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法國(guó)焊接學(xué)院（IS）集團(tuán)在焊接金屬方面擁有100多年的經(jīng)驗(yàn)，目前正成為焊接熱塑性復(fù)合材料的領(lǐng)導(dǎo)者。IS集團(tuán)開發(fā)了“動(dòng)態(tài)感應(yīng)焊接”工藝，在空客旗下STELIA航宇的航空熱塑性復(fù)合材料演示項(xiàng)目中，被用于連接碳纖維/聚醚酮酮（PEKK） 單向帶桁條和機(jī)身蒙皮。
盡管這項(xiàng)工藝很成功，但是由于在界面處沒(méi)有感受器，因此在粘結(jié)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(fù)合材料焊接接頭的兩個(gè)被粘結(jié)物之間的材料，該材料被焊接頭中的感應(yīng)線圈加熱。感受器可以是電阻加熱的導(dǎo)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(qiáng)度的熔接接頭。用于感應(yīng)焊接熱塑性復(fù)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(tuán)與熱塑性材料供應(yīng)商阿科瑪建立了合作伙伴關(guān)系，共同開發(fā)并獲得了專利技術(shù)，稱為焊接創(chuàng)新解決方案。
焊接創(chuàng)新解決方案的基礎(chǔ)
焊接創(chuàng)新解決方案的基礎(chǔ)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(qū)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(jié)構(gòu)的性能。在感應(yīng)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(jié)果。由于普通的航空航天層壓板中的碳纖維是導(dǎo)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，以增加樹脂流動(dòng)性。可以調(diào)節(jié)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(dǎo)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(shù)為80％~90％。接頭系數(shù)與焊接強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，用于金屬、塑料和復(fù)合材料。在對(duì)使用該解決方案將焊接在一起的兩個(gè)預(yù)固化板進(jìn)行的單搭剪切試驗(yàn)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(yàn)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的基體：PE、PA、PEKK、PEEK以及碳、玻璃或芳綸纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)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(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵。焊接創(chuàng)新解決方案的設(shè)計(jì)是完全自動(dòng)化的，焊接頭安裝在6軸機(jī)械臂機(jī)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(jì)感知溫度，該高溫計(jì)實(shí)際上是從側(cè)面測(cè)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(jié)晶。
桁條蒙皮焊接試驗(yàn)
空客旗下STELIA是這種感應(yīng)焊接工藝的首批客戶之一。IS集團(tuán)和阿科瑪為STELIA進(jìn)行了一項(xiàng)專門研究，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(biāo)是焊接長(zhǎng)度為30米、具有直線和雙彎曲截面的結(jié)構(gòu)。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(guī)定了一種均質(zhì)焊縫，其機(jī)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還要求開發(fā)一種改變被粘物厚度的魯棒性工藝。IS集團(tuán)對(duì)焊接組件進(jìn)行了化學(xué)和性能試驗(yàn)。
IS集團(tuán)和阿科瑪能夠滿足STELIA的要求，與熱壓罐固化的參考層壓板相比，達(dá)到了大于單搭剪切和層間剪切強(qiáng)度性能的85％。組件層壓板或防雷擊網(wǎng)格中沒(méi)有散開或退化。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。可以焊接的基材厚度方面， 可以焊接航空航天結(jié)構(gòu)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(jī)遇與挑戰(zhàn)
IS集團(tuán)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)可靠的專利組合保護(hù)了該技術(shù)，該專利組合已經(jīng)包括五項(xiàng)法國(guó)和國(guó)際專利申請(qǐng)。焊接創(chuàng)新解決方案可以與任何熱塑性復(fù)合材料基體一起使用，IS集團(tuán)正在通過(guò)與歐美公司合作的計(jì)劃來(lái)演示該技術(shù)。對(duì)于阿科瑪來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)是PEKK， 其與赫氏在2018年結(jié)成了戰(zhàn)略聯(lián)盟關(guān)系，為未來(lái)飛機(jī)開發(fā)碳/熱塑性帶，著重于為客戶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(guó)將建立一個(gè)聯(lián)合研發(fā)實(shí)驗(yàn)室。
這項(xiàng)耗資1350萬(wàn)歐元、為期48個(gè)月的用于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的高度自動(dòng)化集成復(fù)合材料項(xiàng)目是阿科瑪與赫氏戰(zhàn)略聯(lián)盟的延續(xù)。項(xiàng)目將優(yōu)化用于復(fù)合零件生產(chǎn)的材料的設(shè)計(jì)和制造，以期實(shí)現(xiàn)具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本。它還將開發(fā)一種生產(chǎn)效率更高的復(fù)合材料放置/鋪放技術(shù)，以及一種帶有在線質(zhì)量控制的、通過(guò)焊接裝配最終零件的新系統(tǒng)。目標(biāo)應(yīng)用包括飛行器的主結(jié)構(gòu)，汽車行業(yè)的結(jié)構(gòu)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(xù)性優(yōu)勢(shì)對(duì)于這些市場(chǎng)也很重要，并將在項(xiàng)目中進(jìn)行展示和量化。
與2017年相比，與動(dòng)態(tài)感應(yīng)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(guī)感應(yīng)，需要大功率來(lái)加熱表面， 但是在界面處有了感受器的話， 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(duì)于扁平形狀，熱控制非常簡(jiǎn)單，但是隨著形狀復(fù)雜度的增加，它變得更具挑戰(zhàn)性。目前，主要目標(biāo)是繼續(xù)開發(fā)并實(shí)現(xiàn)典型尺度的蒙皮上桁條焊接，重點(diǎn)還是將技術(shù)引入新的飛行器開發(fā)計(jì)劃中。