航空領域熱塑性纖維復合材料焊接技術發(fā)展研究

中國商飛上海飛機制造有限公司 張增煥 劉紅兵

與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料具有較好的強度和剛度，耐熱、耐腐蝕性強；鏈狀分子結構使其具有良好的韌性、抗損傷和抗沖擊能力；由于熱塑性聚合物分子鏈不含有產(chǎn)生鏈間化學反應的基團，成型周期短、生產(chǎn)效率高，便于大面積整體成型，具有較大的降低制造和使用成本的潛力[1]。自20世紀60年代中期，高性能FRTP就受到歐、美、日等發(fā)達國家的重視，并取得突破性進展。部分產(chǎn)品已被波音、空客、福特等公司成功應用到飛機蒙皮、整流罩、升降舵、平尾等制件上[2]。如空客A340/A380飛機機翼前緣應用了碳纖維增強的聚苯硫醚復合材料（C/PPS）；Gulfstream G550和G650飛機的壓力艙壁板是一系列帶壓力成型加強肋的碳/聚醚酰亞胺（C/PEI）；隱形無人機F-22上熱塑性復合材料用量為10%，口蓋和艙門幾乎都使用了碳纖維增強聚醚醚酮復合材料（C/PEEK），PEEK預浸料已經(jīng)應用在F-117A全自動尾翼、C-130機身的腹部壁板、法國陣風機身蒙皮等。

在生產(chǎn)結構復雜或大型構件時，通常采用化整為零的方法降低制造難度，節(jié)約生產(chǎn)成本。先成型若干簡單結構的部件，然后通過連接技術，組裝成整體構件[3]。機械連接需引入緊固件，形成應力集中，增加重量，且密封差。而傳統(tǒng)膠接工藝，膠黏劑通用性差，開發(fā)周期長。相比較而言，焊接技術最大的優(yōu)點是通用性強，工藝周期短(僅需數(shù)十秒至幾分鐘)，連接強度高，可以最大限度地發(fā)揮高性能熱塑性復合材料的性能優(yōu)勢[4]。因此，焊接技術是一項經(jīng)濟、快速、可靠的連接技術，應用前景廣闊。

航空用FRTP焊接技術研究現(xiàn)狀

根據(jù)不同的熱產(chǎn)生原理，F(xiàn)RTP的焊接技術可分為3大類，分別為熱焊接、摩擦焊接以及電磁焊接[5]。其中，在航空領域研究報道的有電磁焊接類的感應焊接和電阻焊接，摩擦焊接類的超聲焊接，以及熱焊接類的激光透射焊接4種。

1 感應焊接

感應焊接是在待焊接材料表面之間引入導電性或鐵磁性介質作為電磁場的感應元件。在電磁場作用下，感應元件產(chǎn)生熱量，使待焊接表面樹脂溫度達到熔點，在壓力的作用下形成接頭[5]（見圖1）。

感應焊接的表面形狀可以比較復雜，能夠適應不平整調節(jié)安裝。沿接頭移動線圈可形成連續(xù)的長焊縫。為了加工復雜的結構，可以用機器人控制線圈，便于實現(xiàn)自動化[6]；感應焊接的另一個優(yōu)點是，再次對焊接接頭加熱后，沿著焊縫將被焊構件切開，這樣就可以對不理想焊接接頭進行局部脫焊和重焊修補。

感應焊接時，焊接面上的溫度分布是否均勻是影響連接性能最重要的因素之一，這主要取決于植入感應元件的形狀和感應線圈的設計[7]。感應焊接缺點是植入材料不易制作，而且焊接感應元件的引入，直接影響接頭強度和電氣性能。目前，感應焊接的研究主要在復合材料中的碳纖維對焊接面溫度場分布的影響規(guī)律以及焊接接頭的可靠性等方面[8]。

2 電阻焊接

電阻加熱焊接時，在兩個焊件的待焊表面之間放置植入式加熱元件。加熱元件上有電流通過時，由于焦耳效應而產(chǎn)生熱量，傳遞到周圍接頭界面，引起樹脂熔化。在壓力作用下，形成焊接接頭（見圖2）。

電阻加熱焊具有工藝流程短，設備簡單靈活，費用低廉，不需要表面處理等優(yōu)點。Colak等[9]研究發(fā)現(xiàn)，電阻加熱焊的搭接接頭的拉剪強度幾乎與模壓成型的試件相等，但是電阻加熱焊所需時間少得多。另外，電阻焊能連續(xù)焊接大面積區(qū)域，而且焊接過程中不需要移動工件。

電阻焊接的加熱元件最終將殘留在接合線處，造成接頭處的應力集中、熱變形不統(tǒng)一、易腐蝕等問題。另外，由于空氣導熱能力差，容易導致焊接面中心處的溫度低于焊接面邊緣處溫度[10]。在焊接FRTP時，焊接熱的不均勻分布使得焊接面邊緣過度熔化，而在焊接面的中心還未開始熔化，導致碳纖維與植入體發(fā)生接觸，破壞了焊接過程。

3 超聲波焊接

超聲波焊接是熱塑性制件的最佳焊接方法之一，是采用低振幅、高頻率振動能量使表面的分子摩擦產(chǎn)生焊接所需要的熱量。超聲波焊接采用的頻率一般在20～120kHz。被連接部位首先在壓力的作用下固定，然后施加高頻率的振動。由于焊接界面存在微觀凸起或“導能筋”，機械波能擇優(yōu)在焊接界面上使熱塑性材料表面和分子鏈間由于摩擦作用產(chǎn)生熱量，從而材料表面的樹脂發(fā)生熔化，在壓力和超聲振動的共同作用下形成焊縫（見圖3[11]）。

快速和周期短是超聲波焊接的突出優(yōu)點。此外，先進的超聲焊接設備可全面控制和監(jiān)控焊接的過程，使得焊接工藝很容易實現(xiàn)自動化，尤其適用于批量生產(chǎn)[12]。超聲波一般用于小部件的焊接，對于大面積和特殊形狀的焊接則不適用。焊接接頭也必須經(jīng)過專門設計，以便將振動能量集中到熔化點，通用性較差。

目前，超聲波焊接研究方向有：通過優(yōu)化“導能筋”的形狀獲得高強度接頭；通過實時控制振幅和壓力提高接頭質量；采用雙頻率超聲波焊機提高焊接界面處的生熱效率，縮短焊接時間，減輕超聲波對復合材料的破壞[13]。

4 激光焊接

激光焊接采用兩種材料，即吸收激光的材料和透過激光的材料。激光透射焊接的原理是：兩待焊部件搭接在一起，激光穿過上部透光的材料而被下部吸光材料所吸收，在界面處產(chǎn)生熱量使上下兩種材料發(fā)生熔化，在壓力的作用下形成瞬時滲透焊縫，如圖4所示[14]。

同傳統(tǒng)焊接方法，如超聲波焊、熱工具焊和振動焊相比，激光焊接是一種適應性強的通用焊接方法，它減少了設計上的條件限制。激光焊接沒有焊接飛邊，接頭牢固、清潔。同時，激光焊接極大地減小了制品的振動應力和熱應力，這意味著制品的抗老化能力更好[15-16]。

圖1 電磁感應焊接示意圖

圖2 電阻焊接示意圖

圖3 超聲波焊接過程示意圖

激光焊接的缺點是對材料本身的光學特性要求嚴格。激光焊接要求上部材料具有較高的透射率，下部材料具有較高的吸收率。因此，PPS、PEEK和液晶聚合物LCP等低激光透射率材料和吸光強的黑色材料不適宜用激光來焊接。目前的方法是通過添加劑來改善材料的光學特性，以期獲得理想的焊接效果[17]。下部材料的吸收率可借助吸收劑來提高，常用的吸收劑是碳黑，但這會造成構件染色。Gentex公司開發(fā)的吸收劑Clearweld可避免染色現(xiàn)象。

總體來說，由于熱塑性復合材料本身電磁特性、光學特性等的限制，要求其焊接時輔以不同形式的介質或添加劑，而不同屬性的材料對輔助介質、添加劑的要求不同。而且，各焊接工藝參數(shù)之間互相影響，焊接過程的精確控制也尤為重要。因此，對于特定熱塑性復合材料的焊接，其優(yōu)化工藝仍需進行更為深入的研究。

FRTP焊接技術在航空中的應用實例

1 現(xiàn)有型號上的應用

目前，F(xiàn)RTP的焊接技術在航空領域已有成功應用案例。

（1）灣流G650型商務機上的應用[18]。這是航空航天行業(yè)歷史上首次將電感定位焊接熱塑性復合材料用于制造飛機主要構件。荷蘭Fokker公司設計并開發(fā)了G650型商務機的尾翼部分，并首次創(chuàng)新性地將電感定位焊接技術引入飛機方向舵和升降舵的工業(yè)化制造中。所采用的熱塑性復合材料是德國泰科納（Ticona）公司生產(chǎn)的Fortron聚苯硫醚（PPS），美 國 TenCate公司負責生產(chǎn)C/PPS半預浸料和片材。

電感定位焊接技術由荷蘭KVE復合材料集團開發(fā)，能夠通過移動焊縫線圈，在熱塑性層壓板的導電碳纖維中產(chǎn)生渦電流。電流從內部加熱層壓板，將熱塑性復合材料的基體樹脂熔融，從而將兩個部分焊接在一起。該項技術在法國巴黎的2010JEC復合材料展上一舉贏得航空類熱塑性復合材料焊接創(chuàng)新獎。

（2）空客系列型號上的應用。A380固定機翼前緣筋與蒙皮的連接采用多肋設計理念，其中C/PPS薄蒙皮多肋J-nose固定翼前緣結構通過超聲波點焊技術實現(xiàn)連接[19]。這是一種成熟的低成本焊接工藝。

A340蒙皮加強結構制造過程中，蒙皮與長桁間采用激光透射焊接（Laser Transmission Welding，LTW），材料為碳纖維增強的聚苯硫醚[20]。

此外，空客公司用熱塑性復合材料制造了A400M的駕駛員座艙板。其主操縱面也采用焊接技術進行連接制造[19]。

2 型號研制中的選用研究情況

復合材料在型號飛機上的應用在國際上是一個大的發(fā)展趨勢，隨著FRTP材料的推廣應用，F(xiàn)RTP的焊接技術也是飛機制造技術研究焦點及未來更多機型設計制造的方向。

（1）A340-600機翼前緣的電阻焊研究[21]。Keck等人以A340-600的機翼前緣為原型，以碳纖維增強的聚醚醚酮為選材，展開了從設計到制造的一系列研究。在多肋設計理念的實現(xiàn)過程中，采用電阻植入焊方法，以不銹鋼網(wǎng)作為加熱元件，將T-L型的C/PEEK肋連接到蒙皮上，制成了A340-600的機翼前緣全尺寸模型展示件，焊縫長達750mm。

該項目研究過程中，根據(jù)空客工業(yè)測試方法QVA-Z10-46-09開展了大量的研究測試工作，得出加熱元件的優(yōu)化布局方案，以增加焊接長度。在單層不銹鋼網(wǎng)的兩面覆以玻纖織物并加壓，以真空固化技術進行生產(chǎn)。這種方法得到的加熱元件厚度可達0.5mm。

（2）TAPAS項目的感應焊接研究。2009年，空客與荷蘭多家公司、研究院所聯(lián)合發(fā)起了一個名為TAPAS的項目。該項目的目標是開發(fā)必要的熱塑性復合材料技術，為未來飛機項目制造大型主結構件。其中，纖維焊接便是該項目研究中的關鍵技術之一。TAPAS項目研究的其他技術還包括創(chuàng)新肋和加強筋的壓力成型系統(tǒng)、加強筋的焊接等[19]。

目前，TAPAS項目已進入第二階段。在JEC歐洲2014展會上，TAPAS項目組成員Fokker公司展出了一個熱塑性復合材料機身壁板驗證件。該壁板由Cytec航宇材料公司提供的C/PEEK預浸料制造。壁板在陰模中鋪放，通過自動預浸帶鋪放，先鋪放垂直筋條，然后是蒙皮。蒙皮和筋條共固化，之后水平框架進行感應焊接[22]。

圖4 激光透射焊接

（3）熱塑性復合材料研究中心。2009年，波音公司、TenCate公司、Fokker公司和特文特大學簽署協(xié)議，聯(lián)合成立了塑料性復合材料研究中心（簡稱TPRC）。旨在加速為熱塑性復合材料的新應用（主要在航空業(yè)中的應用）開展科學和技術研發(fā)，重點關注連接和焊接方法[23]。在此后的發(fā)展過程中，TPRC不斷吸納新成員，增強其技術研發(fā)能力。

國產(chǎn)大型客機研制中的FRTP焊接技術研究思路

國外越來越多型號上的成功應用，驗證了FRTP用于飛機結構件的可行性及國外制造技術的成熟度，同時也拓寬了我國在大飛機研制過程中的設計思路。目前，我國與俄羅斯合作的寬體客機項目中，復合材料選用比例相比ARJ21和C919項目有了很大提升，熱塑性復合材料的研制也被納入其中。因此，在加快開發(fā)和加強熱塑性復合材料的制造加工技術同時，焊接技術作為關鍵連接技術之一，也亟待探索并逐步深入化、產(chǎn)業(yè)化，以擴充我國技術儲備，提升自主研發(fā)能力，抵制國外技術封鎖。

對于熱塑性復合材料的焊接技術，國內的研究起步較晚，技術基礎相對薄弱，要實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應用，必須建立完善的技術體系，解決以下幾點根本問題。

（1）纖維含量及分布形態(tài)對接頭強度的影響。纖維作為FRTP材料的增強相，對材料本身的性能具有決定性的影響，這也是FRTP焊接區(qū)別于金屬焊接的關鍵因素。研究焊接接頭處的纖維含量及分布狀態(tài)對接頭強度的影響，對于FRTP的焊接技術研究是必不可少的一環(huán)，也可為后續(xù)研究提供確實的依據(jù)和方向。

（2）輔助介質的選用及開發(fā)。輔助介質的使用，可以使復合材料滿足可焊、易焊的要求。針對不同種類的復合材料，研究開發(fā)不同的輔助介質，以實現(xiàn)焊接過程的簡便精確控制和焊件性能的提高。

（3）焊縫質量及性能評價標準建立。針對熱塑性復合材料這種新的材料體系，摸索出其最佳焊接工藝窗口，在此基礎上進行大量的性能試驗，建立起相應的焊縫質量評價標準體系，推進其產(chǎn)業(yè)化應用。

結束語

隨著復合材料的應用推廣，熱塑性復合材料制造技術成熟度增加，制造成本降低，熱塑性復合材料在航空制造技術領域的應用將會顯著提高。掌握熱塑性復合材料的制造及焊接連接技術，將顯著提升自主研發(fā)能力，增強型號飛機的技術競爭力。因此，發(fā)展FRTP的焊接技術成為現(xiàn)階段先進飛機制造技術研究的迫切需求，也將是未來一項長期的任務。

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