French Institute of Welding (IS)-gruppen har mer enn 100 års erfaring med sveisemetaller og er for tiden i ferd med å bli ledende innen sveising av termoplastiske komposittmaterialer. IS Group utviklet prosessen "dynamic induction welding", som ble brukt til å koble karbonfiber/ polyeterketoneketon (PEKK) enveis beltestrenger og skroget hud i luftfartstermoplastisk komposittdemonstrasjonsprosjekt av Airbus's STELIA Aerospace .
Til tross for suksessen til denne prosessen, er det ingen septor på grensesnittet, så det er begrensninger i radiusytelsen til de limte stringers og den globale oppvarmingen av veggpanelene. Septeret er materialet som plasseres mellom de to limte gjenstandene i den termoplastiske komposittsveisede skjøten, og materialet oppvarmes av induksjonsspolen i sveiset ledd. Susceptoren kan være en ledende kropp oppvarmet av motstand eller en magnetisk kropp oppvarmet av hysterese. Den smelter basen ved sveisegrensesnittet og presser basen sammen for å danne en sveiset ledd med høy styrke. Susceptoren som ble brukt til induksjonssveising av termoplastiske kompositter var opprinnelig en metallskjerm eller et rutenett, noen ganger impregnert med polymer.
IS Group har etablert et samarbeid med Arkema, en leverandør av termoplastiske materialer, for i fellesskap å utvikle og skaffe seg en patentert teknologi kalt Welding Innovation Solution.
Grunnlaget for innovative sveiseløsninger
Grunnlaget for innovative sveiseløsninger er bruk av septorer for å varme opp sveisegrensesnittet, men dette er en bevegelig susceptor koblet til sveisehodet. Susceptoren gjør at prosessen perfekt kan lokalisere sveisens varmeområde, og sveisehodet med susceptoren er mobilt, så det er ingen rester i grensesnittet og vil ikke forstyrre ytelsen til den sveisede strukturen. I de tidlige gjentakelsene av induksjonssveising forble metallnettsceptoren i sveisen, men dette var ikke det ønskede resultatet. Siden karbonfiberen i vanlige luftfartslaminat er ledende, har den nyeste teknologien vært i stand til å eliminere septeret, noe som også muliggjør bruk av karbonfibermaterialer som septor.
Et annet trekk ved den innovative sveiseløsningen er bruken av en ren termoplastisk matrise eller et lag med lavt fiberinnhold ved sveisegrensesnittet for å øke harpiksfluiditeten. Smeltetemperaturen og viskositeten til grensesnittlaget kan justeres, og det kan også funksjonaliseres for å gi konduktivitet eller isolasjon for å forhindre elektrisk korrosjon, for eksempel elektrisk korrosjon mellom karbonfiber og aluminium eller stål.
Resultatene av innovative sveiseløsninger
Den felles koeffisienten til denne løsningen er 80%~ 90%. Leddkoeffisienten tilsvarer sveisestyrken og brukes til metaller, plast og komposittmaterialer. I en en-runde skjærtest på to forherdede plater sveiset sammen ved hjelp av denne løsningen, ble 80% til 90% av ytelsen til den uvelkomne, autoklavede referanseplaten oppnådd. Disse testene brukte enveisbelter laget av Hextow AS7 karbonfiber og Arkema Kepstan 7002 PEKK.
Nyskapende sveiseløsninger kan brukes til å sveise alle typer substrat: PE, PA, PEKK, PEEK og karbon, glass eller aramidfiberforsterkede termoplastiske kompositter. Videre kan komponenter med kobbergitter også sveises for å forhindre lynnedslag, noe som er nøkkelen til produksjon av luftfartsstrukturer. Utformingen av den innovative sveiseløsningen er helautomatisk, med sveisehodet montert på en 6-akset robotarmrobot.
Temperaturkontroll for sveising
Et vanlig problem med metallnettsceptorer når de utsettes for et magnetfelt, er den ujevne temperaturfordelingen av de sveisede delene. Løsningen styrer dette ved å bruke en septor til å smelte sveisegrensesnittet ved hjelp av et laserpyrometer for å føle temperaturen, som faktisk måler kanten av septoren fra siden. Derfor kan den nøyaktige temperaturen ved grensesnittet være kjent. Kjølemetoder brukes også til å kontrollere temperaturen og sikre at det termoplastiske materialet kan krystalliseres fullstendig gjennom hele sveiseprosessen.
Stringer hud sveising test
STELIA, et datterselskap av Airbus, er en av de første kundene for denne induksjonssveiseprosessen. IS Group og Arkema gjennomførte en spesialstudie for STELIA, sveiset 7 lag karbon/PEKK-strenger til 14 lag med hud og dekket dem med kobbergitter for å forhindre lynnedslag. Det endelige målet er å sveise en struktur med en lengde på 30 meter, en rett linje og en dobbel buet seksjon. Komponentene er laget med 194 gsm enveis tape inkludert Tenax HST45 karbonfiber og Kepstan 7002 PEKK. STELIA spesifiserer en homogen sveis med mekaniske egenskaper som er større enn 85% av referansematerialet herdet av autoklaven, og de termiske eller mekaniske egenskapene til tilhengeren vil ikke bli degradert. STELIA krevde også utvikling av en robust prosess for å endre tykkelsen på tilhengeren. IS-gruppen utførte kjemiske tester og ytelsestester på sveisede komponenter.
IS Group og Arkema var i stand til å oppfylle STELIA sine krav, og oppnådde mer enn 85% av en-runde skjær og interlaminar skjær styrke ytelse sammenlignet med referanselaminat herdet av autoklav. Det er ingen spredning eller nedbrytning i komponentlaminatet eller lynbeskyttelsesgitteret. Den eneste mangelen er hastigheten. STELIA krever at sveisehastigheten er større enn eller lik 1 m/min. For tiden er hastigheten på denne løsningen 0,3 meter per minutt. Når det gjelder tykkelsen på grunnmaterialet som kan sveises, kan den typiske tykkelsen på luftfartskonstruksjoner sveises, og 5 mm tykke deler kan sveises til en 5 mm base.
Tekniske muligheter og utfordringer
IS Group og Arkema er medeiere i innovativ sveiseløsningsteknologi og har beskyttet teknologien gjennom en pålitelig patentportefølje, som allerede inkluderer fem franske og internasjonale patentsøknader. Den innovative sveiseløsningen kan brukes med alle termoplastiske komposittmatriser, og IS Group demonstrerer teknologien gjennom en plan for samarbeid med europeiske og amerikanske selskaper. For Arkema er fokuset på PEKK, som dannet en strategisk allianse med Hexcel i 2018 for å utvikle karbon/termoplastiske belter for fremtidige fly, med fokus på å gi kundene lavere kostnader og raskere produksjonshastigheter. Som en del av partnerskapet vil Frankrike etablere et felles forsknings- og utviklingslaboratorium.
Det 13,5 millioner euro, 48-måneders svært automatiserte integrerte komposittprosjektet for adaptive strukturer, er en videreføring av den strategiske alliansen mellom Arkema og Hexcel. Prosjektet vil optimalisere design og produksjon av materialer som brukes til produksjon av sammensatte deler for å oppnå konkurransedyktige kostnader. Det vil også utvikle en mer effektiv komposittmaterialeplassering / layoutteknologi, samt et nytt system med online kvalitetskontroll for å montere endelige deler ved sveising. Målapplikasjoner inkluderer hovedstrukturen til fly, strukturelle deler i bilindustrien og rørledninger i olje- og gassindustrien. Resirkulerbarhets- og bærekraftsfordelene i termoplastiske materialer er også viktige for disse markedene og vil bli demonstrert og kvantifisert i prosjektet.
Sammenlignet med 2017 er en av fordelene som innovative sveiseløsninger kan gi, en reduksjon på mer enn 50 % i kraften som kreves sammenlignet med den dynamiske induksjonssveiseprosessen. Med konvensjonell induksjon er det nødvendig med høy effekt for å varme opp overflaten, men med følsomhet ved grensesnittet er den oppvarmede overflaten mye mindre og energien som kreves er mye mindre. Dette bidrar også til å forhindre at stringer-radiusen vibrerer. Hvis oppvarmingen er for mye, vil det myke materialet på radiusen og flytte fibrene der. Imidlertid er det fortsatt et varmespredningsproblem. For flate former er termisk kontroll veldig enkel, men etter hvert som kompleksiteten i formen øker, blir det mer utfordrende. For tiden er hovedmålet å fortsette å utvikle og oppnå typisk hud øvre stråle sveising, og fokuset er fortsatt å introdusere teknologien i den nye flyutviklingsplanen.