树脂基复合材料连续感应焊接技术及航空应用

德国凯泽斯劳滕研究所(Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH)最早开发了碳纤维增强热塑性塑料(CFRT)的连续感应焊接工艺(CIW)，如图1所示[1]。其装置包括感应线圈、压辊和移动平台。其中，感应线圈不需要与复合材料接触。当感应线圈沿着焊接路径以恒定速度移动并加热时，压辊跟随在感应线圈后方以相同速度移动。并采用水冷的压辊对复合材料焊接接头施加固结压力并进行冷却。

图1 连续感应焊接示意图

 

Pappada等人[2]改进了辊压式的温控方法，通过高压空气风冷的方式对焊接界面附近进行冷却，以获得更佳的冷却效果，如图2所示。高压空气从喷嘴中喷出，对准焊接位置之外的区域进行风冷，使得热量集中于焊接界面处，而非在接头上表面或其他非焊接区域。

图2 连续感应焊接(风冷)示意图

 

树脂基复合材料连续感应焊接航空领域应用

湾流G650型商务机上的应用。这是航空航天行业历史上首次将电感定位焊接热塑性复合材料用于制造飞机主要构件。荷兰 Fokker公司设计并开发了G650型商务机的尾翼部分，并首次创新性地将电感定位焊接技术引入飞机方向舵和升降舵的工业化制造中。所用的热塑性复合材料是CF/PPS层合板[3]。

图3 Gulfstream G650压力舱壁肋板和焊接后的Gulfstream G650热塑性材料舵

图4 Gulfstream G650 方向舵和升降舵的感应焊接

 

Francesco Nicassio[4]根据典型的航空航天结构，采用感应焊接制备CF/PEKK热塑性复合材料机身面板。

图5 CF/PEKK热塑性复合材料机身面板

 

感应焊接过程感应线圈与焊接材料无直接接触，且非感应区域不会有热量产生，因此参数设置合理时，焊接较为精确且母材不易产生变形和多余的树脂流动。除此之外，感应焊接效率较高，可以实现连续化焊接，是一种人为因素介入较少的焊接技术，具有较高的可靠性。连续感应焊接技术是复合材料构件焊接的最新发展，也被认为是实现大尺寸复合材料构件装配连接的关键技术之一，目前国内尚未见相关文献报道，对其开展的研究还非常有限。

 

 

[1] Rudolf R, Mitschang P, Neitzel M, Rueckert C. Welding of high-performance thermoplastic composites. Polymers and Polymer Composites 1999;7(5):1–6.

[2] Pappadà S, Salomi A, Montanaro J, et al. Fabrication of a thermoplastic matrix composite stiffened panel by induction welding[J]. Aerospace Science and Technology, 2015, 43: 314-320.

[3] 张增焕,刘红兵. 航空领域热塑性纤维复合材料焊接技术发展研究[J]. 航空制造技术,2015(14):65-68.

[4] Nicassio F, Maffezzoli A, Buccoliero G, et al. Shear buckling of aerospace panels made by induction welded thermoplastic matrix composite elements[J]. Polymer Composites, 2022, 43(7): 4544-4555.