以下讨论摘自CW 2021年6月的感应焊接网络研讨会。“我们正在进行超声波检查，”IS Groupe的赖纳尔（Raynal）说。“如果超声波信号的‘强度损失’超过6db，我们认为该部分是不可接受的，这是航空领域的标准。”
MFFD下半机身的地板梁（顶部）和机身框架（中心）组件在GKN航空航天全球技术中心荷兰工厂（荷兰胡格芬）的焊接单元（底部）中进行传导焊接。末端执行器完成60x18毫米的焊接，稍后还将用于将完成的地板梁格栅焊接到已经集成在SAM|XL的机身夹上（见顶部图像）。
一级机身制造商吉凯恩（GKN）航空航天公司（英国Redditch）的首席技术专家利奥·穆伊斯（Leo Muijs）表示，吉凯恩福克公司（荷兰Hoogeveen）正在对其焊接结构进行脉冲回波超声波检测，并指出，“我们正在寻找其他适用于大面积的非接触式方法，以满足客户更高的体积要求。”
空中客车大西洋公司（法国图卢兹）的研发复合材料制造主管西蒙·梅尔·维格尔（Simon Maire Vigueur）指出，通过传统的C扫描和超声波检测，“我无法检测到焊缝中的间隙，所以我们必须研究新的检测技术来检测这一点，并证明良好的焊缝。”
KVE Composites的巴赫河(Bach)并不完全同意这一观点，但他表示，对于他们的大多数焊缝，良好/不良显微镜与良好/不良无损检测之间存在100%的相关性。“挑战在于层压板表面不平行的位置，包括折弯和层压板脱落，传统的超声波检测具有挑战性。因此，我们正在研究新的无损检测方法、过程监控和使用焊接过程数字孪生的现场过程控制相结合。我们在KVE看到，良好的焊缝具有与基础层压板几乎相同的机械性能。但我们也看到两个层压板之间的熔合量有限的部分，但无损检测没有检测到。似乎有一个阈值温度和焊接时间，你需要达到这个阈值温度和时间，才能获得所需的机械特性。因此，你必须有过程控制，但也要确保整个焊缝的压力和温度都是正确的。”
使用Twenco传感器进行电阻焊接试验期间粘度与功率的关系图Twenco DEA传感器数据。感应焊接试验图（顶部）温度（红色）与接收/发送RF信号（蓝色）之比。电阻焊试验图（底部）粘度（红色）与功率（黑色），显示在恒定低功率下保持期间的稳定粘度。
Twenco（荷兰Vriezenveen）也在电阻和感应焊接试验中展示了其无损检测电介质分析仪，后者使用KVE焊接试验装置。Twenco的传感器是一种非侵入性介质传感器，它使用电压和射频（RF-radio frequency）信号来监测复合材料在加工过程中的材料状态。在这两个试验中，传感器都被放置在焊缝中顶板的顶面上。公司创始人Cor Boksem说，对于感应焊接，“Twenco传感器可以看到焊缝内部发生的情况，你可以看到最大熔化稳定了五秒钟。通过几项测试，你可以很容易地确定焊接功率和行进速度之间的关系，以帮助优化焊接过程。”对于电阻焊接，Twenco研究了减少能源使用的可能性。Boksem说：“我们从使用675瓦的100%功率开始，并将其降低到200瓦。”。“我们可以看到，我们仍然能够熔化树脂并使其完全稳定。现在，我们可以通过开发一种基于粘度曲线的算法来自动完成，而不是手动完成。”
像Twenco这样的新型传感器可能会在未来的焊接控制系统中占有一席之地。SAM|XL首席执行官Kjelt van Rijswijk指出，SAM|XL的超声波焊机系统相当开放，可以容纳多种传感器，用于监测速度、温度和位置。“你希望能够同时控制焊接工具和机器人的位置。然而，不存在‘一刀切’——你做什么取决于零件的类型和尺寸、材料、焊接通道和焊接过程。例如，感应焊接通常是一个更封闭的系统，这使得引入外部传感器来监测焊接过程及其质量变得更加复杂。因此，它需要人工智能来缩短合适工艺规范的识别时间。”
超声波点焊机的位置控制，用于将夹子焊接到MFFD下半机身。
SAM|XL正在与KVE和Daher合作，开发如何以智能方式放置传感器，使机器人感应焊接工业化。Jongbloed说：“我们还在开发万无一失的连续超声波焊接技术，并将其工业化，包括使用人工智能验证工艺参数并将其与焊接质量联系起来以创建闭环控制系统的监测系统。”Van Rijswijk说：“这是一个多年的路线图，“我们才刚刚开始，但它将使我们能够可靠有效地焊接非常大的结构。与我们的合作伙伴一起进行的这些项目还将展示焊接复合材料结构的商业案例，包括哪种焊接技术最适合哪些应用。”
SAM|XL的技术不可知论很有趣，因为它为定制资格和控制提供了不同的解决方案。例如，在焊接MFFD上机身的工艺规范中，Kupke指出DLR测试了数百个试件。感应焊接也需要这样做，因为产生的热量取决于每种材料的电磁和加热行为以及每个零件的几何形状。Van Rijswijk说：“我们正在开发一种人工智能自动化解决方案。”。“当我焊接时，我想使用能够看到两个零件重叠位置的机器人，这样它就可以自学该怎么做。我不想每次焊接时都手动教机器人。激光距离传感器可以监测焊接头的位置和与焊接线的距离。这些传感器和其他传感器可以让机器人看到需要做什么并自行编程，然后监测材料转换。然后无损检测传感器可以内部查看并检查固结情况。因此，没有无需无休止的编程，也没有试错——只需将两个面板放在一起，按下启动键，机器人系统就会自动进行监测和无损检测。”
SAM|XL正在开发复合材料结构的自主、非接触无损检测。
Van Rijswijk指出，非接触式传感器是这种机器人化的理想选择。“我们正在与荷兰应用研究组织TNO一起开发非接触式无损检测，”他解释道，“在我们的龙门架系统上放置一块面板，机器人会拍摄图像，然后自行编程，在没有任何手动编程的情况下执行无损检测。这是一种与我们的焊接研发并行的技术，我们最终会将其集成。”他指出，数字化转型需要时间。“这是关于建立我们的硬件和软件平台，以便您可以添加到这些平台上并在其上进行构建。您需要能够不断改进您的流程，也需要能够改进执行这些流程的设备。”
KVE Composites的研发经理Maarten Labordus认为，模拟和建模也是感应焊接工业化的关键。“KVE正在使用两种方法，”他解释道。“一种是传统的自下而上的建模，使用商用软件和特殊的热导率和电导率测量设备，使输入数据尽可能准确。另一种是自上而下的方法，使用一组最佳猜测作为输入，然后用具有现实边界条件的焊接实验的热数据校准模型。这项工作是与ESI集团（法国Rungis）在PENELOPE项目中合作完成的。”
Labordus说，ESI在模拟中遵循多步骤方法，“首先进行非常精细的电磁和热分析。这一分析可能需要几天时间，然后根据KVE的测量热数据进行校准。然后ESI提取出一个所谓的热源函数，该函数可用于执行非常快速的模拟。目前，KVE和ESI正在完成建模活动，并朝着开发感应焊接过程的实际数字孪生模型的方向发展，然后将使用嵌入焊接工具中的非侵入式热传感器在KVE焊接系统的在线过程控制中实现。”
在2022年3月举行的热塑性复合材料会议（美国加利福尼亚州圣地亚哥）上，在题为“热塑性粘接和连接的进展”的小组讨论中，对认证问题进行了辩论。威奇托州立大学国家航空研究所（NIAR，美国堪萨斯州威奇托）航空航天系统先进技术实验室（ATLAS）主任、小组参与者Waruna Seneviratne表示，讨论中提出的一个主张是，焊接金属接头是无损检测最初成为一个行业的原因之一。“我的观点是，粘合或焊接接头的认证基本上有三种方法：对每个生产产品进行验证测试以限制负载，对超过允许阈值的缺陷进行完整无损检测或某种止裂特征。这是除了进行严格的粘合工艺鉴定和实施质量控制之外的。”
Daher的知识产权经理迈克尔·于贡(Michael Hugon)认为：“通过粘合，每次都有可能在粘合线或接触粘合处受到污染。”。“所以，你可能会出现粘合失效。我们在焊接中不应该有这个问题，因为我们正在重新熔化两个零件的表面，并将其扩散到彼此中，这样就不再有界面了。我还领导了一个金属搅拌摩擦焊（FSW-friction stir welding）项目，在该项目中，你可以扩散每个零件的材料来制造一个零件。你不再保持固体界面，所以你对潜在的污染不敏感。在热塑性复合材料中，我们还在焊接线上加热到Tg（玻璃化转变温度）以上。”因此，热塑材料焊接应该类似于热固性共固化，巴伊(Bailly)指出，“在那里你不会在子零件中做出任何区别——它们已经集成到一个零件中。”
塞内维拉特内(Seneviratne)说：“人们对在粘接接头中使用鸡铆钉(chicken rivets)感到兴奋，但它们本质上是止裂功能，可以防止潜在的损伤增长超过安全极限。例如，在机翼发生粘接故障的情况下，止裂功能可以让飞行员降落飞机。我相信，目前飞机的关键热塑性焊接接头具有某种止裂功能来防止损伤增长时的灾难性故障或完全接头故障。”
Muijs承认，GKN Fokker为湾流和达索飞机制造的焊接方向舵和控制面看起来仍然像一个有很多紧固件的传统组件。“与金属粘结结构一样，我们使用防脱粘功能来防止焊缝剥落。然而，在MFFD中，有很多焊接，只有少数用到止裂工艺。”
CF/热塑性再填充FSSW接头的顶视图（顶部）和横截面（底部）。
固定长桁跳动的摩擦铆接。
“多年来，”他继续说道，“我一直在努力开发其他更适合热塑性复合材料的概念。像焊接这样的好工艺，然后钻孔，破坏整个概念是没有意义的。因此，在MFFD子项目TORNADO中，我们正与希腊帕特拉斯大学和KVE合作，使用再填充搅拌摩擦点焊（FSSW-friction stir spot welding）。与正常的FSSW一样，我们熔化已经存在的材料，然后使用相同的材料再填充。另一个概念是摩擦铆接，我们使用的铆钉设计成，当它进入材料时，使用特定的速度和力，形成一个头部，以防止拔出。然后你可以在上面放一个螺母将其固定到位。“我们正在取得进展，”他补充道。“我们不会在MFFD中使用这些，但我们会制作测试面板和单独的演示。”
即使使用了止裂工艺，Seneviratne仍然会发现焊接中的表面污染和准备问题，就像粘合一样。“很多人认为，对于焊接接头来说，污染物不是什么大问题，因为温度将达到300或400摄氏度，因此，所有这些污染物都会被烧掉。但我们已经对污染物进行了研究，但事实并非如此。你必须确保表面清洁，并且在界面中有紧密接触。人们希望使用与我们对热固性材料所做的相同的表面处理技术，但这对热塑性焊接来说效果不佳，尤其是使用研磨技术。”
GKN福克也对此进行了研究。GKN航空航天全球技术中心（GTC，荷兰胡格芬）主任、长期从事热塑性复合材料和焊接冠军的阿恩特·奥夫林加（Arnt Offringa）表示：“在我们生产机翼前缘和控制表面时，翼肋凸缘是焊接在蒙皮上的。”。“翼肋首先是由层压板冲压成型的。由于这种制造工艺，翼肋凸缘不是100%清洁的。这就是为什么我们对凸缘进行Scotch-Brite清洁，然后用酒精擦拭。对于蒙皮，我们只使用酒精擦拭。为了确定焊接前有人触摸要连接的零件的影响，我们研究了手指油脂对焊接质量的影响。没有影响。当我们的焊接接头在测试中被拉开时，它们始终显示出良好的故障，即故障发生在其中一个零件上，而不是焊接区域。”奥夫林加指出，这种表面处理比粘合的主要结构简单得多，“在粘合的主要组织中，你必须确保你的表面非常光滑。”非常干净。”
Seneviratne说：“我们发现，使用高能方法，如大气等离子体处理，可以显著改善热塑性粘接接头的机械性能，并在焊接界面以外产生可接受的失效模式。然而，这对焊接接头来说并不那么重要。尽管如此，在粘接或焊接之前，表面清洁度很重要，我们已经看到大气等离子体是实现这一点的最佳方法，尤其是对焊接而言。然而，与粘接接头不同，表面处理在焊接中并不重要，但其他工艺参数——如热管理、在高于熔化温度和时间的情况下保持焊接表面固结压力的工具——至关重要。因此，作为一个团队，我们需要制定焊接工艺评定协议和方法以确保在接头的整个设计寿命内安全运行。”
KVE INDUCT焊接装置，用于安装在其商用移动焊接系统（顶部）中的试样（底部）。
KVE的Labordus说：“我们发现表面处理对感应焊接并不重要。”。这是基于KVE和合作伙伴Rescoll（法国Pessac）在MECATESTERS子程序（2019年4月至2021年10月）中进行的重要测试，该子程序基本上是对感应焊接零件的CF/LMPAEK单向带的鉴定。测试包括单搭接剪切（SLS-single-lap shear）、L型拔出和剪切、剥离和剪切的组合、GIC静态和一百万循环GIIC疲劳、冷（-55°C）/热（80-120°C）和90%湿度下的老化，以及焊接参数的研究，包括温度和压力的上下限，以及表面污染和制备的影响。后者调查了三种不同类型脱模剂的污染，这三种脱模剂通常用于压制和热压罐加工；特定类型的表面处理，包括砂光、研磨和红外处理；以及界面处额外树脂膜的影响以及此处的纤维取向，例如±45°帘布层。
Labordus说：“我们发现，焊接接头与粘合接头有着根本的不同，因为它们对表面处理和表面状况并不重要，因此在不使用空心铆钉的情况下应该更容易进行认证。”。“尽管如此，损伤抑制功能可以进一步提高焊接接头的损伤容限性能，并加快适航当局的验收速度。”
感应焊接热塑性复合材料测试中的逐步构建块方法示例。
Seneviratne说：“与粘结接头类似，焊接接头认证申请人必须制定稳健的工艺和严格的质量控制协议，并使用三种方法之一（验证载荷、全无损检测或止裂工艺）向认证机构证明合规性，否则他们必须对焊缝使用全新的认证方法，以证明其耐久性和损伤容限。我们应该逐步做到这一点，多年来积累这些接头的足够历史和大量数据，就像我们对粘结接头所做的那样。最终，我认为我们对没有止裂功能的焊接复合材料主结构有足够的信心。”
ENLIGHTEN财团包括22个合作伙伴，涵盖航空航天和汽车供应链。
这种信心可能很快就会到来——至少基于大量的数据。事实上，一种逐步的方法——即测试第一个试件，然后是子元件，然后是小尺寸和/或全尺寸组件的构建块/金字塔——已经被MFFD机身上半部分和下半部分计划、IS Groupe和空中客车大西洋公司在ECHOS计划中以及CETMA在MFFD门周围使用（见图）。2023年焊接后，MFFD的测试将增加更多数据，法国的TRAMPOLINE项目，2021年宣布的为期5年、22个合作伙伴的ENLIGHTEN项目，以及NIAR的弗兰肯斯坦（FS-19）焊接演示器将于2025年完成。
如何使焊接热塑性复合材料结构广泛用于商用飞机？IS Groupe的赖纳尔（Raynal）表示：“我们当然需要飞机制造商的认证，我认为这需要无损检测，能够为焊接部件提供一致和准确的质量保证。”。“我们还需要通过包括疲劳在内的所有必要测试的全尺寸演示件。”
KVE的巴赫表示：“GKN福克一直是应用热塑性复合材料和焊接组件的领先者之一。”“但飞机制造商也必须对这项技术进行投资。在过去两年中，我们看到对热塑性复合材料和焊接的投资和需求不断增加。仅从KVE收到的请求数量来看，我们就发现该行业确实在寻求可持续发展的下一步，市场已经开始相信热塑性塑料的应用和焊接可能节省的成本。我们将在十年内看到更多的焊接热塑性复合材料。”
原文见，《Thermoplastic composites welding: Process control, certification, crack arresters and surface prep 》2022.9.30
杨超凡 2024.5.20
