摘要：欧盟清洁航空计划(以前的清洁天空2计划）的多功能机身演示器(简称MFFD)项目历时10年，制成了世界较大的热塑性复合材料(TPC)飞机结构之一。MFFD是一个长8米、直径4米的机身段，它展示了诸多的复合材料制造技术，包括：通过热传导焊接实现的“无尘组装”、连续

采用多种焊接技术制造的热塑性复合材料多功能机身演示器（MFFD）（图片来源：空中客车公司）

欧盟清洁航空计划(以前的清洁天空2计划）的多功能机身演示器(简称MFFD)项目历时10年，制成了世界较大的热塑性复合材料(TPC)飞机结构之一。MFFD是一个长8米、直径4米的机身段，它展示了诸多的复合材料制造技术，包括：通过热传导焊接实现的“无尘组装”、连续超声波焊接和电阻焊接。该项目的目标之一是，探索一些替代方法，用以取代在复合材料主结构上钻孔并安装紧固件的多步骤工艺链，从而节省劳力、时间和成本并减轻重量，同时，还致力于提高“能实现高效生产和更可持续制造以对生产废料进行再利用”的热塑性塑料工艺的成熟度。

MFFD下半部分的焊接纵梁：GKN Fokker 采用热传导焊接，将 CF/LMPAEK 纵梁焊接到多功能机身演示器（MFFD）下半部分的蒙皮上。作为清洁天空2计划STUNNING项目的一部分，MFFD下半部分由SAM|XL进行组装（图片来源：GKN Fokker，SAM|XL）

热塑性复合材料的焊接有可能显著提高商用飞机制造的可持续性。一级机架制造商(airframer)Collins Aerospace(美国北卡罗来纳州夏洛特)在其网站上声称，与以前的金属和热固性复合材料组件相比，自动化程度更高的、非热压罐(OOA)的可焊接热塑性结构有可能将制造循环时间缩短80%，并减轻50%的重量。以前的这些组件需要钻孔并使用机械紧固件，需要多达9个制造步骤。“我们相信，对于新型A320单通道飞机，热塑性复合材料将在5-8年内成为游戏规则的改变者，不仅能提高产率，还能最大程度地减重降本。”一级机架制造商(airframer)Daher Aerospace(法国巴黎)的副首席技术官Cedric Eloy说道。

“如果我们想要发挥热塑性复合材料的优势，就要利用焊接来实现无紧固件的组装，或者至少使用最少的紧固件。”Daher的研发副总裁Dominique Bailly补充道。

热塑性复合材料结构通过认证并用于飞行已有几十年，这包括1998年用在Fokker 50上的电阻焊接的主起落架门、分别于2000年和2006年用在空客A340和空客A380上的J形鼻前缘机翼结构，以及2008年用在湾流G650公务机上的感应焊接的CF/PPS升降舵和方向舵。“已有500多架G650飞机在飞行之中。”GKN Aerospace（英国索利哈尔）荷兰全球技术中心(简称GTC-NL，Hoogeveen)的总监Arnt Offringa说道。“现在湾流已有7个机型使用了焊接的热塑性控制表面，我们正在继续生产，因此，这已成为一种成熟的制造方法。”Offringa是上述感应焊接结构的一个重要拥护者，这些结构由福克飞机结构公司(Hoogeveen)开发制造，该公司目前是一级机架制造商(airframer)GKN Aerospace 的一部分。针对这些结构,GKN Fokker使用了KVE Composites(荷兰海牙)的专利感应焊接工艺。

自2018年以来，焊接技术取得了诸多进展，包括：转向基于低熔点聚芳醚酮(LMPAEK)的复合材料，与聚醚酮酮(PEKK)和聚醚醚酮(PEEK)相比，可以采用更低的温度进行焊接；自动化和仿真技术在持续进步，以及演示器的规模和复杂性在增加。此外，焊接的应用也日益普遍。大多数的一级机架制造商(airframers)都拥有重要的焊接研发能力或技术成熟度水平，其中许多公司的技术成熟度(TRL)接近5-6级。尽管焊接的结构自1998年以来就已取得了认证，但在美国仍存在争议，即未来对焊接结构的认证应遵循为粘接结构而制定的规则。这可能是因为美国的焊接技术不如欧洲的成熟，而且以前认证的细节并不广为人知。无论如何，良好的热塑性复合材料的焊接应在整个厚度上显示出均匀的材料分布，没有可识别的界面。这样，焊接的结构就完全不同于粘接的结构。

在欧洲，重点是在认证结构的生产过程中推进过程控制和无损检测(NDT)的应用，通过制造和测试越来越大的演示器来展示多种焊接技术，以及到 2026 年让第一个使用单向(UD)带制成的焊接结构（而不是以前由织物制成的部件）获得认证并用于试飞。

复合材料焊接的进展

2019年，清洁天空2的多功能机身演示器(MFFD)项目将其“采用东丽先进复合材料的Cetex TC1320 UD CF/ PEKK预浸带”基准变成了采用威格斯(英国兰开夏郡)的LMPAEK制成的TC1225材料，该材料具有更低的熔化温度、更快的加工速度和更低的成本。

图片来源：清洁航空计划

2019年，由GKN Fokker领导的清洁天空2的STUNNING项目(制造MFFD的下半机身)启动了MECATESTERS子项目（为期30个月），其中KVE Composites和 Rescoll（法国佩萨克）将基本上获得使用CF/LMPAEK单向带的资格。

图片来源：KVE Composites

2019年，由GKN Aerospace 提供的感应焊接的方向舵作为用在Bell V-280 Valor 倾转旋翼机上的V形尾翼控制面而得到了测试。

图片来源：Bell

2019年，清洁天空2的KEELBEMAN项目完成了0.25米×0.5米×1米的长龙骨梁截面演示器，其中包括CETMA使用其专利的感应焊接工艺、用CF/PEKK带制成 的A320 型飞机的纵梁。

图片来源：清洁航空计划，CETMA

2020年，清洁天空2计划与一级机架制造商(airframer)Aernnova Aerospace和CETMA一起启动了DEWTECOMP项目，以开发一种自动化的感应焊接系统，用于为MFFD的下半部分集成带有角撑板、楔子和配件的门围结构(DSS)。

图片来源：DEWTECOMP

2021年，作为LuFoV-3 TB-Rumpf项目的一部分，德国航空航天中心结构与设计研究所（斯图加特）和空中客车公司一起，展示了一个集成的机身中段(fuselage intersection)，包括一个非热压罐真空固结的蒙皮/纵梁曲面板，以及电阻焊接的框架和夹板，这些全都采用CF/PAEK单向带制成。

图片来源：DLR CC BY-NC-ND 3.0

2021年，空客大西洋公司（包括南特、蒙图瓦德布列塔尼和之前的STELIA工厂）展示了在CORAC资助的ECHOS项目中制成的6平方米的热塑性复合材料的机身断面，该断面上拥有感应焊接（采用了IS Groupe和阿科玛的专利ISW工艺）的纵梁。

图片来源：IS Groupe

2021年，Qarbon Aerospace（美国德克萨斯州Red Oak）在CAMX 2021展会上将一种专利的无基座感应焊接工艺用于其翼箱演示器上，据说45-47MPa的SLS 强度要比采用机械紧固件的行业标准的共固化接缝的强度高出30%-40%，焊接速度大约是0.75米/分钟。

图片来源：Qarbon Aerospace

2022年，KVE Composites和Daher展示了一个由变厚度蒙皮(tapered-ply skins)制成的600毫米×600毫米的弯曲扭力箱，其上拥有采用KVE专利的感应焊接工艺焊接的7条焊缝（红色）。KVE展示了4米长的焊缝，焊接的层压板厚度可达15毫米，SLS强度为30-48 MPa，对CF/PPS织物的焊接速度为1米/分钟，对UD CF/PAEK的焊接速度为0.20米/分钟。

照片来源：KVE Composites，Daher

2022年，德国航空航天中心结构与设计研究所（德国奥格斯堡）完成了MFFD上半机身的测试外壳，使用连续超声波焊接来连接纵梁，使用电阻焊来将C形框架连接到蒙皮上。

图片来源： DLR CC BY-NC-ND 3.0

2022年，柯林斯宇航公司宣布，将在年底前展示一种全尺寸的热塑性复合材料发动机风扇整流罩，该发动机风扇整流罩的弯曲框架被焊接到蒙皮上。

MFFD的下半部分

正在进行中的最重要的热塑性复合材料焊接项目是由空客主导的多功能机身演示器(MFFD)，该项目由清洁天空2（现为清洁航空）计划资助。该A320机型的机身段拥有4米的直径，长8米，一旦上、下两半焊接在一起，将成为世界上较大的热塑性复合材料结构。该组装而成的机筒将于2023年被交付给空中客车公司（德国汉堡），此前将由弗劳恩霍夫IFAM（德国施塔德）完成该组装件的组装。

下半部分的制造由GKN Fokker领导，在STUNNING项目中完成，而上半部分则由德国航空航天中心的轻量化生产技术中心(ZLP)负责管理，该中心是德国航空航天中心在德国奥格斯堡的结构与设计研究所的一部分。用于上下两半的部件均采用东丽先进复合材料（荷兰奈弗达尔）的TC1225 CF/LMPAEK单向带制成。MFFD 项目始于2014年，旨在实现“每月制造70-100套机身、将机身重量减轻10%(1000公斤)、将机身成本降低20%(100万欧元)”的目标。

此图展示了多种焊接技术，显示了制造4米直径、8米长的MFFD机身上、下两半的焊接步骤，以及该项目的负责人和合作伙伴。两半完成后，将于2022年第四季度被运往位于汉堡的空中客车公司，并于2023年将它们焊接在一起（图片来源：清洁航空计划，德国航空航天中心，GKN Aerospace, SAM|XL）

下半部分正在SAM|XL（荷兰代尔夫特）进行组装，计划在2022年10月底前交付给空中客车公司。SAM|XL工厂拥有多个机械臂和一个用于焊接的大型龙门机器人。第一步是，定位好omega形状的纵梁，并通过热传导焊接将其连接到弯曲的机身蒙皮上。“龙门机器人末端执行器配有吸盘，可以将纵梁精确地放到蒙皮上。”SAM|XL的CEO Kjelt Van Rijswijk说道，“它还配有超声波点焊机，用于将纵梁固定到位。”

将2.5吨感应加热的1米长热传导焊接工装安装到配有齿轮齿条的起重装置内，该装置利用机身外壳模具圆周上的槽口将焊机定位在每个纵梁上（图片来源：GKN Fokker，SAM|XL）

然后，GKN Fokker使用1米长的热传导焊接工装来焊接纵梁。该金属工装被感应加热，这种即时均匀的加热通过纵梁的支脚层压板进行传导，以熔化纵梁-蒙皮焊接界面处的基体。“该工装包含一个散热器，可控制纵梁表面的温度。”GKN Fokker的首席技术专家Leo Muijs解释说，“它施加压力，然后完成焊接过程。”他表示，这些omega形状的纵梁，两侧都有一个要焊接的支脚。该焊接工装在一侧向下移动，一次移动1米，轻微重叠1-2厘米，然后再在第二侧完成这一步骤。此外，还要焊接两个L形的纵梁以获得客舱地板。

在STUNNING项目中焊接的纵梁和支架。SAM|XL的龙门机器人使用带有吸盘和超声波焊头（左边红色虚线圆圈）的末端执行器来精确放置omega形状的纵梁并将其定位焊接到蒙皮上。通过热传导焊接将纵梁连接到机身蒙皮上之后，使用第二个超声波焊接工装将支架连接到其上（图片来源：SAM|XL）

“接下来，将支架放到这些纵梁上，通过超声波点焊将其连接到纵梁和蒙皮上。”Van Rijswijk说道。尽管用于此操作的专用超声波焊机具有与定位焊机相同类型的焊头，但与定位焊接相比，对于这种高强度焊接，它的配置不同。之后，采用相同的超声波点焊技术，利用这些夹子将框架连接到机身中。SAM|XL的材料和工艺工程师Bram Jongbloed表示：“为了使接缝垂直于蒙皮，我们让第二台焊机旋转90度。”该焊机将框架的平面腹板压制并焊接到夹子omega形平板上。Jongbloed表示，所有的超声波焊机首先在库卡(德国奥格斯堡)的机械臂上进行了测试，以确保它们满足要求并定义流程，然后用到龙门机器人上。

“我们大约有250个支架要用超声波焊接进行连接，然后再连接框架。”Muijs说道，“之后，我们将安装地板格栅，它配有复合材料的地板梁、金属座椅导轨和其他系统。我们将在地板横梁与框架相接的地方以及支撑支柱与框架相接的地方进行热传导焊接。”

他指出了在STUNNING项目中进行热传导焊接所汲取的经验教训：“焊接这些纵梁花费的时间要比我们预期的长得多，并且还导致蒙皮发生一些形状变化，这在以前热传导焊接的演示器中是没有的，所以，我们现在正在研究这个问题。在纵梁中还有一些啮合（厚度的变化）是我们无法很好克服的。平焊工装可以处理一定的坡度，如1：100的层落差（比如，每14毫米落下1层0.14毫米厚的层]不会造成问题，但我们不能焊接1：20的落差。”还有一个长度问题。“我们最小的焊接工装大约有半米长，比如，对于焊接40厘米的加强筋来说，这就显得太长了。”他说道。但是，难道没有其他焊接方法可以用于这些短的纵梁吗？“是的，但它们没有被指定用于该演示器，这是我们目前的任务。”Muijs说道，“所以，现在我们记录这些问题，并将其纳入我们提交给空客的最终报告中。当我们进行未来的设计时，我们可以制定有用的热传导焊接指南，并且我们已经在研究不同的末端执行器来解决这些问题。该演示器的总体目标是，发现这些挑战并推进技术进步来应对这些挑战。”

MFFD的上半部分

德国航空航天中心预计将于2023年初交付MFFD的上半部分。从2021年7月开始生产一个1米长的全尺寸测试外壳以验证其技术模块起，该中心也积累了一些经验教训，这包括连续超声波点焊和电阻焊。“我们将连续超声波焊接用于Z形纵梁，将电阻焊用于框架。”德国航空航天中心轻量化生产技术中心的热塑性复合材料生产技术负责人Frederic Fischer解释道，“我们这个测试壳有6个框架。我们先焊接了前3个，然后举行一次经验教训总结会议，并对焊接桥进行了一些重建和重新设计，然后再完成最后3个的焊接。这个测试壳使我们能够测试焊接元件的工艺参数和设置，研究其结果并决定我们将在最终8米的MFFD上壳上使用什么。”

必须改变什么呢？“我们使用连续超声波焊接得到的一个主要教训是,避免在纵梁支脚下方出现铺层端头或跑偏，蒙皮内的这些铺层台阶会影响焊接质量。”Fischer说道。

德国航空航天中心轻量化生产技术中心的部门负责人兼结构与设计研究所的副所长Michael Kupke 解释说：“在连续超声波焊接中，当超声波受到阻尼时会产生热量。较硬的材料会传输超声波，而较软的材料会增加阻尼。在焊接界面处放置一层柔软的未增强聚合物（与所焊接的复合材料表面的基体相同）,可以控制焊接过程中的能量，这被称作是一种能量导向器。”因此，就像纤维的数量会改变刚度和阻尼从而影响焊缝一样，层压板厚度的变化也会如此。“我们必须理解这种变化对焊接表面的影响，并在此过程中解决这个问题。”Kupke 说道。

“对于较厚的蒙皮和较薄的蒙皮，我们有不同的参数集。”Fischer 补充道，“纵梁中的啮合也是如此，以匹配机身蒙皮中的堆层(buildups)和丢层(dropoffs)。我们正在根据被焊接部件的铺层和形状来调整焊接工艺参数。我们验证了我们能以1：200 的比率将纵梁焊接到浅坡道上。”

“我们在框架的电阻焊过程中得到了另一个教训。我们发现，原位固结的带蒙皮具有相对较高的导电性。为了避免在焊接过程中电流通过机身蒙皮而泄漏（如果焊接面具有相似的纤维取向，则泄漏电流的可能性更大），我们在基于碳纤维的焊接元件上添加了绝缘层。”

在MFFD的上半部分电阻焊接的框架。德国航空航天中心的弯曲焊接桥（上图）被用于将Premium Aerotec（德国奥格斯堡）制造的机身框架（中图）通过电阻焊接而连接到测试的机身蒙皮上。对于每一个框架支脚，焊接桥都有一个焊接模块，用气缸施加6 bar的压力，电流从红线流向黑线（下图），将基体加热到熔化温度（图片来源：德国航空航天中心CC BY-NC-ND 3.0）

德国航空航天中心的电阻焊接桥被锚定到测试机身外壳的工装上。该焊接桥抓取一个弯曲的机身框架，并将其下压到蒙皮上。“机架上的每一个支脚都有自己的焊接模块，带有一个气缸，可施加大约8bar的压力。”Fischer 说道，“然后，电流通过焊接模块进入位于框架支脚和机身蒙皮之间的焊接元件中。”这种焊接元件在焊缝中产生热量，类似于超声波焊接中使用的能量导向器。

过去，它是不锈钢的网，“但现在我们使用的是碳纤维复合材料，这与蒙皮和框架中使用的碳纤维复合材料相同。”Kupke 说道，“虽然金属具有较好的导电性，但我们已经消除了焊缝中的任何异物——它在整个过程中都是单一的均质材料。”

“在电阻焊过程中，我们运行电流，直到基体达到所需的工艺温度，该温度高于结晶熔化温度。”Fischer 继续说道，“然后，我们分两步降低电压，同时施加压力，直到焊缝冷却下来。”焊接过程大约两分钟。焊接完框架之后，德国航空航天中心再次使用电阻焊来集成夹板，使之成为Z形纵梁与弯曲机身框架之间的剪切带。德国航空航天中心为这一过程开发了一种基于协作机器人的焊接系统，因为它需要将每个夹板完美地定位在纵梁与框架之间，同时还必须允许公差补偿。

MFFD的门结构

MFFD项目的另一部分是机身下半部分的门围结构(DSS)，它将由一级机架制造商(airframer)Aernnova Aerospace(西班牙米尼亚诺)使用感应焊接来制造(注意，MFFD上半部分的门围结构由位于德国奥格斯堡的Premium Aerotec制造)。为了支持该项目，清洁天空2计划DEWTECOMP项目授予了研发实验室CETMA(意大利布林迪西)，旨在焊接带有加固部件如角撑板、楔块和配件的结构框架，从而与标准的热压罐固化的热固性结构相比，使得制造的门围结构至少减轻15%的重量，并降低75%的生产能耗。

“该项目的另一个目标是，开发一种高效柔性的感应焊接工艺。”CETMA的先进材料和工艺开发工程师 Giuseppe Buccoliero说道，“我们的策略是，将整个结构分成不同的子组件，这些子组件可以通过使用非常简单的工装和线性焊接路径被焊接而成。然后对这些焊接的子组件进行焊接和紧固，以制成门框结构。我们首先开发了用于CF/LMPAEK单向带的感应焊接工艺，然后我们采用积木式方法，从试样级别到组件级别，最后到演示器级别进行测试。我们还开发了一个全自动的感应焊接单元，它完全集成了机械臂的运动和感应焊接设备，并由单个PLC(可编程逻辑控制器)进行控制。”

CETMA还开发了仿真技术，不仅可以预测焊缝中的热行为，还可以预测力学行为，如微裂纹。“这有助于我们为每一个门围结构部件优化焊接工艺，同时还能顾及层压板的设计和部件的形状。”Buccoliero说道。

CETMA从试样扩展到带有加强筋的面板，通过搭接剪切测试、压缩测试和双悬臂梁测试来验证焊接性能（后者用于测试断裂韧性），并将测试数据与模拟结果进行比较。然后CETMA扩展到焊接机架子组件。该公司于2022年6月完成了该项目。

CETMA现在正在与其设备合作伙伴SINERGO(意大利瓦尔多比亚德内)和Advantech Advisory(西班牙Lloret de Mar)合作，将其专利的感应焊接技术商业化，包括龙门架和机器人系统。“SINERGO将提供设备并将其集成到客户工厂中。CETMA 将与客户合作，以充分了解应用并完成必要的工艺开发。”Advantech Advisory 的联合创始人Angel Lagraña解释道。

NIAR

威奇托州立大学的国家航空研究所(简称NIAR，美国堪萨斯州威奇托市)也在制定电阻焊、超声波焊接和感应焊接的工艺规范。其于2021年3月宣布，添加了机器人感应焊接设备，作为其由美国空军研究实验室(简称AFRL，俄亥俄州代顿)赞助的“为可负担的可持续复合材料建模(MASC)”研究项目的一部分。之后不久，又添加了电阻焊单元和超声波焊接单元，而且是准静态的，这意味着它们不是基于机器人的或连续的，而是能够产生分段的焊缝。威奇托州立大学的国家航空研究所使用的电阻焊，在焊接界面中应用了碳纤维电阻元件。

威奇托州立大学国家航空研究所的航空系统高级技术实验室添加了自动化的单元，以用于电阻焊（上图）、超声波点焊（中图）和感应焊接（下图），这些单元将用于生产30英尺长的演示器（图片来源：威奇托州立大学的国家航空研究所）

“在美国空军研究实验室的这项研究中，我们将通过一个名为Frankenstein （FS-19）的30英尺长的制造演示器来推进工艺开发，然后为所有3种焊接技术构建块认证协议。” 威奇托州立大学国家航空研究所的航空系统高级技术实验室（ATLAS）主任 Waruna Senevirate 说道，“该演示器将使我们能够大规模验证内部开发的焊接工艺和认证协议，并与不同的制造商合作，制造焊接的热塑性复合材料部件，并确保这些工艺的可靠性。”

在该项目中开展积木式测试，将迅速地从试样转向带有硬皮的面板元件级别。“我们将对粘接、栓接和焊接的接缝在面内和面外载荷下的静态强度、耐久性和损伤容限进行比较。这样做是因为我们需要解决问题以扩大这些技术的应用范围。疲劳测试对于理解长期行为也至关重要。我们有试样级别的疲劳测试数据，表明我们电阻焊缝的性能要比粘接接缝的性能好10倍。但后来，我们将界面处的准各向同性层从45度改为0度，仅这一小变化就使疲劳性能翻了两番，但静态测试数据并没有显示出任何差异。此外，随着我们扩大规模，我们还能保持这种性能吗？当您开始评估焊接工艺参数和不同的材料时，这一点非常重要。”Seneviratne表示。

在威奇托州立大学国家航空研究所开展的焊接测试使用了东丽的TC1225 PAEK 和索尔维复合材料（美国佐治亚州阿尔法利塔）的APC PEKK 单向带。用于制造演示器每个部分的材料和焊接技术将在2022年9月被最终确定下来。针对所有3种焊接技术的较低级别的工艺开发将在2022年完成。“然后，我们将开始进行元件级别的测试并由此进行扩展，到2023年夏天，我们应该能够在演示器中组装部件，目标是在2025年之前完成。”Seneviratne 说道。

KVE、Daher先进的感应焊接和红外焊接

KVE Composites 不仅拥有比几乎任何其他公司都多的焊接经验（15年），而且还是唯一一家在飞行的飞机（包括A220、湾流 G650和达索 F6X，它们都使用基于织物的层压板制成）上应用了感应焊接技术的公司。KVE于2019年被Daher 收购，这有助于将其专利的KVE Induct技术（为基于单向带的复合材料而开发）的成熟度提升到TRL4级别。两家公司预计，随着2024年TRAMPOLINE全尺寸水平尾翼（HTP）演示器的完成，其技术成熟度将达到TRL 5- TRL 6，并致力于使这项工艺获得波音和空客的认证，目标是到 2026 年实现飞行应用。

由Daher领导的TRAMPOLINE 项目得到了CORAC（法国民用航空研究委员会）的资助，目标是，与热固性复合材料相比，减轻15%的重量并显著缩短子组件的生产周期。其2.5米长的HTP演示器源自Daher的TBM单引擎涡轮螺旋桨商务/轻型多用途飞机，具有弯曲表面和厚度为1.6毫米至8毫米的LMPAEK单向带层压板。据说，Daher对部件和载荷的了解，将使该项目能够模拟完整的认证过程。

2022年5月，Daher宣布与卢森堡科学技术研究所（简称LIST，Esch-Sur-Alzette） 达成了一项为期3年的合作协议，以开发适用于大尺寸厚型部件的红外（IR）焊接技术，用于大批量的制造。“Daher投资KVE，是因为看到了其技术的重要性。”Daher 的知识产权经理 Michael Hugon 说道，“但从一开始我们就知道，这不是唯一的焊接方式。我们正在与KVE合作，研究感应焊接的局限性，KVE同意，我们还需要投资可能具有互补性的替代技术。”

他解释说，在红外焊接中，红外加热器直接预热焊接面，然后将其压在一起。而感应焊接过程则是利用电磁场在碳纤维层压板中感应出热量。“因此，能量必须穿过部件的厚度来加热界面并熔化热塑性基体。”

Hugon补充道，“而红外焊接是一种更简单的过程。在冲压过程中，我们使用红外加热来软化复合材料坯料中的层，然后再将其模塑成三维部件。到目前为止，我们将这种做法用在机身支架上已有10年，也用在较大型部件的研发之中。”Daher为空客的Wing of Tomorrow项目开发了2米长、12毫米厚的CF/LMPAEK肋。“红外焊接采用的加热机制与我们的冲压工艺相同，但只加热外表面，然后我们将两个部件压在一起。”Hugon继续说道，“感应焊接适用于封闭箱结构，如我们在TRAMPOLINE项目中展示的扭力箱。但我们正在研究每种技术的优势是什么。我们正在利用KVE和LIST之间的协同作用，包括焊接专家和材料专家，为这项比较定义特定的部件演示器。”

“红外焊接的第一个目标是，为大而厚的翼肋设想新概念。”Bailly说道，“我们已经利用感应焊接来连接 8.5毫米厚的单向层压板，但我们还不知道它的极限，它的性能取决于使用的是织物还是单向层压板。我们希望同时优化感应焊接和红外焊接，并为认证提供科学数据。”

感应焊接的扭力箱。KVE Composites和Daher展示了一个小规模的扭力箱演示器（上图），随后将于2023年推出全尺寸的公务机水平尾翼（HTP）扭力箱（中图）。KVE已使静态的焊接单元和基于机器人的焊接单元（下图）实现了商业化（图片来源：KVE Composites，Daher）

“我们还将努力推断2023-2024年公务机规模结构的设计指南，从TBM水平尾翼扩展到垂直尾翼。”Eloy补充道。当被问及空客第一个计划的ZEROe飞机在2035年推出后这种结构是否可行时，他反驳说，氢能可能适用于支线涡轮螺旋桨飞机，但面临太多的挑战，无法满足单通道喷气式客机的任务需求。“我们认为，下一个挑战将是利用热塑性复合材料来减轻下一代单通道飞机的重量，然后才是使用可持续的航空燃料来实现零排放目标。”

Bailly对此表示赞同：“我们今年展示的小型扭力箱演示器是一个很好的步骤，但明年我们将组装一个1：1尺度的水平尾翼，它将在2024年得到测试以显示 技术成熟度达到TRL6。”为了在市场中推动此类进展，KVE已商业应用了一个紧凑的焊接单元和一个更大、用途更广的机器人单元，紧凑的焊接单元用于焊接标准化的SLS和L形的拉拔试样，机器人单元用于演示器和批量生产。

移动基座感应焊接

Institut de Soudure（简称IS Groupe，法国维勒班特）和阿科玛（法国Colombes）也通过其专利的ISW工艺推进了感应焊接技术的进步。IS Groupe 与一级供应商 STELIA Aerospace（于2022年1月重组为空客大西洋公司）合作，在 Arches TP 机身演示器中安装了感应焊接的纵梁。随后，该公司重新设计了基于机器人的动态工艺，以使用与焊头相连的移动基座。金属基座由焊头中的感应线圈加热，将热量精确地集中在焊接界面上。移动基座与纯热塑性的或低纤维含量的界面层相结合，可以增加树脂的流动性。

移动基座感应焊接。使用与感应焊头（上图）一起移动的金属基座，使得ISW工艺仅将热量集中在焊接界面。用于生产ECHOS机身演示器（中图）的第二代系统很快将集成在线无损检测（图片来源：IS Groupe）

开发ISW工艺主要使用的是由阿科玛的PEKK聚合物制成的单向带材。对界面层的测试采用了未增强的PEKK和PEI薄膜，以及含35%-40%碳纤维体积含量的单向带。此外，还在蒙皮/纵梁板上进行了无界面层的焊接，该蒙皮/纵梁板的制造是，用UD CF/PEKK带材铺放7-39层，以获得厚度范围在1.5-8毫米的准各向同性叠层。对焊接的平面板和曲面板进行的测试显示出SLS强度分别为热压罐固化的参考面板的100%和80%，而且在带有铜网雷击防护的面板上进行的焊接也取得了成功，没有出现任何问题。2021年，IS Groupe 与空客大西洋公司合作，在CORAC资助的ECHOS(Evolution of Composites and tecHnologies on aerOStructure)项目中展示了一个6平方米的曲面机身面板，其上拥有10个使用 ISW工艺焊接的1米长的纵梁。IS Groupe 已将第一代和第二代 ISW 焊头商业化，并开发了使用超声波检测的在线无损检测技术，其目标是，2023年当“这种在线无损检测技术集成到其焊接平台中”的工作完成时，达到TRL6的技术成熟度。

雷神技术研究中心的焊接开发

雷神技术研究中心（简称RTRC，美国康涅狄格州东哈特福德）在大型曲面面板（标称内径0.825米，外弧长0.876米，1米长）上进行了感应焊接试验，该面板由16-24层 CF/PAEK 单向带层压板组成，代表一个亚尺度的典型的带筋蒙皮飞机结构。赵文平博士在SAMPE 2022上介绍了这项工作，其中包括使用非线性模型预测控制方法的现场过程控制，以及离线仿真，以便沿弯曲焊缝优化感应线圈的速度，从而满足高质量焊接对温度的要求。优化依赖于描述焊缝中时空热演变的数值模型，并通过物理试验进行验证。

雷神技术研究中心使用机器人感应焊接单元在大型曲面面板上进行了感应焊接试验，该机器人感应焊接单元具有现场过程控制功能（图片来源：雷神技术研究中心）

对于均匀的蒙皮厚度，在0.876米焊接路径上的峰值温度变化和平均焊接速度分别为 ±20℃和1.68毫米/秒；对于厚度不均匀的面板，在0.876米焊接路径上的峰值温度变化和平均焊接速度分别为±25℃和1.6毫米/秒。对工艺参数的制定始于南卡罗来纳大学（美国南卡罗来纳州哥伦比亚）在KVE焊接测试装置上对平板进行的测试，该测试还有助于开发带有热塑性涂层的光纤，该光纤被嵌入到复合材料层压板中，并能利用Luna（美国弗吉尼亚州罗阿诺克）的ODiSi6100八通道询问系统进行询问。

雷神技术研究中心和南卡罗来纳大学在曲面板上进行感应焊接试验的焊缝中使用了光纤（OF）。此图显示的是：这些光纤传感器和热电偶的放置位置（左）以及在焊缝中测量的二维和三维温度分布（中和右）（图片来源：SAMPE会议（2022年5月23日至26日在北卡罗来纳州夏洛特举行）论文集中南卡罗来纳大学Wout De Backer博士的论文“大型热塑性复合材料结构的自动感应焊接”一文中的图 8）

雷神技术研究中心还在其机器人感应焊头中使用了力/扭矩传感器，一个红外摄像头和热电偶被用来监测焊接过程中的压力和温度。Advanced Robotics for Manufacturing (ARM)研究所（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）、Ariyan Kakir 博士领导的GrayMatter Robotics团队，以及由Wout De Backer博士和Michael van Tooren博士（柯林斯宇航公司的结构技术研究员，之前在南卡罗来纳大学）领导的南卡罗来纳大学团队提供了感应焊接方面的支持，Zhao对此表示感谢。“我们有一个后续计划，通过运用机器学习来进一步提高焊接质量。”Zhao说道，“随着技术的成熟，我们的目标是过渡到大型部件示范。”

过程控制、NDT、认证、止裂功能

必须监控和/或控制哪些参数才能确保良好的焊接呢？“对于复合材料，我们必须始终知道部件处在正确的温度、压力和时间下。”德国航空航天中心的Kupke 说道，“我们会监控每一次焊接并记录这些参数。”从对焊头的跟踪能力及其速度和集成的力传感器，到红外（IR）摄像头监控部件的表面温度（与焊缝温度相关），再到实际嵌入到焊缝中的光纤，具体的做法因焊接技术而异。大多数技术都依赖于在数月的测试中优化工艺参数，然后监控并记录在实际部件上的焊接是否符合此规范。超声无损检测也被用于焊后以及被集成到焊接系统中以进行在线检测，同时，用于更大面积和更高部件产量的非接触式方法也在研究之中。

研究还在寻求利用人工智能(AI)来认证工艺参数并将其与焊接质量联系起来，同时还寻求全自动化的机器人焊接。“我不想在每一次焊接时都手动教导机器人。” Van Rijswijk说道，“有一些传感器可以使机器人看到需要做什么并进行自我编程，以及监控材料的转换，包括监控固结过程，这是OEM认证的关键。”

“基本上有3种方法可以认证粘接的或焊接的接缝：限制载荷的全面验证测试、全面的无损检测或某种止裂功能。”威奇托州立大学国家航空研究所的Seneviratne表示。由于当前的认证协议提出了故障安全方面的要求，因此，止裂功能（如鸡眼铆钉）目前在粘接的主结构、金属和复合材料，以及焊接的热塑性复合材料方向舵和升降舵（已用于飞行）中得到了应用。“最终，我认为，我们要对无止裂功能的焊接的复合材料主结构具有足够的信心。”他表示，“但这取决于最初几年的建造史和数据，就像我们对粘接的接缝所做的那样。”

当前，全球交通行业正加速向智能化、绿色化、数字化、轻量化、超高速化转型升级，复合材料凭借其轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳及优异可设计性等核心优势，已成为突破行业技术瓶颈、实现降本增效与绿色发展的关键材料。为促进国内交通与复合材料行业发展，推动产业转型升级、产品结构调整，探索更为广阔的发展前景，复材网将定于8月6日-8日在江苏·常州召开“2025交通领域与复合材料技术创新与应用研讨会”。本次会议以"智联复材新生态，共筑交通新未来"为主题，聚焦"产学研用"协同创新，重点围绕航空低空、轨道交通、汽车、船舶等领域，深入探讨复合材料技术创新路径与产业化应用方案。诚邀国内外交通领域行业专家、航空领域、轨道交通行业、汽车产业、船舶行业代表、专家学者和行业同仁莅临大会，携手推动行业向更高效、更安全、更可持续的方向发展。

来源：小宇科技天地