Групата на Френския институт по заваряване (Is) има повече от 100 години опит в заваряване на метали и в момента се превръща в лидер в заваряване термопластични композитни материали. IS Group разработи процеса на "динамично индукционно заваряване", който беше използван за свързване на въглеродни влакна / полиетеркетонекетон (PEKK) еднонасочени ремъчни стрингери и фюзелажна кожа в космическия термопластичен композитен демонстрационен проект на Airbus's STELIA Aerospace .
Въпреки успеха на този процес, няма възприемчик при интерфейса, така че има ограничения в радиусната производителност на свързаните стрингери и глобалното отопление на стенните панели. Възприемчивият фактор е материалът, поставен между двата свързани обекта на термопластичната композитна заварена става, а материалът се нагрява от индукционната бобина в заварената става. Податливият може да бъде проводящ организъм, загряван от съпротивление или магнитно тяло, загрявано от хистероза. Топи основата при заваръчния интерфейс и притиска основата заедно, за да образува високоякостна заварена става. Податливият фактор, използван за индукционно заваряване на термопластични композити, първоначално е бил метален екран или решетка, понякога импрегниран с полимер.
IS Group създаде партньорство с Arkema, доставчик на термопластични материали, за съвместно разработване и получаване на патентована технология, наречена Решение за иновации в заваряването.
Основата на иновативни решения за заваряване
В основата на иновативни решения заваряване е използването на податливи за нагряване на заваръчния интерфейс, но това е движим възприемчив, свързан към заваръчния глава. Податливият фактор позволява на процеса перфектно да локализира отоплителната зона на заварката, а заваръчният глава със възприемчика е подвижен, така че няма остатък в интерфейса и няма да попречи на производителността на заварената структура. В ранните итерации на индукционното заваряване, металният мрежест суцептор остана в заварката, но това не беше желаният резултат. Тъй като въглеродните влакна в обикновените аеропространствени ламинати са проводими, най-новата технология е успяла да елиминира възприемчика, което също така дава възможност за използване на материали от въглеродни влакна като възприемчив.
Друга особеност на иновативното решение за заваряване е използването на чиста термопластична матрица или слой с ниско съдържание на фибри при заваръчния интерфейс за увеличаване на смола плавност. Температурата на топене и вискозитетът на интерфейсния слой могат да бъдат регулирани, а също така може да се функционализира, за да се осигури проводимост или изолация, за да се предотврати електрическа корозия, като електрическа корозия между въглеродни влакна и алуминий или стомана.
Резултатите от иновативни решения за заваряване
Съвместният коефициент на това решение е 80%~90%. Коефициентът на ставите съответства на якостта на заваряване и се използва за метали, пластмаси и композитни материали. При едно-скутен тест за срязване върху две предварително излекувани плочи, заварени заедно с помощта на този разтвор, са получени 80% до 90% от производителността на несватбата, автоклавирана еталонна плоча. Тези тестове използват еднопосочени колани, изработени от Hextow AS7 въглеродни влакна и Arkema Kepstan 7002 PEKK.
Заваръчни иновативни решения могат да се използват за заваряване на всякакъв вид субстрат: PE, PA, PEKK, PEEK и въглерод, стъкло или арамид влакно подсилени термопластични композити. Освен това, компоненти с медни мрежи също могат да бъдат заварени, за да се предотврати светкавици удари, което е ключът към производството на космически структури. Дизайнът на иновативното решение за заваряване е напълно автоматизиран, като заваръчната глава е монтирана на роботен робот за рамо с 6 оси.
Контрол на температурата на заваряване
Често срещан проблем на металните мрежести подбудители, когато са подложени на магнитно поле, е неравномерното температурно разпределение на заварените части. Разтворът контролира това чрез използване на суцептор за топене на заваръчния интерфейс, като използва лазерен пирометър, за да усети температурата, която всъщност измерва ръба на сустиптора отстрани. Следователно може да се знае точната температура при интерфейса. Използват се също методи за охлаждане, които спомагат за контролиране на температурата и гарантират, че термопластичният материал може напълно да кристализира по време на целия процес на заваряване.
Стрингер тест за заваряване на кожата
STELIA, дъщерно дружество на Airbus, е един от първите клиенти за този процес на индукционно заваряване. IS Group и Arkema проведоха специално проучване за STELIA, заваряване на 7 слоя струни въглерод/PEKK до 14 слоя кожа и покриването им с медни мрежи, за да се предотвратят светкавици удари. Крайната цел е да се заварят структура с дължина от 30 метра, права линия и двойна извита секция. Компонентите са направени с 194 gsm едноименна лента, включваща Tenax HST45 въглеродни влакна и Kepstan 7002 PEKK. STELIA указва хомогенна заварка с механични свойства, по-голяма от 85% от референтния материал, излекуван от автоклава, а термичните или механичните свойства на адхеренда няма да бъдат влошени. STELIA също изискваше разработването на стабилен процес за промяна на дебелината на адхеренд. IS Group проведе тестове за химични и експлоатационни показатели върху заварени компоненти.
IS Group и Arkema успяха да отговорят на изискванията на STELIA, постигайки по-голяма от 85% от производителността на якостта на едноскутното срязване и интерламинарната срязване в сравнение с референтния ламинат, излекуван от автоклава. Няма разпространение или разграждане в компонента ламинат или мълния защитна мрежа. Единственият недостатък е скоростта. STELIA изисква скоростта на заваряване да бъде по-голяма или равна на 1 м/мин. В момента скоростта на това решение е 0,3 метра в минута. По отношение на дебелината на базовия материал, който може да бъде заварени, типичната дебелина на космическите конструкции може да бъде заварена, а 5 мм дебели части могат да бъдат заварени до 5 мм основа.
Технически възможности и предизвикателства
IS Group и Arkema са съсобственици на иновативна технология за решения за заваряване и са защитили технологията чрез надеждно патентно портфолио, което вече включва пет френски и международни заявки за патенти. Иновативното решение за заваряване може да се използва с всяка термопластична композитна матрица, а IS Group демонстрира технологията чрез план за сътрудничество с европейски и американски компании. За Arkema акцентът е поставен върху PEKK, който формира стратегически съюз с Hexcel през 2018 г. за разработване на въглеродни/термопластични колани за бъдещи самолети, като се фокусира върху предоставянето на клиентите на по-ниски разходи и по-бързи производствени скорости. Като част от партньорството Франция ще създаде съвместна лаборатория за научноизследователска и развойна дейност.
Проектът за 13,5 милиона евро, 48-месечен високо автоматизиран интегриран композит за адаптивни структури е продължение на стратегическия съюз между Arkema и Hexcel. Проектът ще оптимизира проектирането и производството на материали, използвани при производството на съставни части, за да се постигнат конкурентни разходи. Тя също така ще разработи по-ефективна технология за разполагане/оформление на композитен материал, както и нова система с онлайн контрол на качеството за сглобяване на крайни части чрез заваряване. Целевите приложения включват основната структура на въздухоплавателните средства, структурните части в автомобилната промишленост, и тръбопроводите в нефтената и газовата промишленост. Предимствата за рециклиране и устойчивост, предоставени от термопластичните материали, също са важни за тези пазари и ще бъдат демонстрирани и количествено определени в проекта.
В сравнение с 2017 г. една от ползите, които иновативните решения за заваряване могат да осигурят, е намаление с повече от 50% на необходимата мощност в сравнение с динамичния процес на индукционно заваряване. При конвенционалната индукция се изисква висока мощност за загряване на повърхността, но при податливите на интерфейса подгряващата повърхност е много по-малка и необходимата енергия е много по-малко. Това също помага да се предотврати вибриране на стрингерния радиус. Ако нагряването е твърде много, то ще смекчи материала на радиуса и ще премести влакната там. Въпреки това, все още има проблем с разсейването на топлината. За плоските форми термичният контрол е много прост, но тъй като сложността на формата се увеличава, тя става по-предизвикателна. Към настоящия момент основната цел е да се продължи да се развива и да се постигне типично по мащаб заваряване на горната греда на кожата, а фокусът все още е да се въведе технологията в новия план за развитие на въздухоплавателните средства.