El grup de l’Institut Francès de Soldadura (IS) té més de 100 anys d’experiència en soldar metalls i actualment s’està convertint en un líder en soldadura de materials compostos termoplàstics. El grup IS va desenvolupar el" soldadura per inducció dinàmica" procés, que es va utilitzar per connectar els cordons unidireccionals de fibra de carboni / polieteretetoneketona (PEKK) i la pell del fuselatge en el projecte de demostració de material compost termoplàstic aeroespacial de STELIA Aerospace # 39 d’Airbus &.
Malgrat l'èxit d'aquest procés, no hi ha cap susceptor a la interfície, de manera que hi ha limitacions en el rendiment del radi dels lligadors units i en l'escalfament global dels panells de paret. El susceptor és el material situat entre els dos objectes units de la junta soldada composta termoplàstica i el material s’escalfa mitjançant la bobina d’inducció de la junta soldada. El susceptor pot ser un cos conductor escalfat per resistència o un cos magnètic escalfat per histèresi. Fon la base a la interfície de soldadura i prem la base junts per formar una unió soldada d’alta resistència. El susceptor utilitzat per a la soldadura per inducció de compostos termoplàstics era originalment una malla o una reixeta metàl·lica, de vegades impregnada de polímer.
IS Group ha establert una associació amb Arkema, un proveïdor de materials termoplàstics, per desenvolupar i obtenir conjuntament una tecnologia patentada anomenada Welding Innovation Solution.
La base d’innovadores solucions de soldadura
La base de solucions innovadores de soldadura és l’ús de susceptors per escalfar la interfície de soldadura, però es tracta d’un susceptor mòbil connectat al cap de soldadura. El susceptor permet que el procés localitzi perfectament la zona de calefacció de la soldadura i el capçal de soldadura amb el susceptor és mòbil, de manera que no hi ha cap residu a la interfície i no interfereixi en el rendiment de l’estructura soldada. En les primeres iteracions de soldadura per inducció, el susceptor de malla metàl·lica va romandre a la soldadura, però aquest no va ser el resultat desitjat. Atès que la fibra de carboni dels laminats aeroespacials normals és conductora, l’última tecnologia ha estat capaç d’eliminar el susceptor, cosa que també permet l’ús de materials de fibra de carboni com a susceptor.
Una altra característica de la innovadora solució de soldadura és l’ús d’una matriu termoplàstica pura o d’una capa amb baix contingut de fibra a la interfície de soldadura per augmentar la fluïdesa de la resina. La temperatura de fusió i la viscositat de la capa d'interfície es poden ajustar i també es pot funcionalitzar per proporcionar conductivitat o aïllament per evitar la corrosió elèctrica, com ara la corrosió elèctrica entre fibra de carboni i alumini o acer.
Els resultats de solucions innovadores de soldadura
El coeficient conjunt d’aquesta solució és del 80% al 90%. El coeficient d’unió correspon a la resistència de la soldadura i s’utilitza per a metalls, plàstics i materials compostos. En una prova de cisallament d'una sola volta en dues plaques precurades soldades juntes amb aquesta solució, es va obtenir del 80% al 90% del rendiment de la placa de referència no soldada i autoclavada. En aquestes proves es van utilitzar cinturons unidireccionals de fibra de carboni Hextow AS7 i Arkema Kepstan 7002 PEKK.
Les solucions innovadores de soldadura es poden utilitzar per soldar qualsevol tipus de substrat: compostos termoplàstics reforçats amb fibra de carboni, vidre o aramida, PE, PA, PEKK, PEEK. A més, també es poden soldar components amb reixetes de coure per evitar els llamps, que és la clau per a la fabricació d’estructures aeroespacials. El disseny de la innovadora solució de soldadura està totalment automatitzat, amb el capçal de soldadura muntat en un robot de braç robotitzat de 6 eixos.
Control de temperatura de soldadura
Un problema comú dels susceptors de malla metàl·lica quan se sotmet a un camp magnètic és la distribució desigual de la temperatura de les parts soldades. La solució ho controla mitjançant un susceptor per fondre la interfície de soldadura, mitjançant un piròmetre làser per detectar la temperatura, que realment mesura la vora del susceptor des d’un costat. Per tant, es pot conèixer la temperatura exacta a la interfície. També s’utilitzen mètodes de refrigeració per ajudar a controlar la temperatura i garantir que el material termoplàstic pugui cristal·litzar completament durant tot el procés de soldadura.
Prova de soldadura de pell de corda
STELIA, filial d’Airbus, és un dels primers clients d’aquest procés de soldadura per inducció. IS Group i Arkema van realitzar un estudi especial per a STELIA, soldant 7 capes de cordons de carboni / PEKK a 14 capes de pell i cobrint-les amb reixetes de coure per evitar els llamps. L’objectiu final és soldar una estructura amb una longitud de 30 metres, una línia recta i una secció doble corba. Els components estan fabricats amb cinta unidireccional de 194 g / m², inclosa la fibra de carboni Tenax HST45 i el Kepstan 7002 PEKK. STELIA especifica una soldadura homogènia amb propietats mecàniques superiors al 85% del material de referència curat per l’autoclau, i les propietats tèrmiques o mecàniques de l’adherent no es degradaran. STELIA també va requerir el desenvolupament d’un procés robust per canviar el gruix de l’adherent. El grup IS va realitzar proves químiques i de rendiment en components soldats.
IS Group i Arkema van ser capaços de complir els requisits de STELIA&# 39, aconseguint més del 85% del rendiment de cisallament d'una sola volta i resistència al cisallament interlaminar en comparació amb el laminat de referència curat per autoclau. No hi ha propagació ni degradació al laminat de components ni a la xarxa de protecció contra llamps. L’única deficiència és la velocitat. STELIA requereix que la velocitat de soldadura sigui superior o igual a 1 m / min. Actualment, la velocitat d’aquesta solució és de 0,3 metres per minut. Pel que fa al gruix del material base que es pot soldar, es pot soldar el gruix típic de les estructures aeroespacials i es poden soldar parts de 5 mm de gruix a una base de 5 mm.
Oportunitats i reptes tècnics
IS Group i Arkema són els copropietaris de la innovadora tecnologia de solucions de soldadura i han protegit la tecnologia mitjançant una cartera de patents fiable, que ja inclou cinc sol·licituds de patents franceses i internacionals. La innovadora solució de soldadura es pot utilitzar amb qualsevol matriu composta termoplàstica i IS Group demostra la tecnologia mitjançant un pla de cooperació amb empreses europees i americanes. Per a Arkema, el focus se centra en PEKK, que va formar una aliança estratègica amb Hexcel el 2018 per desenvolupar cinturons de carboni / termoplàstic per a futurs avions, centrant-se en proporcionar als clients costos més baixos i velocitats de producció més ràpides. Com a part de l'associació, França establirà un laboratori conjunt de recerca i desenvolupament.
El projecte compostos integrats de 13,5 milions d’euros, 48 mesos, altament automatitzat per a estructures adaptatives, és la continuació de l’aliança estratègica entre Arkema i Hexcel. El projecte optimitzarà el disseny i la fabricació dels materials utilitzats en la producció de peces compostes per aconseguir costos competitius. També desenvoluparà una tecnologia de col·locació / distribució de materials compostos més eficient, així com un nou sistema amb control de qualitat en línia per muntar les peces finals mitjançant la soldadura. Les aplicacions objectiu inclouen l’estructura principal dels avions, les peces estructurals de la indústria de l’automòbil i les canonades de la indústria del petroli i el gas. Els avantatges de reciclabilitat i sostenibilitat que proporcionen els materials termoplàstics també són importants per a aquests mercats i es demostraran i quantificaran en el projecte.
En comparació amb el 2017, un dels avantatges que poden aportar solucions de soldadura innovadores és la reducció de més d’un 50% de la potència necessària en comparació amb el procés de soldadura per inducció dinàmica. Amb la inducció convencional, es necessita una gran potència per escalfar la superfície, però amb els susceptors a la interfície, la superfície escalfada és molt menor i l’energia necessària és molt menor. Això també ajuda a evitar que el radi del cordó vibri. Si l'escalfament és massa, estovarà el material del radi i hi mourà les fibres. Tot i això, encara hi ha un problema de dissipació de calor. Per a les formes planes, el control tèrmic és molt senzill, però a mesura que augmenta la complexitat de la forma, esdevé més difícil. En l’actualitat, l’objectiu principal és continuar desenvolupant i assolint la soldadura de feix superior de pell a escala típica, i l’objectiu encara és introduir la tecnologia al nou pla de desenvolupament d’avions.