热塑性复合材料焊接在空间应用中的初步评估——探索应用热塑性材料开发（TDEA）项目

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热塑性复合材料（TPC）焊接在未来空间结构连接应用中具有广阔前景。NASA探索应用热塑性材料开发（TDEA）项目通过数百次焊接试验和多种接头构型评估，为这一长期目标做出贡献。本报告总结了焊接试验的关键发现，并评估了该技术在空间应用中的潜力。焊接试验包括在实验室环境中对阻力焊、感应焊和超声焊三种方法的试样级评估，应用于五种TPC材料（包括无定形和半结晶树脂）。采用单搭接剪切构型，在单个试样上进行焊接（点焊），适用于桁架结构装配。所有焊接方法和材料组合均出现缺陷，包括未焊合区域、分层、孔隙率或变形（厚度减薄、纤维推出）。通过无损检测（NDE）和光学显微镜验证缺陷。尽管存在缺陷，某些焊接方法与材料体系的组合仍获得高搭接剪切强度（LSS）和低变异系数（COV）。一般而言，当焊接组织对材料体系具有丰富经验时，缺陷程度较低，LSS较高。基于试样级焊接经验，总结了三种焊接方法的优势、局限性和技术空白。准确控制焊接过程中的压力和温度对产生强度高、致密性好的焊缝至关重要。项目选择了一个具体应用作为测试案例评估制造规模化：月球南极168英尺高的桁架塔，在月面上通过焊接接头构建。制造并测试了代表最高负载接头的子单元级结构接头，选用超声焊接。超声焊接试验成功开发并测试，负载超过设计要求。报告还涉及空间环境关键材料性能，包括放气率和热膨胀系数（CTE）。月球风化物污染条件下的超声焊接试验表明对污染敏感性低，这对多尘行星体表焊接至关重要。初步研究表明试样级焊缝重新装配的可行性，可用于维修或重构以满足未来任务需求。研究结果表明可获得满足设计要求的高强度焊缝，并在试样和子单元级得到验证。获得该结果需要针对特定焊接方法、材料和焊接构型进行大量工艺开发，以控制接头强度变异性。未来工作需深化对焊接过程的理解，通过热真空室试验使其适应空间环境，并表征焊接接头在相关环境下的结构行为。

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