感应焊接在复合材料领域应用的最新进展

热塑性复合材料焊接技术主要有激光、电阻、感应以及超声波焊接技术。先进热塑性复合材料激光焊接设备成本较高。电阻焊是先进热塑性复合材料特有的焊接技术，需要在待焊的两热塑性复合材料工件间插入电阻元件，通过对电阻元件施加电流产生热量熔化热塑性复合材料树脂基体，同时加压后冷却实现热塑性复合材料的连接。

在《树脂基复合材料连接技术的发展与市场前景》的文章中，有更为具体的对比概述，这里主要向大家展示感应焊接的一些进展。

感应焊接 （Induction welding，以下简称IW）是工业领域最先进的非热压罐工艺（OoA）之一。其原理是在导电线圈上施加交流电压时产生交流电，感应出时变磁场，当加热元件被放置在时变磁场附近时，就会产生涡流，涡流流过导电回路在焊接界面产生热量，因此也可以使用编织增强纤维产生闭环，如图所示。与电阻焊接不同的是，感应焊接不需要感应线圈与加热元件接触，能够更好地控制加热区域。

图 感应焊接原理

就热塑性基复合材料而言，感应焊接利用了热塑性基加热到玻璃化温度（Tg，无定形聚合物）或熔点（Tm，半结晶聚合物）以上时的流动能力。此外，冷却后它们还能恢复机械性能。一般可将其描述为通过接触界面的熔化将两部分连接起来，然后在压力下冷却，从而形成粘接。

二、连续感应焊接（CIW）的优势

目前，CIW 是正在为航空航天领域开发的一项技术，适用于热塑性基复合材料（如 PPS、PEEK、PEI、LMPAEK）。与通常在热压罐中进行的传统粘接技术相比，CIW 具有以下优势。

由于不使用粘合剂，因此可以最大限度地提高连接性能。这是因为相同的复合材料基体在适当熔化后被用作待焊接部件的粘接元件。根据搭接宽度的不同，单搭接剪切强度可达到 30 兆帕至 40 兆帕。

焊接速度可超过 15 毫米/秒，与用于固化和加固粘接接头的热压罐（持续数小时）相比，可大大加快加工周期。

与热压罐工艺中使用的粘接工具相比，焊接工艺中使用的工具在设计和制造上要简单得多，也更经济，因为这些工具可将待焊部件固定在最终位置实施作业。

焊接头可安装在拟人手臂上，来焊接复杂的几何形状。

感应焊接单元（拟人臂+焊接头）的购置和维护成本大大低于热压罐工艺所需的投资。

Sinergo 的最新设备SICE ARM 250 plant，最近在世界航空领域最大的公司中实装。这个复杂的系统以机械臂为基础，能够加工最大 1.000 mm x 2.000 mm 的工件。该系统的独特之处不仅在于机械臂沿着各种轮廓运动，还在于采用了专门为该装置开发的电磁场发生器。事实上，工作头配备了一个无功功率超过 200 千瓦的感应天线。它可以产生非常强烈的高频电磁场，适用于加热不易受影响的材料。

荷兰Fokker公司也通过感应焊接技术，为湾流G650飞机的方向舵和升降舵采用了CF/PPS复合材料，进一步证明了熔融焊接在提供可靠和稳定接头方面相较于机械连接和胶接具有显著的优势。焊接过程能够实现自动化，一次性将3组肋与3组梁焊接到蒙皮。此外，焊接方法还避免了机械连接中的纤维损伤和胶接中的环境敏感性问题，显示出良好的发展潜力。