝在6自由度的高架機器人的手腕上。這使得EEF能夠到達演示器中的所有位置，并且能夠將超聲波棒定位成垂直于夾具焊接位置。

圖4.超聲焊接EEF在CTS配置（左）和CTF配置（右）在靜態測試臺上的情況。

流程發展和焊接質量

演示件在以下方面存在很大差異待加工零件的材料配置和幾何形狀通過超聲波點焊連接。因此，進行了廣泛的試驗來描述材料的焊接性能，并驗證之前確定的焊接參數研究。分別進行了焊接試驗靜電焊接EEF的接頭配置試驗臺的材料配置如演示件。這需要短纖維復合材料焊接到連續纖維復合材料上的試樣/馬鞍形連接件面板模仿蒙皮、長桁和框。這個靜態測試設置如圖4所示。每個點焊都使用直徑為20毫米的圓形超聲焊極。由此產生的焊縫為形狀近似圓形，平均直徑為18mm。

獲得的焊接質量為基于單圈剪切強度進行評估接縫、界面橫截面圖像作為焊縫的超聲波掃描。平均單圈剪切強度為30 MPa（變異系數：1.8%）。期間材料單圈剪切試驗和拉力試驗短纖維增強夾子出現故障材料，而不是焊接界面。這個表明焊縫強度高于馬鞍形連接件材料本身的強度。代表性橫截面顯微照片以及介紹了焊接截面的超聲C掃描分別如圖5和圖6所示?？梢钥吹?/p>

在圖5中，獲得了均勻的焊縫根據定性分析，沒有大的空隙在焊接界面處觀察到。請注意，該地點通過引入超聲波焊極來產生焊縫上部被粘物上的機械振動，其為短纖維增強復合材料。在圖6中，近似圓形的焊點可以在關節重疊處看到平均值直徑為18毫米。

圖5.短纖維馬鞍形連接件（上粘接件）與連續纖維增強面板（下粘接件）之間代表性焊縫的橫截面顯微照片。

圖6.接頭馬鞍形連接件的單個點焊超聲波C掃描，焊接點直徑約為18毫米，呈圓形。

馬鞍形連接件自動焊接策略

焊接末端執行器（EEF）的設計考慮了在每個馬鞍形連接件的8個不同位置點焊到外殼、長桁和框的具體要求。由于焊接數量大，零件之間以及超聲探頭和零件之間的公差要求嚴格，因此必須仔細地將焊接末端執行器（EEF）與龍門機器人集成，并針對加強的蒙皮進行工具校準。由于蒙皮和長桁在馬鞍形連接件集成之前的組裝步驟中會出現各種變形（蒙皮制造、長桁集成等）以及長桁位置（相對于CAD中的產品定義）在裝配公差范圍內的變化，這項任務被證明是耗時的。對于馬鞍形連接件到蒙皮和馬鞍形連接件到長桁的焊接操作，決定首先焊接直接與蒙皮接觸的馬鞍形連接件外腳。隨后，焊接馬鞍形連接件與長桁接口上的剩余四個點。焊接順序如圖7所示。

圖7. 馬鞍形連接件、蒙皮和長桁連接的順序點焊。

這個焊接順序之所以被選擇，是因為多個因素共同作用。首先，它有助于減少由于長桁和馬鞍形連接件焊點之間的距離（從0.5毫米到8毫米）而導致的馬鞍形連接件與框在垂直平面上的對齊風險。其次，這個焊接順序也有助于確保在至少兩個位置（即馬鞍形連接件-蒙皮焊接界面）獲得高質量的焊接。焊接順序的結果是龍門機器人相對復雜的運動，以便在焊接位置上方定位超聲探頭和馬鞍形連接件。對于馬鞍形連接件-框焊接配置，由于馬鞍形連接件的垂直凸緣需要與框的垂直凸緣焊接，因此需要額外的工具來施加反向壓力。因此，CTF焊接工具包含一個集成砧座，可以從框后方施加反向壓力，同時超聲探頭位于馬鞍形連接件上。圖8中的模擬圖像描繪了CTF工具用于將夾具焊接到環形框上的情況。從焊接工藝的角度來看，馬鞍形連接件-框界面上的兩個位置的焊接順序并不重要。因此，根據機器人運動的便利性選擇了焊接順序。

圖8. 超聲波焊接EEF在CTF配置中，帶有集成砧座（黑色）。

焊接EEF相對于馬鞍形連接件的定位和定向需要很高的準確性。由于從初始設計到蒙皮/長桁輪廓的形狀變形以及零件位置的變動（在制造公差范圍內），每個馬鞍形連接件的位置和定向最終都需要使用徠卡激光跟蹤儀手動測量，其測量精度約為0.1毫米。隨后，使用每個馬鞍形連接件的實際位置更新了仿真模型，并為龍門架生成了運動程序，以準確地為每個點焊位置焊接EEF。

演示件制造

目前，正在對演示件上的馬鞍形連接件進行超聲波點焊到蒙皮和長桁。在圖9中，可以看到CTS焊接EEF在焊接前由龍門架機器人定位在馬鞍形連接件上。完成夾子到外殼的焊接后，將框架定位在殼體中，然后開始CTF焊接。

圖9. 焊接EEF在CTS配置中，定位在機身演示件的下殼體上的馬鞍形連接件、蒙皮焊接位置。

結論

本論文強調了SAM|XL和代爾夫特理工大學為實現自動化的超聲波點焊過程而采取的工藝開發步驟，該過程正在多功能機身演示件的下殼體上進行演示。通過實驗試驗獲得的結果與基于機器人的焊接工具的開發是有前途的，并表明，超聲波點焊過程中可以使用的大型熱塑性復合材料結構的加入具有很高的信心水平。在不同纖維結構和厚度的復合材料中，點焊接接頭已被證明是可靠的，不會引起輕微的零件錯位和公差問題。然而，必須強調的是，結構通過超聲波點焊工藝的焊接性在很大程度上取決于零件的間隙、公差和表面質量。結構連接的超聲波焊接工藝的工業化應考慮焊接表面的可達性、零件的變形和工藝公差。此外，由于所涉及的高工藝力，所選擇的工業機器人系統的剛度以及后支撐結構的剛度對焊接工藝的升級成功起著重要的作用。該項目的主要成果可以總結如下:·基于機器人的焊接工具在馬鞍形連接件到蒙皮和馬鞍形連接件到框焊接配置中的概念和功能在焊膏和零件規模上進行了實驗測試和演示。在各種厚度配置的短纖維到連續纖維增強接頭的焊接試驗中，實現了高點焊質量。目前正在將卡片焊接到皮和刺，隨后將開始將卡片與框架焊接。

原文，《Automated Sequential Ultrasonic Welding on a full scale The rmoplastic Composite Fuselage demonstrator》

 

楊超凡 2025.1.5