金属/热塑性复合材料混合结构的自动连接

FlexHyJoin生产单元集表面构造、感应和激光连接以及无损检测于一体，为汽车量产提供了解决方案。

实现工业化的混合连接：FlexHyJoin生产单元演示了生产一种热塑性复合材料车顶加强肋的大批量生产过程，该加强肋连接有金属支架，用于将其组装到金属白车身上，比如该项目的用例——菲亚特Panda城市汽车上的车顶加强肋（图片来自IVW）

金属/复合材料的混合结构持续地受到汽车和航空应用领域的关注，通过“将正确的材料用到正确的地方”，它实现了减重和性能的改善。由于能够快速加工，包括能够焊接和热成型，因此热塑性复合材料对这样的多材料结构更具吸引力。但是，到目前为止，将复合材料连接到金属上主要靠的是机械紧固件，这需要钻孔，从而破坏承载纤维。虽然也可以使用粘合剂进行粘接，但许多热塑性塑料很难用这种方法粘接，而且粘合剂的使用意味着材料的增加从而导致重量增加，比如，宝马i3的碳纤维增强塑料（CFRP）底盘和塑料车身面板就使用了16kg的粘合剂，从而在一定程度上抵消了复合材料的减重潜力。

FlexHyJoin 是由欧盟Horizon 2020研究与创新计划资助的项目，执行期是2015年10月至2018年12月，目的是解决热塑性复合材料与金属部件连接的挑战性难题。

FlexHyJoin由位于德国莱茵兰-普法尔茨州的一家非盈利性研究机构für Verbundwerkstoffe研究所（简称IVW）以及德国凯泽斯劳滕应用技术大学进行协调，汇聚了来自欧洲各地的10家合作伙伴，来开发一种自动化的工艺，以将热塑性复合材料的车顶结构组装到金属白车身上。

他们的思路是，不使用粘合剂和紧固件，而是用激光对金属支架进行预处理，然后通过感应和激光连接的方式，将其连接到车顶加强肋上，以产生一种重量中性的高强度连接。这在一台单独的自动化生产单元中实现，集成了过程控制和在线无损检测（NDT）。

在140s内生产出混合材料的示范件

该项目的合作伙伴菲亚特研究中心提供了示范部件即当时由钢制成的菲亚特Panda城市汽车车顶加强肋的规范要求。

在FlexHyJoin项目中，该车顶加强肋由德国Gubesch Thermoforming公司采用德国Bond-Laminates公司提供的1.5mm厚Tepex Dynalite 102机织玻璃纤维/聚酰胺6（PA6）有机片材进行热成型。

为了将这种热塑性复合材料的车顶加强肋连接到菲亚特Panda的钢制白车身上，用激光将0.7mm厚的DC04钢制成的一组侧支架（左和右）连接到两端，由相同材料制成的中央支架则采用感应连接。FlexHyJoin项目表明，这两种连接方法都适用于混合结构的工业化生产。

由于在钢支架上简单地熔化PA6基体材料不会产生强度足够的接头来满足结构要求，因此在连接前需要进行激光表面处理。

“支架的表面由激光进行构造以形成咬边。”奥地利Fill Gesellschaft公司的项目经理Johannes Voithofer解释道，该公司负责组装和集成自动化的生产单元，“将处理后的支架放到复合材料部件上，然后在连接过程中施加热和压力，使复合材料中的PA6基体流入激光导致的咬边中。”

这种咬边构造工艺是由另一个合作伙伴——德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（简称ILT）开发的，它能实现结合了材料附着力与机械锁定的金属-复合材料连接。

混合粘接的表面构造：FlexHyJoin演示了钢支架与压制的GF/PA6车顶加强肋之间的激光和感应连接（上）。这些混合粘接依靠对金属支架的表面处理以创建咬边，在连接过程中，熔融的塑料对咬边进行填充（下）（图片来自IVW）

然后，将连接好的部件转移到无损检测站，在此采用热成像技术对它们进行缺陷扫描。“利用卤素聚光灯对复合材料表面进行调制加热。”IVW开发FlexHyJoin无损检测与过程控制的研究助理及负责人Vitalij Popow解释道，“这会在复合材料结构中引发振荡温度场。我们分析了表面随时间的热响应并识别了接头中的缺陷。”这种完全自动化的测试过程是在生产每个部件的制造单元内完成的，我们对大约400个接头进行了工艺验证。

按照当前的配置，FlexHyJoin自动生产单元能同时进行激光构造、连接和无损检测，节拍时间分别是81s、98～108s以及100s，不包括机器人在工作站之间转移部件的时间。Voithofer表示，每完成一个混合材料部件的节拍时间大约是140s。

工业化的混合连接：FlexHyJoin试生产单元拥有3个模块化的工作站，包括表面构造、连接和无损检测。该生产单元中单手操作的机器人将部件从装货抽屉转移到每个工作站，将成品的混合材料部件放到相邻的抽屉中（图片来自IVW和Fill）

激光构造

激光构造过程会在金属支架的连接表面生成具有咬边形状的线条，FlexHyJoin生成的咬边宽75m、深215 m。这些测量值，以及线条的数量和线条的整体形状均可订制，理想情况下，能与部件和节拍时间的要求相匹配。

“在连接表面上，这种微结构的位置和数量可以根据部件中的载荷进行调整。” IVW的FlexHyJoin感应连接单元开发团队负责人及研究助理Stefan Weidmann解释道,“微结构之间的距离可以在连接表面的高负载区缩短，在低负载区延长，以实现高效的微结构工艺。”

微结构是通过使用德国IPG Photonics公司提供的高功率单模光纤激光器来烧蚀金属支架的表面而实现的。这种YLR-1000-WC激光器能发射1070 nm的波长，最大输出功率为1000W。

“我们使用单模光纤激光器进行微结构加工，因为它具有高焦距，能保持约40m的光斑大小。”弗劳恩霍夫ILT聚合物加工团队负责人 Christoph Engelmann解释道。

该激光器被装在安装在ABB 1200机器人手臂上的光学头内。“在光学头内部，我们用两个电流计反射镜在240mm×240mm的工作场内偏转光束。” Engelmann介绍说，“此外，有一个可移动的镜头来跟踪Z高度（Z移位器）。我们只用机器人来将扫描头放到金属部件的上方，然后由反射镜偏转光束，由Z移位器来调整每个单独微结构线条的Z位置。这样，在加工过程中头部就不会移动。通过这种方式，我们能够处理2.5D的部件，让每一条单独的线条保持在相同的Z位置，但能够在线条之间进行调整。”

“出于安全考虑，构造单元和连接单元都是封闭的。”Voithofer解释道。因此，在激光操作期间，自动门/门保持下降状态，在取出成品部件以及放入新的部件时打开。

感应和激光连接

感应和激光连接单元：在连接单元中，感应连接被用于连接中间支架，而激光连接被用于在复合材料车顶加强肋的两端连接侧支架（图片来自IVW和Fill）

与构造单元相邻的是连接单元，它包括两个不同的操作：中间支架的感应连接和左、右侧支架的激光连接。“对于中等复杂程度的较大部件而言，比如中间支架，感应连接是最适合的一种连接方法。”Weidmann说，“一种带感应器的陶瓷固结工具在连接区域施加压力，而且对电磁场是可渗透的，从而将有效的能量输入到金属支架中进行加热。这对于平面形状很方便，但对于复杂形状如侧支架的几何结构则更具挑战性。因此，针对侧支架采用激光连接会更有效。总之，感应连接最适合用于大型部件和中等复杂程度的部件，而激光连接更适合于复杂程度高的部件。”

在复合材料车顶加强肋中钻一个孔，将其对准支撑工具的顶部，支撑工具的形状与热成型的加强肋的曲率相匹配。用激光在中央支架上切一个孔，将其定位在车顶加强肋上，同时侧支架按其形状对齐，与车顶加强肋的两端相匹配。

“中央支架采用间断感应连接的方式进行连接，这基本上是准静态压接。”Weidmann说道，“也就是说，这是一个静态过程，在一个地方实现区域连接，但是在Z方向有移动，因为在（感应）连接过程中施加的固结压力而导致复合材料的厚度略有变化。”

该感应连接装置包括向感应线圈提供交变电场的一台由意大利KGR公司提供的高频发电机。其头部通过电动机和主轴移动，以便陶瓷固结工具向下压到金属支架上。固结工具中的感应线圈使金属受热，从而令复合材料基体熔化以创造连接。在整个加热和冷却过程中，要一直保持施压状态。

对侧支架的激光连接是与感应连接同时开始的。两个夹紧装置，位于支撑工具的两侧，可对侧支架施加4000 N的夹紧力。

“这种夹紧力是必要的，以尽可能地减小复合材料部件与金属部件之间的间隙。”Voithofer解释说，“这样，可以防止接头中出现空隙。”

施加夹紧力后，激光头移动到位。它配有一个由瑞士Leister Technologies公司提供的LineBeam二极管激光器，该激光器在980 nm的发射波长下最大输出功率为600W。该光束通过光学透镜形成27mm×1mm的线，并聚焦在金属支架上。

激光头安装在机器人手臂上，这样它就可以沿着成形的支架表面移动。

“我们针对支架的每个区域设置不同的速度以达到均匀的连接温度，降低热应力以获得最佳连接效果。”Eckstaedt说道。

总之，激光连接既可采用透射连接方式，也可采用热传导连接方式。就激光透射连接而言，被连接的复合材料对于选定的激光波长而言必须是透明的。然后激光穿过复合材料，击中支架的金属表面并加热它。

但是，这种方法并没有被用在FlexHyJoin示范件中，因为车顶加强肋的有机片材层压板不可透激光。相反，采用的是热传导连接的替代方法。这只需将激光直接应用于金属表面, 它通过金属基材将热量传导到复合材料中，在220～300℃下熔化PA6基体材料，以创造连接。

“由于钢支架的高导热性，使得激光热传导很快,从而能有效地连接侧支架。”Voithofer说。

步骤1 由人工将热塑性复合材料的车顶弓架和金属支架放入FlexHyJoin单元的部件抽屉中，然后关上抽屉，开始生产

步骤2 机器人捡起一组金属支架并将它们放到构造单元中，关闭激光防护门

步骤3 在构造单元内部，高功率光纤激光器在支架表面创建咬边，以实现与复合材料车顶加强肋的连接

步骤4 在对支架进行激光处理时，机器人从部件抽屉中拾起一个热塑性复合材料的车顶弓架并将其放到位于构造单元右侧的连接单元中

步骤5 机器人回到构造单元，拾起处理好的支架并将构造侧朝下将它们放到车顶弓架上

步骤6 然后，机器人将夹紧装置放在3个支架上，感应接合装置下降到中央支架上，感应线圈引起金属支架发热, 熔化底层复合材料中的PA6基体

步骤7 当感应连接完成时，降下激光连接装置以连接左边然后是右边的支架。激光加热金属，引起底层的PA6基体熔化流入咬边中，创造高强度的连接

步骤8 将连接好的混合结构放入无损检测单元中，在此采用锁相热成像来检测缺陷。用卤素灯加热复合材料表面，用红外摄像机测量随时间变化的响应。对这些数据进行分析，以提供视觉质量评估

连接过程控制

控制两个连接过程的基本方法是，测量温度和时间，并与通过试验确定的一组优化参数进行对比。

“我们为此制作了采用不同参数的连接试件，并采用特殊的测试装置对每个参数集进行了力学试验。针对侧支架，我们开发了剪切试验和剥离试验相结合的方法；针对中央支架，我们采用了压力荷载试验，与搭接剪切试验相当，但却是推而不是拉，以便在连接区域获得剪切载荷。”Popow说道。

这些特殊测试的装置是与德国EDAG Engineering GmbH （简称EDAG）一起设计的，该公司还对测试结果进行了分析。按照此过程，确定了连接工艺的最佳参数集，然后将其用于中试生产单元中。

“感应连接工艺需要提前校准。”Weidmann说，“我们知道在大约30s后我们达到了连接温度，但出于安全考虑以避免过热，我们还是测量了现场温度。”

高温计可以远程测量表面辐射,被用于测量感应连接区域的已知热点。“但由于现场的辐射光和热很高，因而它不能对激光连接进行精确测量。”他解释道。

然而，虽然接触式传感器不适用于感应连接工艺，这是因为它们通常由金属制成，受感应后会变热，从而扭曲测量值，但却可以将它们用在激光连接区域的复合材料一侧。

“还需要用压紧工具和夹具覆盖所有接头的加热区域。”Weidmann指出，“这样，我们作为质量保证方法而验证了连接前后由压力和热引起的部件的厚度变化。”这种厚度变化由距离传感器测量，该传感器被集成到车顶加强肋的定位工具中。“当我们把部件压在一起时，距离传感器就会移动。”他解释说，“当我们施加热量和连接压力时，熔融的基体聚合物就流到激光构造的空腔中，并稍微被挤出接合区，直到接头冷却。这会导致厚度的变化，这一变化由距离传感器记录下来。”Weidmann和IVW 团队已将这个距离与部件的质量联系起来。 “厚度的变化，或者说压实，大于0.1mm，说明接头质量良好。”Weidmann指出。

在线无损检测

IVW开发了另一种质量保证方法——在线热成像测试。

“质量保证的主要目的是，查看连接区域中的属性。”Popow解释说，“但这很困难，所以当部件完成连接后，我们在接头的复合材料一侧进行了热成像。”

IVW选择了一种名为Lock-In Thermography（锁相热成像）的主动热成像技术，因为它提供了比其他主动方法（如脉冲相位热成像）更好的信噪比，而且还能检测出更深的缺陷。

“其基本思想是，将热量放入复合材料中，然后导入连接区域并返回表面。”Popow说，“采用锁相热成像，部件在几个周期内以规定的频率受到激励，然后我们分析这种反应。如果由于空隙或缺陷而导致在复合材料表面与连接区域之间有不均匀的区域，将在热响应中显示出来。”

这种热响应被捕获成图像。构成这些图像的点是像素, 是图片元素的缩写。每个像素也是一个测量点，这样，就可以分析整个检查区域内每个像素的温度信号。

“结果，可以得到每个像素的振幅和相位信息，然后软件再将其重构成图像，用于目测。”他补充道。但他还为测试的126个部件提供了大量的测量值。 “我们已将这些无损检测结果与EDAG执行的力学测试结果进行了对比。” Popow说道，其团队还测试了拆下支架后的连接区域，即作了破坏性试验。“因此，我们将3组测试结果关联起来，现在可以从热成像结果的视觉分析来识别低强度和高强度粘接区域。”他说道。

大批量生产的集成单元

FlexHyJoin的最大成果之一是，正在将所有的技术单元集成为一条优化的自动化生产线，每一个技术单元由不同的项目合作伙伴开发。Fill负责集成设备的 Voithofer解释说：“运到我们这里的每一套设备都使用了不同的控制器，我必须设计一个主PLC 来控制所有不同的加工单元。”这包括由Fill提供的激光外壳和用在加工单元中的操作机器人。“使所有这些工艺步骤协同工作也是非常困难的，因为它们需要的时间不同。”他补充道。

Voithofer通过为每个过程单元和机器人开发一个体系结构作为开始，考虑如何定位这些以获得最佳流程。“我们的想法是，将构造、连接和无损检测模块这3个工作站放在3个独立的封闭装置中。”他说，“这样，我们可以提取单个单元以在展会或其他示范活动中使用它们，然后退还回来。因此，工作单元是模块化的，但也是可以集成的。”

Fill在为批量化的复合材料生产集成此类系统方面积累了几十年的经验，这为实现 Popow所视为的FlexHyJoin的最伟大壮举——从实验室规模走向工业化规模提供了帮助。

“我们是第一个实现这种工艺的联盟，这种工艺适合于复合材料与金属连接的大批量生产。该工艺可用于许多汽车部件，如稳定杆连杆、保险杠和车门。”Voithofer表示，“有许多复合材料的部件要与轻量化的白车身中的金属部件相连。”

适用于许多行业

然而，在将单元投入到批量生产之前需要一些改变。“我们将不再把激光构造和连接单独封闭起来，而是把它们合为一体。”Voithofer说，“这样就不需要打开和关闭这些工艺之间的封闭门，从而缩短节拍时间。”

它还可以在传送带上线性连接所有工位，生产线将因此而连续运行。在离开单元准备装配到白车身之前，部件被拾起并被放回到每个工位的传送带上，这将进一步缩短节拍时间。另外，可容纳数百个部件的扩大的抽屉，可使生产线在不需要补给的情况下运行整个班次。

虽然该试生产单元是针对汽车行业的，但Popow指出，它可以很容易地适应航空、体育/消费品和工业应用领域。“这实际上是主要的指导方针之一。”Weidmann说，“它必须能够连接不同的形状和部件，唯一的改变应该是感应连接的压实工具、用于激光连接的夹具和支撑工装，但主要部分保持不变。”

IVW还演示了对钛和钢与编织碳纤维/ PPS有机片材复合材料的混合连接，而且正在开发PEEK和PEKK示范件。“这只需要针对更高的温度调整连接工艺，重新定义最佳的工艺参数。”Weidmann说，“该单元对多种材料开放，包括铝、铜以及其他热塑性复合材料基体系统，如聚丙烯和聚乙烯。我们认为这种生产方式很有前途，到目前为止，我们从业界得到的反馈表明，很多公司也看到了这一点。”