热塑性复合材料在飞机上的应用介绍之二

 

 

空客“新 A320”机身准备用先进热塑性复合材料制造。为此，空客设计了一款直径 4m、长 8m、带客舱门框的筒体试验件。试验件中的零件全部用先进热塑性复合材料制造。装配中零件用特种焊接工艺连接。整个筒体无一金属紧固件（铆钉或螺栓）。试验件分上下两个半圆组件。目前两个组件已经完成，等待对合成筒体的报道。

 

筒体试验件的设计、制造（零件制造和装配），对我们飞机制造行业还是一个全新的课题。这其中零件用焊接连接尤为突出。本文根据近年媒体报道的信息，集中整理出筒体试验件采用的焊接工艺。

 

本文帮助参与、关注民机的同仁，尽早了解、学习热塑性复合材料的特种焊接工艺。

 

注：“先进热塑性复合材料”是指基体用高温热塑树脂。

 

GKN Fokker 将 CF/LMPAEK 桁条传导焊接到多功能机身演示器（MFFD）下半部分的蒙皮上，该演示器正在 SAM | XL 组装，这是“清洁天空 2”（Clean Sky 2）的STUNNING 项目的一部分。

 

热塑性复合材料焊接有可能显著提高商用飞机生产的可持续性。一级机身制造商柯林斯航空航天公司（美国北卡罗来纳州夏洛特市）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，更自动化的、非热压罐式（OOA）、可焊接的热塑性结构有可能将制造循环时间减少 80%，重量减少 50%。这些先前的组件使用钻孔和机械紧固件，需要多达九个制造步骤。一级机身制造商 Daher Aerospace（法国巴黎）副首席技术官 Cedric Eloy 表示：“我们相信，对于一架新的 A320 型单通道飞机来说，在五到八年内，热塑性复合材料将改变游戏规则，不仅可以实现更高的生产率，还可以实现最佳的成本和重量。”

 

Daher 研发副总裁 Dominique Bailly 补充道：“如果我们想利用热塑性复合材料，我们需要焊接无紧固件组件，或者至少使用最少的紧固件。”

 

热塑性复合材料结构已经获得认证并飞行了几十年。其中包括 1998 年福克 50 的电阻焊接主起落架舱门，2000 年和 2006 年空客 A340 和 A380 的 j 型机头前缘机翼结构，以及 2008 年湾流 G650 公务机的感应焊接碳纤维（CF）/聚苯硫醚（PPS）升降舵和方向舵。吉凯恩航空航天（英国索利赫尔）荷兰全球技术中心（GTC-NL，Hoogeveen）主任阿恩特·奥夫林加（Arnt Offringa）表示：“目前有 500 多架 G650 飞机在飞行。” “湾流现在有七种使用焊接热塑性控制表面的飞机模型，我们正在继续生产，因此它已经成为一种既定的制造方法。”Offringa 是上述感应焊接结构的关键冠军，该结构由福克航空结构公司（Hoogeveen）开发和生产，该公司现在是一级机身 GKN Aerospace 的一部分。对于这些结构，GKNFokker 使用 KVE Composites（荷兰海牙）的专利感应焊接工艺。CW 2018 年关于热塑性复合材料焊接的专题文章中对感应、导电和电阻焊接进行了定义和讨论。    

 

自 2018 年以来，已经有了许多焊接发展（见下面的“复合材料焊接发展”侧栏），包括朝着低熔体聚芳醚酮（LMPAEK）基复合材料的方向发展，与聚醚酮酮（PEKK）和聚醚醚酮（PEEK）相比，用于潜在的低温加工，自动化和模拟的持续进步，以及示威者的规模和复杂性的增加。焊接也变得越来越普遍。大多数一级机身都具有重要的焊接研发或既定能力，许多飞机的技术准备水平接近 5-6。尽管自 1998 年以来，焊接结构已经获得了认证，但在美国，未来焊接结构的认证应该遵循粘结结构的认证。这可能是因为美国的焊接不如欧洲成熟，而且之前的认证细节也不为人所知。在任何情况下，良好的热塑性复合材料焊缝应在整个厚度上显示出均匀的材料，没有可识别的界面。通过这种方式，焊接结构与粘结结构完全不同。在欧洲，重点是推进认证结构生产过程中已经使用的过程控制和无损检测（NDT-nondestructive testing），通过制造和测试越来越大的演示器来演示多种焊接技术，并在 2026 年前使第一个由单向（UD- unidirectional）带制成的焊接结构获得认证并飞行，而之前的零件是由织物制成的。

 

 

正在进行的最重要的热塑性复合材料焊接项目是由 Clean Sky 2(现为Clean Aviation)资助的空中客车公司领导的多功能机身演示机(MFFD-Multifunctional Fuselage Demonstrator)。这架A320型机身直径4米，长8米，一旦上下半部分焊接在一起，将成为世界上最大的热塑性复合材料结构。在2023年将组装好的机筒交付给空中客车公司(德国汉堡)之前，该组装将由Fraunhofer IFAM(德国斯塔)）完成。下半部分的生产由吉凯恩福克在STUNNING项目中领导，而上半部分由德国航空航天中心轻型生产技术中心(ZLP)管理，该中心是德国奥格斯堡德国航空航天局结构与设计研究所的一部分。两半的部件均采用东丽先进复合材料公司(荷兰Nijverdal)TC1225 CF/LMPAEK一体成型。正如CW 2020更新中所解释的，MFFD项目始于2014年，旨在每月生产70～100架机身机组，将机身重量减少10%(1000公斤)，并将机身成本减少20%(100万欧元)。    

 

 

图1.展示了多种焊接技术。这里展示了制造4×8米长MFFD机身上半部和下半部的焊接步骤，以及项目负责人和合作伙伴。地板格栅与框架的下半部分焊缝显示为右下角的白色阴影矩形。完工的半成品将于2022年第四季度前运往汉堡空中客车公司，并于2023年焊接在一起。

 

下半部分正在 SAM|XL（荷兰代尔夫特）组装，计划于 2022 年 10 月底交付给空客。SAM|XL 工厂有多个机械臂和一个用于焊接的大型龙门式机器人。如图 1 所示，第一步是将欧米伽桁条定位并导焊到弯曲的机身蒙皮上（更多信息，请参阅 CW 的 2021 博客和SAM|XL 网站）。SAM|XL 首席执行官 Kjelt van Rijswijk 表示：“龙门式机器人末端执行器配备了吸盘，可以将桁条精确地放置在皮肤上。”“它还配备了一台超声波点焊机，可以将桁条固定到位。”    

 

2.5吨、感应加热、1米长的传导焊接工具安装在一个配有齿条和小齿轮的吊具内，该吊具使用机身外壳工具圆周上的缺口将焊接工具定位在每个桁条上。

 

吉凯恩福克随后用一个 1 米长的传导焊接工具焊接桁条。金属工具是感应加热的，这种即时、均匀的加热通过桁条的底部层压板进行，以熔化桁条蒙皮焊接界面处的基体。吉凯恩福克公司首席技术专家 Leo Muijs 解释道：“该工具包括一个散热器，用于控制桁条表面的温度。” “它施加压力，然后完成焊接循环。”他指出，这些欧米茄桁条的两侧都有一个焊接脚。焊接工具在一侧向下移动，每次移动一米，稍微重叠 1-2 厘米，然后完成第二侧。还焊接了两个 L 形管柱以接收客舱地板（图 1）。    

 

 

图 2. 焊接长桁条和“马鞍”形零件件SAM|XL 的龙门机器人使用带有吸盘和超声波焊极的末端执行器（红色虚线圆圈，左侧）来精确放置 Ω 长桁并将其点焊到皮肤上。桁条导电焊接到机身蒙皮上后，使用第二个超声波焊接工具将夹子连接到机身蒙皮。

 

Van Rijswijk 说：“接下来，将夹子放置在这些桁条上，并使用超声波点焊将其连接到桁条和蒙皮上。”尽管用于此操作的专用超声波焊机具有与定位焊相同类型的超声波焊极（图 2），但对于这种高强度焊接与定位焊，其配置有所不同。SAM|XL 的材料和工艺工程师 Bram Jongbloed 表示，稍后，框架将使用相同的超声波点焊技术通过这些夹子连接到机身上。他补充道：“为了使关节与皮肤垂直，我们让第二个焊机旋转 90 度。”该焊机将框架的平腹板压焊到夹子的 Ω 形平板上（图 2）。Jongbloed 指出，所有超声波焊机首先在 KUKA（德国奥格斯堡）机械臂上进行测试，以确保它们符合要求并定义流程，然后移到龙门机器人上。    

 

Muijs 说：“我们有大约 250 个夹子可以通过超声波焊接连接，然后再连接框架。” “之后，我们将安装地板格栅，配备复合地板梁、金属座椅导轨和其他系统。我们将在地板梁与框架相遇的地方以及在下面，在支撑支柱与框交汇的地方进行传导焊接[见图 1上图和第二部分的照片]。”

 

他指出，在 STUNNING 的传导焊接中已经吸取了教训：“焊接桁条的时间比我们预期的要长得多，还导致了皮肤的一些形状变化。这是我们在以前的传导焊接演示中没有看到的。所以，我们现在正在研究这一点。还有一些慢跑[厚度变化]在桁条上，我们不能很好地越过。平焊工具可以处理一定的坡度，例如 1:100 的帘布层脱落[例如，每 14 毫米脱落一层 0.14 毫米厚的帘布层]不会造成问题，但我们不能焊接 1:20 的脱落。”还有一个长度问题。“我们最小的焊接工具大约有半米长，例如，这太长了，无法