法國焊接學(xué)院（IS）集團在焊接金屬方面擁有100多年的經(jīng)驗，目前正成為焊接熱塑性復合材料的領(lǐng)導者。IS集團開(kāi)發(fā)了“動(dòng)態(tài)感應焊接”工藝，在空客旗下STELIA航宇的航空熱塑性復合材料演示項目中，被用于連接碳纖維/聚醚酮酮（PEKK） 單向帶桁條和機身蒙皮。

盡管這項工藝很成功，但是由于在界面處沒(méi)有感受器，因此在粘結桁條的半徑性能和壁板全局加熱方面存在局限。感受器是置于熱塑性復合材料焊接接頭的兩個(gè)被粘結物之間的材料，該材料被焊接頭中的感應線(xiàn)圈加熱。感受器可以是電阻加熱的導電體，也可以是磁滯加熱的磁性體， 在焊接界面熔化基體，同時(shí)將基體壓在一起以形成具有很高強度的熔接接頭。用于感應焊接熱塑性復合材料的感受器最初是一種金屬篩網(wǎng)或網(wǎng)格，有時(shí)浸有聚合物。

IS集團與熱塑性材料供應商阿科瑪建立了合作伙伴關(guān)系，共同開(kāi)發(fā)并獲得了專(zhuān)利技術(shù)，稱(chēng)為焊接創(chuàng )新解決方案。

焊接創(chuàng )新解決方案的基礎

焊接創(chuàng )新解決方案的基礎是使用感受器來(lái)加熱焊接界面，但這是與焊接頭相連的可移動(dòng)感受器。感受器使工藝能夠完美地定位焊縫的加熱區域，而帶有感受器的焊頭是移動(dòng)的，因此界面中沒(méi)有殘留物，不會(huì )干擾焊接結構的性能。在感應焊接的早期迭代中，金屬網(wǎng)格感受器保留在焊縫中，但這并不是想要的結果。由于普通的航空航天層壓板中的碳纖維是導電的，最新的技術(shù)已經(jīng)能夠消除感受器，這也使得能夠使用碳纖維材料作為感受器。

焊接創(chuàng )新解決方案的另一特點(diǎn)是在焊接界面處使用純熱塑性基體或低纖維量的鋪層，以增加樹(shù)脂流動(dòng)性?？梢哉{節該界面層的熔融溫度和粘度，并且還可以進(jìn)行功能化，提供導電性或隔離性，以防止電腐蝕，例如碳纖維與鋁或鋼之間的電腐蝕。

焊接創(chuàng )新解決方案的成果

該解決方案的接頭系數為80％~90％。接頭系數與焊接強度相對應，用于金屬、塑料和復合材料。在對使用該解決方案將焊接在一起的兩個(gè)預固化板進(jìn)行的單搭剪切試驗中，獲得了未經(jīng)焊接、熱壓罐固化的參考板的80％~90％的性能。這些試驗使用了由赫氏Hextow AS7碳纖維和阿科瑪Kepstan 7002 PEKK制造的單向帶。

焊接創(chuàng )新解決方案可用于焊接任何種類(lèi)的基體：PE、PA、PEKK、PEEK以及碳、玻璃或芳綸纖維增強的熱塑性復合材料。而且，還可以焊接具有銅網(wǎng)格的組件以防雷擊，這是航空結構制造的關(guān)鍵。焊接創(chuàng )新解決方案的設計是完全自動(dòng)化的，焊接頭安裝在6軸機械臂機器人上。

焊接溫度控制

金屬網(wǎng)格感受器在受到磁場(chǎng)作用時(shí)的一個(gè)普遍問(wèn)題是所焊接零件的溫度分布不均勻。該解決方案通過(guò)使用感受器來(lái)熔化焊接界面來(lái)控制這一點(diǎn)，使用激光高溫計感知溫度，該高溫計實(shí)際上是從側面測量感受器邊緣的。因此，可以知道界面處的確切溫度。還使用冷卻方法來(lái)幫助控制溫度，并確保整個(gè)焊接過(guò)程中熱塑性材料能夠充分結晶。

桁條蒙皮焊接試驗

 空客旗下STELIA是這種感應焊接工藝的首批客戶(hù)之一。IS集團和阿科瑪為STELIA進(jìn)行了一項專(zhuān)門(mén)研究，將7層碳/PEKK桁條焊接到14層的蒙皮上，并用銅網(wǎng)格覆蓋以防雷擊。最終目標是焊接長(cháng)度為30米、具有直線(xiàn)和雙彎曲截面的結構。使用包括Tenax HST45碳纖維和Kepstan 7002 PEKK的194 gsm單向帶制作組件。STELIA規定了一種均質(zhì)焊縫，其機械性能大于熱壓罐固化的參考材料的85％，而被粘物的熱或力學(xué)性能不會(huì )退化。STELIA還要求開(kāi)發(fā)一種改變被粘物厚度的魯棒性工藝。IS集團對焊接組件進(jìn)行了化學(xué)和性能試驗。

IS集團和阿科瑪能夠滿(mǎn)足STELIA的要求，與熱壓罐固化的參考層壓板相比，達到了大于單搭剪切和層間剪切強度性能的85％。組件層壓板或防雷擊網(wǎng)格中沒(méi)有散開(kāi)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/分鐘。目前， 該解決方案的速度為每分鐘0.3米?？梢院附拥幕暮穸确矫?， 可以焊接航空航天結構的典型厚度，并將5毫米厚的零件焊接到5毫米基底上。

技術(shù)機遇與挑戰

IS集團和阿科瑪是焊接創(chuàng )新解決方案技術(shù)的共同所有人，并通過(guò)可靠的專(zhuān)利組合保護了該技術(shù)，該專(zhuān)利組合已經(jīng)包括五項法國和國際專(zhuān)利申請。焊接創(chuàng )新解決方案可以與任何熱塑性復合材料基體一起使用，IS集團正在通過(guò)與歐美公司合作的計劃來(lái)演示該技術(shù)。對于阿科瑪來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)是PEKK， 其與赫氏在2018年結成了戰略聯(lián)盟關(guān)系，為未來(lái)飛機開(kāi)發(fā)碳/熱塑性帶，著(zhù)重于為客戶(hù)提供更低的成本和更快的生產(chǎn)速度。作為合作伙伴關(guān)系的一部分，法國將建立一個(gè)聯(lián)合研發(fā)實(shí)驗室。

這項耗資1350萬(wàn)歐元、為期48個(gè)月的用于自適應結構的高度自動(dòng)化集成復合材料項目是阿科瑪與赫氏戰略聯(lián)盟的延續。項目將優(yōu)化用于復合零件生產(chǎn)的材料的設計和制造，以期實(shí)現具有競爭力的成本。它還將開(kāi)發(fā)一種生產(chǎn)效率更高的復合材料放置/鋪放技術(shù)，以及一種帶有在線(xiàn)質(zhì)量控制的、通過(guò)焊接裝配最終零件的新系統。目標應用包括飛行器的主結構，汽車(chē)行業(yè)的結構零件以及石油和天然氣行業(yè)的管道。熱塑性材料提供的可回收性和可持續性?xún)?yōu)勢對于這些市場(chǎng)也很重要，并將在項目中進(jìn)行展示和量化。

與2017年相比，與動(dòng)態(tài)感應焊接工藝相比，焊接創(chuàng )新解決方案可以提供的好處之一是所需電力減少了50％以上。使用常規感應，需要大功率來(lái)加熱表面， 但是在界面處有了感受器的話(huà)， 加熱的表面要小得多，所需的能量也要少得多。這也有助于避免桁條半徑振松，如果加熱過(guò)多， 會(huì )軟化半徑上的材料，并讓此處的纖維移動(dòng)。但是，仍然存在散熱問(wèn)題。對于扁平形狀，熱控制非常簡(jiǎn)單，但是隨著(zhù)形狀復雜度的增加，它變得更具挑戰性。目前，主要目標是繼續開(kāi)發(fā)并實(shí)現典型尺度的蒙皮上桁條焊接，重點(diǎn)還是將技術(shù)引入新的飛行器開(kāi)發(fā)計劃中。