浮空器用柔性复合材料焊接技术研究

浮空器用柔性复合材料焊接技术研究

闻路贤

中国电子科技集团公司第三十八研究所 , 安徽省合肥市 230031

摘要：近年来，世界各国对临近空间的探索力度不断提升，由此，科研部门对各类浮空器的研究力度空前提升，更加优越的构型以及制作材料被不断应用与浮空器之中。柔性复合材料就是在此背景下被投入到浮空器之中。基于此，本文将针对浮空器用柔性复合材料焊接技术相关问题进行研究，探索柔性复合材料的应用对浮空器焊接工艺的影响，希望对相关工作人员提供参考意见。

关键词：柔性复合材料；浮空器；焊接技术

引言：浮空器是系留气球、超压气球等设备的统称，此类设备的应用原理为通过在浮空器内部设置数个充满H₂等轻质气体的气囊作为升力来源。通常情况，浮空器一般应用于10~40km高度的临近空间，实际运行轨道低于卫星，但滞空时间远超于传统飞行器，根据浮空器类别以及所搭载电子设备的不同，可以实现气象探测、高空侦查、通信中继等多种功能。近年来，国内外科研机构在浮空器技术方面的研究系统性不断提升，重点集中在对浮空器运行可靠性具有直接影响的柔性复合材料嚢体上。现阶段，国内在以及聚芳酯纤维材料、芳纶纤维织物等作为浮空器嚢体承力层主要组成材料中的柔性复合材料研究较为深入，但是在实现柔性复合材料拼接的焊接工艺方面研究相对较少，因此，本选题具有一定现实意义。

1.柔性复合材料焊接技术试验设计

1.1柔性复合材料选择

当前阶段，世界各国对柔性复合材料的研究中，均将承力层、黏接层、阻隔层以及耐候层作为复合材料的主要组成部分，其中承力层结构主要采用200D F-12长丝平纹织物作为主要材料，面料密度通常控制在75g/m²；阻隔层以及耐候层对材料功能性要求较高，因此，选择功能性高分子膜材料作为主要原材料。不同材料之间通过胶黏剂黏接实现符合目的。根据浮空器实际运行要求，柔性复合材料经向以及纬向拉伸强度分别为749N/cm以及725N/cm。

焊接带设置为包含阻隔层、承力层、焊接层在内的三层复合结构。

1.2试验方法选择

本次试验方法采用常规焊接方式，利用高频焊接机采取对接方式进行操作。

1.3试验仪器以及测试方法

本次焊接试验采用焊接设备以及测试设备为常规焊接作业中所使用设备，分别为高频热合焊接机以及Instron型万能强力机。

本次试验所检测环节主要分为焊接拉伸强度以及焊接剥离强度两部分，分别参考FED-SDT-191A.5102以及GB 8808-1988 B法。

2.实验结果分析

2.1承力层材料疏密度与焊接性能之间的关系

本文试验设计中，通过对承力层织物总盖覆紧密度对表征织物疏密程度进行表示，在材料组织结构相同的条件下，织物纱线直径以及密度直接影响材料总盖覆紧度。织物表面被经、纬纱线盖覆面积以及织物总面积之前的比率即为承力层织物总盖覆紧密度。从实际研究结果分析，织物总盖覆紧度与织物结构之间成正比关系，织物结构紧密性会随着总盖覆紧度增加而增加。具体紧密度可有公式（1）

~公式（3）计算所得。

(1)

(2)

(3)

其中， 、 、 分别表示织物总盖覆紧度、织物经向紧度以及植物纬向盖覆紧度，单位为%； 、 分别表示织物荆沙盖覆直径以及纬纱直径，单位为厘米； 、 分别表示经纱以及纬纱密度，单位为根/cm。

本次试验对F-12长丝密度以及焊接带焊接性能之间关系进行试验。分别采用规格为200D、400D、600D的长丝平纹织物制备3种焊接带，其各层织物密度及复合工艺均为同等条件，试验结果如表1所示。

表1 不同规格焊接带试验结果

通过分析表1中的数据可知，长丝线密度与织物总盖覆紧度成反比关系、与织物结构紧密性与焊接剥离强度之间成正比关系。织物总盖覆紧度会随着长丝线密度提升而减少，而结构紧密度与剥离强度则会随着长丝线密度提升而提升。从实验结果分析，承力层长丝线密度与焊接带焊接拉伸性之间的关系较少，同时600D规格焊接性能较好，但是受结构疏松等情况影响，焊接过程中容易出现结构变形情况，进而影响制备工艺，因此，实际焊接过程中应选择400D规格的材料进行制备。

2.2焊接带承力层组织结构与焊接性能之间的关系

当前阶段，浮空器嚢体柔性复合材料织物结构应用最为广泛的为平纹、斜纹以及缎纹结构。三种结构外观性能方面存在明显差异性。因此，本文在实际研究中采用400D规格的织物制作8种不同结构的织物。通过试验结果可知，21/11复合斜纹焊接带与焊接性能之间存在一定关联，剥离强度达到23.6N/cm。本文研究中对21/11复合斜纹焊接带、1/1平纹焊接带以及5/2缎纹焊接剥离破坏结果进行分析。可知，21/11复合斜纹焊接带焊接玻璃效果最好，整体应力分布较为均匀，焊接带与材料表面明显附着有焊接层材料，剥离现象明显。

总结：综上所述，当前世界各国对浮空器嚢体织物材料研究重视程度较高，实际发展过程中对相关问题的研究较为深入。本文通过试验对织物与焊接之间的关系性进行研究，并得出以下结论：第一，长丝线密度与织物总盖覆紧度成反比关系、与织物结构紧密性与焊接剥离强度之间成正比关系。织物总盖覆紧度会随着长丝线密度提升而减少，而结构紧密度与剥离强度则会随着长丝线密度提升而提升，同时通过试验分析结果可知，密度规格为400D的F-12长丝织带焊接效果最好；第二，在对织物结果进行研究试验分析可知，浮空器嚢体承力带所用柔性复合材料应用21/11复合斜纹织物以及1/1平纹织物结构最为合适，此结构织带焊接剥离效果最好，其他结构织带性能相对较低，难以满足焊接带承力层应用需求，一定程度上会威胁浮空器运行安全性。

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