摘要：多点顺序超声焊接是一种有前景的热塑性复合材料连接技术重叠配置。在欧盟清洁天空2多功能机身演示器（MFFD）的框架内下壳SmarT多功能和进气TP机身（STUNNING）项目，基于机器人开发了用于连接大型热塑性塑料结构的顺序超声波点焊工艺基于先前工作[1]中报告
摘要
多点顺序超声焊接是一种有前景的热塑性复合材料连接技术重叠配置。在欧盟清洁天空2多功能机身演示器（MFFD）的框架内下壳SmarT多功能和进气TP机身（STUNNING）项目，基于机器人开发了用于连接大型热塑性塑料结构的顺序超声波点焊工艺基于先前工作[1]中报告的过程开发步骤。该技术正在在8米长、4米壳半径的全尺寸热塑性复合材料机身段上进行了演示。这个机身蒙皮通过焊接夹与纵向桁条和周向框架连接机身演示器的下壳。本文介绍了机器人顺序焊接的概述SAM | XL与代尔夫特理工大学和正在进行的子公司合作开发的技术GKN航空航天公司领导的机身演示器的组装过程。
介绍
超声波焊接(USW-Ultrasonic welding)是一种有吸引力的焊接技术热塑性复合材料技术由于工艺时间更短，结构更简单接头界面处异物的要求。该过程可用于持续实现在极短的加工时间内实现高接合强度(1-1.5秒)。多点焊接(MSW-Multi-Spot Welded)单圈关节已被证明表现出相当的承载能力以及更高的承载能力与故障时的局部损坏相比类似尺寸的机械固定接头。这个由于关节刚度较高从而降低剥离应力。预计城市固体废物接缝表现出更高的连续焊缝的损伤容限由于潜在的固有止裂行为由于接缝的不连续性和需要以使裂纹在后续焊点中重新萌生。因此，顺序多点超声波焊接是一种有前景的工业连接技术应用程序，前提是该过程可以大型结构装配自动化具有复杂几何形状的组件。顺序超声波点焊目前用于连接TPC机身蒙皮纵向Ω形长桁至周向通过使用结构马鞍形连接件来构建框。这个结构可以在下壳中找到多功能机身演示器（MFFD），即。STUNNING演示器（图1）。通函点焊用于将夹子连接到如图所示，将蒙皮/长桁和马鞍形连接件固定在框上，如图2所示。为此，超声波焊接硬件、顺序焊接策略和，SAM|XL开发了自动化工具与代尔夫特理工大学合作。目标是在一个212个热塑性复合材料的自动连接方式将马鞍形连接件固定在蒙皮、长桁和框上令人窒息的演威件。对于自动化子系统装配操作，一个6英寸的高架龙门机器人SAM|XL正在使用自由度。期间分装工艺，下壳结构机身演示件由金属支撑TCTool联盟开发的夹具。
图1：热塑性复合材料机身下壳演示件。
图2：点焊的接头配置。马鞍形连接件点焊到蒙皮/长桁（左侧），马鞍形连接件与框点焊（右侧）。
马鞍形连接件、蒙皮、长桁和框由不同纤维结构以及厚度的零件组成。这些马鞍形连接件是由ECOCLIP联盟，注塑成型由回收的短碳纤维增强低熔点材料制成聚芳醚酮（LMPAEK）复合材料平均厚度为3毫米。蒙皮、长桁和框由连续纤维制成增强LMPAEK复合材料。蒙皮有厚度从1.5毫米到10毫米不等。长桁和框的厚度范围在2毫米到3毫米。在焊接接口处，马鞍形连接件采用0.2毫米高的三角形肋状物（图3）制造，这些肋状物作为能量引导器。在马鞍形连接件的制造过程中，利用模具的特殊功能生产了这些肋状物。
图3. 马鞍形连接件上的点焊位置的横截面显微照片，焊缝表面有模制能量导向肋纹（顶部）。
焊接硬件对于图2所示的两个接头配置，开发了一种由两种不同工具组成的焊接末端执行器（EEF-end-effector）。如图4所示，这些可单独安装在EEF上，用于每种焊接配置，即马鞍形连接件到蒙皮（CTS-clip-to-skin）和马鞍形连接件到框（CTF-clip-to-frame）。在CTS工具中，焊接堆垂直驱动，与待焊接零件平行。它还包括一个气动驱动的夹具，用于在焊接操作期间夹持和夹紧马鞍形连接件。在CTF工具中，焊接堆是水平驱动的。该工具包括一个集成铁砧，在焊接过程中为框提供背压。超声波发生器的反馈以及焊接EEF中集成的位移和压力传感器用于控制焊接过程。焊接EEF安装在6自由度的高架机器人的手腕上。这使得EEF能够到达演示器中的所有位置，并且能够将超声波棒定位成垂直于夹具焊接位置。
图4.超声焊接EEF在CTS配置（左）和CTF配置（右）在静态测试台上的情况。
流程发展和焊接质量
演示件在以下方面存在很大差异待加工零件的材料配置和几何形状通过超声波点焊连接。因此，进行了广泛的试验来描述材料的焊接性能，并验证之前确定的焊接参数研究。分别进行了焊接试验静电焊接EEF的接头配置试验台的材料配置如演示件。这需要短纤维复合材料焊接到连续纤维复合材料上的试样/马鞍形连接件面板模仿蒙皮、长桁和框。这个静态测试设置如图4所示。每个点焊都使用直径为20毫米的圆形超声焊极。由此产生的焊缝为形状近似圆形，平均直径为18mm。
获得的焊接质量为基于单圈剪切强度进行评估接缝、界面横截面图像作为焊缝的超声波扫描。平均单圈剪切强度为30 MPa（变异系数：1.8%）。期间材料单圈剪切试验和拉力试验短纤维增强夹子出现故障材料，而不是焊接界面。这个表明焊缝强度高于马鞍形连接件材料本身的强度。代表性横截面显微照片以及介绍了焊接截面的超声C扫描分别如图5和图6所示。可以看到
在图5中，获得了均匀的焊缝根据定性分析，没有大的空隙在焊接界面处观察到。请注意，该地点通过引入超声波焊极来产生焊缝上部被粘物上的机械振动，其为短纤维增强复合材料。在图6中，近似圆形的焊点可以在关节重叠处看到平均值直径为18毫米。
图5.短纤维马鞍形连接件（上粘接件）与连续纤维增强面板（下粘接件）之间代表性焊缝的横截面显微照片。
图6.接头马鞍形连接件的单个点焊超声波C扫描，焊接点直径约为18毫米，呈圆形。
马鞍形连接件自动焊接策略
焊接末端执行器（EEF）的设计考虑了在每个马鞍形连接件的8个不同位置点焊到外壳、长桁和框的具体要求。由于焊接数量大，零件之间以及超声探头和零件之间的公差要求严格，因此必须仔细地将焊接末端执行器（EEF）与龙门机器人集成，并针对加强的蒙皮进行工具校准。由于蒙皮和长桁在马鞍形连接件集成之前的组装步骤中会出现各种变形（蒙皮制造、长桁集成等）以及长桁位置（相对于CAD中的产品定义）在装配公差范围内的变化，这项任务被证明是耗时的。对于马鞍形连接件到蒙皮和马鞍形连接件到长桁的焊接操作，决定首先焊接直接与蒙皮接触的马鞍形连接件外脚。随后，焊接马鞍形连接件与长桁接口上的剩余四个点。焊接顺序如图7所示。
图7. 马鞍形连接件、蒙皮和长桁连接的顺序点焊。
这个焊接顺序之所以被选择，是因为多个因素共同作用。首先，它有助于减少由于长桁和马鞍形连接件焊点之间的距离（从0.5毫米到8毫米）而导致的马鞍形连接件与框在垂直平面上的对齐风险。其次，这个焊接顺序也有助于确保在至少两个位置（即马鞍形连接件-蒙皮焊接界面）获得高质量的焊接。焊接顺序的结果是龙门机器人相对复杂的运动，以便在焊接位置上方定位超声探头和马鞍形连接件。对于马鞍形连接件-框焊接配置，由于马鞍形连接件的垂直凸缘需要与框的垂直凸缘焊接，因此需要额外的工具来施加反向压力。因此，CTF焊接工具包含一个集成砧座，可以从框后方施加反向压力，同时超声探头位于马鞍形连接件上。图8中的模拟图像描绘了CTF工具用于将夹具焊接到环形框上的情况。从焊接工艺的角度来看，马鞍形连接件-框界面上的两个位置的焊接顺序并不重要。因此，根据机器人运动的便利性选择了焊接顺序。
图8. 超声波焊接EEF在CTF配置中，带有集成砧座（黑色）。
焊接EEF相对于马鞍形连接件的定位和定向需要很高的准确性。由于从初始设计到蒙皮/长桁轮廓的形状变形以及零件位置的变动（在制造公差范围内），每个马鞍形连接件的位置和定向最终都需要使用徕卡激光跟踪仪手动测量，其测量精度约为0.1毫米。随后，使用每个马鞍形连接件的实际位置更新了仿真模型，并为龙门架生成了运动程序，以准确地为每个点焊位置焊接EEF。
演示件制造
目前，正在对演示件上的马鞍形连接件进行超声波点焊到蒙皮和长桁。在图9中，可以看到CTS焊接EEF在焊接前由龙门架机器人定位在马鞍形连接件上。完成夹子到外壳的焊接后，将框架定位在壳体中，然后开始CTF焊接。
图9. 焊接EEF在CTS配置中，定位在机身演示件的下壳体上的马鞍形连接件、蒙皮焊接位置。
结论
本论文强调了SAM|XL和代尔夫特理工大学为实现自动化的超声波点焊过程而采取的工艺开发步骤，该过程正在多功能机身演示件的下壳体上进行演示。通过实验试验获得的结果与基于机器人的焊接工具的开发是有前途的，并表明，超声波点焊过程中可以使用的大型热塑性复合材料结构的加入具有很高的信心水平。在不同纤维结构和厚度的复合材料中，点焊接接头已被证明是可靠的，不会引起轻微的零件错位和公差问题。然而，必须强调的是，结构通过超声波点焊工艺的焊接性在很大程度上取决于零件的间隙、公差和表面质量。结构连接的超声波焊接工艺的工业化应考虑焊接表面的可达性、零件的变形和工艺公差。此外，由于所涉及的高工艺力，所选择的工业机器人系统的刚度以及后支撑结构的刚度对焊接工艺的升级成功起着重要的作用。该项目的主要成果可以总结如下:·基于机器人的焊接工具在马鞍形连接件到蒙皮和马鞍形连接件到框焊接配置中的概念和功能在焊膏和零件规模上进行了实验测试和演示。在各种厚度配置的短纤维到连续纤维增强接头的焊接试验中，实现了高点焊质量。目前正在将卡片焊接到皮和刺，随后将开始将卡片与框架焊接。
原文，《Automated Sequential Ultrasonic Welding on a full scale The rmoplastic Composite Fuselage demonstrator》
杨超凡 2025.1.5
来源：刺猬科技圈