航空工业 戴晟 2025-08-18 16:36 北京
本文发表于《航空制造技术》2025年第68卷第16期第105-122页。
随着大功率激光加热自动铺放成型技术的发展，热塑性复合材料凭借耐燃、无烟无毒、可原位固化、可焊接连接等特征，已经成为全球航空领域在整体化、轻量化、绿色化制造方向上的研究热点。近年来，欧盟陆续资助了“热塑性经济可承受性航空主结构”（Thermoplastic affordable primary aircraft structure，TAPAS）、TAPAS 2和“洁净天空”等计划，在世界范围内大幅推动了高性能热塑性复合材料的航空领域应用。2024年，在“洁净天空”计划“大型客机”验证子计划的支持下，德国弗劳恩霍夫协会、德国航空航天中心、英国吉凯恩航宇公司及其他国际合作伙伴联合打造了全球最大（长8m、直径4m）的碳纤维增强热塑性复合材料（Carbon fiber reinforced thermoplastic，CFRTP）机身——多功能机身演示验证件（Multi-functional fuselage demonstrator，MFFD），证明了热塑性复合材料应用于大尺寸主承力构件的可行性。
图1 全球最大碳纤维增强热塑性复合材料机身——多功能机身演示验证件（欧洲空客公司图片）
热塑性复合材料是由热塑性树脂作为基体材料，与各种纤维增强材料复合而成的功能材料。相较于传统金属材料，热塑性复合材料的机械性能出色，具有高强度、高模量、高韧性等特点，化学性能稳定，耐腐蚀性、耐化学品性和阻燃性能好。热塑性复合材料具有较好的可塑性和成型性，可以加热软化、冷却硬化，且这一过程可以反复进行，在达到一定温度后即可实现二次成型，具有可回收、可重复利用、环境友好等显著特性。但热固性复合材料一旦成型就不能再次被软化或重塑，无法实现回收利用。热塑性复合材料的预浸料对储存时间和条件没有特殊要求，而热固性复合材料的预浸料需要低温保存。此外，热塑性复合材料成型速度快、效率高，因此应用热塑性复合材料可以显著降低制造成本。
目前，连接热塑性复合材料结构的方法有机械连接、胶接及焊接3种。机械连接的强度高，受厚度限制小且易于拆卸，但连接钻孔会切断材料的纤维，产生应力集中，还可能发生电化学腐蚀，同时铆钉、螺栓的大量使用会增加构件质量；胶接可保持构件完整性，无须开孔、不受厚度限制、密封性好、无电化学腐蚀，但需要增加前序表面处理工艺，固化时间较长，同时接头的剥离强度低；焊接接头可达到接近原材料的力学性能（MFFD中为85%），焊接过程无须机械紧固件或胶粘剂，大幅减重的同时避免了因钻孔导致的纤维损伤、胶层老化等问题，基于工业机器人等装备还可实现自动化焊接，因此在热塑性复合材料构件整体化制造的过程中具有明显优势。热塑性复合材料焊接技术的本质，是通过加热使待连接界面的聚合物（树脂基体）变成黏稠状态，以物理方式（如施加压力）使聚合物链相互扩散，最后冷却聚合物使连接处固结。本文从激光焊接、电阻焊接、感应焊接、超声波焊接和传导焊接等方面进行了综述，对各项技术在航空领域的应用进行了总结，并给出了未来发展重点。
一、热塑性复合材料焊接技术研究现状
1.激光焊接
激光焊接是一种高效精密的焊接方法，利用高能量密度的激光束作为热源。激光焊接以其高精度、高效率和高适应性的特点，在航空制造领域发挥着越来越重要的作用。热塑性复合材料激光焊接的基本原理属于热熔焊范畴，即热塑性复合材料吸收激光注入的部分能量，将其转化成热能，从而达到焊接的目的。
根据热塑性复合材料对激光波长的吸收率差异，热塑性复合材料激光焊接可分为激光直接焊接和激光透射焊接。激光直接焊接的原理如图2所示，与连接界面相切的激光束直接照射到接缝处，熔化界面两侧的复合材料实现连接，常用于构件的对焊。激光透射焊接的原理如图3所示，两个待焊接工件形成搭接结构，然后激光器发射激光束定向到待焊接部位，由于上半部材料对激光波段的透射率较高，光束透过上半部将能量输送到下半部的上表面，下半部材料吸收激光能量后使得上、下材料的接触表面温度升高，然后加热熔化接触面完成连接。激光透射焊接的机制是上、下工件的接触面之间在高温下形成稳定键的自粘过程。
图2 激光直接焊接
图3 激光透射焊接
相较于激光直接焊接，激光透射焊接更常用于热塑性复合材料的连接。激光透射焊接对材料本身的光学特性要求很高，要求上部材料具有较高的透射率（透光率高于50%），下部材料具有较高的吸收率（透过率低于20%）。因此，低激光透射率的材料和吸光强的黑色材料并不适用于激光透射焊接。掺入添加剂可以改善材料的光学特性，获得理想的焊接效果。例如，提高下部材料吸收率常用的方法是添加炭黑吸收剂，但会造成构件染色。图4为激光透射焊接过程中焊接界面的温度场分布，上层透明材料因激光光束透过，被照射部分温度会升高，当光束远离后，温度会很快降到室温，上层试件除接触面附近区域外，其他区域不会发生熔融。激光透射焊接技术在热塑性塑料焊接领域已经较为成熟，欧洲Leister、Rofin和Bielomatik等公司相继推出了基于激光透射焊接技术的专用激光设备。
图4 激光透射焊接界面的温度分布（苏州大学沈璇璇硕士论文图片）
近年来，国内外学者对热塑性复合材料的激光焊接技术开展了一系列探索性研究，包括工艺参数优化、连接界面几何形状设计、材料改性和工艺创新等。在工艺参数优化与接头质量提升方面，Choi等选择波长1940nm的铥激光，利用激光直接焊接工艺实现了2.2mm厚度的碳纤维增强聚醚酮酮（Carbon fiber reinforced polyetherketoneketone，CF/PEKK）复合材料的有效连接，并且发现适当增加单位面积的激光照射点会得到更高的接头强度，但照射点过多则会因为热量耗散而降低接头强度（图5）。焦俊科等针对CFRTP/钛合金激光高速旋转焊接温度场开展了数学建模，基于有限元方法实现了温度场的计算分析，研究了焊接速度、激光功率、光斑尺寸对熔深、熔宽的影响规律，结果显示，激光功率增大，接头的熔宽和熔深增大；焊接速度、光斑半径增大，接头熔宽和熔深减小（图6）。
图5 不同数量激光光斑下CF/PEKK复合材料的载荷-拉伸曲线（《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊图片）
图6 工艺参数对CFRTP/钛合金焊接接头熔深和熔宽的影响（《航空制造技术》期刊图片）
在连接界面几何形状设计方面，Bastos等研究了焊接参数和焊接肋几何形状对搭接剪切强度的影响，包括激光束在热塑性复合材料样件上的移动速度、施加温度、夹紧力、激光束尺寸等，以及不同尺寸的矩形和三角形横截面肋，研究表明，三角形肋的样件可以获得更高的搭接剪切强度，增加肋宽度可提高搭接剪切强度，增加肋高度则会降低搭接剪切强度（图7）。
图7 两种形状焊接肋的搭接剪切强度（《Journal of Advanced Joining Processes》期刊图片）
在利用材料改性策略提升焊接质量方面，Yu等引入了不同熔点的金属颗粒吸收剂，包括镁锌合金颗粒、锌颗粒和锡颗粒，通过试验研究了金属颗粒吸收剂和焊接参数（激光功率和焊接速度）对剪切力和焊缝形态的影响。刘一凡利用激光直接焊接工艺，采用双向调控界面强化接头实现了镁合金和碳纤维聚酰胺基复合材料的高强度连接，分析了激光直接焊接工艺参数的影响规律，分析了紫外接枝工艺与微弧氧化工艺双向复合调控连接界面的强化机制。
在工艺创新方面，贾少辉等将激光搅拌焊接方法引入铝合金与CFRTP的焊接，发现在相同的激光功率和焊接速度下，激光搅拌焊接接头的连接强度约为激光直接焊接的3倍，激光搅拌焊接工艺可显著减少气孔缺陷，使焊缝显现良好的形貌。
在综述性研究方面，Jiao等从理论建模与仿真分析、工艺探索与参数优化、接头性能改进与工艺创新3大方面，总结了CFRTP与金属的激光连接研究进展，指出了接头缺陷控制、接头疲劳抗力提升等需要进一步研究探索的内容。Gonçalves等概述了热塑性复合材料激光焊接的4个主要方面，包括激光系统、热塑性材料、工艺参数、材料和焊接部件的表征方法，深入讨论了同种材料的焊接和异种材料焊接。
焊接速度和激光功率是影响激光焊接质量的主要工艺参数。表1对比了不同激光功率、不同焊接速度下焊接区的连接强度。可以看到，在同样的激光功率下，随着焊接速度的降低，接头的连接强度都是先增加后减小。这是因为随着焊接速度的降低，焊接区产生的温度逐渐接近树脂层的气化温度，使树脂层能够充分熔化并在压力作用下形成质量较好的接头。但随着焊接速度进一步降低，焊接区积蓄的温度过高，接头内部会出现尺寸很大的气泡，导致接头的连接强度降低。另一方面，在同样的焊接速度下，随着激光功率增加，接头的连接强度逐渐降低。这是因为单纯增加激光功率会使输入能量过高，导致树脂大量热分解并在连接界面处形成大量气泡，使得碳纤维板与树脂的接触面积减少，严重影响连接强度。因此，当焊接速度的工艺参数确定时，必须选择合适的激光功率参数，才能让树脂既完全熔化，又兼具良好流动性，形成连接强度最好的接头。
表1 不同激光功率下接头强度随扫描速度变化规律（江苏大学朱嘉鑫硕士论文表格）
2.电阻焊接
如图8所示，电阻焊接需要在连接界面之间植入电阻元件（如金属网或碳纤维带），当外加电流流过电阻元件时，局部产热使界面周围材料熔化，随后在压力作用下经过冷却实现连接。值得注意的是，在焊接CFRTP时，复合材料本体容易发生漏电，这是因为材料本身具有一定的导电性。焊接过程中的漏电问题会导致焊接温度严重不均，进而引发焊接质量不稳定、焊接强度低等问题。目前，解决这一问题的方法是直接在电阻元件或材料本体表面覆盖1或2层树脂膜，形成绝缘层，或者采用有绝缘保护的电阻元件。
图8 电阻焊接
电阻焊接是热塑性复合材料焊接技术中发展最早、最成熟的工艺之一。国内外研究人员围绕工艺参数优化、电阻元件材料改性、复合焊接工艺等方面开展了大量研究。在工艺参数优化与焊接质量提升方面，Rohart等研究了环境温度和湿度对碳纤维增强聚苯硫醚（Carbon fiber reinforced polyphenylene sulfide，CF/PPS）电阻焊接接头搭接剪切强度的影响，结果表明，温度升高会造成剪切强度变差，在82℃时相较于室温降低26%，150℃时相较于室温降低61%，而湿度变化对剪切强度几乎没有影响。水锋等研究了玻璃纤维增强聚芳硫醚电阻焊接过程中焊接功率、焊接压力和焊接时间3个工艺参数对焊接接头搭接剪切强度的影响，影响程度为焊接功率>焊接时间>焊接压力，并通过田口方法得到了最优的工艺参数，如图9所示。针对碳纤维增强尼龙6复合材料与TWIP980钢的高强度连接问题，王烨成等以304不锈钢铆钉作为辅助单元，研究了电流与时间对焊接接头力学性能的影响，结果表明，大电流、短时间的焊接策略能够有效实现CFRTP/高强钢的电阻单元焊。
图9 不同参数下试样的搭接剪切强度（《纤维复合材料》期刊图片）
在电阻元件改性增强方面，Zhao等对不锈钢电阻元件进行了旋转滑动弧放电等离子处理，用于CF/PEEK热塑性复合材料的电阻焊接，结果显示，经处理后的焊接接头搭接剪切强度比未处理时提高了6.65%（图10），焊点内的空隙缺陷减少。Zhao等研发了由碳纳米管薄膜和不锈钢网构成的新型复合电阻元件，用于碳纤维增强聚醚酰亚胺（Carbon fiber reinforced polyetherimide，CF/PEI）热塑性复合材料的电阻焊接，通过扫描电子显微镜和拉伸试验分别研究了不同焊接宽度下接头的显微组织和力学性能。王涣翔等以CF/PPS复合材料板为研究对象，对电阻元件（304不锈钢金属网）进行硅烷偶联剂KH550接枝处理，通过增加PPS与金属网之间的黏附性，将焊接接头的剪切强度提升至31.1MPa，相较于未处理时提高了27%。
图10 电阻元件未处理和等离子处理的焊接接头搭接剪切强度（《Composites Part B: Engineering》期刊图片）
在电阻焊与其他工艺复合加工方面，Ma等在电阻焊接工艺的最后阶段引入了超声波，采用不同持续时间的电阻焊和超声波组合来连接玻璃纤维增强聚苯硫醚（Glass fiber reinforced polyphenylene sulfide，GF/PPS）复合材料，与未引入超声波相比，引入超声波的电阻焊接接头的剪切强度提高了19%，焊接时间缩短了40%，如图11所示。王凯在GF/PPS的焊接过程中引入超声波辅助，研究不同工艺参数下超声波的作用机理，结果表明，超声波辅助提升了接头性能，接头剪切强度提升了20%~30%，但长时间的超声波辅助会导致接头强度降低。
图11 不同焊接时间和超声波时间下的接头搭接剪切强度（《Composites Part B: Engineering》期刊图片）
焊接时间和焊接压力是影响电阻焊连接效果的主要工艺参数。从表2可知，随着焊接时间的增长，接头的剪切强度不断升高。但焊接时间过长，剪切强度则会降低。这是因为焊接时间过短时，输入的能量不足以使电阻元件附近的树脂充分融化；如果焊接时间过长，过高的界面温度将使树脂发生热降解，严重影响接头的剪切强度。从表3可知，接头剪切强度随着焊接压力的增加，先不断升高随后降低。这是因为当焊接压力过小时，界面树脂不能充分填充到电阻元件金属网的孔隙中，因此无法充分浸润母材表面并进行聚合物链的相互扩散；焊接压力过大，界面树脂从搭接区域被挤出，既容易造成电流泄漏，还会导致接头中树脂含量降低，不能实现有效黏合。
3.感应焊接
感应焊接属于电磁焊接的一种，如图12所示。在热塑性复合材料层间添加嵌有金属网、金属箔或金属粉末的热塑性薄膜，利用线圈产生的高频交变磁场使焊接界面处的感应元件以及热塑性复合材料母材产生热量，从而使界面处的树脂发生熔化、流动并相互扩散熔合，随后在压力作用下经过冷却实现连接。
感应焊接的接头形成机制如图13所示，包含搭接界面软化、紧密接触、分子迁移融合、冷却固结4个阶段。焊接界面到母材上、下外表面的温度依次递减，该温度分布有利于保证焊接区域树脂充分熔化，并且避免焊接高温对母材的物理及化学性能造成严重影响。
感应焊接受复合材料本身性能的影响较小，因此在工艺原理创新、多物理场耦合建模与仿真验证、工艺参数优化等方面获得了国内外研究人员的广泛关注。在工艺原理创新方面，Martin等研发了真空感应焊接工艺（图14），该工艺以清洁和非接触的方式实现了热塑性复合材料面板与热塑性聚合物芯材的连接，通过GF/PEEK面板和PEI蜂窝芯材的应用，验证了该方法的可行性。
表2 不同焊接时间下电阻焊接头的剪切强度（沈阳航空航天大学田琳硕士论文表格）
表3 不同焊接压力下电阻焊接头的剪切强度（沈阳航空航天大学赵普硕士论文表格）
图12 感应焊接
图13 感应焊接的接头形成机理（《材料工程》期刊图片）
在多物理场耦合建模与仿真验证方面，Lionetto等建立了瞬态三维有限元模型，用于研究CF/PEEK层压板连续感应焊接过程中的传热现象，以及焊接区域的熔化和固化。通过耦合电磁和传热方程，解决了多物理场问题，该模型计算得出的结论与试验测量结果十分吻合。Barazanchy等针对热塑性复合材料感应焊接的加热机制，使用自主开发的电磁感应有限元软件包WelDone和商用软件包Ansys Maxwell，通过仿真模拟了感应焊接的加热机制，深入研究了感应焊接过程中常见的边缘效应，该模型的不同单元可以捕捉线圈在复合材料层压板表面移动时产生的瞬态温度分布。Holland等提出了一种用于模拟层状复合板感应加热的混合有限元模型，包括流经线圈的交流电产生的交变电磁场，电磁场产生的复合板中的电流密度，电流密度分布产生的热量，以及复合板中不均匀发热产生的热传导。
图14 真空感应焊接设备（《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊图片）
在工艺参数优化和接头质量提升方面，Choi等利用不同的激光功率，通过自动纤维铺放工艺制造了基于PEEK的热塑性碳纤维复合材料，并研究了它们在感应焊接后的接头质量和机械特性，结果表明，自动铺放过程的激光功率和表面温度显著影响了感应焊接的质量和性能，在感应焊接过程中，工件边缘附近可能会出现非预期的局部发热现象，从而影响接头质量和表面质量。朱文研究了CF/PEEK复合材料层压板的高频磁场感应焊接工艺，揭示了焊接工艺参数对焊接接头搭接剪切强度的影响。敖文珍等基于热电偶测温的方法，研究了CF/PPS焊接试样厚度方向上温度分布及温度随时间的变化规律，给出了焊接功率及焊接时间对单搭接剪切强度的影响，探索了不同植入层在CF/PPS感应焊接中的可行性。王飞云等设计了CFRTP感应焊接建模仿真与工艺试验，通过焊接接头拉伸剪切强度测试与断口形貌分析，深入研究了感应元件厚度对焊接接头力学性能与断裂形式的影响（表4），研究表明，感应元件厚度的增加会降低接头的成形效果、连接质量与力学性能，同时减少界面的有效连接面积。
表4 不同感应元件厚度下的接头强度（《Acta Materiae Compositae Sinica》期刊论文表格）
焊接功率、焊接时间和焊接压力是影响感应焊接质量的主要工艺参数。表5~7分别对比了不同焊接功率、不同焊接时间和不同焊接压力下焊接区的剪切强度。从表5可以看到，随着焊接功率增大（通电电流增大），焊接区的剪切强度先增加后减小。这是因为感应电流越大，通过工件的磁通越大，加热效率越高；但如果功率过大，加热速率过快，极易造成加热不均匀，导致焊接区域中间还未融化边缘已经“过烧”碳化，严重降低接头的剪切强度。从表6可以看出，随着焊接时间增大，焊接区的峰值载荷和剪切强度先增加后减小。原因为加热时间过短会导致温度较低，树脂基体未完全熔融，无法完全浸润焊接界面，导致接头的剪切强度较低；加热时间过长会导致温度过高，PEEK分子链遭到破坏，严重降低接头的剪切强度。从表7可以看出，焊接压力过大或过小都会影响焊接区的稳定性，压力过小会影响熔融PEEK基体的流动范围，造成焊接区部分区域未黏合，最终因为局部受力导致各区域逐渐断裂；压力过大则会破坏热塑性复合材料母材的结构，造成母材中碳纤维织物的变形，严重影响接头的剪切强度。
表5 不同焊接功率下焊接区的剪切强度（南昌大学朱文硕士论文表格）
表6 不同焊接时间下焊接区的剪切强度（南昌大学朱文硕士论文表格）
表7 不同焊接压力下焊接区的剪切强度（南昌大学朱文硕士论文表格）
4.超声波焊接
超声波焊接是利用高频机械振动实现零件焊接的工艺。通过金属焊头将高频低幅（频率15~70kHz，振幅1~250μm）的纵向机械振动作用于待焊热塑性复合材料工件的表面。在待焊接区域，振动引发材料表面摩擦及分子间摩擦并产生热量，使工件接触面发生熔化，随后在压力作用下经过冷却实现连接，如图15所示。
图15 超声波焊接（《塑料工业》期刊图片）
一般而言，为了集中能量并提高焊接效率，超声波焊接需要在上、下工件之间放置纯基体材料制成的导能筋。含导能筋的超声波焊接机制如图16所示，分为材料接触、导能筋熔化、稳定熔化和接头形成4个主要阶段。第1阶段，上、下工件材料在压力作用下紧密接触，同时开启超声波振动；第2阶段，导能筋的尖端效应使得能量集聚，导能筋受热熔化，上、下工件的间距减小；第3阶段，导能筋到达熔点后，熔融态的物质沿着上、下工件的间隙流动，通过导热作用加热上、下工件的接触界面并形成熔融界面，引发工件的黏弹产热；第4阶段，上、下工件由于黏弹产热的作用逐渐熔化，冷却后形成焊核，实现材料连接。
图16 超声波焊接机制（中南大学王娅琼博士论文图片）
超声波焊接是一种理想的焊接热塑性复合材料的方法，近年来获得了国内外研究人员的重点关注。为了实现大尺寸CFRTP构件的焊接，研究人员主要围绕超声波顺序焊和超声波连续焊开展研究，包括工艺参数优化、接头力学性能研究、导能筋结构设计等。在工艺参数优化与焊接质量提升方面，王娅琼结合单因素敏感性试验和多因素敏感性试验，研究焊接参数（焊接能量、超声振幅、焊头速度和触发压力）之间的交互作用，探索了焊接热物理现象和焊接质量的影响机制。张博森等研究了玻璃纤维增强聚丙烯（Glass fiber reinforced polypropylene，GF/PP）复合材料的超声波焊接工艺，重点探索了焊接能量及超声振幅对GF/PP复合材料接头剪切强度的影响，研究表明，随着焊接能量及振幅强度的增加，GF/PP复合材料接头剪切强度均出现先增加后降低的趋势，在70%振幅及20J焊接能量下，接头剪切强度可达25MPa，接近母材聚丙烯树脂的拉伸强度。Zhao等研究了不同尺寸超声波焊头对焊接过程和焊接接头等焊接属性的影响（图17），提出了一种新型同步点焊技术，可在一个步骤内产生两个焊点，结果表明，增大焊头尺寸可显著提高焊接效率。Palardy等设计了一种智能超声波焊接程序，利用超声波焊机的反馈信息来确定加工参数，从而获得最佳焊接质量，大大缩短了加工时间；同时，研究人员开发了一种焊接策略，用于演示中小型部件的连接。
图17 不同焊接接头的搭接剪切强度和极限破坏载荷（《Composites Part B: Engineering》期刊论文图片）
在接头力学性能研究方面，Zhao等研究了热塑性复合材料超声波点焊单搭接接头的机械性能，并与机械紧固的同类接头进行了比较，结果表明，点焊接头的承载能力与机械固定接头相当（图18）。Zhao等为了深入了解多点焊接接头的结构设计优化策略，提出了一种有限元模型，用于分析超声波点焊制备的单搭接接头的力学性能，全面研究了典型几何参数（焊点直径和焊点间距）对多点焊接接头整体机械性能的影响，为飞机结构中超声波焊接接头的结构设计提供了参考；此研究在一定程度上推动了超声波顺序焊的发展，但焊点间距与排布对焊接质量的影响等问题仍需进一步探索。
图18 多排点焊接头与机械紧固接头的承载能力（《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊论文图片）
在导能筋结构设计方面，传统的三角形、半圆形导能筋会增加制造难度和制造成本，因此不适用于热塑性复合材料的超声波焊接。为此，近年来研究人员针对平导能筋、网状导能筋和无导能筋开展了相关研究。Villegas率先提出了平导能筋工艺，平导能筋的面积与焊接搭接区域面积相近，材质一般为与基体材料相同的纯树脂。Villegas等的后续研究表明，平导能筋工艺的焊接质量与传统导能筋相当，且大幅简化了加工流程，降低了制造成本。Tao等利用平导能筋实现了CF/PEEK的超声波焊接，发现平导能筋能够加快加热速率并降低峰值温度，接头强度可达28MPa，且能有效避免接头中出现未熔合和气孔缺陷。张增焕等对比了三角形、矩形和平导能筋的CF/PEEK超声波焊接，结果表明，平导能筋能够形成良好的焊接界面，液态树脂流动方式优于三角形和矩形，接头中未出现气孔缺陷。然而，相比平导能筋，无导能筋超声波焊接方法更具应用潜力。高宇昊研究了碳纤维增强尼龙66无导能筋焊接接头的力学性能与焊接参数以及压痕之间的关系，发现无导能筋工艺会形成随机分布的焊点，即“幽灵焊点”。Wang等先将碳纤维增强尼龙6的表面打磨，随后进行超声波焊接，在一定程度上避免了随机焊点的产生，但焊点内部质量并不均匀。许志武等研究了热辐射加热辅助CF/PPS的超声波焊接工艺，结果表明，适当的预加热处理能够促进接头树脂铺展均匀，形成焊接面积大、成形质量好、缺陷少的接头。杨苑铎使用球面支撑砧座代替传统平砧座进行无导能筋焊接，结果表明，球面砧座可以更好地集中焊接能量、减少随机焊点，最佳砧座球面半径为300mm。褚俊同针对GF/PPS材料进行无导能筋超声波焊接试验，系统研究了焊接工艺参数、焊头尺寸/形状、界面状态对接头形貌和力学性能的影响规律，并优化了焊接工艺。针对新兴的大尺寸构件超声波连续焊，Jongbloed等首先提出了网状结构的导能筋。网状导能筋存在分布均匀的凸点，焊接过程中能够和母材实现良好的接触，产热更高、熔化更快，从而获得更均匀的焊缝，最终的接头剪切强度达到了33.7Mpa±2.4MPa，相比使用平导能筋（剪切强度为18.8MPa±6.2MPa）提高了约80%。Takeda等利用网状导能筋实现了CF/PPS的焊接，研究了网状导能筋孔径及树脂含量对接头强度的影响，最终得到的焊接接头单边搭接剪切强度为34MPa，达到了航空领域复合材料构件的连接强度，充分证明了网状导能筋的可行性。Li等受到电阻焊的启发，将不锈钢网作为网状导能筋，研究其对焊接质量的影响，试验表明，在适当的焊接能量和网孔参数（大线间距、小线径、小网孔面积）下，接头破坏载荷超过10000N，焊接强度显著提高。
在综述性研究方面，赵普等系统分析了超声波焊接技术的工艺参数、导能筋结构类型等对接头质量的影响规律及作用机制，讨论了热固性复合材料超声波焊接技术的实现途径及影响接头质量的关键因素。杨苑铎等从超声波焊接基本过程、接头形式、数值模拟、质量监控及热塑/热固异种材料连接5个方面梳理了热塑性复合材料超声波焊接的研究现状。
焊接时间、焊接能量（焊接能量与焊接时间成正比例关系）、超声波振幅、超声波频率、焊接压力是影响超声波焊接质量的主要工艺参数。需要说明的是，关于热塑性复合材料超声波焊接工艺参数影响的研究是非常有限的，多数研究都是基于纯树脂材料开展的。如表8所示，在超声振动阶段，焊接时间、超声波振幅、超声波频率都与施加在焊接区域的总能量呈正相关。随着总能量的增加，接头强度随熔化材料的增加而增加。但接头强度不会随着焊接能量的增加而无限制增大，如果输入能量过高会在接头内产生气泡，或者引起基体树脂的热分解等，反而降低接头强度。合适的焊接压力使板件能够紧密接触，有利于获得更高的接头 强度；但过高的压力可能会破坏板件，或将熔化的树脂挤出焊接区域，严重降低接头强度。因此，焊接时间、超声波振幅、超声波频率、焊接压力都应选取合适的值，并非越大越好，如图19和20，以及图21所示。
表8 不同超声波焊接工艺参数的影响
图19 不同超声波振幅下的接头剪切强度（《玻璃纤维》期刊论文图片）
图20 不同焊接能量下的接头剪切强度（《玻璃纤维》期刊论文图片）
图21 不同焊接压力下的接头强度（郑州大学支倩博士论文图片）
5.传导焊接
传导焊接是吉凯恩航宇公司于2020年成功申请的专利技术，该技术专门用于热塑性复合材料的焊接。如前文所述，现有的热塑性复合材料焊接技术在焊接过程中可能出现焊接区域不均匀的问题，进而导致复合材料结构产生分层或形成空洞。为了解决这一问题，研究人员引入了传导焊接。传导焊接的原理是通过感应使焊接工具发热，加热待焊接的零件表面，通过层压板热传导产生焊接熔池，从而在压力的作用下完成焊接，如图21所示。
图22 传导焊接（吉凯恩航宇公司专利图片）
Tijs等通过数值和试验评估研究了热塑性复合材料传导焊接接头的强度和失效行为；采用两种不同的建模方法对焊接单搭接剪切接头进行了设计、制造、测试和分析，其中简化建模策略只考虑焊缝处的损坏，而高保真模型考虑了薄片层面的物理失效机制；研究表明，高保真建模方法能够高精度地预测焊接接头的试验失效模式，从而深入了解影响热塑性焊接接头强度的关键变量；研究还发现，接头强度不仅受焊接界面的失效机理影响，还受周围层的失效机理影响。目前，传导焊接的研究和应用局限于吉凯恩航宇公司参与的热塑性复合材料结构件验证项目，相关研究文献仅有一篇。
6.小结
激光焊接、电阻焊接、感应焊接、超声波焊接和传导焊接的技术对比如表9所示。整体而言，激光焊接是焊接速度最快的技术，可以达到24m/min，但是对被焊接材料的激光透射率和厚度都有要求，且焊接设备与控制设备成本较高；电阻焊接对被焊接件的厚度无限制，焊接时间与焊接长度无关，可用于面积大或厚度大的结构件连接，但是需要植入电阻元件；感应焊的焊接速度快且质量较高，但感应元件可能会影响焊接接头性能，并降低结构稳定性；超声波焊接的焊接速度能达到4～6m/min，但和感应焊一样，对焊接厚度有一定要求，因此仅适用于厚度小的结构件；传导焊接可实现复杂形状焊接，焊接时间与焊接长度无关，但技术细节受到专利保护。
表9 热塑性复合材料焊接技术对比
传导焊接因专利限制未披露相关试验数据，除此以外，激光焊接、电阻焊接、感应焊接和超声波焊接的常见缺陷、缺陷成因以及一般控制策略如表10所示。可以看到，4种焊接技术都会出现的常见缺陷，如气泡、孔洞、树脂流出和纤维烧蚀等；同时因自身工艺特点还会产生特定缺陷，如电阻焊接中电阻元件周围树脂的降解老化，感应焊接中感应发热层与母材界面出现裂纹，超声波焊接中焊接区域的中心过焊以及激光焊接中接头中心的大气泡、疏松空洞等。
表10 不同焊接技术的常见缺陷
二、航空领域热塑性复合材料焊接技术应用实例
近年来，热塑性复合材料在航空领域的应用，已经从简易非承力结构逐渐向主要承力结构发展。随着热塑性复合材料的推广应用，相关焊接技术成为国外航空制造领域的焦点，不仅在现有产品型号中得到应用，在新产品型号研制中也取得了成功。
1.电阻焊接应用实例
电阻焊接在20世纪90年代被用于福克-50飞机的制造。该工艺所需要的焊接设备简单，焊接时间与焊接长度无关，整体工艺流程短，焊前不需特殊表面处理，焊缝质量高、焊接强度高，因此被广泛应用于结构简单、大尺寸热塑性复合材料构件的连接。
2018年，德国航空航天中心开发了电阻焊专用工装“焊桥”，将8个模压成形的CFRTP部件组装形成空客A320飞机压力隔板的1：1演示件，如图23所示。与传统铆接铝部件制成的A320压力隔板相比，CFRTP版本具备相同的机械性能，且减重10%～15%，生产时间缩短约50%。
图23 A320压力隔板演示件（复材世界网站图片）
基于A320压力隔板演示件的应用研究，针对MFFD项目中C型框与蒙皮的连接，德国航空航天中心开发了C型“焊桥”的自动化电阻焊设备，如图24（a）所示。“焊桥”是由一系列电阻焊元件组成的，由气动开关驱动，可一次性将热塑性复合材料制成的C型框焊接到蒙皮上，如图24（b）所示。为了进一步加固C型框与Z型长桁之间的连接，德国航空航天中心基于协作机器人开发了用于连接角片的自动化电阻焊设备，如图25所示，机器人可以自动完成连接角片的拾取、定位和焊接，并通过传感器实时记录焊接过程的各种参数。
图24 机身上半壳使用的电阻焊焊桥（德国航空航天中心视频图片）
图25 基于协作机器人的电阻焊设备（德国航空航天中心视频图片）
2.感应焊接应用实例
感应焊接技术受复材本身性能的影响较小，是一种快速、清洁的工艺技术，可用于焊接不规则轮廓表面的复杂几何形状。和电阻焊接一样，感应焊接是较早发展成熟的热塑性复合材料焊接技术，成功应用于各种小尺寸热塑性复合材料构件的连接。
2017年，法国焊接研究所与空客子公司STELIA航空航天公司合作，将“动态感应焊接”技术用于热塑性复合材料直升机机身/尾翼的连接，并在当年巴黎航展上进行了演示件展示，如图26所示。动态感应焊接技术中，感应线圈的下方是可移动基座，基座将感应线圈定位在待焊位置，使热量精确集中在焊接界面，之后由基座带动感应线圈匀速移动，以此保证焊接界面的一致性；同时，移动基座后方配置了一个压紧装置，确保焊缝中树脂的固化。
图26 动态感应焊接的演示件（复材世界网站图片）
2019年，吉凯恩航宇公司将感应焊接技术引入飞机方向舵和升降舵的生产制造，向贝尔公司交付了热塑性复合材料感应焊接技术制造的方向舵，使贝尔公司V-280倾转旋翼机成为首批采用热塑性复合材料制造技术的军用飞机之一。
3.超声波焊接应用实例
航空高性能热塑性复合材料具有比刚度和比强度高、损伤容限高、热稳定性好及可快速熔融连接等优点，是超声波焊接技术的主要应用对象。超声波焊接技术具有高效、清洁、成本低、操作简单灵活、材料表面损伤小，以及易于实现自动化等优势，焊接过程中无须填充材料，可实现点焊和缝焊；同时，该技术还便于实现连接过程的在线监控、智能控制及高度集成。由于超声波焊接技术能够良好适配不同尺寸的构件，尤其是大尺寸构件的连接，因此在MFFD项目中得到了大量应用。
在MFFD机身上半壳的制造过程中，针对Z型长桁与蒙皮的连接，德国航空航天中心开发了连续超声波焊接设备。该设备能够实现1.5m/min的焊接速度，末端执行器包括滚轮，以及直径25mm的超声波焊头和压紧装置，如图27所示。末端执行器还配备了多个传感器，可实现超声波焊接过程的在线监控。在MFFD机身下半壳的制造过程中，吉凯恩航宇公司利用超声波点焊技术，将马鞍形连接角片分别与C型框、Ω型长桁和蒙皮进行连接，如图28所示。
图27 机身上半壳使用的连续超声波焊接设备（德国航空航天中心视频图片）
图28 连接角片的超声波点焊（英国吉凯恩航宇公司视频图片）
MFFD上、下半壳机身右侧搭接部分的焊接工作由西班牙公司Aimen Centro Tecnológico主导。该公司与超声波设备供应商Dukane合作开发了连续超声波焊接设备，利用连续超声波焊接技术实现了机身右侧长达8m的上、下壳体连接。焊接设备的末端执行器包括超声波焊头、压紧/冷却装置和滚轮，如图29所示。铜制的压紧/冷却装置可以迅速吸收焊接界面产生的热量，同时向焊接界面施加压力，加快界面的固结。
图29 右侧机身使用的连续超声波焊（Aimen Centro Tecnológico视频图片）
4. 传导焊接应用实例
传导焊接设备中的金属条、加热器和绝缘体部分都是柔性材质而非刚性材质，在压力作用下可以很好地贴合焊接区域，从而适应焊接区域的局部厚度变化或斜坡，焊接区域无空洞、无分层，可以实现复杂几何形状的焊接。传导焊接不需要添加其他焊接技术所需的导能筋或电阻元件等特定焊接材料，焊接时长与焊接长度无关，因此十分适用于长桁等大尺寸构件的一次性焊接。MFFD项目中，与上半壳的Z型长桁不同，下半壳的长桁为Ω型。吉凯恩航宇公司为此开发了传导焊接工艺及对应的设备，如图30所示，并为该工艺申请了发明专利。该设备长1m，可以即时、均匀地将热量传递到长桁的底部层压板，以及熔化Ω型长桁与蒙皮焊接界面的基体，一次性完成长桁与蒙皮的连接。下半壳的地板栅格结构，同样是利用传导焊接的方式，与C型框进行连接。
图30 机身下半壳使用的传导焊接设备（复材世界网站图片）
5.激光焊接应用实例
激光焊接可以实现非接触式加热和快速冷却，减少了热影响区域和热变形的风险，确保了焊接接头的质量和强度，并极大地减小了构件的热应力和振动应力，有助于保持材料的原始性能；可实现精确的焊接深度和宽度，焊接过程更可靠且一致性更高；技术适用性强，能在真空、空气或特定介质等多种条件下进行焊接，适用于各种形状和尺寸的工件；加工过程中不产生污染，是一种环保的焊接技术，符合当前对绿色制造和可持续发展的需求。最重要的是，激光焊接可以与自动化系统集成，从而提高生产效率和产品一致性，对于大规模生产热塑性复合材料制品具有重要意义。
MFFD项目中，上、下半壳机身左侧（舱门侧）搭接部分的焊接是通过德国弗劳恩霍夫协会材料与光束技术研究所开发的“先进激光原位连接技术”实现的。该技术基于激光焊接原理，将CFRTP对接带层压板与配对的机身外壳进行连续共同固结，这一过程与自动纤维铺放中的固结工艺非常相似，不同之处在于该技术使用的是CO2激光器，而不是常见的光纤激光器。其中，对接带由6条逐渐加宽的带子组成，每次焊接一条，使其与上、下半壳相接处的台阶结构精准匹配。对接带层压板的第1道宽度为60mm，随后逐渐变宽，直到最后一道宽度为360mm。3.5kW的CO2激光器（波长10.6μm）与高动态光束反射相结合，使能量束在整个焊接宽度上摆动，如图31所示。
图31 左侧机身使用的激光焊接（弗劳恩霍夫协会视频图片）
三、结论与展望
随着热塑性复合材料在航空领域应用比例的不断提高，热塑性复合材料构件之间的高效连接变得尤为重要，高性能、高质量的热塑性复合材料焊接技术是实现航空领域构件轻量化的关键步骤。为了推进热塑性复合材料焊接技术在航空领域的深度应用，主要结论与展望如下。
一是纤维增强相对焊接质量和接头性能的影响机制研究。现有研究重点集中于不同焊接技术中焊接工艺参数对焊接质量和接头性能的作用机理，但针对热塑性复合材料本体对焊接质量影响的研究是不足的。与此同时，将纤维引入树脂基体必然会引起材料物理及化学特性的改变，例如碳纤维的加入会增大尼龙6材料的表面粗糙度，因此对焊接接头的质量也会产生一定程度的影响。目前，针对纤维特性参数（如纤维角度、纤维含量、纤维分布、纤维长度等）与热塑性复合材料焊接过程中熔融-凝固行为、界面结合机制及接头力学性能之间的关联规律研究仍比较匮乏，特别是纤维增强相在焊接热力耦合场作用下的演化规律及其对焊缝微观组织的影响尚未形成系统认知。
二是非传统导能筋的超声波焊接工艺研究。MFFD项目的成功，证明了超声波焊接技术是连接大尺寸热塑性复合材料构件的理想选择。为了改善传统导能筋工艺，国内外学者针对超声波点焊提出了无导能筋焊接工艺，针对超声波连续焊提出了网状导能筋焊接工艺。无导能筋工艺在工业化应用中仍受限于“幽灵焊点”随机分布问题，未来需重点攻关能够降低乃至避免该问题的改进型无导能筋工艺。网状导能筋工艺也面临着焊接参数动态调控与焊缝成形机理不明确的核心瓶颈，焊接过程中接头不均匀性、网状导能筋形状设计等问题也需开展系统性研究。
三是基于机器学习的焊接界面质量在线监测技术研究。当前对焊接界面质量的评估多依赖于焊后的破坏性测试（如剪切强度、剥离强度等），无法适应工业化生产需求。热塑性复合材料焊接过程中，温度、压力、焊接时间等多维工艺参数呈现复杂的非线性交互效应，传统分析方法难以实现动态监测。基于机器学习的新型监测体系为解决这一难题提供了突破口，通过海量数据训练建立预测模型，不仅能解析多参数耦合作用下的非线性关系，还能实时输出焊接质量的量化指标。未来发展方向应聚焦于构建多源异构传感网络，例如集成红外热成像、光纤位移等技术，同时结合嵌入式传感器获取材料内部状态参数，最终通过机器学习算法实现焊接质量的在线诊断与工艺参数闭环优化，从而大幅提升热塑性复材焊接的工艺稳定性和产品一致性。
四是大尺寸构件焊接温度场控制技术研究。在热塑性复合材料焊接工艺中，精准调控温度值是优化界面质量、提升接头机械性能的关键路径。随着航空领域对大尺寸构件的需求激增，焊接温度场的控制难度大幅提升，构件内部容易因为温度场的剧烈波动产生应力。目前，焊接温度场的主要监测方法包括热电偶测量、红外热成像等，但都只能测得表面温度场，无法监测内部温度场。而数值模拟方法虽能解析熔融区动态传热机制，但在面对复杂结构和高维问题时，时间成本和资源开销极高，无法满足实时性要求。因此，未来仍应关注大尺寸构件焊接温度场控制系统模型的研究。通过建立温度场数据集与热源参数数据集，开发数据驱动的焊接温度场实时预测模型，将实际工艺数据与理论数据融合，实现焊接过程中温度场的实时预测，并依据预测结果调整参数，从而实现温度场的实时控制。
五是复杂构件的专用焊接工艺装备开发。MFFD项目中，研究人员针对不同焊接技术的工艺特点、适用结构开发了复杂构件专用的焊接工艺装备，尤其是工业机器人的引入，不仅突破了传统手工焊接的效率瓶颈，还进一步实现了对复杂曲率、异形结构的精准加工。目前，国内尚未有文献或新闻报道提及针对复杂构件开发的专用工艺装备。未来可通过整合工业机械臂或协作机器人，构建具备灵巧化、柔性化、智能化的焊接平台，以适应复杂构件的焊接需求。
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戴晟此前已为《空天防务观察》提供2篇专栏文章，如下所列：
第1篇，工业机器人！协作机器人及其航空航天制造应用现状，2024年7月19日；
第2篇，积少成多，渐进成形！智能“机匠”系统提速军机钣金件生产，2025年1月6日。
有兴趣的读者，可点击上列文章（链接），阅读原文。
（中国航空工业发展研究中心 戴晟）
主编：张洋
制作：顾鹏程
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本篇供稿：工业技术研究所
