専門家ガイド：熱可塑性複合材溶接の科学と技術

熱硬化性マトリックス複合材とは異なり、熱可塑性複合材（TPC）は複雑な化学反応や長時間の硬化プロセスを必要としません。熱可塑性プリプレグは冷蔵不要で、実質的に無限の保存寿命を持ちます。航空宇宙用TPCに使用されるポリマー――ポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリエーテルケトンケトン（PEKK）、ポリアリルケトン（PAEK）――は、完成部品に高いダメージトレランス、耐湿性・耐薬品性を与え、高温多湿条件下でも劣化しません。そして再溶融可能で、修復と寿命末期リサイクルにメリットを約束します。しかし、TPCが開発中の航空機で最大の採用ドライバーとなっているのは、コンポーネントを融着/溶接で接合できる能力です。これは、熱硬化性複合材（TSC）部品の接合に用いられる従来工法――機械的締結と接着接合――に代わる魅力的な選択肢を提示します。

広く引用される論文「熱可塑性複合材の融着/溶接」（Ali Yousefpour著、カナダ国立研究評議会）で定義される通り、「融着プロセスは、接合面のポリマーを加熱・溶融させ、これらの面を圧着してポリマーの凝固と圧密を促すものです。」その結果は熱硬化性接合とは大きく異なります。

「ユニタイズド構造、例えばリブとスキンの溶接を作り出します」とGKN Fokker（オランダ・ホーヘフェーン）航空構造R&T責任者Arnt Offringa氏。「顕微鏡で見ると、均質なポリマーしか見えません。これは接着とは異なります。境界線も、分割も、接着剤のような識別可能な接合材料もありません。同じポリマーが溶接両面にあるだけです。だから当局は機械的ファスナーなしでこの接合を認めるのです。」（Offringa氏はここで「接合」ではなく「join」という言葉を使っています。溶接プロセスの結果は継手ではなく、1つの固体だからです。）

実際、このような溶接TPC構造は数十年間飛行実績があります。抵抗溶接と誘導溶接が最も確立された2手法ですが、超音波溶接、レーザー溶接、伝導溶接なども複合材用途で発展中。予測プロセスシミュレーションソフトウェアの信頼性確保、溶接プロセス変数のインライン制御強化、航空機一次構造生産への溶接プロセス拡張を目指し、これら手法の開発が継続されています。

抵抗溶接

KVE Composites Group（オランダ・ハーグ）と並び、GKN FokkerはTPC溶接開発のリーダーとして認知されています（CWのFokker Aerostructuresツアー参照）。「1990年代初期に抵抗溶接から始めました」とOffringa氏。「この手法の優雅さは、熱が溶接界面まさにその場所で発生することです。」溶接界面の抵抗素子に電流を流し、熱を発生させて熱可塑性ポリマーを溶融（図1）。しかし、この抵抗素子――金属またはカーボンファイバー（CF）――は完成部品に残ります。「PPSコート金属メッシュを抵抗素子とする手法を開発し、1998年に抵抗溶接CF/PPS主着陸装置ドアをFokker 50ターボプロップ機で認定・搭載」とOffringa氏。「これがAirbus UK（英国・ブロートン）との対話につながり、ガラス繊維/PPS固定前縁のA340/A350、そしてA380ワイドボディ機への採用へ発展しました。」GKN Fokkerは抵抗溶接研究を継続、主に炭素繊維強化プラスチック（CFRP）に焦点を当てています。

技術は進歩しました。Premium AEROTEC（ドイツ・アウクスブルク）は、2018年ILAベルリン航空ショーでエアバス（フランス・トゥールーズ）A320後部圧力隔壁実証機を展示。8つのプレス成形CF布/PPSセグメントを抵抗溶接で組み立て。「しばらく抵抗溶接を使用してきました」とドイツ航空宇宙センター（DLR）アウクスブルク軽量生産技術センター（ZLP）責任者Dr. Michael Kupke氏。「Premium AEROTEC実証機では、溶接線長を1.5mまで延長しました。」

ZLPは、レガシーのステンレス鋼メッシュではなく、カーボンファイバー製抵抗素子を選択。「誘導溶接では、望む場所に温度とエネルギーを集中させ、他所に漏らさないのが難しい」とKupke氏。「抵抗溶接ではこれは本質的に解決されますが、これまでの欠点は抵抗体が部品に残ることでした。」カーボンファイバー抵抗体を用いることでこの欠点を緩和。

基本手法は同じ。「電圧を印加し、両部品に圧力をかけて良好な圧密を得ます」と同氏。「小型部品ならロボットエンドエフェクターが圧力をかけますが、大型部品なら治具でクランプ圧を提供する必要があります。」A320後部圧力隔壁用治具は、Premium AEROTEC製の曲面金属「溶接ブリッジ」（図2）。回転して8つの溶接線それぞれの上に位置し、内部の10気圧シリンダーで必要圧力を印加。

PPSに加え、Kupke氏のDLR ZLPチームはこのプロセスがカーボンファイバー布/PEEKでも機能することを検証。「PEEKが使えれば、PEKK、PAEK、PEIへの適応も可能」と同氏。「単方向（UD）テープも溶接可能のはず」とも指摘（UDテープ溶接の課題は後述）。溶接される部品厚に制限はないとのこと。「3mmでも30mmでも可能だが、溶接界面の熱管理には注意が必要。」

次のステップは、最適化されたCF抵抗素子のレンジを開発すること。「今回は市販材を使用しただけです。」Kupke氏はこれが実証機に過ぎず、産業プロセスではないと指摘。「A320隔壁の各接合で溶接プロセスに4分かかりましたが、実際に溶接電流を流したのは90秒のみ。残りは溶接線のPPS熱可塑性材料の加熱と冷却時間。産業化すれば総時間は短縮され、溶接自体は1.5m接合あたり60-90秒のままになると考えています。」

誘導溶接

KVEは2000年代初期から誘導溶接に取り組み。基本技術は、誘導コイルを溶接線に沿って移動させること。コイルが本質的に導電性のCFRPラミネートに渦電流を誘起し、熱を発生させて熱可塑性を溶融。「単純ラップせん断試験片からビルディングブロックアプローチで始め、L継手、T継手、基本構造、そしてエレベーターとラダーへと進みました」とKVEマネージングディレクターHarm van Engelen氏は回顧。

並行してコンピュータシミュレーションを開発。「シミュレーションで外表面と溶接線の温度を予測できます」と同氏。「溶接線に熱を集中させ、隣接区間を過熱させない必要があります。表面の方が界面より速く加熱されるため、その熱を逃がす必要があります。」KVEは、熱管理技術と工具材料、溶接中の圧力維持への工具ベースアプローチ、誘導コイルと溶接ヘッドのロボット制御を特許取得。2005年までに開発完了。

「これはCFRP向けに、サセプターや溶接ストリップを必要としない抵抗溶接の代替手段を提供しました」とGKN FokkerのOffringa氏。「KVE技術をライセンスし、2008年から飛行しているGulfstream G650エレベーターとラダーに実装。」KVEはロボット誘導溶接プロセスの開発と産業化でキーパートナー。洗練された第2世代技術がDassault Falcon 5Xのエレベーターとラダーに使用。Van Engelen氏によると、G650用溶接は自動化されていたが複数ステップで完了。「Dassaultでは一発で完了します。すべての部品を治具にセットし、2つのエレベーターと1つのラダーを一晩のシフトで溶接。」

2008年までにKVEはUD CF/PEKKテープの単純ラップせん断（SLS）試験を開始し、熱可塑性安価一次航空機構造（TAPAS）プログラム用実証機を生産。2010年までに、落雷保護（LSP）付き誘導溶接UD CFラミネートの3Dシミュレーション完了、厚板ラミネート（UD PEEK・PEKKで≤5mm、カーボンファイバー布/PPSで≤15mm）での実績。Boeing（米国・シカゴ）Phantom Eye UAV用TPCラダーを設計・製造、Boeingが2011年から生産開始。2014年までに誘導溶接UD CF/PEKK実証機を生産、現在は複数OEMとTier 1サプライヤーと協力し、他航空機構造への技術認定を支援中。

布からUDテープへの移行

誘導溶接はカーボンファイバー布に適しているとOffringa氏。「しかしUDテープでは、生産速度達成に向けた新たな課題セットがあります。」

サウスカロライナ大学McNairセンターのSmartState多機能材料・構造センター所長Dr. Michel van Tooren氏は、「CFRPラミネートでの誘導には、できるだけ離れた角度の2方向の繊維――理想的には直交する角度――が渦電流生成に必要」と説明。織物の直交0°と90°繊維配向は理想的で、ラミネート各プライで渦電流生成を可能にします。しかしUDラミネート積層では、45°プライが混在するのが一般的で角度差が小さくなります。「これら方向が直交していないため渦電流加熱メカニズムに影響します」とKVE R&D責任者Maarten Labordus氏。「プライ間に明確な繊維クロスオーバーもなく、ただ重ねられているだけ。したがって布ラミネートと比較してより多くの電力で電流を誘起する必要があります。」

しかし、電力を増やしても溶接プロセス管理が容易になるわけではありません。電気出力と溶接線温度のバランスは、積層順序だけでなくラミネート厚と部品形状によっても溶接プロセスが変化するため、単純ではありません。「プロセスパラメータと材料での熱発生を分析します」とTPRCテクニカルディレクターSebastiaan Wijskamp氏。「溶接性能を事前に予測するガイドラインと設計ツールが欲しい。布からUDへ切り替える際、試行錯誤なしでどう迅速に対応できるか。繊維とポリマーの電気・熱伝導特性、特定積層構成、部品形状も考慮したシミュレーションがあれば、部品ごとに溶接プロセスを設計可能。KVEとMcNairセンターのMichel van Tooren氏と共同研究で、これらガイドラインとツールの基礎理解を開発中。」

「UD vs 布、積層順序、樹脂リッチ/リーン領域など全要素を定量化し、それらの関係を確立、汎用溶接モデルにフィードバックしています」とLabordus氏（図3）。樹脂リッチ領域は絶縁体として熱を遅らせ、樹脂含有率が低い（繊維含有率が高い）領域は加熱を促進。「最初はUDで溶接予測が40%ずれていましたが、現在は10%以内に収まり、CF布/PPSでの高精度レベルに近づいています。」

Van Tooren氏もUDラミネートの誘導溶接性能を予測できる段階に接近。「2018年末までに、比較的単純な形状で機能するシミュレーションツールを完成させ、必要なコイル形状、電力、ロボット速度、加熱プロファイルを特定可能にします。」この予測能力は、物理試験と並行して開発され、将来の航空機でより大型の一次構造部品への溶接TPCコンポーネント採用を支援。Van Tooren氏のラボはKVEとの研究パートナーで、KVEの施設（ハーグ）、オランダ航空宇宙センター（NLR、アムステルダム）、熱可塑性複合材研究センター（TPRC、Enschede）とともに、KVE開発の標準誘導溶接セットアップ（図4）を導入した4サイトの一つ。OEMとTier 1サプライヤーでのプロセス認定を支援（「熱可塑性複合材溶接の新地平」参照）。

特注誘導コイル

別の誘導溶接アプローチとして、Composite Integrity（フランス・Porcelette）が「動的誘導溶接」プロセスを開発。STELIA Aerospace（フランス・トゥールーズ）Arches TP構造実証プロジェクトで、CF/PEKK UDテープストリンガーと胴体スキンを接合、2017年パリ航空ショーで発表（図5）。Composite IntegrityはInstitut de Soudure（IS Groupe、フランス・Villepinte）内の複合材部門。「100年以上のIS Groupe金属溶接経験を活かし、材料、厚み、部品形状ごとに最適化した独自誘導コイルを設計・製造。織布、ノンクリンプファブリック、UD用特定コイルを含む」とComposite Integrityビジネス開発マネージャーJérôme Raynal氏。「UDの主要問題は、誘導電流を生成する溶接ノードがないこと。そのため特定コイル――この場合マルチコイル――が必要。」

25年前にPôle de Plasturgie de l'Est（PPE）として設立、Composite Integrityはフランス航空宇宙企業向けRTMとエポキシ樹脂インフュージョン航空機構造のリーダー。2016年IS Groupeに統合。Aviacomp（フランス・Launaguet）と協力し、Airbus A350航空機用TPC燃料アクセスドアの共硬化溶接技術を開発。「成形内外部品表面の抵抗成分が溶接線に熱を供給」とRaynal氏。

Composite Integrityは2015年からSTELIA Arches TPプロジェクトに取り組み、胴体サイズの曲面部品誘導溶接を実現。プロセスが「動的」と呼ばれるのは、ロボットがストリンガーを胴体長手方向に溶接しかつ溶接中のZ方向移動を含む3D形状に対応するため。「STELIA実証機のストリンガーとスキン両方に厚み変化があります」とRaynal氏。アルミニウムレールが固定治具として機能し、溶接中のストリンガー移動を防止。実証機では、溶接ヘッドの2ローラーで圧力を印加。コイルの上に位置し、溶接中にローラーが固定レールに沿ってストリンガーに沿って走行しながらコイルが溶接線を通過。

「新たに特許出願中の溶接ヘッドを開発、シングルローラーで溶接線機械的特性を向上」とRaynal氏。「溶接面に圧力をかけてエアブロー冷却装置も搭載、結晶化温度以下を確保し、圧力解除後のデコンパクションリスクを排除。」

冷却対応は溶接線での熱可塑性マトリックス結晶化度にも影響。「結晶化度が航空宇宙規格を満たすか試験し、対応する溶接プロセスパラメータを確立」とRaynal氏。速度も要因。「実証機では2m/分、現在目標は5m/分。」PEEKとPEKKの冷却と結晶化管理はより複雑で、溶接全体速度に影響するが、「Airbus認定済みオルガノシートで両方とも良好な結果。」これまで溶接した最大厚みは5mm。「実証済みで、構造部品で想定される厚みです。」STELIAでは界面に金属なしでカーボンファイバーを導体として使用、現在はガラス繊維など「あらゆる繊維」を金属メッシュなしで溶接する技術を開発中。「界面に材料を追加せず、UD-布、UD-UDを問題なく溶接可能」と主張。

超音波溶接

第3の一般的技術、超音波溶接もGKN Fokkerが豊富な経験を持つ技術。ソノトロードで高周波（20-40kHz）振動を発生させ、溶接面で摩擦熱と溶融を生成。

「スポット溶接に適しています」とOffringa氏。Gulfstream機では「50,000個以上の射出成形TPC部品をフロアパネルに接合するのに超音波溶接を使用。非常に高速で高度に自動化可能だが、1箇所のみのスポット溶接。」それでも、Clean Sky 2プログラムの多機能胴体実証機（CW「熱可塑性複合材溶接の新地平」参照）のような一体成形胴体生産への潜在性を見出しています。「胴体ブラケットは、現在の熱硬化性複合材胴体構造では接着、リベット、ボルトで取り付けられます。超音波溶接なら、しばしば無補強熱可塑性であるブラケットと非常に良好な接合が可能。」

超音波溶接は数十年間プラスチックで使用されてきました。典型的には溶接界面にエナジーディレクターを配置。溶接面に成形される三角形または長方形の純樹脂リッジで、局所発熱を増大。しかし、Delft工科大学（TU Delft、オランダ・デルフト）のIrene Fernandez Villegas氏は、0.08mm厚の無補強熱可塑性フィルムが代替可能であることを示しました。「連続超音波溶接の開発に取り組んでいます」とOffringa氏。この研究はClean Sky 2で継続中。

2016年論文「熱可塑性複合材のスマート超音波溶接」で、Villegas氏は、隣接スポット溶接の連続ラインが連続溶接ビードと同等の目的を果たす、シーケンシャル溶接で超音波溶接プロセスをスケールアップ可能と述べています。ラボスケールのシーケンシャルスポット溶接がClean Sky EcoDesign実証機のTPC機体パネルで使用、フラットエナジーディレクターでCF/PEEKヒンジとCF/PEKKクリップをCF/PEEK Cフレームに溶接（図6）。二重ラップせん断と引き抜き試験での機械的締結継手との実験比較で有望な結果。2018年、Villegas氏のTU DelftチームメンバーTian Zhao氏の論文で更なる探求。

Kupke氏によると、DLR ZLPもロボットベース連続超音波溶接に取り組み中。「スポット溶接が現状ですが、我々のは真に連続です。」約1m長のテストベンチでパラメトリックスタディを実施中、異なる材料と構成で最適化。溶接機とデジタル制御はロボットマニピュレーター向け設計だが、ヘッドの改良、各材料・ラミネート厚に最適な速度とエネルギーを探索中。「胴体継手のような非常に長い溶接が可能であることを実証するのが目標。」

レーザー溶接

レーザー透過溶接はYousefpour氏の2004年TPC溶接技術レビューで議論されていましたが、以来Laser Zentrum Hannover e.V.（LZH、ドイツ・ハノーファー）によって大きく前進。このプロセスでは、レーザー光を近赤外スペクトル範囲で透明または半透明な部品（無補強熱可塑性やガラス繊維TPCなど）を通過させ、隣接するカーボンファイバーや導電性添加剤を含む第2の部品で吸収させ、レーザーエネルギーを熱に変換、2材料間で溶接を形成。

GKN FokkerのOffringa氏は、多くの射出成形航空機ブラケットがレーザー透過性であることを指摘。穴、粉塵、ファスナーなしで、これらブラケットをCFRP胴体構造にアセンブリするレーザー溶接の大きな可能性を見出しています。補強タイプとラミネート厚は溶接に影響するが、LZHはガラス繊維とカーボンファイバー強化PPS、ポリエーテルイミド（PEI）ラミネートで良好な結果を実証。熱可塑性複合材構造のレーザー透過溶接プロジェクト（LaWoCS、2010-2013）で、KVE、TenCate Advanced Composites（オランダ・Nijverdal）、Unitech Aerospace（英国・Yeovil）、Element Materials Technology（英国・Hitchin）も参加。LZHはこの技術を特許取得、2018年JEC Worldイノベーション賞航空宇宙用途部門ファイナリストに「モジュラー熱可塑性補強パネル」で選出。スタンプ成形CFRTP補強グリッドを複合材スキンにレーザー溶接。プロジェクトパートナーにはドイツ企業Fraunhofer ICT（Pfinztal）、Airbus Operations（Hamburg）、ElringKlinger（Dettingen an der Erms）、KMS Automation（Schramberg）、TenCate。

伝導溶接

誘導溶接を産業化した後、GKN Fokkerは伝導溶接を開発（図7）。「これは新技術です」とOffringa氏。「一種の熱いアイロンで、接合される部品の少なくとも片方を通じて熱を伝導します。抵抗溶接と同様、プロセス時間は溶接長に依存しない――つまり、接合が0.5mでも10mでも、両方でプロセス時間は同じ。」これは両技術とも電気で数秒以内に溶接長全体に熱を供給するため。JEC 2014で展示されたTPCオルソグリッド胴体パネルに伝導溶接を採用。「フレームは第2ステップで、溶接エンドエフェクター付きロボットで溶接。胴体パネルは曲面でフレームは比較的短い。しかしこの手法は、胴体スキンへの6-10m長ストリンガー溶接にも適している可能性。」

インラインプロセス制御とその先

TPC溶接を胴体構造用に成熟させる重要ステップは、プロセスをその場で監視・管理する能力。「現在、誘導溶接プロセスは事前設定されています」とKVEのvan Engelen氏。「溶接線の熱電対でプロセスを較正。しかし、溶接部温度を測定し、それをフィードバックしてコイル電力を管理することを好みます。」

「溶接プロセスはデジタル制御され、全プロセスデータが保存されます」とGKN FokkerのOffringa氏。「しかし、リアルタイム温度測定ベースのインラインプロセス制御へ移行中。」数年内に誘導・抵抗溶接で可能、超音波溶接は既にかなり近いと考えます。TU DelftのVillegas氏は、シーケンシャル超音波溶接のインラインプロセス監視が、溶接機から提供される電力と変位曲線ベースで可能と述べ、最適処理パラメータを迅速に定義可能。

プロセス制御に加え、KVEはインライン検査にも取り組み中。「溶接に問題があれば、戻って再溶接すればよい」とvan Engelen氏。

「これが熱可塑性複合材の優れている点です」とComposite IntegrityのRaynal氏。「再溶接しても傷みません。抵抗溶接で通電することで分解可能な、溶接・脱溶接の特定技術もあります。」同社もインライン検査を開発中。「誘導溶接ヘッド直後にサーモグラフィーセルを配置し、ライブサーモグラフィーで溶接をチェック」とRaynal氏。Van Tooren氏もインラインプロセス監視と検査を追求中だが、Luna（米国・バージニア州ロアノーク）のODiSIシステムなどファイバーオプティックセンサーを使用、1メートルあたり1,000ポイント以上のセンサーポイントを提供。

TPRCとVan Tooren氏はそれぞれ、大型曲面構造と厚み変化（ストリンガーのプライビルドアップとドロップオフ）を含む誘導溶接のインラインプロセス制御開発プロジェクトを進行中。Van Tooren氏はバキュームバッグ下での誘導溶接も開発中。「2つの溶接面の圧縮のためのソフト工具のようになります」と同氏。現在は修復用途を主眼（「熱可塑性複合材溶接の新地平」参照）。Van Engelen氏のKVE今後開発リストには、TPC修復、ガラス繊維TPC誘導溶接、非航空用途、フラックスコンセントレーターも含まれます。「溶接線に電磁場を集中させる反射材料を開発中。エネルギーを部品外表面ではなく、ここに集中させたい。これらフラックスコンセントレーターでエネルギーを誘導、自動配置で繊維を望む場所に導くのと同様に。」

「すべての溶接技術を開発中です」とOffringa氏は総括。「新しいものも探求中。最も重要なのは、最も有望な単一技術があるのではなく、それぞれに適した場面があると考えていること。」

Wijskamp氏は、最近のClean Sky 2公募で、Airbusが大型機体構造で溶接TPCを使用したいことが明確になったと指摘。「しかし、2009年以来参加した19パートナーで既に見えていました。」

Van Tooren氏は、溶接・ファスナーレス大型コンポーネント、もしくは完全な胴体でなくても、手の届く範囲にあると確信。「望ましくはBoeing新型中型機で、だが確実に次期航空機で。」