移動式サセプターが熱可塑性複合材誘導溶接に革命をもたらす

Institut de Soudure Group（IS Groupe、フランス、ヴィルパント）—文字通り「フランスの溶接研究所」—は、金属溶接で100年以上の経験を持ち、今や熱可塑性複合材溶接のリーダーとして確立しつつある。CWの2018年特集「熱可塑性複合材の溶接」で報じられた通り、IS Groupeとその複合材ブランドComposite Integrityは、Airbus Tier 1サプライヤーSTELIA Aerospace（フランス、トゥールーズ）との「Arches TP」実証プロジェクトで、炭素繊維（CF）/ポリエーテルケトンケトン（PEKK）単方向（UD）テープストリンガーと胴体スキンを接合する「動的誘導溶接」プロセスを開発し、2017年パリ航空ショーで発表した。

「これが航空機構造部品向け誘導溶接開発の始まりでした」とIS Groupe航空宇宙・複合材ディレクターJérôme Raynal氏。「動的誘導溶接プロセスは成功しましたが、接合界面にサセプターがないため、ストリンガー半径での性能とパネル全体の全体加熱に制限がありました。」

サセプターとは、溶接ヘッドの誘導コイルで加熱される、溶接される熱可塑性複合材継ぎ手の2つの被着材の間に配置される材料。サセプターは抵抗加熱用の導電性材料、またはヒステリシス加熱用の磁性材料であり、溶接界面のマトリックスを溶かし、同時に圧着することで非常に高強度の融着接合を作る。Jan 2000年の論文「複合材誘導接合時の均一加熱のための抵抗サセプター設計」（Bruce Fink、Shridhar Yarlagadda、John W.（Jack）Gillespie共著）で説明される通り、熱可塑性複合材誘導溶接で最初に使用されたサセプターは金属スクリーンやメッシュで、時にはポリマーを含浸させたものだった。

IS Groupeは初期の問題が更なる開発で解決できると判断。「新たな社内検討を開始しました」とRaynal氏。これには熱可塑性（TP）材料サプライヤーArkema（フランス、コロンブ）との議論が含まれ、開発パートナーシップへ発展。「Arkemaと共同でWelding（ISW）のための革新的ソリューションと呼ばれる新技術を開発・共同特許出願しました」とRaynal氏追加。

ISWの基本

「ISWの基礎は、溶接界面を加熱するサセプターを使用することですが、これは溶接ヘッドに連結された移動式サセプターです」とRaynal氏説明。「サセプターにより溶接箇所の加熱ゾーンを完璧に特定できますが、サセプター付き溶接ヘッドが移動するため、溶接構造物の特性を乱すものは界面に残りません。」初期の誘導溶接では金属メッシュサセプターが溶接内に残されたが、これは望ましくないとされた。より最近の技術では、一般的な航空宇宙ラミネートの炭素繊維が導電性であるためサセプターを排除可能に。これにより炭素繊維材料自体をサセプターとして使用することも可能になった。

ISWソリューションのもう一つの部分は、溶接界面に純粋なTPマトリックスまたは低繊維量プライを使用し、レジン流動を増強すること。この界面プライの融点と粘度は調整可能で、機能化して導電性や絶縁性を付与し、例えばカーボンファイバーとアルミニウムや鋼の間のガルバニック腐食防止なども可能。

ISWの成果

「継ぎ手係数80-90%を達成します」とRaynal氏。継ぎ手係数は溶接強度に対応し、金属、プラスチック、複合材で使用。「ISWで2枚のプリ圧縮プレートを溶接した単ラップシアー試験では、非溶接オートクレーブ圧縮基準プレートの特性の80-90%を達成しました。」これらの試験では、Hextow AS7カーボンファイバー（Hexcel、米国コネチカット州スタンフォード）とArkema Kepstan 7002 PEKK製UDテープを使用。

Raynal氏によると、ISWはあらゆる種類のマトリックス（PE、PA、PEKK、PEEK）およびカーボン、ガラス、アラミド繊維強化熱可塑性複合材の溶接に使用可能。「落雷保護（LSP）用銅メッシュを持つコンポーネントの溶接も問題なく、航空機構造生産の鍵となります」と追加。ISWは溶接ヘッドを6軸ロボットアームに取り付け、完全自動化設計。

温度制御

上記Kirk/Yarlagadda/Gillespie論文で説明される通り、磁場にさらされた金属メッシュサセプターの一般的問題は、溶接部品の不均一な温度分布。「サセプターを使用して溶接界面のみを溶かすことでこれを制御しています」とRaynal氏。「レーザー放射温度計で温度を検知し、実際にはサセプターの側面からエッジを測定。これにより界面温度を正確に把握。冷却も使用し、熱可塑性材料の溶接全体で十分な結晶化を確保。」

STELIAストリンガー-スキン溶接試験

Airbus Tier 1サプライヤーSTELIA（フランス、トゥールーズ）は、この誘導溶接開発の最初の顧客の一つ。IS GroupeとArkemaがSTELIA向けに特定研究を実施、銅メッシュLSP付き14プライスキンへの7プライCF/PEKKストリンガー溶接。最終目標は直線と二重曲面を含む30メートル長構造物の溶接。コンポーネントは、Tenax HST45カーボンファイバー（Teijin、日本大阪）とKepstan 7002 PEKK製194gsm UDテープで製造。STELIAは、オートクレーブ圧縮基準材料の85%以上の機械的性能を持つ均質溶接、被着材の熱的・機械的特性劣化なし、被着材厚み変化に対するプロセス堅牢性を要求。溶接コンポーネントの化学的・特性試験はIS Groupeが実施。

IS GroupeとArkemaはSTELIAの要求を満たし、単ラップシアー（SLS）と層間せん断強度（ILSS）でオートクレーブ圧縮基準ラミネート比85%以上を達成。コンポーネントラミネートやLSPメッシュの剥離や劣化なし。唯一未達は速度。STELIAは溶接速度≥1メートル/分を要求。「現在0.3メートル（10インチ）/分です」とRaynal氏認める。「しかし目標速度に向け継続して取り組んでいます。」基板厚みに制限は？「航空機構造で典型的な厚みは溶接可能で、5ミリ厚コンポーネントを5ミリ基板に溶接した実績があります。」

Arkemaパートナーシップ、機会と課題

なぜArkemaと協働？「技術と材料の関係があるからです」とRaynal氏説明。「例えば、界面の材料とその繊維量率が違いを生みます。私たちはプロセスの専門家ですが、材料で緊密に協力するパートナーが必要でした。この共同開発が溶接技術を完全に最適化するために必要でした。」

IS GroupeとArkemaはISW技術の共同所有者で、すでに5件のフランスおよび国際特許出願を含む強固な特許ポートフォリオで保護。ISWはあらゆる熱可塑性複合材マトリックスで使用可能で、IS Groupeは欧州と米国の企業とのプログラムを通じて技術を実証中。Latécoère（フランス、トゥールーズ）、Collins Aerospace Aerostructures（米国カリフォルニア州チュラビスタ）など。

Arkemaにとって焦点はPEKKとRaynal氏。2018年Hexcelとの戦略的提携で、将来の航空機向けCF/熱可塑性テープ開発、顧客への低コスト・高速生産提供に注力。このパートナーシップの一環で、フランスに共同R&Dラボ設立中。

1,350万ユーロ、48ヶ月のHighly Automatized Integrated Composites for Performing Adaptable Structures（HAICoPAS）プロジェクトはArkema-Hexcel戦略的提携の継続。IS Groupe、カスタム機械設計Ingecal（フランス、シャシュー）、Coriolis Composites（フランス、ケヴェン）、Pinette Emidecau Industries（フランス、シャロン・シュル・ソーヌ）、大学研究室コンソーシアムを含む全仏協力。HAICoPASは複合材部品生産のための材料設計・製造を最適化し、高速で競争力のあるコスト達成を目指す。また、複合材配置/積層のより生産的技術と、オンライン品質管理付き溶接による最終部品組立の新システム開発も目指す。

ターゲット用途は航空機一次構造、自動車産業構造部品、石油ガス産業パイプライン。熱可塑性材料が提供するリサイクル性と持続可能性メリットもこれら市場で重要であり、HAICoPASで実証・定量化される。

「ISWで提供できる利点の一つは、2017年の動的誘導溶接プロセス比必要電力50%以上削減です」とRaynal氏指摘。「従来の誘導では表面を加熱するため高電力が必要。だが界面にサセプターがあれば、加熱する表面がはるかに小さく、エネルギーも大幅に削減。」これはストリンガー半径での脱密実防止にも寄与。「過度に加熱すると半径の材料が軟化し、ここで繊維が動く可能性があります。溶接される基板の接触ゾーンのみを完璧に加熱し、半径を加熱しない必要があります。ISWではこれが問題になりません。」

しかし熱的課題は残る。「平坦形状では熱制御は簡単ですが、形状複雑性が増すとより困難になります」とRaynal氏。「2020年の主目標は開発継続と代表的スケールでのストリンガー-スキン溶接達成。新規航空機開発プログラムへの技術導入も焦点。」

詳細はJEC World 2020、ホール5、ブースN89のComposite Integrityで。