粘接图、模拟截图、HiCAM图和Collins焊接件
图片来源：（左上角顺时针）美国联邦航空管理局对粘接接头的定义；博伊西州立大学对焊接热塑性复合材料接头中聚合物链扩散的模拟；NASA HiCAM项目对制造技术的验证；柯林斯航空航天公司的焊接弯曲帽加劲肋至蒙皮零件
关键主题
- 什么是粘合？
- 什么是焊接？
- 焊接而非熔焊
- TPC焊接接头的关键因素是什么？
- 过去和未来的认证
- 电阻焊接问题，认证特例
- 新材料、焊接技术认证
- 行业前进道路
自2006年3月“热塑性复合材料在A380上占据领先地位”以来，热塑性塑料复合材料(TPC)焊接一直是CW的一个关键话题。这篇文章描述了GKN Fokker (荷兰Hoogeveen)为空客A380 J-nose机翼前缘(机翼内侧固定前缘)开发的电阻焊。15年多后，焊接TPC结构取得了重大进展(见“热塑性复合材料焊接进展…”)。然而，关于如何认证此类结构的一些争论仍在继续。没有人质疑焊接TPC结构必须显示测试结果，以验证接头设计、使用的材料和工艺，以及它们在使用寿命内保持飞行性能的能力。然而，焊接的TPC结构没有粘合，因此不应被证明为粘合接头。
本文讨论了粘接与焊接的定义，以及正在努力推进焊接TPC结构的认证，包括高速率复合材料飞机制造 (HiCAM)项目，该项目是美国国家航空航天局可持续飞行国家伙伴关系(SFNP)的一部分，旨在使下一代商用运输机的能效提高25-30%。
FAA对粘结复合材料结构的定义。图片来源：美国联邦航空局Cynthia Ashforth 和Larry Ilcewicz的“粘接飞机结构和维修证书”。MP-AVT-266-06。
什么是粘接？
美国联邦航空管理局（FAA）的Cynthia Ashforth和 Larry Ilcewicz在2018年的报告《粘接飞机结构和维修认证》中提出并讨论了粘接接头的定义：“FAA 指南仅将二次粘合和共粘合视为具有多个界面的粘合过程（即复合材料与复合材料、复合材料与金属或金属与金属），其中至少一个界面在粘合之前需要额外的表面处理。在共固化的情况下，虽然可以在两个层压板之间使用粘合剂，但层压板和任何粘合剂都是未固化的，因此在粘合和固化之前没有任何表面处理。” 请注意，共固化不被视为粘合。共固化复合材料已通过波音777机翼、波音787和空客A350机身和机翼的认证。值得注意的是，这些被证明是共固化的，而不是粘结结构。
Michel van Tooren解释道： “在共固化中，配对零 件中的预浸料层压板是未固化的，因此在组装前没有任何表面处理。 ” ，柯林斯航空航天公司复合材料高级技 术研究员(美国北卡罗来纳州夏洛特市)。 “在共固化中，连接的两个部件中的界面层，例如长桁和蒙皮，在集成的复合材料部件中又变成了两个相邻的层。热塑性复合材料层也做同样的事情，但通过共固结，因为它们已经聚合，不需要像热固性预浸料那样交叉连接。因为热塑性复合材料不交联，所以每次熔化和固化材料时， 都可以重复这种类似“共固化”的行为。共固化只能进行一次，共固结可以反复进行。这为包括焊接在内的复合材料开辟了许多新的、更可持续的工艺。 ”
TPC焊接过程中的聚合物扩散。TPC 焊接示意图和模拟图像，量化了实现这种扩散的时间：1.初始接口；2.焊接接头；3.和4。导致界面上的链扩散。图片来源： “使用分子动力学研究焊接热塑性碳纤维复合材料”， Chris Jones，Rainier Barrett，博伊西州立大学,2021 年 3 月 31 日。
什么是焊接？
在上文引用的2006年CW文章中，时任福克航空结构公司研发总监、现任吉凯恩航空航天公司（英国Redditch）荷兰全球技术中心（荷兰Hoogeveen）主任Arnt Offringa解释道，与粘合剂不同，粘合剂在显微镜下保留了由粘合剂膜形成的清晰的接合线，焊接材料融合 （完全混合），基本上成为一个单独的部分2004年的论文“热塑性复合材料的熔焊/焊接”给出了热塑性合成材料焊接的早期定义之一：
“…将界面处的聚合物加热至粘性状态，物理上导致聚合物链相互扩散，并冷却聚合物进行联合固结通常， 将焊接部件的质量与热压罐固结或压模部件的质量进行比较……在焊接过程中，聚合物链在界面上混合，导致接头表面消失，并提高了通过焊接区域传递载荷的能力。”
Offringa在2018CW关于TPC焊接的文章中解释道：“你正在创造一个统一的结构。” “在显微镜下观察时，你只能看到均匀的聚合物，所以这与粘合不同。没有分界线，没有裂缝，也没有粘合剂等可识别的连接材料。只有一种材料，这就是为什么在焊缝两侧使用相同的聚合物。”
Daher Aerospace（法国奥利）知识产权经理Michael Hugon重申了这一观点，正如CW 2022年的文章《热塑性复合材料焊接：过程控制、认证、止裂剂和表面处理》 所指出的：
“在焊接中……我们对两个零件的表面进行重熔， 并将其扩散到彼此中，这样就不再有界面了。”Daher 的研发副总裁 Dominique Bailly 补充道：“因此，TPC 焊接应该类似于热固性共固化，在那里你不会在子零件中做出任何区别——它们已经集成到一个零件中。”
Toray Advanced Composites(TAC，美国加利福尼亚 州 Morgan Hill 和荷兰Nijverdal)的美国董事总经理兼全球 CTO Scott Unger 表示：“Toray不认为焊接与粘合属 于同一技术领域。” 。“东丽已经完成了大量的工作， 以优化其TPC材料，使其具有强大的感应焊接性能，并表明这些材料在其他技术中，包括传导、电阻和超声波 焊接工艺中都能非常好地工作。热塑性焊接通过焊接接 头的局部加热，将两个或多个零件在其配合面融合在一 起可以发生愈合，从而获得足以支撑设计载荷的强度值。因此，我们认为热塑性焊接相当于热固性复合材料的共固结。”
“我们不使用“熔合-fusion bonding”这个词， 因为它给不熟悉热塑性复合材料机制的人带来了误解。”
焊接而非熔焊
柯林斯航空航天公司的热塑性复合材料首席工程 师 Dan Ursenbach 指出：“早期，热塑性焊接的名称之一是熔焊。” 。“但我们发现，键合有很多含义，这些含义会对TPC焊接产生反作用。当我们想到与热固性复合材料航空结构的键合时，我们谈论的是环氧二次键 合。对于TPC材料，我们的接头处于分子间纠缠中，与 二次键非常不同。在柯林斯航空航天公司， 我们不使用‘熔结-fusion bonding’一词因为这会给不熟悉热塑性复合材料机制的人带来误解。”
TPC焊接接头的关键因素是什么？
Ursenbach提到的误解之一是，表面处理对焊接TPC零件和粘合复合材料一样重要。同样，根据CW 2022年的焊接工艺控制文章，GKN Fokker、感应焊接专家KVE Composite（s 荷兰海牙）和美国国家航空研究所（NIAR， Wichita，Kan，U.s.）进行的实验表明，表面处理和表面质量并不能决定焊接TPC接头的质量和性能。
相反，Van Tooren说，TPC 焊接的两个重要机制是零件之间的紧密接触和随后的愈合。愈合（healing）是几 十年前通过对接触热塑性塑料表面施加热量和压力并 在其冷却时巩固其界面来制造层状热塑性聚合物产品 而创造的一个术语。Van Tooren所指的聚合物愈合正是上述分子间扩散，其在焊接界面上发展，从而产生TPC焊接强度。Van Tooren 解释道：“然而，如果没有建立亲密接触，愈合就无法开始。” 。
Van Tooren 继续说道：“在实验室规模上，用焊接 搭接剪切试片相对容易获得亲密接触。” 。“焊接件通 常是平坦的，尺寸有限，并且足够柔顺，可以进行接触。然而，随着零件越来越大，具有相当大的固有刚度，紧密接触是一个更大的挑战，如何保持接合零件表面足够 紧密，以便愈合可以说是可行焊接工艺的关键方面。“他认为，只有对零件的几何形状、工具和焊接工艺进 行适当设计，再加上必要的制造精度，这才有可能实现。Van Tooren 补充道：“这需要在不加垫片的情况下使配合零件符合要求，并采用适当的焊接策略。”
Van Tooren说，组装引起的应力是另一个关键因素。“适用于焊接航空航天结构的半结晶热塑性聚合物具 有较高的熔融温度。这需要较高的焊接温度，这可能会 在熔化和再固化的焊缝及其周围结构之间产生相当大 的内应力。”他指出，边缘应力是另一个令人担忧的问 题。Van Tooren说：“与共固化热固性零件相比，TPC 组件中零件之间的过渡要深刻得多。” 。“在焊接到蒙皮上的桁条和肋/框架的边缘可以发现组件厚度的离散 步骤。需要仔细设计，以防止这些区域出现高边缘应力。” Van Tooren 补充道，TPC 和热固性复合材料组件的一个 关键因素是贯穿厚度应力。“在垂直于帘布层的方向上， 树脂是载荷路径中的一个重要但薄弱的元素，不能依赖纤维的强度。如果在该方向上有一个主要的载荷分量， 例如飞机机身中的内部压力，从损伤容限的角度来看， 将框架焊接到蒙皮可能很难实现，机械连接可能是优选的，以在垂直于帘布层的方向上提供负载路径元件。”
过去和未来的认证
除了A340/350和A380的焊接 J-nose机翼前缘部件 外，GKN 福克还与湾流航空航天公司（美国佐治亚州萨凡纳）合作，为湾流 G650 的焊接 TPC 升降舵和方向舵获得了FAA认证，这些部件自 2008 年以来一直在飞行。奥夫林加指出，有500多架这样的飞机在飞行。“湾 流现在有七种飞机型号使用焊接的热塑性控制表面，我们正在继续生产，因此它已经成为一种既定的制造方法。”
HiCAM项目。图片来源：幻灯片8，“高速率复合材料飞机制造（HiCAM）项目概述”，Rick Young博士，美国国家航空航天局，2022年4 月。
因此，美国联邦航空管理局已经在美国为公务机 认证了焊接 TPC 结构，但还有更多的工作正在进行 中，以开发一种更标准化的途径，在未来为更大的飞 机和更大规模的飞机进行认证。正如 2023.12.1 的微信 文章《热塑复材短舱的潜力》中所解释的那样，柯林 斯航空航天公司是美国国家航空航天局领导的HiCAM项目中先进复合材料联合会(ACC)的成员，也是该项目焊接TPC结构认证工作的一部分。
先进复合材料联合会（ACC）成员和 HiCAM TPC 工作包的合作研究团队（CRT）任务。图片来源：幻灯片6，Rick Young 博士的“HiCAM商业运输需求”，美国国家航空航天局，2022年3月
HiCAM由ACC执行，ACC包括大学和行业公 司。多个TPC工作包已授予ACC成员组成的合作研究 团队。从右表中可以看出，Collins Aerospace——被列为Rohr（Collins/RTX）——参与了HiCAM的所有三 个TPC工作包。此外，Van Tooren 领导该项目的焊接团队，该团队包括 TPC 工作包中的大多数公司。该团 队已经制定了焊接TPC结构认证的初步路线图。Van Tooren解释道：“我们正在进行两阶段审批。” 。“第一阶段现在已经完成，需要使用不同的材料和焊接技术制作大量焊接试件，然后对其进行测试。目的是证明焊接接头的材料与共固结时的材料相同—基本 上验证焊接没有粘合（bonding）。”
HiCAM示威者将于2027年前完成。图片来源：幻灯片11，美国国家航空航天局 Cliff Brown 在 2023年5月2日举行的美国联邦航空管理局克莱恩三届春季会议上发表的“美国国家航空管理局ARMD 概览”。
在第二阶段， ”Van Tooren继续说道， “我们正在努力扩大测试规模，同时展示结构分析和设计，从而能够建造全尺寸的演示机机身段或翼盒，或两者兼而有之。第二阶段涉及成熟实际建造大型焊接TPC 结构所需的制造和支持技术。我们将焊接作为一种连接方法，可以应用于下一代飞机。” 。因此，我们正在从试片转向大型面板和子元素测试，然后转向这些大型演示部件。更大的试片和面板测试计划于 2024年底完成，全尺寸演示部件将于2026年底建成。”
初步认证路线图已经完成，目前正在由波音公司 进行审查。美国联邦航空局还通过一个审查小组参与了HiCAM，复合材料领域的知名人士也参与了该小组，其中包括美国联邦航空管理局的长期复合材料专 家拉里·伊尔切维奇，他曾在波音公司探索全复合材料机身，作为美国国家航空航天局领导的先进技术复 合材料飞机结构（ATCAS）计划的一部分。伊尔切维奇还参与了美国联邦航空局对波音787的认证，该飞 机使用了复合材料机身和机翼。
电阻焊接问题，认证特例
在HiCAM正在制定的认证路线图中，Van Tooren指出，电阻焊不包括在其他焊接技术中。他解释道：“这是因为它在焊缝中添加了一个与基底不同的金属网或其他电阻元件。” 。“HiCAM 焊接小组已经声明 焊接是共熔。但如果你添加任何与连接的两个零件中的内容不完全相同的内容，那么这个定义就不再正确。在这种情况下，它就会成为一种非标准的焊接方法，必须区别对待。”
这可能看起来很奇怪，因为电阻焊接结构已经获得认证，并在A330/A340和A380飞机上飞行多年。Van Tooren解释了理由：“界面处的区域是载荷传递 发生的地方。如果你在那里放一个金属网，那么你只能在网的开口处焊接到基体上，因为这是聚合物与聚合物正常接触的地方。但其余的载荷传递必须穿过金属，这意味着金属现在必须与热塑性塑料结合。因此，这种类型的电阻焊具有粘合方面，不能被视为纯焊接。”
但是如果电阻元件是碳纤维网呢？Van Tooren 说：“该网格必须具有与连接的基线材料相同的材料 和组成。” 。“如果你添加了任何东西——纳米纤 维、纳米管或其他种类的纤维，而不是焊接部件中的 纤维——那么这就不再像共固结了。相反，你做了一 些不同的事情，所有的载荷都必须通过这种特殊材料传递，因此必须作为一种特殊情况处理，而不是标准焊接。即使你使用相同的聚合物和相同的碳纤维，但它们的排列形式与您焊接的两个部分不同，因此仍需要特殊处理才能获得认证。”
他警告说：“这就是为什么我们作为一个行业在 讨论焊接和焊接定义时必须小心的原因。” 。“在我 们对 TPC 焊接中的故障以及如何在认证中解决这一问 题做出广泛结论之前，我们需要确保我们正在讨论的 焊接确实是焊接，而不是电阻焊或其他在焊接线上引 入新材料和/或新机制的技术的特殊情况。”
Offringa评论称，并非所有电阻焊都必须与感应焊等其他焊接技术分开考虑。“如果焊接部件中相同的碳纤维UD预浸带也是电阻元件，使用与UD带中相同聚合物的聚合物箔作为隔离器，则接头中不会添加 不同材料，也可以进行焊接。”
新材料、焊接技术认证
如果空客和湾流已经认证了TPC焊接结构，那么为什么这个认证路线图仍然是必要的？Van Tooren 解 释说，技术已经发生了演变，最新的进步已经得到了证明，但尚未得到认证。他说：“电阻焊接的 J-nose 前缘是二级结构，基本上是一组整流罩，由玻璃纤维增强的 PPS 制成。”他指出，PPS 允许在相对较低的温度下进行焊接。Van Tooren 说：“对于二级结构，该行业正在使用基于碳织物的 PPS 的感应焊接，这允许使用碳纤维 增强部件作为基座。” 。“这消除了对电阻元件或单独基座元件的需求，使接头成为一个更容易认证的真 正焊缝。同样，PPS允许相对较低的工艺温度，而织 物使感应加热相对均匀。”
他认为，柯林斯航空航天公司对其焊接的 TPC 风 扇整流罩所做的工作带来了更多的挑战。“我们没有 使用织物，而是使用 UD（单向）预浸带和更高的工艺温度材料，使零件具有更高的耐温性（如短舱）。我 们还沿着零件的整个宽度和长度进行焊接，这是一种双曲结构，其曲率比控制表面高得多。此类结构尚未获得认证。”
为什么会发生这些变化？“使用UD预浸带可以实现自动铺放（AFP、ATL）并且还降低了重量，但是 这些层压板更难以使用感应以均匀的方式加热。预浸带需要改进，以使树脂与纤维在横截面上的分布更加 均匀。即便如此，预浸带的使用也会带来更明显的端部效果和远离实际焊接区域的热点。较大的双曲面零件要坚硬得多，紧密接触需要付出更多的努力。使用更高熔融温度的聚合物也会对工具和囊状物材料以及焊接过程中零件的温度梯度造成挑战，从而产生变形和残余应力的风险。”
09
行业前进道路
在2022年CW关于焊接工艺控制的文章中， NIAR 航空航天系统先进技术实验室（ATLAS）主任Waruna Seneviratne断言， “作为一个社区，我们需要制定焊接工艺评定协议和合规手段，以确保在接头的整个设计寿命内安全运行。”
过去和现在的焊接 TPC 结构认证项目。图片来源：CW文章（顶部，顺时针）1.欧盟未来机身路线图，2.工厂参观：Daher Shap'in技术中心，3.柯林斯TPC机舱结构。（图 1 幅面太大，复制困难。图 2、3 放大图附后）
这正是HiCAM焊接团队正在努力实现的目标。但 这也是全球TPC焊接界（主要在欧洲）几十年来一直 在努力实现的目标。事实上，HiCAM只是许多过去和 正在进行的项目之一，这些项目旨在使焊接 TPC结构的技术准备水平（TRL）成熟，并有能力为未来的机身进行认证：
- TAPAS1, TAPAS2
- Clean Sky 的GRA和结果
- Clean Sky 2的KEELBEMAN 和多功能机身演示器（MFFD），包括STUNNING 和 MECATESTERS子项目
- CORAC的弓箱TP、未来复合材料飞机、 ECHOS和TRAMPOLINE
- 德国的LuFoV-3 TB Rumpf
- TPRC的亮点
- Daher与空中客车公司的 EcoProp 项目和第二 个用于 EASA CS-25 大型飞机认证的全尺寸焊接扭箱
- 以及Aernnova、CETMA、Collins Aerospace/Raytheon/RTX、FACC、GKN Fokker、IS Groupe、KVE Composites/Daher、 NIAR 和 Qabon Aerospace 的其他发展（见“热塑性复合材料焊接进展”）。
Van Tooren表示：“我们Collins也在与HiCAM和其他行业项目合作，但也作为DTC在荷兰的全球团队进行内部合作。” “我们不得不对工艺链的许多方面以及闪亮的演示器零件背后的所有细节进行研 究，这些细节是不常见的。这包括材料、加热、工具、确保焊接零件的对齐和紧密接触，以及精确控制熔化和再固结，以及对成品焊接结构的无损检测。演示器很重要，但如何你是否开发出一种可以实际投入 使用的零件，然后在工业规模上制造，而不仅仅是为了研发？我们已经开发了一个过程链，该过程链不仅将支持我们展示焊接TPC风扇整流罩的目标，而且将 该零件投入飞行测试，并最终在我们的一种短舱产品上进行批量生产。与行业合作进行认证是该计划的关键部分。”
东丽的Unger表示：“我们的目标是与原始设备 制造商、二级供应商和航空当局合作，定义TPC焊接工艺，以及其认证途径，使这项技术能够实现更高效的下一代机身的单元化热塑性组件。”
注：原文见，《 Welding is not bonding 》 2023.11.30
