航空結(jié)構(gòu)中對(duì)連接的需求

飛機(jī)是由眾多結(jié)構(gòu)部件組成的復(fù)雜裝配體。機(jī)翼、機(jī)身段、操縱面、翼肋、桁條和檢查口蓋都必須可靠地連接以形成完整的機(jī)體。幾十年來，連接飛機(jī)結(jié)構(gòu)（包括熱固性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)）的主要方法一直是機(jī)械連接（鉚釘和螺栓）和膠接。

然而，這些傳統(tǒng)方法存在缺點(diǎn)，特別是對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。機(jī)械連接需要鉆孔，這會(huì)切斷增強(qiáng)纖維，產(chǎn)生應(yīng)力集中，因緊固件本身而增加重量，并且可能是一個(gè)耗時(shí)的過程。膠接避免了纖維損傷，但需要精細(xì)的表面處理，結(jié)構(gòu)膠粘劑可能需要較長(zhǎng)的固化時(shí)間，會(huì)增加膠層的重量，并且引起對(duì)連接線長(zhǎng)期耐久性和無損檢測(cè)的擔(dān)憂。

熔融連接/焊接：TPC 的優(yōu)勢(shì)

熱塑性塑料能夠重新熔化的特性為通過熔融連接（通常稱為焊接）進(jìn)行連接提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。 該過程包括將 TPC 部件的接合面加熱到聚合物熔點(diǎn)溫度以上（半結(jié)晶聚合物為 Tm，非晶態(tài)聚合物高于 Tg），施加壓力以確保緊密接觸和壓實(shí)，然后冷卻連接處以固化熔融的聚合物。理想情況下，結(jié)果是形成一個(gè)無明顯界面的整體連接，有效地整合了部件。

與傳統(tǒng)連接方法相比，焊接為 TPC 提供了顯著的優(yōu)勢(shì)：

• 消除緊固件/膠粘劑：減少或消除對(duì)鉚釘、螺栓和膠層的需求，從而實(shí)現(xiàn)減重和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

• 減輕重量和減少零件數(shù)量：通過實(shí)現(xiàn)更集成的結(jié)構(gòu)和消除緊固件，焊接直接有助于減輕飛機(jī)重量。

• 加快裝配速度：焊接過程通?？梢员冉Y(jié)構(gòu)膠粘劑固化或安裝大量機(jī)械緊固件所需的周期時(shí)間快得多。

• 自動(dòng)化潛力：焊接技術(shù)通常非常適合使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)高效率、可重復(fù)的裝配過程。

• 最少的表面處理：與膠接相比，焊接通常需要較少的表面處理。

TPC 的主要焊接技術(shù)
在航空航天應(yīng)用中，已經(jīng)開發(fā)并采用了多種焊接技術(shù)來連接 TPC。最突出的方法是超聲波焊接、感應(yīng)焊接和電阻焊接。

超聲波焊接

圖注：MDPI，摘自《航空航天用先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料焊接》

• 機(jī)理：USW 利用高頻（通常為 20-70 kHz）機(jī)械振動(dòng)，該振動(dòng)由換能器產(chǎn)生，并通過稱為焊頭的工具傳遞到待連接部件。這些振動(dòng)在靜壓下施加，會(huì)在部件之間的界面處引起劇烈摩擦（界面加熱），并可能由于快速的循環(huán)應(yīng)變?cè)诓牧蟽?nèi)部產(chǎn)生粘彈性加熱。這種局部加熱迅速熔化熱塑性基體。在振動(dòng)周期期間和之后持續(xù)施加壓力，使熔融材料壓實(shí)，冷卻后形成焊縫。 為了促進(jìn)和定位初始加熱，通常在一個(gè)接合面上或在界面處放置的單獨(dú)薄膜上設(shè)計(jì)小的、預(yù)成型的幾何特征，稱為能量導(dǎo)向器。

• 優(yōu)點(diǎn)：USW 是一種極快的過程，焊接時(shí)間通常以秒計(jì)。它節(jié)能高效，在連接線處不需要額外的材料（如膠粘劑或消耗品，除非使用單獨(dú)的 ED 薄膜），并且本質(zhì)上是一個(gè)清潔的過程，不產(chǎn)生煙霧或顯著碎屑，使其適用于潔凈室環(huán)境。其速度和簡(jiǎn)單性使其非常適合自動(dòng)化。它也可用于連接不同的熱塑性材料。

• 缺點(diǎn)/挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)上，USW 主要用于點(diǎn)焊或連接相對(duì)較小的區(qū)域，因?yàn)樵诖竺娣e連續(xù)路徑上傳遞均勻的超聲波能量一直具有挑戰(zhàn)性。目前正在進(jìn)行大量的研究工作，以開發(fā)適用于大型航空結(jié)構(gòu)的連續(xù) USW 工藝，如 MFFD 等項(xiàng)目所展示的那樣。工藝參數(shù)（振動(dòng)幅度、焊接壓力、焊接時(shí)間、保持時(shí)間）至關(guān)重要，必須仔細(xì)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)良好的熔體流動(dòng)和壓實(shí)，而不會(huì)導(dǎo)致材料降解或纖維損傷。 能量傳輸?shù)挠行钥赡苁懿考穸群蛶缀涡螤畹挠绊?，在放大?guī)模時(shí)需要仔細(xì)考慮。 "錘擊效應(yīng)"（振蕩沖擊）也在加熱中起作用，需要在工藝建模中加以考慮。

• 航空航天示例：USW 用于連接各種輕質(zhì) TPC 部件，特別是在需要快速進(jìn)行大量離散連接的地方，例如安裝夾子或小型加強(qiáng)件。它已用于組裝 MFFD 下殼上的零件 ，在航天飛機(jī)梁上進(jìn)行了演示 ，并歷史上用于 C-130 大力神運(yùn)輸機(jī)的材料。 它適用于常見的航空航天 TPC，如 CF/PPS 和 CF/PEEK ，并且也在探索用于復(fù)合材料修復(fù)應(yīng)用。

感應(yīng)焊接

圖注：MDPI，摘自《航空航天用先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料焊接》

• 機(jī)理：IW 是一種非接觸式加熱方法，利用電磁感應(yīng)。 一個(gè)載有高頻交流電的感應(yīng)線圈放置在連接線附近。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)的磁場(chǎng)，穿透 TPC 部件。如果界面處或附近存在導(dǎo)電元件，磁場(chǎng)會(huì)在其中感應(yīng)出渦流。這些導(dǎo)電元件的電阻由于焦耳效應(yīng)（I2R 加熱）而使其迅速升溫，熔化周圍的熱塑性基體。在冷卻過程中，同時(shí)或依次施加壓力以壓實(shí)連接處。對(duì)于碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料，固有導(dǎo)電的碳纖維本身通?？梢宰鳛榧訜嵩瑥亩鵁o需在界面處使用外來材料。對(duì)于非導(dǎo)電復(fù)合材料（如玻璃纖維增強(qiáng) TPC），必須在連接線處策略性地放置導(dǎo)電感應(yīng)器材料（例如，金屬網(wǎng)、碳纖維織物或?qū)щ姛崴苄员∧ぃ?，以吸收電磁能并產(chǎn)生熱量。

• 優(yōu)點(diǎn)：IW 提供快速、局部的加熱，且熱源（線圈）與部件之間無直接接觸。它非常適合創(chuàng)建連續(xù)的焊縫，即使是在大型或中等曲率的表面上。 該過程可以很容易地使用機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)化，使感應(yīng)線圈沿焊接路徑移動(dòng)。它已證明能夠生產(chǎn)高強(qiáng)度接頭（例如，據(jù)報(bào)道 CF/PPS 的搭接剪切強(qiáng)度約為 40 MPa）。IW 在航空航天領(lǐng)域是一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，其應(yīng)用可以追溯到幾十年前（例如，?？?、A340/A380）。它能夠?qū)崿F(xiàn)無緊固件的結(jié)構(gòu)裝配，有助于減輕重量并可能加快生產(chǎn)速度。

• 缺點(diǎn)/挑戰(zhàn)：一個(gè)關(guān)鍵要求是在連接界面處存在導(dǎo)電元件，無論是增強(qiáng)纖維本身還是添加的感應(yīng)器。如果使用感應(yīng)器，它會(huì)嵌入最終接頭中，這在某些應(yīng)用中可能不理想。感應(yīng)焊接設(shè)備和工裝的初始成本可能相對(duì)較高。實(shí)現(xiàn)均勻加熱可能具有挑戰(zhàn)性，特別是對(duì)于像單向 CFRP 帶材這樣的高度各向異性材料，其沿纖維方向和橫跨纖維方向的電導(dǎo)率差異很大。通常需要仔細(xì)的熱管理，以防止外表面過熱，同時(shí)確保足夠的熱量到達(dá)界面。如果管理不當(dāng)，強(qiáng)電磁場(chǎng)也可能干擾附近的傳感器或電子設(shè)備。

• 航空航天示例：IW 用于連接各種結(jié)構(gòu) TPC 部件和進(jìn)行修復(fù)。顯著的例子包括灣流 G650 的方向舵和升降舵，?？说闹髌鹇浼芘撻T ，空客 A340 和 A380 的 J 形前緣翼結(jié)構(gòu) ，以及可能用于 F-14 的部件。Spirit AeroSystems 在其前輪艙壁板演示器中使用了該技術(shù) ，而 Daher 正在大力投資該技術(shù)，用于 TRAMPOLINE  水平尾翼和全尺寸扭力盒演示器等項(xiàng)目。

電阻焊接

圖注：MDPI，摘自《航空航天用先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料焊接》

• 機(jī)理：RW 利用焦耳加熱原理（P=I2R），使電流直接通過放置在待連接 TPC 部件界面處的電阻加熱元件。該加熱元件通常是金屬網(wǎng)（例如，不銹鋼）、碳纖維織物或?qū)щ娋酆衔锉∧?。在元件的兩端進(jìn)行電接觸，施加電流，元件的電阻將電能轉(zhuǎn)化為熱量，熔化相鄰的熱塑性基體。在整個(gè)加熱和冷卻周期中保持壓力以壓實(shí)連接處。

• 優(yōu)點(diǎn)：RW 在連接線處提供高度局部化和可控的加熱。它以生產(chǎn)堅(jiān)固、耐用的接頭而聞名，并且被認(rèn)為用途廣泛，能夠連接一系列 TPC 材料并處理不同的部件厚度（據(jù)報(bào)道從 3 毫米到 30 毫米）。該過程允許精確控制溫度和壓力曲線，這對(duì)于確保焊接質(zhì)量和可擴(kuò)展性非常重要。研究表明，與 USW 和 IW 相比，RW 能耗更低。29 它與自動(dòng)化制造系統(tǒng)高度兼容，具有顯著降低生產(chǎn)成本的潛力（引用數(shù)據(jù)高達(dá) 40%）。 RW 對(duì)于創(chuàng)建大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如機(jī)身蒙皮-桁條組件或壓力艙壁）所需的長(zhǎng)而連續(xù)的焊縫特別有效。它也被證明是一種可行的飛機(jī)上修復(fù)方法。

• 缺點(diǎn)/挑戰(zhàn)：傳統(tǒng) RW 的主要缺點(diǎn)是加熱元件永久嵌入焊接接頭內(nèi)部。這會(huì)增加一些重量，可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且如果使用金屬元件，可能會(huì)引入電偶腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，特別是對(duì)于碳纖維復(fù)合材料。 焊接導(dǎo)電的 CFRP 被粘物可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榇嬖陔娏鲝募訜嵩孤┑街車祭w維中的風(fēng)險(xiǎn)，這可能導(dǎo)致加熱不均、需要降低施加壓力或縮短焊接時(shí)間，并可能導(dǎo)致熔合不完全或接頭強(qiáng)度降低（一項(xiàng)研究指出因此問題導(dǎo)致強(qiáng)度下降 15%）。同樣需要仔細(xì)的熱管理，特別是在焊接較厚部件時(shí)，以確保在不過熱的情況下正確壓實(shí)。對(duì)使用碳基加熱元件的研究旨在緩解與嵌入金屬網(wǎng)相關(guān)的一些問題。

• 航空航天示例：RW 越來越多地用于連接主要和次要 TPC 結(jié)構(gòu)。例子包括典型的蒙皮/桁條配置 ，在 MFFD 項(xiàng)目中框架與蒙皮以及角片與桁條的組裝 ，可能用于空客 A320 后壓力艙壁 ，以及在過去的軍事項(xiàng)目中焊接 PEEK 和 PEI 層壓板。 Spirit AeroSystems 也展示了其與感應(yīng)焊接一起使用。

自動(dòng)化與過程控制：可靠性的關(guān)鍵

無論采用何種特定的焊接技術(shù)，在航空航天領(lǐng)域成功的工業(yè)應(yīng)用都取決于自動(dòng)化和嚴(yán)格的過程控制。要實(shí)現(xiàn)飛行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)所要求的一致質(zhì)量、嚴(yán)格公差和高可靠性，需要超越手動(dòng)操作。機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)于精確操縱焊頭（焊頭、感應(yīng)線圈）或施加壓力板至關(guān)重要，可確?？芍貜?fù)的定位、移動(dòng)和力施加，尤其是在大型或復(fù)雜幾何形狀上。

同樣關(guān)鍵的是實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵工藝參數(shù)的能力。這包括精確管理界面溫度、施加的壓力、能量輸入（USW 的振動(dòng)幅度/功率，IW/RW 的電流/頻率）和過程持續(xù)時(shí)間（焊接時(shí)間、保持時(shí)間）。 先進(jìn)系統(tǒng)集成了用于原位監(jiān)測(cè)的傳感器（例如，用于 USW 的位移傳感器 ，用于溫度測(cè)量的熱電偶或紅外熱成像儀 ），為閉環(huán)控制和質(zhì)量保證提供反饋。實(shí)現(xiàn)高速率 TPC 制造的可行性在很大程度上取決于掌握這些焊接過程的自動(dòng)化?？刂茻崃鳌⒕酆衔锶廴诤蛪簩?shí)以及工具相互作用的內(nèi)在復(fù)雜性需要復(fù)雜的機(jī)器人集成、先進(jìn)的傳感器技術(shù)和強(qiáng)大的過程建模能力。 因此，在這些領(lǐng)域進(jìn)行大量投資是釋放 TPC 焊接在航空航天領(lǐng)域全部生產(chǎn)潛力的先決條件。

焊后質(zhì)量驗(yàn)證也至關(guān)重要，采用無損檢測(cè)技術(shù)（如超聲波檢測(cè)）來檢測(cè)空隙或脫粘，同時(shí)在工藝開發(fā)和鑒定期間進(jìn)行破壞性機(jī)械測(cè)試（例如，搭接剪切測(cè)試、剝離測(cè)試），以驗(yàn)證接頭強(qiáng)度和失效模式。

因此，選擇最合適的焊接技術(shù)很大程度上受應(yīng)用具體要求的影響，尤其是其規(guī)模和幾何形狀。USW 的速度使其成為眾多小型局部連接（如安裝夾子或支架）的理想選擇。 RW 似乎是大型線性結(jié)構(gòu)連接的首選方法，這些連接要求高完整性，例如機(jī)身壁板組件或壓力艙壁，盡管存在嵌入加熱元件的固有挑戰(zhàn)。IW 取得了平衡，提供非接觸式加熱，適用于大型、可能帶輪廓表面上的連續(xù)焊縫，當(dāng)不希望嵌入元件時(shí)尤其具有優(yōu)勢(shì)，盡管它在初始成本和過程控制方面面臨障礙，特別是對(duì)于各向異性材料。 這種專業(yè)化表明，未來的制造格局可能是在單一飛機(jī)上協(xié)同使用多種焊接技術(shù)，每種技術(shù)都針對(duì)所創(chuàng)建的特定接頭類型進(jìn)行優(yōu)化。