Экспертное руководство по сварке термопластиковых композитов

В отличие от композитов с термореактивной матрицей, термопластиковые композиты (TPC) не требуют сложных химических реакций и длительной отвержки. Термопластиковые препреги не нуждаются в рефрижерации — практически бесконечный срок хранения. Полимеры авиационных TPC — полифениленсульфид (PPS), полиэтеримид (PEI), полиэтиретиретикетон (PEEK), полиэтирекетонекетон (PEKK) и полиарилкетон (PAEK) — дают высокую устойчивость к повреждениям, влаго- и химическую стойкость, не деградируют в горячо-влажных условиях. И их можно переплавлять — перспективы для ремонта и утилизации. Но, пожалуй, главный драйвер TPC в авиации — способность соединять компоненты термической сваркой/плавлением. Привлекательная альтернатива механическому креплению и клеению термореактивных композитов (TSC).

«Процесс термического сварения включает нагрев и плавление полимера на поверхностях соединения компонентов, затем прижатие этих поверхностей для затвердевания и консолидации полимера», — Али Юсефпур, NRC Canada.

«Вы создаете монолитную структуру, например, ребро, сваренное с обшивкой. Под микроскопом видите только однородный полимер — это не клеение. Нет границы, нет слоя клея. Только один материал, поэтому используют один полимер по обе стороны шва. Регуляторы принимают такое соединение без механических крепежей», — Арнт Оффринга, GKN Fokker.

Сварные TPC конструкции летают уже десятилетия. Два основных метода — резистивная и индукционная сварка, развиваются также УЗ-, лазерная и проводниковая сварка. Развитие идет в сторону надежной предиктивной симуляции, инлайн-контроля параметров, расширения на первичные авиационные конструкции.

Резистивная сварка

Лидеры: KVE Composites Group (Гаага) и GKN Fokker (Хугевеен). «Начали в начале 1990-х. Элегантность — тепло выделяется точно на сварочном шве», — Оффринга. Электрический ток через резистивный элемент на шве (металл или углеродное волокно) создает тепло и плавит полимер (Рис. 1). Резистивный элемент остается в детали. Разработан метод с ППС-покрытой металлической сеткой — сертифицированы и летят резистивно-сваренные основные двери шасси Fokker 50 (1998). Далее — Airbus UK: стекловолокно/ППС фиксированные передние кромки A340/A350, затем A380. GKN Fokker продолжает исследования на CFRP.

Premium AEROTEC (Аугсбург) показала демонстратор задней переборки A320 на ILA 2018: 8 пресс-формированных сегментов CF ткань/ППС, собранных резистивной сваркой. Д-р Михаэль Купке (DLR ZLP): «Расширили длину шва до 1,5 м». Резистивный элемент из углеродного волокна вместо нержавейки — устраняет недостаток остаточного резистора. Базовый метод: напряжение + давление на обе части для консолидации. Для мелких деталей давление роботом, для крупных — жёсткое приспособление. Жёсткий металлический «сварочный мост» Premium AEROTEC поворачивается над 8 швами, давление 10 пневмоцилиндрами.

DLR ZLP проверил процесс и для CF ткань/PEEK. «Если PEEK работает, адаптируем под PEKK, PAEK, PEI», — Купке. Толщина не ограничена (3–30 мм), но нужен термоманеджмент на шве. Следующий шаг — оптимизированные CF резистивные элементы. Пока — демонстратор, не промышленный процесс. Время сварки одного шва 4 мин (90 сек ток), остальное — нагрев/остывание. При промышленном внедрении общее время сократится, сварка останется 60–90 сек на 1,5 м.

Индукционная сварка

KVE с начала 2000-х. Индукционная катушка движется вдоль шва, индуцирует вихревые токи в проводимом CFRP ламинате, нагревает и плавит термопласт. «От однослойных купонов к L- и T-швам, базовым структурам, затем элеваторам и рулям», — Харм ван Энгелен (KVE). Параллельно компьютерные симуляции: предсказание температуры на поверхности и на шве, концентрация тепла на шве, снятие тепла с верхней поверхности. Запатентовано: термоманеджмент, оснасточные материалы, робототехническое управление катушкой и сварочной головкой (к 2005 г.).

«Альтернатива резистивной сварке для CFRP без susceptor/сварочной полоски», — Оффринга. Лицензировали технологию KVE для Gulfstream G650 (летают с 2008) и Dassault Falcon 5X (уточненное второе поколение). Для G650 — автоматизированная, многошаговая; для Dassault — «в один заход», два элеватора и руль за смену.

К 2008 — тесты UD CF/PEKK, демонстраторы TAPAS. 2010 — 3D симуляции UD CF с молниезащитой (LSP), толстые ламинаты. 2011 — производство руля Phantom Eye Boeing. 2014 — демонстраторы UD CF/PEKK, сейчас — квалификация с OEM/Tier 1.

Переход от ткани к UD-ленте

Индукционная сварка отлично подходит для ткани, но с UD-лентой — новые вызовы для производственных скоростей. Для вихревых токов в CFRP нужны волокна под двумя углами — идеально перпендикулярные 0°/90° в ткани. В UD-стеках часто 45° слои — угол меньше, нет явного перекрестья волокон между слоями — нужно больше мощности.

Баланс мощности и температуры нелинеен: процесс меняется с последовательностью укладки, толщиной, геометрией. «Квантуем факторы: UD vs ткань, последовательность, зоны больше/меньше смолы — добавляем в общую модель», — Лабордус. Зоны высокого содержания смолы изолируют, задерживают тепло; зоны высокого волокна — облегчают нагрев. Точность предсказаний для UD выросла с 40% ошибки до 10%, приближается к высокой точности для CF ткань/ППС.

Ван Тоорен близок к предсказанию индукционной сварки UD. К концу 2018 — симуляционный инструмент для простых геометрий: форма катушки, мощность, скорость робота, профиль нагрева. Развивается параллельно с физическими тестами для квалификации крупных первичных структур. Лаборатория Ван Тоорена — один из 4 сайтов со стандартизированной установкой KVE (TPRC, NLR, KVE, McNair).

Специализированные индукционные катушки

Composite Integrity (Порселет, Франция) — «динамическая индукционная сварка» для STELIA Aerospace (Тулуза) проект Arches TP (Париж 2017): соединение UD CF/PEKK стрингеров и обшивки фюзеляжа. Composite Integrity — дивизион Institut de Soudure (IS Groupe). «Создаем свои катушки под каждый материал, толщину, форму: ткань, нескримп, UD. Проблема UD — нет сварочных узлов для индукции, нужна мульти-катушка», — Жером Рейнал.

История: 25 лет как Pôle de Plasturgie de l'Est (PPE), лидер RTM и эпоксидных инфузий для французской авиации. В IS Groupe с 2016 г. Работа с Aviacomp — ко-консолидационная сварка для люков топливных баков A350. «Резистивные компоненты на поверхности внутренней/внешней деталей вводят тепло в шов».

STELIA Arches TP с 2015 г.: индукционная сварка фюзеляжных размеров, кривых деталей. «Динамическая» — робот сваривает стрингеры вдоль фюзеляжа И учитывает 3D формы (движение по Z). Алюминиевая рейка — фиксатор стрингера. Давление — два валика в сварочной голове над катушкой. Новая патентная голова — один валик, выше механические свойства шва. Охлаждение воздухом под давлением — ниже температуры кристаллизации, нет риска декомпактизации после снятия давления. Кристалличность матрицы на шве контролируется по аэрокосмическим стандартам. Скорость демо 2 м/мин, цель 5 м/мин. PEEK/PEKK сложнее для охлаждения/кристаллизации. Макс. толщина 5 мм — типично для структурных элементов. Углеродное волокно как проводник без металла. Разрабатывают технологию сварки любого волокна (стекло) без металла — UD к ткани, UD к UD без проблем.

Ультразвуковая сварка

Третий основной метод, опыт у GKN Fokker. Сонотрод генерирует вибрации 20–40 кГц — трение, тепло, плавление на поверхностях шва. «Хорошо для точечной сварки», — Оффринга. Для Gulfstream — более 50 000 впрыскиваемых TPC деталей к панелям пола. Очень быстро, высоко автоматизировано, но точечно. Потенциал для интегрированного фюзеляжа (Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator). Кронштейны фюзеляжа сейчас клеятся/заклепливаются/болтятся к термореактивным. УЗ-сварка дает отличное соединение с кронштейнами (часто не армированные термопласты).

УЗ-сварка пластиков десятилетиями использует «энергетические директоры» (треугольные/прямоугольные грязюли чистого полимера на поверхностях шва). Ирен Фернандес Вильегас (TU Delft) показала: 0,08 мм неподкрепленные термопластиковые пленки могут их заменять. «Развивает непрерывную УЗ-сварку» в Clean Sky 2. Статья 2016 «Умная УЗ-сварка TPC»: последовательная точечная сварка (ряд соседних точек = непрерывный шов). Лабораторная последовательная сварка в демо Clean Sky EcoDesign: плоские энергетические директоры для CF/PEEK шарнира и CF/PEKK зажимов на CF/PEEK C-рамах. Эксперименты с механическими соединениями — перспективы. 2018 статьи Тянь Чжао (команда TU Delft).

Купке: DLR ZLP тоже работает над роботизированной непрерывной УЗ-сваркой. «Точечная — текущий уровень, наша — истинно непрерывная». Оптимизация на 1-метровом стенде, параметрические исследования. Машина и цифровой контроль для робота, но уточняют головку, скорость, энергию под материал/толщину. Цель — очень длинные швы (фюзеляж).

Лазерная сварка

Лазерная трансляционная сварка: луч проходит через прозрачный в ближнем ИК диапазоне материал (неподкрепленный термопласт или стекловолокно TPC), поглощается углеродным волокном/проводящими добавками во втором материале — тепло, сварка. Оффринга: многие впрыскиваемые авиационные кронштейны лазер-прозрачны — потенциал сборки к CFRP фюзеляжу без отверстий, пыли, крепежей. LZH (Laser Zentrum Hannover) продвинул технологию: хорошие результаты со стекловолокном и CF PPS, PEI в проекте LaWoCS (2010-2013) с KVE, TenCate, Unitech, Element Materials. LZH запатентовал, финалист JEC World Innovation Award 2018 (аэрокосмика) — «Модульные термопластиковые установочные панели» (штамп-формированная CFRTP сетка лазер-сварена к обшивке). Партнеры: Fraunhofer ICT, Airbus Hamburg, ElringKlinger, KMS Automation, TenCate.

Проводниковая сварка

После индукционной GKN Fokker разработал проводниковую сварку (Рис. 7). «Новая технология», — Оффринга. «Вид горячего утюга проводит тепло через хотя бы одну деталь. Как резистивная, время процесса не зависит от длины шва — полметра или 10 м, время одинаково». Электричество подает тепло вдоль длины за секунды. Ортогрид фюзеляжной панели на JEC 2014 — проводниковая сварка. «Ребра сварены вторым шагом роботом с сварочным эффектором. Панель изогнута, ребра коротки. Но метод подойдет для 6-10 м стрингеров на обшивке фюзеляжа».

Инлайн контроль процесса и перспективы

Ключевой шаг — мониторинг и управление в процессе. «Индукционная сварка сейчас предконфигурирована. Термопары в шве для калибровки. Хотим измерять температуру в шве и обратной связью управлять мощностью катушки», — ван Энгелен. «Процессы цифрово-контролируются, все данные хранятся, движемся к инлайн-контролю по реальной температуре», — Оффринга. Возможно для индукционной и резистивной через несколько лет, УЗ уже близко. Вильегас: инлайн-мониторинг последовательной УЗ-сварки возможен по кривым мощности и смещения машины — быстро оптимальные параметры.

KVE работает над инлайн-инспекцией: «Если сварка плохая — возвращаемся и пересвариваем». «Именно поэтому TPC так хороши», — Рейнал. «Пересварка не вредит. У нас технология сварки/разварки резистивной для демонтажа подачей тока». Composite Integrity тоже развивает инлайн-инспекцию: термографическая ячейка сразу после УЗ-головки, живая термография. Ван Тоорен — волоконно-оптические датчики, включая систему ODiSI (Luna) — >1000 точек на метр.

TPRC и Ван Тоорен — проекты инлайн-контроля индукционной сварки крупных кривых структур с переменной толщиной, наращиванием слоев, сбросами в стрингерах. Ван Тоорен — индукционная сварка под вакуумным мешком: «Мягкое оснастки для сжатия свариваемых поверхностей», нацелено на ремонт.

Планы KVE: ремонт TPC, индукционная сварка стекловолокнистых TPC, неаэрокосмические применения, флюкс-концентраторы. «Развиваем отражающие материалы для концентрации ЭМ поля на шве. Энергию сюда, а не на наружную поверхность. Как направляете волокно автоматизированной укладкой — так направляем энергию».

«Мы развиваем все технологии сварки и исследуем новые. Главное — нет одной лучшей, у каждой свое место», — резюмирует Оффринга.

Вейсканп (TPRC): недавние вызовы Clean Sky 2 показывают, что Airbus хочет сварные TPC в крупных силовой структурах. «Уже видно в 19 партнерах с 2009 года».

Ван Тоорен: сварная, без крепежей, крупная деталь, если не целый фюзеляж — достижима. «Желательно на Boeing NMA, но точно на следующем самолете».