摘要：本研究重点探讨将静态电阻焊接工艺应用于全尺寸上壳体机身示范件的机会和挑战。描述了经过调整的电阻焊接装置和工艺，能够在整个焊接表面上产生高质量的焊缝，并具有定义的焊缝。讨论了在示范件焊接过程中出现的放大效应和挑战。提出了解决方案，以满足应用中对电阻焊接接头可靠性

摘要

本研究重点探讨将静态电阻焊接工艺应用于全尺寸上壳体机身示范件的机会和挑战。描述了经过调整的电阻焊接装置和工艺，能够在整个焊接表面上产生高质量的焊缝，并具有定义的焊缝。讨论了在示范件焊接过程中出现的放大效应和挑战。提出了解决方案，以满足应用中对电阻焊接接头可靠性的要求。

引言

碳纤维增强热塑性塑料（CFR-TP）目前备受关注，因其在加工和尤其是装配方面具有优势特性。热塑性塑料的可焊性为无尘装配提供了新的可能性，并允许重新组织装配流程。奥格斯堡轻量化生产技术中心（ZLP）及其项目合作伙伴空中客车公司、Premium AEROTEC 和Aernnova参与了欧洲清洁天空2大型客机（LPA-Large Passenger Aircraft）项目，并面临生产8米长的飞机机身热塑性上部壳段的挑战。

多功能机身演示器(MFFD-Multifunctional Fuselage Demonstrator)结构将采用东丽先进复合材料公司提供的碳纤维增强低熔点聚芳醚酮(CF/LM-PAEK)CETEX® TC1225制造。上壳体的蒙皮将通过原位铺带工艺制造，而长桁将通过连续超声波焊接集成。剩余的加强元件，如框、上下框连接件角片和加强件，将通过电阻焊集成到演示器中。本研究重点关注将电阻焊工艺应用于全尺寸上壳体机身演示器的机会和挑战。

电阻焊接原理和机会

电阻焊接原理

电阻焊接技术利用焦耳热在两个组件的界面处熔化聚合物。对于导电组件的焊接，使用由导电体（此处为东丽5HS、T300JB碳编织预浸料，277gsm）和电绝缘层（此处为东丽4HS、EC5 E-玻璃预浸料，105gsm）组成的焊接元件，每个表面朝向焊接伙伴。焊接表面之外的导电体通过铜块接触，并通过电源闭合电路。电流通过焊接导体流过，加热焊接伙伴之间的界面，通过施加外部焊接压力（图1）进行固结。

图1. 电阻焊接设置示意图

焊接性能

电阻焊接技术的巨大优势在于能够产生与零件厚度无关的接头。这可以通过焊接元件在接合区的直接温度应用来解释。由于焊接元件保持在接合伙伴之间，它可能会导致与零件层压值相比的强度值降低。然而，先前对电阻焊接CFR-TP的研究证实了高焊接因子（表1）及其对不同热塑性基体系统的可转移性。

表1.焊接因子作为焊接和压制固结参考之间的关系，在不同基体系统中实现单搭接剪切测试

此外，电阻焊接技术提供了生产完全封闭连接的可能性，以及在超声扫描中产生均匀的焊缝特性（图2）。图中显示了C扫描中近乎完美的背壁回波。在B扫描中，焊缝中心的两条线表示碳纤维织物和玻璃纤维织物之间超声信号的过渡，显示了小的衰减。

图2. 200mmx40mm CF/PPS焊接试样的超声波扫描

过程控制

传统使用的焊接导线，如不锈钢网格或碳纤维织物，表现出温度依赖的电阻行为。这个值可以用来产生直接的温度反馈，并在现场监测和控制过程。控制焊接过程的另一种方法可以通过测量焊接位移来实现。例如，在无填料和低填料热塑性塑料的不同焊接技术中。由于电阻焊接的焊接路径较短，特别是在接缝中没有额外的基体材料，因此该测量方法优选用于具有过量基体的焊接。这样，可以避免层压板的过度加压，并且可以调整纤维体积含量。

电阻焊接的挑战

容差管理

容差补偿是大型航空航天结构生产中最大的挑战之一。连续纤维增强CFR-TP的焊接几乎没有机会补偿组件的容差，需要在设计过程中尽早考虑。因此，焊接伙伴的匹配至关重要，因为额外的、填充间隙的基体会导致非均匀的焊缝厚度，进而导致结合强度的变化。然而，电阻焊接过程提供了广泛的焊接压力水平，能够处理由于表面不规则性而在焊接之间产生的压力变化。在文献中，焊接压力约为1.0 MPa。描述为导致高质量的焊接，而更高的压力水平会导致过度的挤压流动，而不会进一步提高焊接性能。

部件多样性

单个组件（如夹具）的尺寸变化增加了焊接工具的变体数量，因为需要全表面接触压力。对于电阻焊接工艺，这也意味着焊接工艺参数的变化增加。这些参数的决定性取决于组件和焊接工具的导热性，以及焊接元件的几何形状。

组件的可接近性

电阻焊接工艺要求在接触和压力建立时垂直于接头的可接近性。此外，在配合零件的平面上，需要两个相反侧的可接近性，以便能够与焊接导线建立足够的电气接触。为了确保组件之间的最佳负载传递，它们的界面被设计得尽可能大。总之，这要求在接合区域施加更大的压力，并减少了可接近性。另一方面，焊接和接触压力的总体降低允许使用更细的焊接工具，从而便于组件的可接近性。

提高可靠性的方法

工艺改进

热塑性复合材料原位固结仍处于开发阶段，与压制模压层压板相比，其表面拓扑质量无法达到相同水平。为了实现焊接元件的均匀加热，必须对焊接元件的表面施加恒定的接触压力。

压力值的不同会导致接触电阻的局部差异，进而导致不均匀的加热行为。为了最小化可能的电阻波动，验证了两种不同的测试，以增加后期电阻焊接的可靠性。

一方面，通过加热模具对T-AFP表面进行局部后固结。在这个额外的工艺步骤中，层压板在晶粒熔化温度以上局部加热，并在恒定压力下冷却。这旨在减少层压板的表面波纹，并在后期的电阻焊接中确保均匀的接触面压力。

图3.使用加热模具对比较差的局部后固化的单向层压板

第二种正在研究的方法涉及使用商用缝纫机通过锯齿状针孔减少焊接元件的接触电阻。

图4.与未预处理的焊接元件相比，针孔减少接触电阻的测量

缝合穿孔减少了整体电阻值，并导致电阻值对接触压力水平的依赖性降低（图4）。两种方法，即层压板的局部后固结和焊接导体在接触区域的穿孔，在初步研究中显示出提高焊接过程可靠性的潜力，用于演示件的制造。

智能工具设计

由于可能的空气间隙，电阻焊接过程特别容易受到接触块和层压板之间过渡区域局部过热（边缘效应）的影响。通过结合具有高热导率的实心铜块，可以最小化间隙距离以避免过热。

对于焊接CFR-TP角片，开发了末端执行器（图5），末端执行器上的铜块可调节至层压板方向。灵活补偿组件和铜块之间过渡间隙变化的能力显著提高了工艺可靠性。为了减小气动缸的尺寸并最小化末端执行器的尺寸，压力应用通过偏转杆实现。

图5.用于热塑性角片自动电阻焊接的末端执行器

随后，运动学原理从夹钳焊接末端执行器转移到用于MFFD上壳体框集成的焊接模块中。在这里，整体C型框增加了接合表面的可访问性。

图6. C型框集成焊接模块

图6显示了打开和关闭位置的焊接模块。这些模块随后被连接到框集成装置，并确保在连接法兰与蒙皮的位置处的焊接表面得到适当的加压。第二杠杆机构用于在焊接元件的接触表面定位铜块并加压。

综合的质量保证

提供了过程监控的可能性，并构成了过程控制的基础。在演示器的生产过程中，对各种焊接参数进行监控，以确保高质量的焊接。除了压力、电流、电压和功率等过程控制的必要参数外，焊接无启动、中止和批准标准也遵循焊接过程的可靠执行。

摘要和展望

本文介绍了上部壳体多功能机身演示器的焊接活动展望。描述了电阻焊接工艺，然后介绍了其在制造全规模结构过程中所面临的机遇和挑战。焊接强度值和过程控制的可能性被强调为这一过程的一个机会。容差管理、零件种类繁多及其易用性被描述为演示器组装过程中的最大挑战。此外，还描述了工艺改进以确保焊接元件的均匀加热。焊接工装的智能设计在过去已经证实了其可靠性的提高，并被转用于MFFD工装。最后，综合质量保证被列为过程本身的必要组成部分。它提供了关于过程控制的直接信息，提高了可靠性并增强了对焊接过程的信心。

原文，《Towards increased reliability of resistance welded joints for aircraft assembly》

来源：小倩科技园地