采用多種焊接技術制造的熱塑性復合材料多功能機身演示器（MFFD）（圖片來源：空中客車公司）

歐盟清潔航空計劃(以前的清潔天空2計劃）的多功能機身演示器(簡稱MFFD)項目歷時10年，制成了世界較大的熱塑性復合材料(TPC)飛機結構之一。MFFD是一個長8米、直徑4米的機身段，它展示了諸多的復合材料制造技術，包括：通過熱傳導焊接實現的“無塵組裝”、連續超聲波焊接和電阻焊接。該項目的目標之一是，探索一些替代方法，用以取代在復合材料主結構上鉆孔并安裝緊固件的多步驟工藝鏈，從而節省勞力、時間和成本并減輕重量，同時，還致力于提高“能實現高效生產和更可持續制造以對生產廢料進行再利用”的熱塑性塑料工藝的成熟度。

MFFD下半部分的焊接縱梁：GKN Fokker 采用熱傳導焊接，將 CF/LMPAEK 縱梁焊接到多功能機身演示器（MFFD）下半部分的蒙皮上。作為清潔天空2計劃STUNNING項目的一部分，MFFD下半部分由SAM|XL進行組裝（圖片來源：GKN Fokker，SAM|XL）

熱塑性復合材料的焊接有可能顯著提高商用飛機制造的可持續性。一級機架制造商(airframer)Collins Aerospace(美國北卡羅來納州夏洛特)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，自動化程度更高的、非熱壓罐(OOA)的可焊接熱塑性結構有可能將制造循環時間縮短80%，并減輕50%的重量。以前的這些組件需要鉆孔并使用機械緊固件，需要多達9個制造步驟。“我們相信，對于新型A320單通道飛機，熱塑性復合材料將在5-8年內成為游戲規則的改變者，不僅能提高產率，還能最大程度地減重降本。”一級機架制造商(airframer)Daher Aerospace(法國巴黎)的副首席技術官Cedric Eloy說道。

 

“如果我們想要發揮熱塑性復合材料的優勢，就要利用焊接來實現無緊固件的組裝，或者至少使用最少的緊固件。”Daher的研發副總裁Dominique Bailly補充道。

 

熱塑性復合材料結構通過認證并用于飛行已有幾十年，這包括1998年用在Fokker 50上的電阻焊接的主起落架門、分別于2000年和2006年用在空客A340和空客A380上的J形鼻前緣機翼結構，以及2008年用在灣流G650公務機上的感應焊接的CF/PPS升降舵和方向舵。“已有500多架G650飛機在飛行之中。”GKN Aerospace（英國索利哈爾）荷蘭全球技術中心(簡稱GTC-NL，Hoogeveen)的總監Arnt Offringa說道。“現在灣流已有7個機型使用了焊接的熱塑性控制表面，我們正在繼續生產，因此，這已成為一種成熟的制造方法。”Offringa是上述感應焊接結構的一個重要擁護者，這些結構由福克飛機結構公司(Hoogeveen)開發制造，該公司目前是一級機架制造商(airframer)GKN Aerospace 的一部分。針對這些結構,GKN Fokker使用了KVE Composites(荷蘭海牙)的專利感應焊接工藝。

 

自2018年以來，焊接技術取得了諸多進展，包括：轉向基于低熔點聚芳醚酮(LMPAEK)的復合材料，與聚醚酮酮(PEKK)和聚醚醚酮(PEEK)相比，可以采用更低的溫度進行焊接；自動化和仿真技術在持續進步，以及演示器的規模和復雜性在增加。此外，焊接的應用也日益普遍。大多數的一級機架制造商(airframers)都擁有重要的焊接研發能力或技術成熟度水平，其中許多公司的技術成熟度(TRL)接近5-6級。盡管焊接的結構自1998年以來就已取得了認證，但在美國仍存在爭議，即未來對焊接結構的認證應遵循為粘接結構而制定的規則。這可能是因為美國的焊接技術不如歐洲的成熟，而且以前認證的細節并不廣為人知。無論如何，良好的熱塑性復合材料的焊接應在整個厚度上顯示出均勻的材料分布，沒有可識別的界面。這樣，焊接的結構就完全不同于粘接的結構。

 

在歐洲，重點是在認證結構的生產過程中推進過程控制和無損檢測(NDT)的應用，通過制造和測試越來越大的演示器來展示多種焊接技術，以及到 2026 年讓第一個使用單向(UD)帶制成的焊接結構（而不是以前由織物制成的部件）獲得認證并用于試飛。

復合材料焊接的進展

2019年，清潔天空2的多功能機身演示器(MFFD)項目將其“采用東麗先進復合材料的Cetex TC1320 UD CF/ PEKK預浸帶”基準變成了采用威格斯(英國蘭開夏郡)的LMPAEK制成的TC1225材料，該材料具有更低的熔化溫度、更快的加工速度和更低的成本。

圖片來源：清潔航空計劃

 

2019年，由GKN Fokker領導的清潔天空2的STUNNING項目(制造MFFD的下半機身)啟動了MECATESTERS子項目（為期30個月），其中KVE Composites和 Rescoll（法國佩薩克）將基本上獲得使用CF/LMPAEK單向帶的資格。

圖片來源：KVE Composites

 

2019年，由GKN Aerospace 提供的感應焊接的方向舵作為用在Bell V-280 Valor 傾轉旋翼機上的V形尾翼控制面而得到了測試。

圖片來源：Bell

 

2019年，清潔天空2的KEELBEMAN項目完成了0.25米×0.5米×1米的長龍骨梁截面演示器，其中包括CETMA使用其專利的感應焊接工藝、用CF/PEKK帶制成 的A320 型飛機的縱梁。

圖片來源：清潔航空計劃，CETMA

 

2020年，清潔天空2計劃與一級機架制造商(airframer)Aernnova Aerospace和CETMA一起啟動了DEWTECOMP項目，以開發一種自動化的感應焊接系統，用于為MFFD的下半部分集成帶有角撐板、楔子和配件的門圍結構(DSS)。

圖片來源：DEWTECOMP

 

2021年，作為LuFoV-3 TB-Rumpf項目的一部分，德國航空航天中心結構與設計研究所（斯圖加特）和空中客車公司一起，展示了一個集成的機身中段(fuselage intersection)，包括一個非熱壓罐真空固結的蒙皮/縱梁曲面板，以及電阻焊接的框架和夾板，這些全都采用CF/PAEK單向帶制成。

圖片來源：DLR CC BY-NC-ND 3.0

 

2021年，空客大西洋公司（包括南特、蒙圖瓦德布列塔尼和之前的STELIA工廠）展示了在CORAC資助的ECHOS項目中制成的6平方米的熱塑性復合材料的機身斷面，該斷面上擁有感應焊接（采用了IS Groupe和阿科瑪的專利ISW工藝）的縱梁。

圖片來源：IS Groupe

 

2021年，Qarbon Aerospace（美國德克薩斯州Red Oak）在CAMX 2021展會上將一種專利的無基座感應焊接工藝用于其翼箱演示器上，據說45-47MPa的SLS 強度要比采用機械緊固件的行業標準的共固化接縫的強度高出30%-40%，焊接速度大約是0.75米/分鐘。

圖片來源：Qarbon Aerospace

 

2022年，KVE Composites和Daher展示了一個由變厚度蒙皮(tapered-ply skins)制成的600毫米×600毫米的彎曲扭力箱，其上擁有采用KVE專利的感應焊接工藝焊接的7條焊縫（紅色）。KVE展示了4米長的焊縫，焊接的層壓板厚度可達15毫米，SLS強度為30-48 MPa，對CF/PPS織物的焊接速度為1米/分鐘，對UD CF/PAEK的焊接速度為0.20米/分鐘。

照片來源：KVE Composites，Daher

 

2022年，德國航空航天中心結構與設計研究所（德國奧格斯堡）完成了MFFD上半機身的測試外殼，使用連續超聲波焊接來連接縱梁，使用電阻焊來將C形框架連接到蒙皮上。

圖片來源： DLR CC BY-NC-ND 3.0

 

2022年，柯林斯宇航公司宣布，將在年底前展示一種全尺寸的熱塑性復合材料發動機風扇整流罩，該發動機風扇整流罩的彎曲框架被焊接到蒙皮上。

 

MFFD的下半部分

正在進行中的最重要的熱塑性復合材料焊接項目是由空客主導的多功能機身演示器(MFFD)，該項目由清潔天空2（現為清潔航空）計劃資助。該A320機型的機身段擁有4米的直徑，長8米，一旦上、下兩半焊接在一起，將成為世界上較大的熱塑性復合材料結構。該組裝而成的機筒將于2023年被交付給空中客車公司（德國漢堡），此前將由弗勞恩霍夫IFAM（德國施塔德）完成該組裝件的組裝。

 

下半部分的制造由GKN Fokker領導，在STUNNING項目中完成，而上半部分則由德國航空航天中心的輕量化生產技術中心(ZLP)負責管理，該中心是德國航空航天中心在德國奧格斯堡的結構與設計研究所的一部分。用于上下兩半的部件均采用東麗先進復合材料（荷蘭奈弗達爾）的TC1225 CF/LMPAEK單向帶制成。MFFD 項目始于2014年，旨在實現“每月制造70-100套機身、將機身重量減輕10%(1000公斤)、將機身成本降低20%(100萬歐元)”的目標。

此圖展示了多種焊接技術，顯示了制造4米直徑、8米長的MFFD機身上、下兩半的焊接步驟，以及該項目的負責人和合作伙伴。兩半完成后，將于2022年第四季度被運往位于漢堡的空中客車公司，并于2023年將它們焊接在一起（圖片來源：清潔航空計劃，德國航空航天中心，GKN Aerospace, SAM|XL）

 

下半部分正在SAM|XL（荷蘭代爾夫特）進行組裝，計劃在2022年10月底前交付給空中客車公司。SAM|XL工廠擁有多個機械臂和一個用于焊接的大型龍門機器人。第一步是，定位好omega形狀的縱梁，并通過熱傳導焊接將其連接到彎曲的機身蒙皮上。“龍門機器人末端執行器配有吸盤，可以將縱梁精確地放到蒙皮上。”SAM|XL的CEO Kjelt van Rijswijk說道，“它還配有超聲波點焊機，用于將縱梁固定到位。”

將2.5噸感應加熱的1米長熱傳導焊接工裝安裝到配有齒輪齒條的起重裝置內，該裝置利用機身外殼模具圓周上的槽口將焊機定位在每個縱梁上（圖片來源：GKN Fokker，SAM|XL）

 

然后，GKN Fokker使用1米長的熱傳導焊接工裝來焊接縱梁。該金屬工裝被感應加熱，這種即時均勻的加熱通過縱梁的支腳層壓板進行傳導，以熔化縱梁-蒙皮焊接界面處的基體。“該工裝包含一個散熱器，可控制縱梁表面的溫度。”GKN Fokker的首席技術專家Leo Muijs解釋說，“它施加壓力，然后完成焊接過程。”他表示，這些omega形狀的縱梁，兩側都有一個要焊接的支腳。該焊接工裝在一側向下移動，一次移動1米，輕微重疊1-2厘米，然后再在第二側完成這一步驟。此外，還要焊接兩個L形的縱梁以獲得客艙地板。

在STUNNING項目中焊接的縱梁和支架。SAM|XL的龍門機器人使用帶有吸盤和超聲波焊頭（左邊紅色虛線圓圈）的末端執行器來精確放置omega形狀的縱梁并將其定位焊接到蒙皮上。通過熱傳導焊接將縱梁連接到機身蒙皮上之后，使用第二個超聲波焊接工裝將支架連接到其上（圖片來源：SAM|XL）

 

“接下來，將支架放到這些縱梁上，通過超聲波點焊將其連接到縱梁和蒙皮上。”Van Rijswijk說道。盡管用于此操作的專用超聲波焊機具有與定位焊機相同類型的焊頭，但與定位焊接相比，對于這種高強度焊接，它的配置不同。之后，采用相同的超聲波點焊技術，利用這些夾子將框架連接到機身中。SAM|XL的材料和工藝工程師Bram Jongbloed表示：“為了使接縫垂直于蒙皮，我們讓第二臺焊機旋轉90度。”該焊機將框架的平面腹板壓制并焊接到夾子omega形平板上。Jongbloed表示，所有的超聲波焊機首先在庫卡(德國奧格斯堡)的機械臂上進行了測試，以確保它們滿足要求并定義流程，然后用到龍門機器人上。

 

“我們大約有250個支架要用超聲波焊接進行連接，然后再連接框架。”Muijs說道，“之后，我們將安裝地板格柵，它配有復合材料的地板梁、金屬座椅導軌和其他系統。我們將在地板橫梁與框架相接的地方以及支撐支柱與框架相接的地方進行熱傳導焊接。”

 

他指出了在STUNNING項目中進行熱傳導焊接所汲取的經驗教訓：“焊接這些縱梁花費的時間要比我們預期的長得多，并且還導致蒙皮發生一些形狀變化，這在以前熱傳導焊接的演示器中是沒有的，所以，我們現在正在研究這個問題。在縱梁中還有一些嚙合（厚度的變化）是我們無法很好克服的。平焊工裝可以處理一定的坡度，如1：100的層落差（比如，每14毫米落下1層0.14毫米厚的層]不會造成問題，但我們不能焊接1：20的落差。”還有一個長度問題。“我們最小的焊接工裝大約有半米長，比如，對于焊接40厘米的加強筋來說，這就顯得太長了。”他說道。但是，難道沒有其他焊接方法可以用于這些短的縱梁嗎？“是的，但它們沒有被指定用于該演示器，這是我們目前的任務。”Muijs說道，“所以，現在我們記錄這些問題，并將其納入我們提交給空客的最終報告中。當我們進行未來的設計時，我們可以制定有用的熱傳導焊接指南，并且我們已經在研究不同的末端執行器來解決這些問題。該演示器的總體目標是，發現這些挑戰并推進技術進步來應對這些挑戰。”

 

MFFD的上半部分

德國航空航天中心預計將于2023年初交付MFFD的上半部分。從2021年7月開始生產一個1米長的全尺寸測試外殼以驗證其技術模塊起，該中心也積累了一些經驗教訓，這包括連續超聲波點焊和電阻焊。“我們將連續超聲波焊接用于Z形縱梁，將電阻焊用于框架。”德國航空航天中心輕量化生產技術中心的熱塑性復合材料生產技術負責人Frederic Fischer解釋道，“我們這個測試殼有6個框架。我們先焊接了前3個，然后舉行一次經驗教訓總結會議，并對焊接橋進行了一些重建和重新設計，然后再完成最后3個的焊接。這個測試殼使我們能夠測試焊接元件的工藝參數和設置，研究其結果并決定我們將在最終8米的MFFD上殼上使用什么。”

 

必須改變什么呢？“我們使用連續超聲波焊接得到的一個主要教訓是,避免在縱梁支腳下方出現鋪層端頭或跑偏，蒙皮內的這些鋪層臺階會影響焊接質量。”Fischer說道。

 

德國航空航天中心輕量化生產技術中心的部門負責人兼結構與設計研究所的副所長Michael Kupke 解釋說：“在連續超聲波焊接中，當超聲波受到阻尼時會產生熱量。較硬的材料會傳輸超聲波，而較軟的材料會增加阻尼。在焊接界面處放置一層柔軟的未增強聚合物（與所焊接的復合材料表面的基體相同）,可以控制焊接過程中的能量，這被稱作是一種能量導向器。”因此，就像纖維的數量會改變剛度和阻尼從而影響焊縫一樣，層壓板厚度的變化也會如此。“我們必須理解這種變化對焊接表面的影響，并在此過程中解決這個問題。”Kupke 說道。

 

“對于較厚的蒙皮和較薄的蒙皮，我們有不同的參數集。”Fischer 補充道，“縱梁中的嚙合也是如此，以匹配機身蒙皮中的堆層(buildups)和丟層(dropoffs)。我們正在根據被焊接部件的鋪層和形狀來調整焊接工藝參數。我們驗證了我們能以1：200 的比率將縱梁焊接到淺坡道上。”

 

“我們在框架的電阻焊過程中得到了另一個教訓。我們發現，原位固結的帶蒙皮具有相對較高的導電性。為了避免在焊接過程中電流通過機身蒙皮而泄漏（如果焊接面具有相似的纖維取向，則泄漏電流的可能性更大），我們在基于碳纖維的焊接元件上添加了絕緣層。”

在MFFD的上半部分電阻焊接的框架。德國航空航天中心的彎曲焊接橋（上圖）被用于將Premium Aerotec（德國奧格斯堡）制造的機身框架（中圖）通過電阻焊接而連接到測試的機身蒙皮上。對于每一個框架支腳，焊接橋都有一個焊接模塊，用氣缸施加6 bar的壓力，電流從紅線流向黑線（下圖），將基體加熱到熔化溫度（圖片來源：德國航空航天中心CC BY-NC-ND 3.0）

 

德國航空航天中心的電阻焊接橋被錨定到測試機身外殼的工裝上。該焊接橋抓取一個彎曲的機身框架，并將其下壓到蒙皮上。“機架上的每一個支腳都有自己的焊接模塊，帶有一個氣缸，可施加大約8bar的壓力。”Fischer 說道，“然后，電流通過焊接模塊進入位于框架支腳和機身蒙皮之間的焊接元件中。”這種焊接元件在焊縫中產生熱量，類似于超聲波焊接中使用的能量導向器。

 

過去，它是不銹鋼的網，“但現在我們使用的是碳纖維復合材料，這與蒙皮和框架中使用的碳纖維復合材料相同。”Kupke 說道，“雖然金屬具有較好的導電性，但我們已經消除了焊縫中的任何異物——它在整個過程中都是單一的均質材料。”

 

“在電阻焊過程中，我們運行電流，直到基體達到所需的工藝溫度，該溫度高于結晶熔化溫度。”Fischer 繼續說道，“然后，我們分兩步降低電壓，同時施加壓力，直到焊縫冷卻下來。”焊接過程大約兩分鐘。焊接完框架之后，德國航空航天中心再次使用電阻焊來集成夾板，使之成為Z形縱梁與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協作機器人的焊接系統，因為它需要將每個夾板完美地定位在縱梁與框架之間，同時還必須允許公差補償。

MFFD的門結構

MFFD項目的另一部分是機身下半部分的門圍結構(DSS)，它將由一級機架制造商(airframer)Aernnova Aerospace(西班牙米尼亞諾)使用感應焊接來制造(注意，MFFD上半部分的門圍結構由位于德國奧格斯堡的Premium Aerotec制造)。為了支持該項目，清潔天空2計劃DEWTECOMP項目授予了研發實驗室CETMA(意大利布林迪西)，旨在焊接帶有加固部件如角撐板、楔塊和配件的結構框架，從而與標準的熱壓罐固化的熱固性結構相比，使得制造的門圍結構至少減輕15%的重量，并降低75%的生產能耗。

 

“該項目的另一個目標是，開發一種高效柔性的感應焊接工藝。”CETMA的先進材料和工藝開發工程師 Giuseppe Buccoliero說道，“我們的策略是，將整個結構分成不同的子組件，這些子組件可以通過使用非常簡單的工裝和線性焊接路徑被焊接而成。然后對這些焊接的子組件進行焊接和緊固，以制成門框結構。我們首先開發了用于CF/LMPAEK單向帶的感應焊接工藝，然后我們采用積木式方法，從試樣級別到組件級別，最后到演示器級別進行測試。我們還開發了一個全自動的感應焊接單元，它完全集成了機械臂的運動和感應焊接設備，并由單個PLC(可編程邏輯控制器)進行控制。”

 

CETMA還開發了仿真技術，不僅可以預測焊縫中的熱行為，還可以預測力學行為，如微裂紋。“這有助于我們為每一個門圍結構部件優化焊接工藝，同時還能顧及層壓板的設計和部件的形狀。”Buccoliero說道。

 

CETMA從試樣擴展到帶有加強筋的面板，通過搭接剪切測試、壓縮測試和雙懸臂梁測試來驗證焊接性能（后者用于測試斷裂韌性），并將測試數據與模擬結果進行比較。然后CETMA擴展到焊接機架子組件。該公司于2022年6月完成了該項目。

 

CETMA現在正在與其設備合作伙伴SINERGO(意大利瓦爾多比亞德內)和Advantech Advisory(西班牙Lloret de Mar)合作，將其專利的感應焊接技術商業化，包括龍門架和機器人系統。“SINERGO將提供設備并將其集成到客戶工廠中。CETMA 將與客戶合作，以充分了解應用并完成必要的工藝開發。”Advantech Advisory 的聯合創始人Angel Lagraña解釋道。

NIAR

威奇托州立大學的國家航空研究所(簡稱NIAR，美國堪薩斯州威奇托市)也在制定電阻焊、超聲波焊接和感應焊接的工藝規范。其于2021年3月宣布，添加了機器人感應焊接設備，作為其由美國空軍研究實驗室(簡稱AFRL，俄亥俄州代頓)贊助的“為可負擔的可持續復合材料建模(MASC)”研究項目的一部分。之后不久，又添加了電阻焊單元和超聲波焊接單元，而且是準靜態的，這意味著它們不是基于機器人的或連續的，而是能夠產生分段的焊縫。威奇托州立大學的國家航空研究所使用的電阻焊，在焊接界面中應用了碳纖維電阻元件。

威奇托州立大學國家航空研究所的航空系統高級技術實驗室添加了自動化的單元，以用于電阻焊（上圖）、超聲波點焊（中圖）和感應焊接（下圖），這些單元將用于生產30英尺長的演示器（圖片來源：威奇托州立大學的國家航空研究所）

 

“在美國空軍研究實驗室的這項研究中，我們將通過一個名為Frankenstein （FS-19）的30英尺長的制造演示器來推進工藝開發，然后為所有3種焊接技術構建塊認證協議。” 威奇托州立大學國家航空研究所的航空系統高級技術實驗室（ATLAS）主任 Waruna Senevirate 說道，“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，制造焊接的熱塑性復合材料部件，并確保這些工藝的可靠性。”

 

在該項目中開展積木式測試，將迅速地從試樣轉向帶有硬皮的面板元件級別。“我們將對粘接、栓接和焊接的接縫在面內和面外載荷下的靜態強度、耐久性和損傷容限進行比較。這樣做是因為我們需要解決問題以擴大這些技術的應用范圍。疲勞測試對于理解長期行為也至關重要。我們有試樣級別的疲勞測試數據，表明我們電阻焊縫的性能要比粘接接縫的性能好10倍。但后來，我們將界面處的準各向同性層從45度改為0度，僅這一小變化就使疲勞性能翻了兩番，但靜態測試數據并沒有顯示出任何差異。此外，隨著我們擴大規模，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的材料時，這一點非常重要。”Seneviratne表示。

 

在威奇托州立大學國家航空研究所開展的焊接測試使用了東麗的TC1225 PAEK 和索爾維復合材料（美國佐治亞州阿爾法利塔）的APC PEKK 單向帶。用于制造演示器每個部分的材料和焊接技術將在2022年9月被最終確定下來。針對所有3種焊接技術的較低級別的工藝開發將在2022年完成。“然后，我們將開始進行元件級別的測試并由此進行擴展，到2023年夏天，我們應該能夠在演示器中組裝部件，目標是在2025年之前完成。”Seneviratne 說道。

 

KVE、Daher先進的感應焊接和紅外焊接

KVE Composites 不僅擁有比幾乎任何其他公司都多的焊接經驗（15年），而且還是唯一一家在飛行的飛機（包括A220、灣流 G650和達索 F6X，它們都使用基于織物的層壓板制成）上應用了感應焊接技術的公司。KVE于2019年被Daher 收購，這有助于將其專利的KVE Induct技術（為基于單向帶的復合材料而開發）的成熟度提升到TRL4級別。兩家公司預計，隨著2024年TRAMPOLINE全尺寸水平尾翼（HTP）演示器的完成，其技術成熟度將達到TRL 5- TRL 6，并致力于使這項工藝獲得波音和空客的認證，目標是到 2026 年實現飛行應用。

 

由Daher領導的TRAMPOLINE 項目得到了CORAC（法國民用航空研究委員會）的資助，目標是，與熱固性復合材料相比，減輕15%的重量并顯著縮短子組件的生產周期。其2.5米長的HTP演示器源自Daher的TBM單引擎渦輪螺旋槳商務/輕型多用途飛機，具有彎曲表面和厚度為1.6毫米至8毫米的LMPAEK單向帶層壓板。據說，Daher對部件和載荷的了解，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（簡稱LIST，Esch-Sur-Alzette） 達成了一項為期3年的合作協議，以開發適用于大尺寸厚型部件的紅外（IR）焊接技術，用于大批量的制造。“Daher投資KVE，是因為看到了其技術的重要性。”Daher 的知識產權經理 Michael Hugon 說道，“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，我們還需要投資可能具有互補性的替代技術。”

 

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。而感應焊接過程則是利用電磁場在碳纖維層壓板中感應出熱量。“因此，能量必須穿過部件的厚度來加熱界面并熔化熱塑性基體。”

 

Hugon補充道，“而紅外焊接是一種更簡單的過程。在沖壓過程中，我們使用紅外加熱來軟化復合材料坯料中的層，然后再將其模塑成三維部件。到目前為止，我們將這種做法用在機身支架上已有10年，也用在較大型部件的研發之中。”Daher為空客的Wing of Tomorrow項目開發了2米長、12毫米厚的CF/LMPAEK肋。“紅外焊接采用的加熱機制與我們的沖壓工藝相同，但只加熱外表面，然后我們將兩個部件壓在一起。”Hugon繼續說道，“感應焊接適用于封閉箱結構，如我們在TRAMPOLINE項目中展示的扭力箱。但我們正在研究每種技術的優勢是什么。我們正在利用KVE和LIST之間的協同作用，包括焊接專家和材料專家，為這項比較定義特定的部件演示器。”

 

“紅外焊接的第一個目標是，為大而厚的翼肋設想新概念。”Bailly說道，“我們已經利用感應焊接來連接 8.5毫米厚的單向層壓板，但我們還不知道它的極限，它的性能取決于使用的是織物還是單向層壓板。我們希望同時優化感應焊接和紅外焊接，并為認證提供科學數據。”

感應焊接的扭力箱。KVE Composites和Daher展示了一個小規模的扭力箱演示器（上圖），隨后將于2023年推出全尺寸的公務機水平尾翼（HTP）扭力箱（中圖）。KVE已使靜態的焊接單元和基于機器人的焊接單元（下圖）實現了商業化（圖片來源：KVE Composites，Daher）

 

“我們還將努力推斷2023-2024年公務機規模結構的設計指南，從TBM水平尾翼擴展到垂直尾翼。”Eloy補充道。當被問及空客第一個計劃的ZEROe飛機在2035年推出后這種結構是否可行時，他反駁說，氫能可能適用于支線渦輪螺旋槳飛機，但面臨太多的挑戰，無法滿足單通道噴氣式客機的任務需求。“我們認為，下一個挑戰將是利用熱塑性復合材料來減輕下一代單通道飛機的重量，然后才是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尺度的水平尾翼，它將在2024年得到測試以顯示 技術成熟度達到TRL6。”為了在市場中推動此類進展，KVE已商業應用了一個緊湊的焊接單元和一個更大、用途更廣的機器人單元，緊湊的焊接單元用于焊接標準化的SLS和L形的拉拔試樣，機器人單元用于演示器和批量生產。

移動基座感應焊接

Institut de Soudure（簡稱IS Groupe，法國維勒班特）和阿科瑪（法國Colombes）也通過其專利的ISW工藝推進了感應焊接技術的進步。IS Groupe 與一級供應商 STELIA Aerospace（于2022年1月重組為空客大西洋公司）合作，在 Arches TP 機身演示器中安裝了感應焊接的縱梁。隨后，該公司重新設計了基于機器人的動態工藝，以使用與焊頭相連的移動基座。金屬基座由焊頭中的感應線圈加熱，將熱量精確地集中在焊接界面上。移動基座與純熱塑性的或低纖維含量的界面層相結合，可以增加樹脂的流動性。

移動基座感應焊接。使用與感應焊頭（上圖）一起移動的金屬基座，使得ISW工藝僅將熱量集中在焊接界面。用于生產ECHOS機身演示器（中圖）的第二代系統很快將集成在線無損檢測（圖片來源：IS Groupe）

 

開發ISW工藝主要使用的是由阿科瑪的PEKK聚合物制成的單向帶材。對界面層的測試采用了未增強的PEKK和PEI薄膜，以及含35%-40%碳纖維體積含量的單向帶。此外，還在蒙皮/縱梁板上進行了無界面層的焊接，該蒙皮/縱梁板的制造是，用UD CF/PEKK帶材鋪放7-39層，以獲得厚度范圍在1.5-8毫米的準各向同性疊層。對焊接的平面板和曲面板進行的測試顯示出SLS強度分別為熱壓罐固化的參考面板的100%和80%，而且在帶有銅網雷擊防護的面板上進行的焊接也取得了成功，沒有出現任何問題。2021年，IS Groupe 與空客大西洋公司合作，在CORAC資助的ECHOS(Evolution of Composites and tecHnologies on aerOStructure)項目中展示了一個6平方米的曲面機身面板，其上擁有10個使用 ISW工藝焊接的1米長的縱梁。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技術，其目標是，2023年當“這種在線無損檢測技術集成到其焊接平臺中”的工作完成時，達到TRL6的技術成熟度。

雷神技術研究中心的焊接開發

雷神技術研究中心（簡稱RTRC，美國康涅狄格州東哈特福德）在大型曲面面板（標稱內徑0.825米，外弧長0.876米，1米長）上進行了感應焊接試驗，該面板由16-24層 CF/PAEK 單向帶層壓板組成，代表一個亞尺度的典型的帶筋蒙皮飛機結構。趙文平博士在SAMPE 2022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的現場過程控制，以及離線仿真，以便沿彎曲焊縫優化感應線圈的速度，從而滿足高質量焊接對溫度的要求。優化依賴于描述焊縫中時空熱演變的數值模型，并通過物理試驗進行驗證。

雷神技術研究中心使用機器人感應焊接單元在大型曲面面板上進行了感應焊接試驗，該機器人感應焊接單元具有現場過程控制功能（圖片來源：雷神技術研究中心）

 

對于均勻的蒙皮厚度，在0.876米焊接路徑上的峰值溫度變化和平均焊接速度分別為 ±20℃和1.68毫米/秒；對于厚度不均勻的面板，在0.876米焊接路徑上的峰值溫度變化和平均焊接速度分別為±25℃和1.6毫米/秒。對工藝參數的制定始于南卡羅來納大學（美國南卡羅來納州哥倫比亞）在KVE焊接測試裝置上對平板進行的測試，該測試還有助于開發帶有熱塑性涂層的光纖，該光纖被嵌入到復合材料層壓板中，并能利用Luna（美國弗吉尼亞州羅阿諾克）的ODiSi6100八通道詢問系統進行詢問。

雷神技術研究中心和南卡羅來納大學在曲面板上進行感應焊接試驗的焊縫中使用了光纖（OF）。此圖顯示的是：這些光纖傳感器和熱電偶的放置位置（左）以及在焊縫中測量的二維和三維溫度分布（中和右）（圖片來源：SAMPE會議（2022年5月23日至26日在北卡羅來納州夏洛特舉行）論文集中南卡羅來納大學Wout De Backer博士的論文“大型熱塑性復合材料結構的自動感應焊接”一文中的圖 8）

 

雷神技術研究中心還在其機器人感應焊頭中使用了力/扭矩傳感器，一個紅外攝像頭和熱電偶被用來監測焊接過程中的壓力和溫度。Advanced Robotics for Manufacturing (ARM)研究所（美國賓夕法尼亞州匹茲堡）、Ariyan Kakir 博士領導的GrayMatter Robotics團隊，以及由Wout De Backer博士和Michael van Tooren博士（柯林斯宇航公司的結構技術研究員，之前在南卡羅來納大學）領導的南卡羅來納大學團隊提供了感應焊接方面的支持，Zhao對此表示感謝。“我們有一個后續計劃，通過運用機器學習來進一步提高焊接質量。”Zhao說道，“隨著技術的成熟，我們的目標是過渡到大型部件示范。”

過程控制、NDT、認證、止裂功能

必須監控和/或控制哪些參數才能確保良好的焊接呢？“對于復合材料，我們必須始終知道部件處在正確的溫度、壓力和時間下。”德國航空航天中心的Kupke 說道，“我們會監控每一次焊接并記錄這些參數。”從對焊頭的跟蹤能力及其速度和集成的力傳感器，到紅外（IR）攝像頭監控部件的表面溫度（與焊縫溫度相關），再到實際嵌入到焊縫中的光纖，具體的做法因焊接技術而異。大多數技術都依賴于在數月的測試中優化工藝參數，然后監控并記錄在實際部件上的焊接是否符合此規范。超聲無損檢測也被用于焊后以及被集成到焊接系統中以進行在線檢測，同時，用于更大面積和更高部件產量的非接觸式方法也在研究之中。

 

研究還在尋求利用人工智能(AI)來認證工藝參數并將其與焊接質量聯系起來，同時還尋求全自動化的機器人焊接。“我不想在每一次焊接時都手動教導機器人。” Van Rijswijk說道，“有一些傳感器可以使機器人看到需要做什么并進行自我編程，以及監控材料的轉換，包括監控固結過程，這是OEM認證的關鍵。”

 

“基本上有3種方法可以認證粘接的或焊接的接縫：限制載荷的全面驗證測試、全面的無損檢測或某種止裂功能。”威奇托州立大學國家航空研究所的Seneviratne表示。由于當前的認證協議提出了故障安全方面的要求，因此，止裂功能（如雞眼鉚釘）目前在粘接的主結構、金屬和復合材料，以及焊接的熱塑性復合材料方向舵和升降舵（已用于飛行）中得到了應用。“最終，我認為，我們要對無止裂功能的焊接的復合材料主結構具有足夠的信心。”他表示，“但這取決于最初幾年的建造史和數據，就像我們對粘接的接縫所做的那樣。”

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