热塑性复合材料舱段分段集成制造方法技术

本发明专利技术提供了一种热塑性复合材料舱段分段集成制造方法，属于飞行器舱段的技术领域，包括如下步骤：对舱段结构进行分段成型设计；采用成型模具分批成型多个热塑性复合材料壁板；采用热塑性复合材料焊接技术将多个壁板焊接为舱段。舱段分段成型再组装的方法缓解了现有技术中舱段制造成本高、模具要求高、设备要求高、加工难度大等问题。以直径800mm的舱段为例，采用分6段成型组装设计，每瓣结构分别成型再组装，每段结构的弦长尺寸为400mm，缩小了一半，降低了对成型模具和热压罐等设备的要求，从而降低了制造成本及加工难度。从而降低了制造成本及加工难度。从而降低了制造成本及加工难度。

【技术实现步骤摘要】
热塑性复合材料舱段分段集成制造方法


[0001]本专利技术属于飞行器舱段的
，尤其是涉及一种热塑性复合材料舱段分段集成制造方法。

技术介绍

[0002]舱段类结构部件是战略战术导弹、火箭、航空航天飞行器、高超声速飞行器的核心关键部件。在飞行器制造过程中，减轻结构质量、节约经济成本、保证产品安全性能的要求越来越高。采用轻合金或高强树脂基复合材料等材料代替钢铁，可以在满足结构强韧性、耐疲劳性等的同时，减轻结构质量。树脂基碳纤维复合材料是目前航空航天领域应用最多的一种先进轻质化材料，根据树脂基体材料的不同，可以分为热固性和热塑性复合材料。两种材料对应不同的成型工艺，两种工艺均可以实现低成本加工制造。
[0003]相比较而言，热固性复合材料产品在工艺成熟度上有优势，当前的轻质化高性能复合材料舱段也以碳纤维增强热固性树脂基复合材料为主。而热塑性复合材料则代表了未来的技术发展趋势，其具有更低的密度、更高的力学性能(例如比强度、比刚度、抗冲击性等)、良好的维修性和回收利用性能，成为快速发展的新兴材料之一，在多个领域逐渐得到了广泛应用。
[0004]航空航天结构中碳纤维复合材料的推广最大的障碍是高昂的成本与较长的制造周期。如目前航天上常用的复合材料结构主要为网格加筋结构。例如falcon9的极间段、XX
‑
7的整流罩等，生产这样的结构件，不仅要有与产品尺寸相匹配的大型模具，而且要有比产品更大的高能耗的热压罐设备进行固化。结构产品加工生产成本高昂，并且生产过程为串型，生产周期较长。未来运载飞行器的直径如果达到10米级，对这个尺寸级别而言，制造成本高、模具要求高、设备要求高、加工难度大等问题将更加显著。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种热塑性复合材料舱段分段集成制造方法，以缓解上述的技术问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种热塑性复合材料舱段分段集成制造方法，包括如下步骤：
[0008]S1对舱段结构进行分段成型设计；
[0009]S2采用成型模具分批成型多个热塑性复合材料壁板；
[0010]S3采用热塑性复合材料焊接技术将多个壁板焊接为舱段。
[0011]壁板之间也可以采用螺栓机械连接的方式，但是，焊接是本专利技术选用的材料更优化的连接方式。
[0012]进一步地，在步骤S2与S3之间还包括：
[0013]S4采用连续模压设备制造制造热塑性复合材料筋条；
[0014]S5采用热塑性复合材料焊接技术将筋条与壁板的内侧焊接。
的含义是两个或两个以上。
[0030]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内单元的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0031]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0032]本专利技术提出了一种热塑性复合材料舱段分段集成制造方法，采用热塑性复合材料碳纤维聚醚醚酮(CF/PEEK)为基础材料，首先对舱段结构进行分段成型设计；然后采用成型模具分批成型多个壁板，其中每块壁板的两端均有焊接边，采用连续模压设备制备筋条及桁条，桁条图中未画出；然后采用热塑性复合材料焊接技术，将筋条、桁条与壁板焊接为加筋壁板结构，并进一步将加筋壁板结构焊接为结构舱段；最后，在结构舱段外缠绕连续纤维预浸料并原位固化，形成蒙皮，增强舱段结构环向承载能力。
[0033]壁板之间也可以采用螺栓机械连接的方式，但是，焊接是本专利技术选用的材料更优化的连接方式。
[0034]航空航天结构大而复杂，在制造和装配时需要通过连接技术将不同的部件连接在一起来实现，因此需要可靠、自动化和经济的连接技术。热塑性复合材料的焊接技术有一系列的优势。目前主流的热塑性复合材料焊接分为电阻焊、感性焊以及超声波焊接。
[0035]电阻焊接采用电阻丝/金属网条等焊接元件布置在被焊接界面处，通电使电阻丝/金属网条发热并熔融界面，试压即可完成熔融焊接。焊接完成后金属网条(厚约0.2mm)保留在焊接面中。焊接过程中只在需要的地方，即在两个表面之间的接合处布置电阻丝/金属网条，这限制了材料熔体区域，减少了部件形状或尺寸稳定性受到损害的风险。电阻加热焊接时，在两个焊件的待焊表面之间放置植入式加热元件，加热元件上有电流通过时，由于焦耳效应而产生热量，传递到周围接头界面，引起树脂熔化。在压力作用下形成焊接接头。电阻焊接工艺成熟，适应性强，且可以自动化生产，适用于焊接大型结构。此外，热塑性复合材料焊接后融合为一体，结合强度高，可以取代热固性复合材料的铆接、螺接等，减轻重量，降低成本。但是焊接完成后会在界面处有残留物，处理不当易使接头处出现应力集中、电化学腐蚀等现象。电阻焊具有设备简单灵活、工艺流程短、不需要表面处理、费用低廉、工艺流程简单、接头强度高等技术特点。比较电阻焊接和模压成型APC
‑
2的性能﹐电阻焊试件的搭接剪切强度几乎与模压成型试件相同﹐但加工时间却少得多。使用PEEK膜，电阻焊APC
‑
2的最大搭接剪切强度为44.8MPa但接头存在纤维滑移；APC
‑
2/PEI电阻焊试件的最大搭接剪切强度为35.9MPa没有纤维滑移。APC
‑
2/PEI经过恒温工艺(20min，293℃)后，其搭接剪切强度基线为43.6MPa，同时可以配合超声成像设备实时监控焊接接头的质量，及时进行补焊。
[0036]感应焊接是一种特殊的焊接工艺，它由感应线圈产生高频电磁场，置于焊接界面处的焊接感应材料则因此产生涡流电流并发热，将界面熔融，在压力作用下达到焊接的目的。感应焊接特别适用于碳纤维增强的热塑性复合材料结构件的焊接。因为碳纤维可导电，能够通过感应线圈产生涡流电流而发热，因此焊接碳纤维增强复合材料无需引入额外的感应材料，只需要在被焊接界面处某一侧采用碳纤维织物预浸料铺贴制造即可，若非导电纤维，则在界面处放置导电网即可，可以是碳纤维也可以是金属网。感应焊接优点是感应线圈
与感应材料无直接接触，且非感应区不会有热量产生，因此参数合理设置后，焊接较为准确且不易产生变形和多余的树脂流动，此外感应焊接效率较高，可以实现连续焊接，适合于长焊缝且可以焊接不规则及形状比较复杂的结构。感应焊接也是人为因素介入较少的焊接技术，可靠性较高，容易实现自动化生产。感应焊接时，焊接面上的温度分布是否均匀是影响连接性能最重要的因素之一，主要取决于植入感应元件的形状和感应线圈的设计。感应焊接缺点是植入材料不易制作，而且焊接感应元件的引入直接影响接头强度和电气性能。目前，感应焊接的研究主要在复合材料中的碳纤维对焊接面温度场分布的影响规律以及焊接接头的可靠性等方面。感应焊优点是焊接时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热塑性复合材料舱段分段集成制造方法，其特征在于，包括如下步骤：对舱段结构进行分段成型设计；采用成型模具分批成型多个热塑性复合材料壁板；采用热塑性复合材料焊接技术将多个壁板焊接为舱段。2.根据权利要求1所述的热塑性复合材料舱段分段集成制造方法，其特征在于，在步骤“采用成型模具分批成型多个热塑性复合材料壁板”与步骤“采用热塑性复合材料焊接技术将多个壁板焊接为舱段”之间还包括：采用连续模压设备制造制造热塑性复合材料筋条；采用热塑性复合材料焊接技术将筋条与壁板的内侧焊接。3.根据权利要求1所述的热塑性复合材料舱段分段集成制造方法，其特征在于，在步骤“采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩宇，唐占文，丁常方，季宝锋，张毅，
申请(专利权)人：天津爱思达航天科技有限公司，
类型：发明
国别省市：