摘要：在太空制造(ISM-In-space manufacturing)中，在地球大气层之外生产材料和部件的概念出现在20世纪70年代，此后从理论研究发展到实际实验。ISM的主要目标包括通过直接在轨道上制造零件来降低发射成本，实现长时间任务的按需生产，以及利用微重力

Agile Ultrasonics和NASA试验机器人兼容的碳纤维增强热塑性塑料超声焊接技术用于空间结构。

图1 开发了一种与机器人手臂集成的先进超声波焊接系统。这一创新提高了焊接应用的精度和效率

在太空制造(ISM-In-space manufacturing)中，在地球大气层之外生产材料和部件的概念出现在20世纪70年代，此后从理论研究发展到实际实验。ISM的主要目标包括通过直接在轨道上制造零件来降低发射成本，实现长时间任务的按需生产，以及利用微重力和真空条件等空间环境的优势来生产材料。

热塑性复合材料(TPC-Thermoplastic composites)在过去十年中在航空航天和太空应用方面取得了长足的进步，显示ISM的潜力。与传统的热固性系统相比，它们具有几个关键优势，包括易于通过熔化和熔融粘合/焊接进行连接和加工，增强了可回收性，提高了断裂韧性。然而，他们也面临着一个关键的挑战：在太空环境中普遍存在的极端条件下实现结构部件的可靠、可重复和自动化连接。

为了应对这一挑战，美国国家航空航天局（华盛顿特区，美国）改变游戏规则的发展(GCD)计划自2011年以来一直在空间技术任务局的领导下运作，该计划启动了多个项目，探索先进材料和太空组装的联合方法。该计划强调多功能性，而不是特定的飞行硬件应用，旨在增强未来在不同场景下的任务能力。

2021年10月开始的一项值得注意的倡议是探索应用的热塑性塑料开发(TDEA-Thermoplastic Development for Exploration Applications)，重点研究碳纤维增强热塑性材料(CFRTP-carbon fiber-reinforced thermoplastics)的结构完整性、加工特性和原位连接技术。美国国家航空航天局追求TPC焊接，与推进太空探索材料和制造方法的战略目标保持一致。

图2 Agile Ultrasonics工程师经理克里斯·斯科奇克(Chris Skocik)展示了该公司位于俄亥俄州哥伦布市的工厂焊接的月球塔原型L形支架

美国国家航空航天局格伦研究中心（美国俄亥俄州克利夫兰）的化学工程师桑迪·米勒（Sandi Miller）博士强调：“TPC焊接的能力可以显著简化太空装配操作。”。“该过程简化了熔化热塑性塑料和施加压力的过程，而不是管理螺栓和预钻孔等单个组件。这种方法不仅提高了组装的便利性，而且允许更容易地建造更大的结构。”

TDEA项目背景

在TDEA框架下，来自美国国家航空航天局格伦研究中心、兰利研究中心（美国弗吉尼亚州汉普顿）、戈达德太空飞行中心（美国马里兰州格林贝尔特）和马歇尔太空飞行中心的团队（美国阿拉伯州亨茨维尔）对TPC在月球和轨道条件下的性能进行了深入调查。该研究涵盖了层压板加工、力学特性和连接技术的评估。对各种焊接方法进行了详细检查，包括电阻焊、超声波焊和感应焊。尽管电阻焊和感应焊表现出很高的机械强度，但它们也对功耗和空间应用的可行性提出了重大挑战。相比之下，超声波焊接展示了强大的连接能力，与机器人操作和太空任务中固有的环境限制很好地结合在一起。

图3 美国国家航空航天局TDEA计划中评估的焊接技术和热塑性复合材料（TPC）材料概述

Agile Ultrasonics（美国俄亥俄州哥伦布市）于2022年在TDEA框架下与美国国家航空航天局发起了一项合作，旨在探索该公司超声波焊接技术在CFRTP中的潜力。该合作伙伴关系的主要目标不是提供结论性的解决方案，而是积累基础数据，完善过程控制方法，并评估该技术在空间环境中结构连接应用的可行性。

Agile的工作始于一系列小规模实验，包括单圈剪切试样测试、平板焊接评估和初始单圈剪切测试。受到证实焊接厚TPC层压板可行性的结果的鼓舞，美国国家航空航天局随后扩大了与Agile Ultrasonics的合作，将结构规模试验和环境验证研究纳入其中。

焊接方法

超声波焊接是一种经过验证的连接TPC材料的技术，尤其在汽车和消费品领域非常普遍。在这里，传统应用通常针对由低纤维含量基材制成的薄组件，使用高频振动在界面处产生局部加热。即使在航空航天应用中使用，传统工艺通常也会部署几何特征，如能量导向器或富含树脂的薄膜插入物，以促进粘合线处的熔化和材料流动，特别是对于连续超声波焊接应用。

Agile Ultrasonics认为，传统OEM系统制造商在很大程度上尚未开发超声波的潜力。作为一家创新型企业，敏捷的战略是根据手头复合材料的特性，将技术应用于探索不足的应用领域。该公司已经证明，通过定制超声波堆叠和开发新方法，它可以产生以前认为无法实现的结果，例如没有能量导向器或聚合物薄膜的连续超声波焊接。

图4 对通过超声波焊接连接的碳纤维增强热塑性试样进行的拉伸试验。初步试验证明了使用这种测试技术在厚层压板结构上实现稳健和一致粘合的能力

Agile Ultrasonics总裁兼首席执行官吉姆·斯特朗(Jim Stratton)指出：“我们的方法是优先考虑了解材料特性，并从那里逆向工作。”。在高性能TPC的背景下，特别是那些纤维含量高的TPC，核心挑战在于以受控的方式向材料提供精确的加热，同时以最佳的速度和压力/力前进以满足焊接要求。

Agile的系统旨在通过采用专门的超声波末端执行器，结合量身定制的工艺参数和方法来实现全厚度加热。该技术适用于各种机器人平台，并通过模块化超声焊极设计提供可编程的超声能量，该设计在遵循焊接路径的同时保持与复合材料表面的接触。

与依赖现成组件的传统超声波焊机相比，Agile Ultrasonics的系统经过定制设计，可与航空航天级复合材料的热和机械性能相匹配。这些先进的材料，包括使用来自Victrex（Cleveleys，英国）的低熔体聚芳基醚酮(LMPAEK)聚合物的预浸料，可以包含高达60%体积的碳纤维，并且与标准TPC相比表现出低熔体流动特性。Agile根据被连接部件的特定树脂行为、纤维结构和层压板厚度调整其超声波堆叠和焊接参数。

这种多功能性使该技术适用于连接预固结板、预成型件、编织套筒和单向带叠层，为各种复合材料格式提供了灵活性。该技术能够精确控制频率、振幅、力和焊接速度，在环境空气和真空环境中都具有操作能力。通常，该系统以20千赫兹的频率运行，施加45-150磅（200-670牛顿）的力。

材料选择和表征

TDEA项目评估了五种TPC材料系统，以确定最可行的应用方案。在对600多个试样进行严格测试后，研究小组确定了美国东丽先进复合材料公司 （美国加利福尼亚州摩根希尔）T700碳纤维增强LMPAEK预浸料作为主要候选材料。

米勒指出：“我们选择推进LMPAEK是因为其最佳的加工性能和在向下选择阶段积累的大量材料表征数据。”。“尽管与所评估的其他材料成功焊接，但LMPAEK在比PEEK和PEKK更低的温度下加工的能力尤为突出，因为它最大限度地减少了最终组件中的残余应力。”

图5 TPC L型支架正在生产中，在超声波焊接之前，使用自动胶带铺设技术在模制基板上铺设，以促进结构完整性评估

材料测试方案还包括对放气性能的评估，这是空间应用的一个关键因素。根据ASTM E595，所有测试的TPC材料都表现出可忽略的放气水平，该标准测量了样品的质量变化和收集到的冷凝挥发物的质量。

从2022年到2024年初，Agile Ultrasonics与美国国家航空航天局的合作从最初的小规模可行性研究发展到复杂的结构评估。在此期间，执行了多项实验设计，以建立不同材料和层压板配置的焊接接头的基线性能指标。最初的重点包括单圈剪切（SLS-single-lap shear）试样，具体尺寸为1×1英寸（25.4×25.4毫米）的粘合区域，由碳纤维增强的LMPAEK复合材料组成。这些试样使用Agile的技术进行了焊接，随后按照标准化的机械协议进行了测试。

联合试验和结果

图6 焊接L型支架接头的仿真模型详细说明了焊接区域和结构配置，有助于预测机械性能，并为超声波焊接工艺的优化提供信息

试验使用了一系列超声波焊接技术，包括插焊（夹具中夹紧部件的静态或点焊）和连续超声波焊接方法。与美国国家航空航天局研究小组合作，对工艺周期进行了迭代修改，通过研究各种接口配置来提高联合质量。

美国国家航空航天局兰利研究中心的分析负责人安德鲁·伯根(Andrew Bergan)评论道：“虽然早期的超声波焊接过程模型解决了所涉及的某些物理问题，但它们未能涵盖所有关键机制。”。“我们的建模工作揭示了传统加热机制方法的一些不足，特别是当它们与熔体温度范围相关时。这一见解强调了改进工艺模型的必要性，以更准确地预测和控制这些先进热塑性复合材料超声焊接过程中的热量产生。”

在性能方面，使用LMPAEK薄膜夹层的初步测试显示剪切强度在3-8MPa之间，粘合界面处的粘合失效模式占主导地位。值得注意的是，通过在被粘物中加入LMPAEK膜层以增强聚合物链缠结，研究小组使用四层LMPAEK薄膜获得了高达2.9 ksi（20 MPa）的搭接剪切强度。然而，这种改进是以引入一种不可预测的、潜在的灾难性故障模式为代价的，这种模式可能会危及被粘物。

到2024年年中，该倡议从试样测试进展到结构部件的焊接。下一阶段涉及原型L形支架的焊接，其结构旨在模拟理论空间框架内的接头。这些组件的特点是60层、8.59毫米厚的CFRTP层压板焊接到52层、7.58毫米厚的CFRTP层压板上，与用于月球南极组装的月球塔的组件非常相似。

图7 美国国家航空航天局的结构测试设备评估超声波焊接L型支架接头的完整性。测试样品显示出发生在母层压板材料中的失效模式，而不是在焊接界面处

美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的设计负责人肯·西格尔(Ken Segal)解释说：“选择L形截面是因为其结构开放，便于在焊接过程中进行双面压力施加。”。“这种配置在结构效率和焊接操作的可及性之间取得了平衡。”

在此阶段，美国国家航空航天局在考虑零件厚度和扩大努力的基础上，选择了插入式焊接方法进行进一步研究。插焊支架的拉伸试验表明其强度最高，超过指定极限载荷的2.7倍，失效发生在母层压板上，而不是焊接界面上。这些发现表明，焊接接头的完整性是足够的，而不是整体结构性能的主要限制因素。

环境测试和空间相关性

在2025年1月完成TDEA项目后，美国国家航空航天局将其与Agile Ultrasonics的合作转变为一项名为“太空中的结构材料连接”的新倡议，该倡议获得了俄亥俄州联邦研究网络（OFRN）的部分资助。这一举措继续侧重于在受控的热真空条件下生成基线焊接数据，未来计划整合微重力情景，可能通过抛物线飞行测试或在轨道上进行的实验。

作为这一新项目的一部分，Agile Ultrasonics设计了一个定制的真空室，旨在模拟-190°C至+120°C的空间温度范围，反映月球表面遇到的热条件。该腔室能够在环境和真空条件下运行，并具有集成传感器阵列，用于实时监测和控制焊内温度。

伯根说：“月球表面的热动力学带来了重大挑战，特别是由于温度快速波动的可能性。”。“我们的分析表明，如果可以在一年中的3周内战略性地安排焊接作业，作业温度可能会徘徊在-80°C左右，而不是其他时候的极端寒冷。这一见解可以为建筑活动制定更有利的焊接策略。”

未来的研究与开发

尽管取得了可喜的成果，但该领域仍存在一些关键挑战。一个主要的技术障碍是焊接过程中粘合线温度的精确测量。格伦研究中心的米勒强调，温度测量技术的进步可能代表着超声波焊接和焊接技术的巨大飞跃。目前，现有的方法通常依赖于间接测量来评估温度何时超过最佳加工阈值。

此外，通过无损检测评估粘合质量仍然存在问题。虽然X射线计算机断层扫描和超声波扫描等技术在识别孔隙和分层方面是有效的，但它们往往无法准确预测粘结强度。研究人员遇到了一些情况，在成像中表现良好的界面显示出出乎意料的低机械强度，通常被称为“接吻键-kissing bonds.”。这突显了开发更可靠的缺陷检测方法的必要性。

Agile Ultrasonics旨在将其技术准备水平（TRL-technology readiness level）从目前的TRL 4提高到TRL 6或更高。这将通过持续的内部开发、与美国国家航空航天局和OFRN的合作、严格的验证测试和系统集成计划来实现。这一发展的关键焦点包括实施新型温度测量、闭环控制、自动化过程监测和热补偿算法，这些算法对于在飞行关键或自动化制造环境中部署至关重要。

美国国家航空航天局和Agile Ultrasonics之间的合作表明，超声波焊接在太空应用中具有巨大的潜力，特别是在便携性和最少的辅助设备提供显著优势的情况下。尽管挑战依然存在，但这项工作不仅增强了太空探索的能力，而且丰富了对TPC连接技术的更广泛理解，对太空和地球先进结构中的其他应用具有广阔的前景。

参考文献

原文《Ultrasonic welding for in-space manufacturing of CFRTP》

杨超凡

来源：小肖说科技